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基于TMS320F2812 DSP控制器的电动机速度调控试验台
摘要: 为了使电动机控制与信息系统紧密结合,同时也为了提高电动机速度调控系统自身的性能,必须使电动机速度调控系统实现全数字化控制。本文开发了一种高性能的基于DSP的电动机速度调控试验台。该试验台的硬件主要由两部分组成:DSP主控制器电路板及主电路板。
关键字: DSP, 速度调控, 电动机, 控制电路
1 引言
由于不同的电动机系统需要用不同的数字变频系统来控制,所以人们都要编写专用的控制器软件。一个新的速度调控算法是否可行,必须通过实验来验证,通常的做法是:利用MATLAB软件包进行仿真,检验算法的理论可行性,在理论可行的基础上设计并制作一套实际电路,通过实践来检验。采用这种方法,一个速度调控算法从提出到最后实践检验通过,一般需要半年以上的时间,周期较长,影响延缓了技术更新的速度。我们设计这个数字化电动机通用控制试验台主要有以下两个目的。
第一,数字化电动机通用控制试验台是给刚接触电动机速度调控控制的人们提供一套可以直接进行电动机速度调控控制的试验台。
第二,数字化速度调控的通用控制试验台是给专门研究速度调控算法的研究人员提供完备的速度调控研究设备。
2 硬件试验平台结构介绍
数字化通用控制试验台的硬件平台由几个部分组成:一是负责控制算法的主控芯片及外围设备,系统中选用了TI公司的TMS320F2812 DSP控制器,它功能强大,运行速度快,是专门为电动机控制应用优化的控制芯片,完成各种模拟、数字信号的采样;一是电动机驱动电路,完成交-直-交变频速度调控的功率驱动;还有就是用于实验的电动机机组。有了这三部分,数字化速度调控控制研究就有了实验台,可以进行实验,验证速度调控算法的实际运行效果。图1给出了数字化通用速度调控试验台的硬件平台结构图。
3 控制芯片TMS320F2812
数字化通用控制试验台当然不能没有负责控制的CPU。本试验台采用的是TI公司的TMS320F2812 DSP,该系列处理器是基于TMS320C2xx内核的定点数字信号处理器。器件上集成了多种先进的处设,为电动机及其他运动控制领域应用的实现提供了良好的试验台。F281x系列DSP有很高的运算精度(32位)和系统的处理能力(达到150MIPS)。16通道高性能12位ADC单元提供了两个采样保持电路,可以实现双通道信号同步采样。TI公司的TMS320F2812控制芯片完全可以满足高性能的数字化通用控制试验台的主控芯片的要求。下面分别简单介绍该DSP控制器的各个模块。
图1 数字化通用速度调控试验台的硬件平台结构图
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运行的一切条件以及和外围设备的硬件接口,这些外围设备的接口包括外部存储器、通讯以及和功率驱动的接口,及信号采样电路等主要是弱电控制部分。
4.1 DSP控制器需要的电源
DSP是整个控制板的核心部分,如果要让其能够正常的运行,就必须给DSP提供一个合适的电源。该主控板的芯片是TI的TMS320F2812,它要求双电源来给CPU、FLASH、ADC和I/O上电。CPU的电源电压是1.8V(135MHz)或者是1.9V(150MHz)。Flash的编程电压和I/O电压均是3.3V。我们先设计输出为5V/+-15V/18V的开关电源,然后用芯片实现5V到3.3V及1.8/1.9V的电源转换,提供给DSP控制器正常的工作电压。+-15V用作一些采样电路中运放的电源。
4.2 DSP控制器的时钟
DSP控制器要能够正常地工作,除了要有电源之外,还有提供时钟源。TMS320F2812 DSP控制器有一个在片、基于PLL的时钟模块。这个模块提供了所有必要的时钟信号,PLL有4个倍率控制比特来选择不同的CPU时钟速率。
由于晶振的频率稳定,是目前使用最多的外部时钟源。下面给出了典型0MHZ的外部石英晶振的特性如下,如图2所示。
图2 30MHz石英晶振的特征图
4.3 扩展RAM
由于我们的数字化通用控制试验台的程序量和数据处理量都比较大,我们在DSP控制器系统板上扩展了512K×16的外部RAM。我们选择了Zone6来扩展外部RAM。
4.4 通讯模块
DSP控制板具有很强的通讯功能。通讯模块包括了JTAG,CAN,SPI和以太网模块。以太网模块模块的接口主要用来在计算机和DSP控制器之间传输系统数据。
由于我们用到了以太网通讯,这里简要的介绍一下我们用到的以太网控制器RTL8019AS,它的主要性能如下:符合Ethernet II与IEEE802.3标准;全双工,收发可同时达到10Mbps;16KB的SRAM,用于收发缓冲降低对主处理器的速度要求。8/16位数据总系线,8个中断申请以及16个I/O基址选择;内部可分为:远程DMA接口(是指DSP与RTL8019AS内部RAM进行读写的接口);本地DMA接口(是指RTL8019AS与网线的接口);MAC逻辑功能:当控制器向网上发送数据时,先将一帧数据通过远程DMA通道送到RTL8019AS中的发送缓存区,然后发出传送命令;当RTL8019AS完成了上一帧的发送后,再开始此帧的发送。RTL819接收到的数据通过MAC比较、CRC校验后,由FIFO存到接收缓冲区;收满一帧后,以中断或寄存器标志的方式通知主处理器。FIFO逻辑对收发数据作16字节的缓冲,以减少对本地DMA请求的频率。
RTL8019AS的65脚jp的功能在于选择配置RTL8019AS与控制其处理器的接口工作模式,设计中通过将其设为高电平选择跳线方式,即RTL8019AS的I/O和中断由跳线决定,不需外扩EEPROM存储信息来控制RTL8019AS的I/O和中断。减少了连线,提高了高频电路的稳定性。以太网的接口电路框图如图3所示。
图3 以太网的接口电路框图
4.5 AD采样模块
DSP控制板包含了电动机控制的AD采样模块,包括直流母线电压,电流采样,三相电压采样及两路备用采样电路,其余没有用到的AD采样通道均以接口方式接出,以备不时之需。所有的AD采样信号都先通过滤波、电平处理和电压钳位等调理电路,使输入DSP AD模块的采样检测信号电压大小在DSP控制器的容许电平范围内(0~3V),以免烧毁DSP控制器。
4.6带硬件死区PWM控制信号
我们的PWM信号都是由DSP控制器的事件管理器EVA模块产生的,在系统板上,我们防止逆变器中上下臂直通造成短路,设置了一个硬件死区电路,保证上下臂不会同时导通,留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由器件关断时间决定。但死区时间不能太长,因为死区时间会给输出PWM波带来影响,使其稍稍偏离正弦波。
5 主电路设计
主电路主要包括EMI滤波、整流电路和开关逆变电路。
5.1 EMI滤波电路
为了减少干扰,我们采用了EMI滤波电路。
5.2逆变电路
由于这个数字化通用控制试验台既可以用于控制直流电动机,交流电动机,还可以用于控制开关磁阻电动机,所以,主电路在接法上有所讲究。图4所示即是我们的逆变器部分的电路图。
图4 逆变器部分电路图
当我们用于控制直流电动机,交流电动机时,JPU、JPV、JPW闭合,而且分别接电动机的U,V,W三相;当我们用于控制开关磁阻电动机时,把U,V,W三相分别串联在JPU、JPV、JPW上。
6 检测电路
检测电路的主要模块包括:相电压电流采样电路,直流臂电压电流的采样电路。采用霍尔传感器检测方式,相电压和电流信号经过传感器都转换为电流信号,进入采样板后,先通过一个下拉电阻转换为电压信号,再加一级跟随电路,后接一个二阶滤波电路,滤波后调幅,平移,之后限位。直流母线电压及电流的采样同样采用电压霍尔传感器检测。此电压霍尔传感器及电流霍尔传感器是应用霍尔原理的闭环传感器。具有高精度、良好的线性度、低温漂、抗外界干扰能力强、共模抑制比强、反应时间快、频带宽的特点。
本文创新点:
平台的主控芯片采用了TMS320F2812 DSP,该DSP有很高的运算精度和系统的处理能力,使得该平台不仅有强大的数据处理能力,良好的稳定性,还具有对各种电机的通用性。
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