基于TMS320F28334的伺服系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2 器件介紹 
2．1 TMS320F28334簡(jiǎn)介
    TMS320F28334(以下簡(jiǎn)稱F28334)屬于F2833x系列，該系列也是TMS320C一2000系列數(shù)字信號(hào)控制器中的一員。和以前相比，該系列器件有很多性能的提升和擴(kuò)展。F2833x在繼承同類器件32位定點(diǎn)處理器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，集成有單指令(32位)IEEE754浮點(diǎn)處理單元。該器件可以執(zhí)行效率很高的C／C++程序代碼，可利用高級(jí)語言編寫的軟件完成系統(tǒng)控制，還可用C／C++語言開發(fā)程序算法。由于F2833x系列具有定點(diǎn)和浮點(diǎn)處理單元兩種結(jié)構(gòu)，因此能替代一些系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理器和控制器，這樣不但能降低開發(fā)成本，還能降低功耗。而其具有的32x32位MAC、快速中斷響應(yīng)、8級(jí)指令流水線能夠很輕松地完成復(fù)雜算法和控制，滿足系統(tǒng)應(yīng)用需要。
    F28334的主要特性：150 MHz時(shí)鐘周期：6個(gè)通道DMA控制器；16位或32位外部接口；128 Kxl6位Flash，34 K×16位SARAM，1 K×16位一次編程RAM；8 Kxl6位引導(dǎo)ROM；超強(qiáng)的外圍控制，如EPWM，HRPWM，ECAP，EQEPI等；3個(gè)32位CPU定時(shí)器；外圍串口有：ECAN，SCI，SPI，MCBSP，I2C；16個(gè)通道的12位M/D轉(zhuǎn)換器；多種低功耗模式和多種封裝選擇等。
2．2 A/D轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)介
    A／D轉(zhuǎn)換器集成在F28334內(nèi)部，屬于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一部分，與內(nèi)部其他結(jié)構(gòu)共用系統(tǒng)時(shí)鐘，并由CPU控制。A／D轉(zhuǎn)換器有16個(gè)模擬輸入通道，可配置為2個(gè)獨(dú)立的8通道模式，也可將2個(gè)獨(dú)立的8通道配置成1個(gè)16通道模式，為EPWM模塊提供更好服務(wù)，實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的精確控制。
    M/D轉(zhuǎn)換器的主要特性：12位精度A／D轉(zhuǎn)換器內(nèi)核，并且具有雙路采樣保持電路；同時(shí)采樣和序列采樣模式；模擬輸入電壓范圍：O～3 V；在12．5 MHz的A／D轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘下，具有6．25MS／s的采樣速率；16個(gè)結(jié)果寄存器存儲(chǔ)相應(yīng)通道的采樣結(jié)果；在“開始轉(zhuǎn)換序列”模式中具有多種觸發(fā)源：軟件立即開始、EPWM、XINT2。
    以上特性及可變的采樣速率、低功耗模式、A/D轉(zhuǎn)換器與DMA接口等功能都是通過配置相應(yīng)的寄存器實(shí)現(xiàn)的。正是基于A/D轉(zhuǎn)換器的強(qiáng)大性能，可同時(shí)采集多達(dá)16路模擬信號(hào)，能夠組成一個(gè)采樣網(wǎng)絡(luò)，從而全面檢測(cè)和控制伺服系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    對(duì)于伺服系統(tǒng)，相電流采樣精度直接影響整個(gè)伺服系統(tǒng)的性能。因此采樣電路和保護(hù)電路都是圍繞電流環(huán)內(nèi)的電流值設(shè)計(jì)。F28334處理和比較采樣得到的電流，進(jìn)而輸出PWM波進(jìn)行相應(yīng)控制。系統(tǒng)框圖如圖l所示。

    從圖1可看出，電流測(cè)量信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器INA0和ECAPI進(jìn)入F28334；電流保護(hù)信號(hào)通過ECAP2和ECAP3進(jìn)入F28334；而PWM控制波從F28334的專用引腳輸出，經(jīng)光電隔離和功率驅(qū)動(dòng)電路后進(jìn)入電機(jī)。由于系統(tǒng)的變頻器采用交一直一交結(jié)構(gòu)，即有一個(gè)三相不可控整流橋和用IGBT實(shí)現(xiàn)逆變功能的逆變器組成，所以只需產(chǎn)生6路PWM控制信號(hào)。
3．1 電流環(huán)內(nèi)電流值的采樣
    為了提高采樣精度，電流信號(hào)不能直接連接到A／D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入引腳，而是要分別獲取電壓信號(hào)的幅值和方向。通過一個(gè)絕對(duì)值電路和電壓跟隨電路，得到一個(gè)正相電壓，由運(yùn)算放大器完成，最終得到的電壓再連接到F28334的ADCINTO引腳；另外，通過一個(gè)由比較器構(gòu)成的過零比較電路，檢測(cè)出電壓的正負(fù)，再連接到F28334的ECAPl引腳。電流采樣電路框圖如圖2所示。

    圖2中的絕對(duì)值電路由放大器和二極管組成。電壓跟隨器的輸出端用一只3.3 V的穩(wěn)壓二極管把輸出電壓箝位于0～3.3 V，過零比較器的輸出端同樣用一只3．3 V的穩(wěn)壓二極管箝位，保證F28334不會(huì)因輸入電壓值過高而損壞。
3．2 電流環(huán)內(nèi)電流保護(hù)
    系統(tǒng)電路中電機(jī)電流保護(hù)分為限流保護(hù)和過流保護(hù)。前者是當(dāng)電機(jī)電流超過額定值In的x倍時(shí)開始動(dòng)作，當(dāng)電機(jī)電流減小到低于x倍額定電流時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)退出，此信號(hào)通過E—CAP2進(jìn)入F28334；后者則是當(dāng)電機(jī)電流超過y倍(y>x)的額定電流時(shí)，電機(jī)停機(jī)，直到重新啟動(dòng)系統(tǒng)。此信號(hào)通過ECAP2進(jìn)入F28334。電流保護(hù)電路框圖如圖3所示。

    當(dāng)比較器1負(fù)端電平大于參考電壓(對(duì)應(yīng)電機(jī)電流xIn)時(shí)，比較器1輸出低電平，即限流保護(hù)ECAP2信號(hào)有效，由F28334封鎖PWM引腳輸出脈沖：當(dāng)比較器2的負(fù)端電平大于參考電壓(對(duì)應(yīng)電機(jī)電流yIn)，比較器2輸出低電平，D觸發(fā)器的Q置低，即ECAP3信號(hào)有效，進(jìn)而F28334封鎖PWM輸出脈沖。注意：當(dāng)過流保護(hù)后，電機(jī)電流即使減小到0，系統(tǒng)也不再工作，直到手動(dòng)重啟系統(tǒng)，并將D觸發(fā)器的Q電平拉高，系統(tǒng)才會(huì)重新工作。其中，In為電機(jī)額定工作電流。x介于1和1.2之間，y為1．5。
3．3 三相PWM波產(chǎn)生
    F28334的PWM脈沖信號(hào)的產(chǎn)生需要時(shí)基、比較計(jì)數(shù)器、動(dòng)作限定器、死區(qū)、PWM斬波器以及跳閘區(qū)(Trip—Zone)。通過時(shí)基單元設(shè)定PWM波時(shí)基計(jì)數(shù)器的周期和頻率，配置各路PWM波之間的相位關(guān)系，設(shè)定PWM波的對(duì)稱性，輸出時(shí)基計(jì)數(shù)器的值到比較寄存器和動(dòng)作限定器。計(jì)數(shù)器的值連續(xù)與計(jì)數(shù)器A和計(jì)數(shù)器B相比較，相等時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的輸出到動(dòng)作限定器。當(dāng)時(shí)基計(jì)數(shù)器的值與時(shí)基的周期、零、計(jì)數(shù)器A以及計(jì)數(shù)器B之中的一個(gè)或多個(gè)相等時(shí)，輸出PWM波。動(dòng)作限定器輸出的PWM波形經(jīng)死區(qū)、PWM斬波器以及跳閘區(qū)，最后到達(dá)相應(yīng)的引腳。如果不經(jīng)死區(qū)和PWM斬波器則輸出的波形不能被修改。跳閘區(qū)確保PWM波形的正確性。
3．4 功率驅(qū)動(dòng)
    系統(tǒng)是由一個(gè)三相不可控的整流橋和由IGBT實(shí)現(xiàn)逆變的逆變橋組成，功率驅(qū)動(dòng)電路只是IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路，而其設(shè)計(jì)是否合理，決定其靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。柵極正偏壓、負(fù)偏壓和柵極電阻對(duì)IGBT的通態(tài)壓降、開關(guān)時(shí)間、開關(guān)損耗、承受短路能力以及dUGE／dt等參數(shù)都有影響。選用HL402B作為IGBT的驅(qū)動(dòng)器，圖4為HIA02B接線圖。其中HIA02B接25 V電源，產(chǎn)生正偏電壓為+15 V，負(fù)偏電壓為一10 V，柵極電阻可選幾歐姆到幾百歐姆，這里選用2Ω的電阻。

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3．5 驅(qū)動(dòng)波形和逆變器后輸出的波型
    F28334輸出PWM波形到驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路則可接入逆變器主功率器件的柵極，給驅(qū)動(dòng)電路通電，逆變器不加電，用示波器觀察驅(qū)動(dòng)電路輸出，如圖5所示。由于輸入電阻和電容的影響，驅(qū)動(dòng)波形不再是標(biāo)準(zhǔn)的方波。

3．6 F28334存儲(chǔ)和通信
    F28334內(nèi)部有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器，因此無需外接存儲(chǔ)器。無論是程序還是數(shù)據(jù)的存取，其速度都很快，無需考慮有外設(shè)存儲(chǔ)器的系統(tǒng)與外設(shè)存儲(chǔ)器通信時(shí)存在的速度匹配問題。由于F28334的通信接口和模式很多，完全能滿足通信需要。利用這些接口能夠輕松實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)器件的通信。同時(shí)，還可利用其豐富的引腳外部擴(kuò)展顯示模塊和鍵盤等設(shè)備，為用戶提供一個(gè)人機(jī)對(duì)話的接口。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件主要完成系統(tǒng)的初始化和系統(tǒng)控制，即：系統(tǒng)寄存器初始化，中斷向量的設(shè)置，A／D轉(zhuǎn)換器模塊寄存器初始化，A／D轉(zhuǎn)換器采樣，數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)，電流保護(hù)電路的監(jiān)控等。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖6所示。

    從圖6可知，電流保護(hù)和通信功能是通過中斷實(shí)現(xiàn)的。如果沒有產(chǎn)生電流保護(hù)和通信中斷，則系統(tǒng)完成電機(jī)電流采樣．處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)際需要使系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，也可從休眠狀態(tài)退出繼續(xù)工作，這樣可減小系統(tǒng)的功耗。這里只給出部分程序代碼：

5 注意事項(xiàng)
5．1 上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)
    當(dāng)上位機(jī)讀取F28334采集得到的數(shù)據(jù)時(shí)，不必實(shí)時(shí)讀?。梢韵葧捍嬖谄鋬?nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。在上位機(jī)需要時(shí)，上位機(jī)設(shè)定的中斷向F28334發(fā)送中斷請(qǐng)求信號(hào)，F(xiàn)28334接收到請(qǐng)求后，通過SCI接口發(fā)送暫存在F28334內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。
5．2 電源模塊設(shè)計(jì)
    電源模塊是伺服系統(tǒng)的重要組成部分，電源模塊的好壞直接關(guān)系著系統(tǒng)能否正常工作。主要有3種電源：F28334的內(nèi)核電源(1．9 V)和I/O電源(3．3V)，A／D轉(zhuǎn)換器模塊的數(shù)字電源、模擬電源以及功率驅(qū)動(dòng)模塊的電源。F28334的電源可選用TI公司提供與之相匹配的電源器件供電；A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字電源和模擬電源一定要分開供電，以減少數(shù)字電源對(duì)模擬電路的影響；而功率驅(qū)動(dòng)電路可采用與其他電源隔離的獨(dú)立懸浮電源電路來供電。

6 結(jié)語
    主要介紹了基于F28334的小型伺服系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)控制伺服系統(tǒng)，模塊中雖然沒有給出顯示模塊和鍵盤等人機(jī)通信接口，但是可根據(jù)具體的要求來增加這些外設(shè)，以增強(qiáng)系統(tǒng)模塊的功能。