異步電動機控制系統(tǒng)開發(fā)平臺設計研究

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

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

1 開發(fā)平臺硬件總體設計
1．1 開發(fā)平臺總體設計及特點
    該開發(fā)平臺以三相異步電動機作為被控對象，以控制器TMS320F2812與復雜可編程邏輯器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器件，輸出一定頻率和電壓的三相交流電給異步電動機供電。
    DSP有豐富的片上資源和高效的數(shù)據(jù)處理能力，運行速度較快，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進行更多功能的擴展，而且可以減少系統(tǒng)的復雜程度，提高系統(tǒng)控制精度。
    復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、設計靈活、規(guī)模大和速度快、邏輯處理能力強大的優(yōu)點，若用其單獨構成變頻調速系統(tǒng)，開發(fā)周期長且成本昂貴。Altera公司的MAX IIZ CPLD具有多種關鍵優(yōu)勢。在單個器件中實現(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?；谏鲜鲈?，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現(xiàn)，控制電路以DSP+CPLD作為控制核心，采用
TMS320F2812芯片實現(xiàn)異步電動機各種復雜控制算，CPLD實現(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處理負擔，使得DSP可以集中處理系統(tǒng)控制算法，簡化了邏輯電路，提高了電機運行的可靠性。
    基于TMS320F2812+CPLD的異步電動機控制系統(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：
    (1)DSP與CPLD協(xié)調控制，可以發(fā)揮各自的優(yōu)點，實現(xiàn)電機的高性能調速控制。
    (2)DSP、復雜可編程邏輯器件構成的電機控制系統(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，預留端口豐富，便于擴展，不僅可以實現(xiàn)對異步電動機的控制，也可以達到對其他高性能電機的控制，系統(tǒng)升級容易，維護性好。
    (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，并可以在短時間內完成電機控制系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)和應用。
    (5)該控制系統(tǒng)開發(fā)平臺控制電路開關量形式的輸出信號均通過光耦隔離與系統(tǒng)主電路接口，保證了強弱電的隔離，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，能夠滿足電機控制領域對系統(tǒng)高可靠性的要求。
1．2 各模塊電路設計
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電源供電。采用智能功率模塊(IPM)作為逆變器的主開關器件，其外圍元件少、結構簡單且可靠性高。同時配備全面的保護措施，保證系統(tǒng)的可靠運行。
    (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電路，并將檢測信號送到DSP進行中斷處理?？刂破鬏敵龅男盘柧?jīng)過光耦隔離電路進入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和輸出的交流側設計了電壓、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，進行A／D轉換，以實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。當系統(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雜的異步電動機調速控制算法，加速電機控制系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)和應用。DSP與外圍電路的聯(lián)系，可以完全通過CPLD控制，DSP和CPLD采用總線方式進行通信。CPLD作為系統(tǒng)DSP芯片的擴展，可以完成眾多邏輯控制以及I／O擴展任務。CPLD可以設置成具有地址譯碼器功能，依據(jù)DSP輸出的地址信號，對其進行譯碼，通過地址總線輸入CPID，選通外圍電路達到對其進行控制，并且可以實現(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DSP控制器，采用改進哈佛結構，具有高速數(shù)據(jù)處理能力。其片內集成有豐富的運動控制專用外設：PWM產(chǎn)生電路、SVPWM狀態(tài)機、可編程死區(qū)、比較／捕獲單元等。其他功能外設：A／D轉換單元、SCI、SPI、CAN控制器等，適合用在高精度伺服控制領域。
    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，可以進行ISP編程，邏輯處理能力強大，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，另一路輸出可調電壓，實現(xiàn)DSP供電時序要求。采用TPS3823S芯片實現(xiàn)電源監(jiān)控和手動／自動復位，監(jiān)控程序運行，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R1和R2的電阻值，就可得到可調電壓。
    (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RAM承擔，會加重DSP的負擔，使得系統(tǒng)控制精度降低，限制系統(tǒng)的完整運行。為滿足數(shù)據(jù)存儲需要，擴展一片型號為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脈寬調制信號，輸出為各IGBT驅動模塊的控制信號，經(jīng)光耦隔離電路進入IPM。正交編碼器檢測到的電動機位置轉速信號送至DSP，經(jīng)過其內部QEP電路得到電動機的速度和方向，實現(xiàn)系統(tǒng)的反饋控制和PWM控制信號輸出，從而達到轉速閉環(huán)控制。2)地址譯碼，對DSP輸出的地址信號進行地址譯碼，實現(xiàn)對F2812外圍擴展芯片片選功能，選通相應的外圍芯片映射至F2812內存中。3)DSP的I／O擴展，如果系統(tǒng)同時控制多臺電機，DSP自身I／O引腳就不能滿足要求，需要通過CPLD擴展。CPLD對另外電機的正交編碼信號進行處理，完成正交信號的倍頻、脈沖計數(shù)，同時輸出計
數(shù)結果，作為電機速度、位置判斷依據(jù)。
    (4)顯示模塊。
    為了保障系統(tǒng)的可靠運行，通過DSP與CPLD的配合，設計了與LCD液晶顯示接口電路，控制LCD顯示以及LED指示燈的顯示，實現(xiàn)了系統(tǒng)的人機接口，使得系統(tǒng)具有良好的人機操作界面。液晶模塊選用長沙太陽人電子有限公司的SMG12864ZK標準中文字符及圖形點陣型液晶顯示模塊，可顯示128×64點陣或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的雙向總線驅動得到，其它同名信號對應相連。
    (5)保護模塊。
    保護模塊主要是在系統(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)平臺保護電路具有母線過壓保護、過流保護、電機過熱、IPM故障信號處理功能。系統(tǒng)的保護信號也可以融入到CPLD邏輯中，當故障發(fā)生時，可以實時快速切斷CPLD的PWM輸出。
    同時，為了使該硬件系統(tǒng)應用范圍得到擴展，設計了除異步電動機外不同電機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)平臺軟件件總體設計方案
    開發(fā)平臺的軟件開發(fā)和調試在TI公司DSP集成開發(fā)環(huán)境CCSC2000下進行。用C語言進行整個控制系統(tǒng)的軟件編程。模塊化的設計方法，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，可以方便地實現(xiàn)異步電動機矢量控制，直接轉矩控制等控制算法。
    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。程序內各模塊按嚴格時序工作，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子程序。主程序完成初始化后進入循環(huán)。中斷服序程序主要完成系統(tǒng)各種控制策略，包括電機定子電流和電壓采樣，完成電流、電壓的A／D轉換。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信號對電機轉矩進行控制。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

3 結束語
    DSP結合CPLD構建的電機開發(fā)平臺，適合異步電動機控制算法的實現(xiàn)，以DSP作為主控制器，CPLD輔助功能擴展，使得整個控制系統(tǒng)開發(fā)平臺具有較強的擴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。