基于TMS320F2812 DSP控制器的電動機速度調(diào)控試驗臺

1、基于TMS320F2812 DSP控制器的電動機速度調(diào)控試驗臺Experiment Platform for the Motor Velocity Control based on the DSP摘要: 為了使電動機控制與信息系統(tǒng)緊密結合,同時也為了提高電動機速度調(diào)控系統(tǒng)自身的性能,必須使電動機速度調(diào)控系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化控制。本文開發(fā)了一種高性能的基于DSP的電動機速度調(diào)控試驗臺。該試驗臺的硬件主要由兩部分組成:DSP主控制器電路板及主電路板。關鍵字: DSP, 速度調(diào)控, 電動機, 控制電路Abstract: For the combination of motor control and t

2、he information system, and the improvement of motor control system, its necessary to implement the digital control on the motor control. A new motor control system based on DSP chip is developed in this paper. The hardware of the system is consists of two parts: the main controller circuit board and

3、 the main circuit board.Keywords: DSP; Velocity Control; Motor; Control Circuit1 引言由于不同的電動機系統(tǒng)需要用不同的數(shù)字變頻系統(tǒng)來控制,所以人們都要編寫專用的控制器軟件。一個新的速度調(diào)控算法是否可行,必須通過實驗來驗證,通常的做法是:利用MATLAB軟件包進行仿真,檢驗算法的理論可行性,在理論可行的基礎上設計并制作一套實際電路,通過實踐來檢驗。采用這種方法,一個速度調(diào)控算法從提出到最后實踐檢驗通過,一般需要半年以上的時間,周期較長,影響延緩了技術更新的速度。我們設計這個數(shù)字化電動機通用控制試驗臺主要有以下兩個目的

4、。第一,數(shù)字化電動機通用控制試驗臺是給剛接觸電動機速度調(diào)控控制的人們提供一套可以直接進行電動機速度調(diào)控控制的試驗臺。第二,數(shù)字化速度調(diào)控的通用控制試驗臺是給專門研究速度調(diào)控算法的研究人員提供完備的速度調(diào)控研究設備。2 硬件試驗平臺結構介紹數(shù)字化通用控制試驗臺的硬件平臺由幾個部分組成:一是負責控制算法的主控芯片及外圍設備,系統(tǒng)中選用了TI公司的TMS320F2812 DSP控制器,它功能強大,運行速度快,是專門為電動機控制應用優(yōu)化的控制芯片,完成各種模擬、數(shù)字信號的采樣;一是電動機驅(qū)動電路,完成交-直-交變頻速度調(diào)控的功率驅(qū)動;還有就是用于實驗的電動機機組。有了這三部分,數(shù)字化速度調(diào)控控制研究就

5、有了實驗臺,可以進行實驗,驗證速度調(diào)控算法的實際運行效果。圖1給出了數(shù)字化通用速度調(diào)控試驗臺的硬件平臺結構圖。3 控制芯片TMS320F2812數(shù)字化通用控制試驗臺當然不能沒有負責控制的CPU。本試驗臺采用的是TI公司的TMS320F2812 DSP,該系列處理器是基于TMS320C2xx內(nèi)核的定點數(shù)字信號處理器。器件上集成了多種先進的處設,為電動機及其他運動控制領域應用的實現(xiàn)提供了良好的試驗臺。F281x系列DSP有很高的運算精度(32位)和系統(tǒng)的處理能力(達到150MIPS)。16通道高性能12位ADC單元提供了兩個采樣保持電路,可以實現(xiàn)雙通道信號同步采樣。TI公司的TMS320F2812

6、控制芯片完全可以滿足高性能的數(shù)字化通用控制試驗臺的主控芯片的要求。下面分別簡單介紹該DSP控制器的各個模塊。 圖1 數(shù)字化通用速度調(diào)控試驗臺的硬件平臺結構圖4 DSP主控板DSP主控板主要是主要的控制部分,核心是TI公司的TMS320F2812 DSP控制器,提供控制器可以正常運行的一切條件以及和外圍設備的硬件接口,這些外圍設備的接口包括外部存儲器、通訊以及和功率驅(qū)動的接口,及信號采樣電路等主要是弱電控制部分。4.1 DSP控制器需要的電源DSP是整個控制板的核心部分,如果要讓其能夠正常的運行,就必須給DSP提供一個合適的電源。該主控板的芯片是TI的TMS320F2812,它要求雙電

7、源來給CPU、FLASH、ADC和I/O上電。CPU的電源電壓是1.8V(135MHz)或者是1.9V(150MHz)。Flash的編程電壓和I/O電壓均是3.3V。我們先設計輸出為5V/+-15V/18V的開關電源,然后用芯片實現(xiàn)5V到3.3V及1.8/1.9V的電源轉換,提供給DSP控制器正常的工作電壓。+-15V用作一些采樣電路中運放的電源。4.2 DSP控制器的時鐘DSP控制器要能夠正常地工作,除了要有電源之外,還有提供時鐘源。TMS320F2812 DSP控制器有一個在片、基于PLL的時鐘模塊。這個模塊提供了所有必要的時鐘信號,PLL有4個倍率控制比特來選擇不同的CPU時鐘速率。由于

8、晶振的頻率穩(wěn)定,是目前使用最多的外部時鐘源。下面給出了典型0MHZ的外部石英晶振的特性如下,如圖2所示。 圖2 30MHz石英晶振的特征圖4.3 擴展RAM由于我們的數(shù)字化通用控制試驗臺的程序量和數(shù)據(jù)處理量都比較大,我們在DSP控制器系統(tǒng)板上擴展了512K×16的外部RAM。我們選擇了Zone6來擴展外部RAM。4.4 通訊模塊DSP控制板具有很強的通訊功能。通訊模塊包括了JTAG,CAN,SPI和以太網(wǎng)模塊。以太網(wǎng)模塊模塊的接口主要用來在計算機和DSP控制器之間傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)。由于我們用到了以太網(wǎng)通訊,這里簡要的介紹一下我們用到的以太網(wǎng)控制器RTL8019AS,它的主要性能

9、如下:符合Ethernet II與IEEE802.3標準;全雙工,收發(fā)可同時達到10Mbps;16KB的SRAM,用于收發(fā)緩沖降低對主處理器的速度要求。8/16位數(shù)據(jù)總系線,8個中斷申請以及16個I/O基址選擇;內(nèi)部可分為:遠程DMA接口(是指DSP與RTL8019AS內(nèi)部RAM進行讀寫的接口);本地DMA接口(是指RTL8019AS與網(wǎng)線的接口);MAC邏輯功能:當控制器向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時,先將一幀數(shù)據(jù)通過遠程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩存區(qū),然后發(fā)出傳送命令;當RTL8019AS完成了上一幀的發(fā)送后,再開始此幀的發(fā)送。RTL819接收到的數(shù)據(jù)通過MAC比較、CRC校驗后,由FI

10、FO存到接收緩沖區(qū);收滿一幀后,以中斷或寄存器標志的方式通知主處理器。FIFO邏輯對收發(fā)數(shù)據(jù)作16字節(jié)的緩沖,以減少對本地DMA請求的頻率。RTL8019AS的65腳jp的功能在于選擇配置RTL8019AS與控制其處理器的接口工作模式,設計中通過將其設為高電平選擇跳線方式,即RTL8019AS的I/O和中斷由跳線決定,不需外擴EEPROM存儲信息來控制RTL8019AS的I/O和中斷。減少了連線,提高了高頻電路的穩(wěn)定性。以太網(wǎng)的接口電路框圖如圖3所示。 圖3 以太網(wǎng)的接口電路框圖4.5 AD采樣模塊DSP控制板包含了電動機控制的AD采樣模塊,包括直流母線電壓,電流采樣,三相電壓采樣及

11、兩路備用采樣電路,其余沒有用到的AD采樣通道均以接口方式接出,以備不時之需。所有的AD采樣信號都先通過濾波、電平處理和電壓鉗位等調(diào)理電路,使輸入DSP AD模塊的采樣檢測信號電壓大小在DSP控制器的容許電平范圍內(nèi)(03V),以免燒毀DSP控制器。4.6帶硬件死區(qū)PWM控制信號我們的PWM信號都是由DSP控制器的事件管理器EVA模塊產(chǎn)生的,在系統(tǒng)板上,我們防止逆變器中上下臂直通造成短路,設置了一個硬件死區(qū)電路,保證上下臂不會同時導通,留一小段上下臂都施加關斷信號的死區(qū)時間。死區(qū)時間的長短主要由器件關斷時間決定。但死區(qū)時間不能太長,因為死區(qū)時間會給輸出PWM波帶來影響,使其稍稍偏離正弦波。5 主電

12、路設計主電路主要包括EMI濾波、整流電路和開關逆變電路。5.1 EMI濾波電路為了減少干擾,我們采用了EMI濾波電路,如圖4。 圖4 EMI濾波電路電路中包括共模扼流圈(亦稱共模電感)L、濾波電容C1C4。L能起到抑制共模干擾的作用,當出現(xiàn)共模干擾時,由于兩個線圈所產(chǎn)生的磁通方向相同,經(jīng)過耦合后總電感量迅速增大,因此對共模信號呈現(xiàn)很大的感抗,使之不易通過,故稱作共模扼流圈。C1和C2采用薄膜電容器,容量范圍大致是0.010.47(F),主要用來濾除串模干擾。C3和C4跨接在輸出端,并將電容器的中點接地,與電路中的共模扼流圈L相配合,能有效地抑制共模干擾。5.2逆變電路由于這個數(shù)字化通

13、用控制試驗臺既可以用于控制直流電動機,交流電動機,還可以用于控制開關磁阻電動機,所以,主電路在接法上有所講究。圖5所示即是我們的逆變器部分的電路圖。 圖5 逆變器部分電路圖當我們用于控制直流電動機,交流電動機時,JPU、JPV、JPW閉合,而且分別接電動機的U,V,W三相;當我們用于控制開關磁阻電動機時,把U,V,W三相分別串聯(lián)在JPU、JPV、JPW上。6 檢測電路檢測電路的主要模塊包括:相電壓電流采樣電路,直流臂電壓電流的采樣電路。采用霍爾傳感器檢測方式,相電壓和電流信號經(jīng)過傳感器都轉換為電流信號,進入采樣板后,先通過一個下拉電阻轉換為電壓信號,再加一級跟隨電路,后接一個二階濾波電路,濾波后調(diào)幅,平移,之后限位。直流母線電壓及電流的采樣同樣采用電壓霍爾傳感器檢測。此電壓霍爾傳感器及電流霍爾傳感器是應用霍爾原理的閉環(huán)傳感器。具有高精度