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[導(dǎo)讀]摘要 普通的運(yùn)動(dòng)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(hào)實(shí)時(shí)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(dòng)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

摘要  普通的運(yùn)動(dòng)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(hào)實(shí)時(shí)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(dòng)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(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái),利用該平臺(tái)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(tái)的軟硬件設(shè)計(jì),系統(tǒng)具有較強(qiáng)的擴(kuò)展功能、靈活性及應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞  TMS320F2812;EPM57OZM144C7N;異步電動(dòng)機(jī);開發(fā)平臺(tái)

    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(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域,普通運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái),對(duì)于研究高性能運(yùn)動(dòng)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(shí)控制、提高系統(tǒng)運(yùn)算能力,此開發(fā)平臺(tái)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(tái)硬件總體設(shè)計(jì)
1.1 開發(fā)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)及特點(diǎn)
    該開發(fā)平臺(tái)以三相異步電動(dòng)機(jī)作為被控對(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)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(jì)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(zhǎng)且成本昂貴。Altera公司的MAX IIZ CPLD具有多種關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。在單個(gè)器件中實(shí)現(xiàn)了高級(jí)功能和零功耗。在高級(jí)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(dòng)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(jiǎn)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(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)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(tái)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(tái)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(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制,也可以達(dá)到對(duì)其他高性能電機(jī)的控制,系統(tǒng)升級(jí)容易,維護(hù)性好。
    (4)利用該控制系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái),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(shí)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(tái)控制電路開關(guān)量形式的輸出信號(hào)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。[!--empirenews.page--]
1.2 各模塊電路設(shè)計(jì)
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(jiǎn)單且可靠性高。同時(shí)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(tái)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(dòng)的IGBT,以及過電壓、過電流和過熱等故障檢測(cè)和保護(hù)電路,并將檢測(cè)信號(hào)送到DSP進(jìn)行中斷處理??刂破鬏敵龅男盘?hào)均經(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(cè)電路。
    在逆變電路的直流側(cè)和輸出的交流側(cè)設(shè)計(jì)了電壓、電流檢測(cè)電路,通過霍爾電壓、電流傳感器獲得電壓、電流信號(hào),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(shí),電路可以迅速將低電平信號(hào)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(tái)主要用來完成各種復(fù)雜的異步電動(dòng)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(hào),對(duì)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(duì)其進(jìn)行控制,并且可以實(shí)現(xiàn)SRAM以及LED、IED讀寫信號(hào)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(dòng)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(gè)引腳和116個(gè)用戶可用I/O口,典型等價(jià)宏單元440個(gè),DSP電壓與該芯片匹配,同時(shí)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(jiǎn)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(duì)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(shí)序要求。采用TPS3823S芯片實(shí)現(xiàn)電源監(jiān)控和手動(dòng)/自動(dòng)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(chǔ)器模塊。
    在系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)上完成各種控制策略以及各種算法的數(shù)據(jù)處理中,會(huì)產(chǎn)生很多臨時(shí)數(shù)據(jù),如果僅由DSP片內(nèi)RAM承擔(dān),會(huì)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(chǔ)需要,擴(kuò)展一片型號(hào)為IS61LV516的SARAM,通過CPLD地址譯碼產(chǎn)生的片選信號(hào),可以指定其作為程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。[!--empirenews.page--]
    (3)CPLD模塊。
    CPLD在該開發(fā)平臺(tái)中起邏輯控制作用??梢赃M(jìn)行:1)QEP信號(hào)處理,輸入為速度位置傳感器提供的速度位置信號(hào)、DSP給出PWM脈寬調(diào)制信號(hào),輸出為各IGBT驅(qū)動(dòng)模塊的控制信號(hào),經(jīng)光耦隔離電路進(jìn)入IPM。正交編碼器檢測(cè)到的電動(dòng)機(jī)位置轉(zhuǎn)速信號(hào)送至DSP,經(jīng)過其內(nèi)部QEP電路得到電動(dòng)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(hào)輸出,從而達(dá)到轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。2)地址譯碼,對(duì)DSP輸出的地址信號(hào)進(jìn)行地址譯碼,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)控制多臺(tái)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(duì)另外電機(jī)的正交編碼信號(hào)進(jìn)行處理,完成正交信號(hào)的倍頻、脈沖計(jì)數(shù),同時(shí)輸出計(jì)
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(jì)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(zhǎng)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(gè)×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(hào)/RST和片選信號(hào)RS由DSP控制信號(hào)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(dòng)得到,其它同名信號(hào)對(duì)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(shí)提供封鎖信號(hào),保證系統(tǒng)安全可靠地工作。該開發(fā)平臺(tái)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(hào)處理功能。系統(tǒng)的保護(hù)信號(hào)也可以融入到CPLD邏輯中,當(dāng)故障發(fā)生時(shí),可以實(shí)時(shí)快速切斷CPLD的PWM輸出。
    同時(shí),為了使該硬件系統(tǒng)應(yīng)用范圍得到擴(kuò)展,設(shè)計(jì)了除異步電動(dòng)機(jī)外不同電機(jī)以及不同控制策略可能用到的信號(hào)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(tái)軟件件總體設(shè)計(jì)方案
    開發(fā)平臺(tái)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(gè)控制系統(tǒng)的軟件編程。模塊化的設(shè)計(jì)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(tái),通過軟件編程,可以方便地實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)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(dòng)生成熔絲文件后,對(duì)CPLD器件下載編程。程序內(nèi)各模塊按嚴(yán)格時(shí)序工作,同時(shí)各模塊又并行工作,完成不同的動(dòng)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(hào)。根據(jù)各種控制算法輸出PWM信號(hào)對(duì)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(tái),適合異步電動(dòng)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(gè)控制系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)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。

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