異步電動機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)平臺設(shè)計研究

摘要  普通的運(yùn)動控制系統(tǒng)片上資源少、處理速度慢，難以實(shí)現(xiàn)較大信號實(shí)時處理的需求，已不能滿足高性能的交流調(diào)速控制策略和先進(jìn)的控制算法，在異步電動機(jī)中的運(yùn)用。研究開發(fā)基于DSP TMS320F2812與CPLD為控制核心的異步電動機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)平臺，利用該平臺可快速完成電機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用。介紹了該開發(fā)平臺的軟硬件設(shè)計，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的擴(kuò)展功能、靈活性及應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞  TMS320F2812；EPM57OZM144C7N；異步電動機(jī)；開發(fā)平臺

    隨著電力電子技術(shù)、電機(jī)控制理論和微控制器的不斷發(fā)展，現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。目前，高性能的調(diào)速控制策略和現(xiàn)代控制理論已逐步應(yīng)用于交流電動機(jī)控制領(lǐng)域，普通運(yùn)動控制系統(tǒng)已不能滿足高性能調(diào)速控制要求，建立以DSP+CPLD為控制核心的異步電動機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)平臺，對于研究高性能運(yùn)動控制策略具有重要意義。它不僅可以減小系統(tǒng)體積，而且可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的實(shí)時控制、提高系統(tǒng)運(yùn)算能力，此開發(fā)平臺可方便用戶快速完成電機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用。

1 開發(fā)平臺硬件總體設(shè)計
1．1 開發(fā)平臺總體設(shè)計及特點(diǎn)
    該開發(fā)平臺以三相異步電動機(jī)作為被控對象，以控制器TMS320F2812與復(fù)雜可編程邏輯器CPLD作為控制核心，主電路為典型的三相交-直-交電壓源型逆變電路，二極管構(gòu)成了三相橋式整流電路，濾波后獲得直流電壓，由智能功率模塊(IPM)作為逆變器的主開關(guān)器件，輸出一定頻率和電壓的三相交流電給異步電動機(jī)供電。
    DSP有豐富的片上資源和高效的數(shù)據(jù)處理能力，運(yùn)行速度較快，因此對外圍部件快速配合要求也高。如果外圍部件采用專門的電路控制，不僅可以對DSP進(jìn)行更多功能的擴(kuò)展，而且可以減少系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)控制精度。
    復(fù)雜可編程邏輯器件有豐富的邏輯資源，更適合完成各種算法和組合邏輯。具有I／O口多、設(shè)計靈活、規(guī)模大和速度快、邏輯處理能力強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，若用其單獨(dú)構(gòu)成變頻調(diào)速系統(tǒng)，開發(fā)周期長且成本昂貴。Altera公司的MAX IIZ CPLD具有多種關(guān)鍵優(yōu)勢。在單個器件中實(shí)現(xiàn)了高級功能和零功耗。在高級系統(tǒng)特性上都超出了傳統(tǒng)宏單元CPLD，這些特性包括用戶閃存、內(nèi)部振蕩器、成本優(yōu)化、更大的密度、更小的封裝以及更低的功耗等。基于上述原因，并考慮系統(tǒng)后續(xù)開發(fā)的通用性和各種不同控制方案的實(shí)現(xiàn)，控制電路以DSP+CPLD作為控制核心，采用
TMS320F2812芯片實(shí)現(xiàn)異步電動機(jī)各種復(fù)雜控制算，CPLD實(shí)現(xiàn)外圍電路的邏輯控制。不僅滿足了系統(tǒng)控制的高性能要求，而且減輕了DSP處理負(fù)擔(dān)，使得DSP可以集中處理系統(tǒng)控制算法，簡化了邏輯電路，提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性。
    基于TMS320F2812+CPLD的異步電動機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)平臺硬件原理，如圖1所示。

    與普通控制系統(tǒng)相比，該控制系統(tǒng)開發(fā)平臺有如下特點(diǎn)：
    (1)DSP與CPLD協(xié)調(diào)控制，可以發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高性能調(diào)速控制。
    (2)DSP、復(fù)雜可編程邏輯器件構(gòu)成的電機(jī)控制系統(tǒng)有著更智能化的發(fā)展。
    (3)該控制系統(tǒng)開發(fā)平臺控制方案靈活，可編程性強(qiáng)，預(yù)留端口豐富，便于擴(kuò)展，不僅可以實(shí)現(xiàn)對異步電動機(jī)的控制，也可以達(dá)到對其他高性能電機(jī)的控制，系統(tǒng)升級容易，維護(hù)性好。
    (4)利用該控制系統(tǒng)開發(fā)平臺，可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高開發(fā)效率，并可以在短時間內(nèi)完成電機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用。
    (5)該控制系統(tǒng)開發(fā)平臺控制電路開關(guān)量形式的輸出信號均通過光耦隔離與系統(tǒng)主電路接口，保證了強(qiáng)弱電的隔離，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，能夠滿足電機(jī)控制領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)高可靠性的要求。
1．2 各模塊電路設(shè)計
1．2．1 主電路
    主電路為典型三相交-直-交電壓源型逆變電路，通過三相不控整流電路向逆變器和開關(guān)電源供電。采用智能功率模塊(IPM)作為逆變器的主開關(guān)器件，其外圍元件少、結(jié)構(gòu)簡單且可靠性高。同時配備全面的保護(hù)措施，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。
    (1)逆變電路。
    開發(fā)平臺逆變電路為典型三相交-直-交電壓源型逆變電路，采用三菱公司智能功率模塊(IPM)PM50RL1A120，其耐壓1200 V，額定電流50 A，內(nèi)部整合了6路高速、低功耗IGBT組成的三相全控橋和一路用于制動的IGBT，以及過電壓、過電流和過熱等故障檢測和保護(hù)電路，并將檢測信號送到DSP進(jìn)行中斷處理?？刂破鬏敵龅男盘柧?jīng)過光耦隔離電路進(jìn)入IPM，有效地抑制了系統(tǒng)干擾。
    (2)電壓、電流檢測電路。
    在逆變電路的直流側(cè)和輸出的交流側(cè)設(shè)計了電壓、電流檢測電路，通過霍爾電壓、電流傳感器獲得電壓、電流信號，經(jīng)隔離放大后送過DSP的ADC模塊，進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生過流、過壓時，電路可以迅速將低電平信號發(fā)送到DSP的PDPINT保護(hù)引腳，封鎖PWM脈沖輸出，避免系統(tǒng)發(fā)生故障。
1．2．2 控制電路
    控制系統(tǒng)開發(fā)平臺主要用來完成各種復(fù)雜的異步電動機(jī)調(diào)速控制算法，加速電機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用。DSP與外圍電路的聯(lián)系，可以完全通過CPLD控制，DSP和CPLD采用總線方式進(jìn)行通信。CPLD作為系統(tǒng)DSP芯片的擴(kuò)展，可以完成眾多邏輯控制以及I／O擴(kuò)展任務(wù)。CPLD可以設(shè)置成具有地址譯碼器功能，依據(jù)DSP輸出的地址信號，對其進(jìn)行譯碼，通過地址總線輸入CPID，選通外圍電路達(dá)到對其進(jìn)行控制，并且可以實(shí)現(xiàn)SRAM以及LED、IED讀寫信號的控制。
    TMS320F2812是TI公司最新推出的是32位定點(diǎn)DSP控制器，采用改進(jìn)哈佛結(jié)構(gòu)，具有高速數(shù)據(jù)處理能力。其片內(nèi)集成有豐富的運(yùn)動控制專用外設(shè)：PWM產(chǎn)生電路、SVPWM狀態(tài)機(jī)、可編程死區(qū)、比較／捕獲單元等。其他功能外設(shè)：A／D轉(zhuǎn)換單元、SCI、SPI、CAN控制器等，適合用在高精度伺服控制領(lǐng)域。
    Altera公司的MAX IIZ系列EPM57OZM144C7N采用MBGA封裝，有144個引腳和116個用戶可用I／O口，典型等價宏單元440個，DSP電壓與該芯片匹配，同時提供了JTAG接口，可以進(jìn)行ISP編程，邏輯處理能力強(qiáng)大，外圍邏輯電路得以簡化。
    (1)電源模塊。
    TMS320F2812采用雙電源供電，系統(tǒng)先給所有+3．3 V的I／O加電，再接通1．9 V的內(nèi)核電源。針對這樣的電源要求，選用TI公司提供的雙電源供電芯片TPS767D301給DSP供電，該芯片為雙路輸出，一路輸出恒定的3．3 V電壓，另一路輸出可調(diào)電壓，實(shí)現(xiàn)DSP供電時序要求。采用TPS3823S芯片實(shí)現(xiàn)電源監(jiān)控和手動／自動復(fù)位，監(jiān)控程序運(yùn)行，防止程序陷入死循環(huán)。TPS767D301電平輸出電路如圖2所示。

    1OUT=(1+R1／R2)，2OUT=3．3 V。式中，VREF=1．183 4 V。選取適當(dāng)R1和R2的電阻值，就可得到可調(diào)電壓。
    (2)存儲器模塊。
    在系統(tǒng)開發(fā)平臺上完成各種控制策略以及各種算法的數(shù)據(jù)處理中，會產(chǎn)生很多臨時數(shù)據(jù)，如果僅由DSP片內(nèi)RAM承擔(dān)，會加重DSP的負(fù)擔(dān)，使得系統(tǒng)控制精度降低，限制系統(tǒng)的完整運(yùn)行。為滿足數(shù)據(jù)存儲需要，擴(kuò)展一片型號為IS61LV516的SARAM，通過CPLD地址譯碼產(chǎn)生的片選信號，可以指定其作為程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器。
    (3)CPLD模塊。
    CPLD在該開發(fā)平臺中起邏輯控制作用?？梢赃M(jìn)行：1)QEP信號處理，輸入為速度位置傳感器提供的速度位置信號、DSP給出PWM脈寬調(diào)制信號，輸出為各IGBT驅(qū)動模塊的控制信號，經(jīng)光耦隔離電路進(jìn)入IPM。正交編碼器檢測到的電動機(jī)位置轉(zhuǎn)速信號送至DSP，經(jīng)過其內(nèi)部QEP電路得到電動機(jī)的速度和方向，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的反饋控制和PWM控制信號輸出，從而達(dá)到轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。2)地址譯碼，對DSP輸出的地址信號進(jìn)行地址譯碼，實(shí)現(xiàn)對F2812外圍擴(kuò)展芯片片選功能，選通相應(yīng)的外圍芯片映射至F2812內(nèi)存中。3)DSP的I／O擴(kuò)展，如果系統(tǒng)同時控制多臺電機(jī)，DSP自身I／O引腳就不能滿足要求，需要通過CPLD擴(kuò)展。CPLD對另外電機(jī)的正交編碼信號進(jìn)行處理，完成正交信號的倍頻、脈沖計數(shù)，同時輸出計
數(shù)結(jié)果，作為電機(jī)速度、位置判斷依據(jù)。
    (4)顯示模塊。
    為了保障系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，通過DSP與CPLD的配合，設(shè)計了與LCD液晶顯示接口電路，控制LCD顯示以及LED指示燈的顯示，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的人機(jī)接口，使得系統(tǒng)具有良好的人機(jī)操作界面。液晶模塊選用長沙太陽人電子有限公司的SMG12864ZK標(biāo)準(zhǔn)中文字符及圖形點(diǎn)陣型液晶顯示模塊，可顯示128×64點(diǎn)陣或8個×4行漢字，DSP與LCD之間的接口電路如圖3所示。

    液晶的復(fù)位信號／RST和片選信號RS由DSP控制信號經(jīng)過CPLD譯碼后產(chǎn)生，數(shù)據(jù)線．DB[0]～DB[7]由TMS320F2812的數(shù)據(jù)線DATA[0]～DATA[7]經(jīng)過CPLD的雙向總線驅(qū)動得到，其它同名信號對應(yīng)相連。
    (5)保護(hù)模塊。
    保護(hù)模塊主要是在系統(tǒng)上電／掉電或出現(xiàn)故障的情況下，及時提供封鎖信號，保證系統(tǒng)安全可靠地工作。該開發(fā)平臺保護(hù)電路具有母線過壓保護(hù)、過流保護(hù)、電機(jī)過熱、IPM故障信號處理功能。系統(tǒng)的保護(hù)信號也可以融入到CPLD邏輯中，當(dāng)故障發(fā)生時，可以實(shí)時快速切斷CPLD的PWM輸出。
    同時，為了使該硬件系統(tǒng)應(yīng)用范圍得到擴(kuò)展，設(shè)計了除異步電動機(jī)外不同電機(jī)以及不同控制策略可能用到的信號采集電路，以及不同位置反饋器件所用到的接口電路。

2 開發(fā)平臺軟件件總體設(shè)計方案
    開發(fā)平臺的軟件開發(fā)和調(diào)試在TI公司DSP集成開發(fā)環(huán)境CCSC2000下進(jìn)行。用C語言進(jìn)行整個控制系統(tǒng)的軟件編程。模塊化的設(shè)計方法，使得編程和使用都方便靈活。利用本控制系統(tǒng)開發(fā)平臺，通過軟件編程，可以方便地實(shí)現(xiàn)異步電動機(jī)矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制等控制算法。
    CPLD的開發(fā)工具為Max PlusII軟件，VHDL語言編程，根據(jù)指定的引腳配置自動生成熔絲文件后，對CPLD器件下載編程。程序內(nèi)各模塊按嚴(yán)格時序工作，同時各模塊又并行工作，完成不同的動作。
    系統(tǒng)控制程序分為兩部分，即主程序和中斷服務(wù)子程序。主程序完成初始化后進(jìn)入循環(huán)。中斷服序程序主要完成系統(tǒng)各種控制策略，包括電機(jī)定子電流和電壓采樣，完成電流、電壓的A／D轉(zhuǎn)換。利用正交編碼單元處理速度反饋信號。根據(jù)各種控制算法輸出PWM信號對電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

3 結(jié)束語
    DSP結(jié)合CPLD構(gòu)建的電機(jī)開發(fā)平臺，適合異步電動機(jī)控制算法的實(shí)現(xiàn)，以DSP作為主控制器，CPLD輔助功能擴(kuò)展，使得整個控制系統(tǒng)開發(fā)平臺具有較強(qiáng)的擴(kuò)展功能和較高的靈活性，不僅節(jié)約了成本，縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期，而且提高了開發(fā)性能。