基于TMS320F2812的DSP控制器设计及应用

摘 要：基于DSP芯片TMS320F2812的电机控制器设计，描述了其引导加载ROM、AD转换单元、传感器接口、cpld等电机控制外设电路的技术关键。还简单介绍了其在调速系统中的应用。
关键词：电机控制；DSP；外设；传感器
 
    在电机控制领域， TI公司推出了2000系列电机控制嵌入式DSP。其中的TMS320F2812属于高端产品，适合于工业控制、机床控制等高精度应用。目前涉及到2000序列的芯片在电气传动中的应用的文献以侧重介绍TMS320LF240x为主，介绍应用TMS320F(C)28x的比较少。TMS320F(C)28x比24x系列的DSP具有更完备的外围控制接口和更丰富的电机控制外设电路，其指令执行时间或完成一次动作的时间仅为6.67纳秒，流水线采样最高速率60ns，交直转换通道12位AD达16个，PWM输出通道达12个［1］。片上资源可以足够同时控制两台三相电机，使控制系统的价格大大降低而体积缩小、可靠性提高，可以在高度集成环境中实现高性能的电机控制。本文将着重阐述作者基于TMS320F2812设计的DSP控制器的设计中的重点，并介绍它在工业控制中的应用。

图1  电机控制系统结构原理图

1 引导加载ROM

    引导加载是指器件复位时执行一段引导程序，一般用于从端口（异步串口、I/O口、或HPI主机接口）将EPROM/FLASH等非易失性存储器中加载程序到高速RAM中允许。
1.1  TMS320F2812的启动模式
    TMS320F2812提供了几种不同的启动模式，四个通用IO引脚用于决定选择何种启动模式，如表所示：

1.2   SCI SPI启动加载器
    通过SPI同步传输和SCI异步传输实现FLASH ROM引导加载。硬件电路如图2，JP15为SPI或SCI引导加载器选择,1-2时选择SPI,2-3时选择SCI；JP4是SPI数据传输路径的选择,位于1-2时,连接至外部扩展接口J6或串行ROM,位于2-3连接至J5仿真数据传输接口。SPI仿真接口可参考[2]。

2  AD转换单元
    TMS320F2812电机控制器包含多达16路AD转换通道，被分为两组，AD0~AD7为一组，AD8~AD15为一组。每组都有一个专门的输入端。事件管理器可将ADC配置为两个独立的8通道模块，也可串接成为一个16通道的模块。尽管有多个输入通道和两个序列发生器，转换器只有一个。8通道模块会将8路输入自动排序，并按序选择一路输入进行转换，转换完成后的结果保存在对应的结果寄存器中。在串接模式下，自动序列发生器将成为16通道的发生器自动序列发生器允许对同一个通道的信号进行多次转换，这主要用于过采样的算法中。与单采样AD转换模块相比是个进步［1］。

图2  SCI SPI启动加载器

3  与传感器的接口
1）霍尔位置传感器
    三个I/O引脚上，通过I/O引脚捕捉霍尔元件上的高速脉冲信号，检测转子的转动位置，
2) 霍尔电流传感器
    DSP需要两到三个A/D通道对传感器电流进行采集获得三个相电流。霍尔电流传感器采集的是模拟量信号，TMS320F2812电机控制器包含多达12路输入通道，被分为两组，AD0~AD7为一组，AD8~AD15为一组。每组都有一个专门的输入端。需要注意的是要防止相电流过高造成对DSP的冲击损坏。我们的做法双重保护，即信号经过RC滤波后连接至一个运放比较器，比较器有一个参考电压，当信号低于这个参考电压，信号经过运算放大后输出；当信号超过这个参考电压，说明逆变器发生过流情况，比较器输出低电平将DSP的PDPINT引脚拉低，此时所有的PWM输出立即被置为高阻态。如图3所示：

图3  信号过电流保护电路
   

    经过比较器的信号连接到采样保持放大器的反相输入端。调节可变电阻，A/D转换单元的参考电压输入端ADCREFP和ADCREFM引脚获得0~3.3V的可变电压，从而把检测到的信号偏置到模/数转换内核正常的输入范围。实现对DSP控制器的保护。
3) 速度传感器
    感应电机转子速度的最常用的方法是用增量编码器和测速发电机。在编码器的场合，TMS32F2812包含一个正交编码脉冲（Q.E.P）单元，电机的码盘信号A、B通过DSP控制器的CAP1、CAP2端口进行捕捉。捕捉到的数据存放到寄存器中，通过比较捕捉到的A、B两相脉冲值可以确定当前电机转子的速度和方向，完成这些仅需两个数字量输入和一个16或32位的内部计时寄存器。下图为接两部电机速度传感器的电路，经过了一个四通道光藕TLP521-4连到DSP的CAP 引脚上，如图4所示：

图4  码盘信号的捕捉电路

3  复合编程逻辑部件CPLD
    硬件系统应尽量朝“单片”方向设计，因为系统器件越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大，也不可避免地降低了系统的稳定性。我们选用复合编程逻辑部件CPLD作为逻辑部件，它不仅完成逻辑译码功能，还带有大容量FLASH存储器、SRAM、数字I/O，减少了器件之间的干扰，提高了系统的稳定性。

4   应用举例
    一个用DSP控制器控制异步电动机的矢量控制系统的基本结构如图5所示

图5  应用于异步电机矢量控制系统

    用可编程IO捕捉转子的速度信号反馈，电机的相电流反馈采集到ADC通道进行转换。
    接收光电编码器的信号，并依此计算电机的转速。采集电机相电流的瞬时值，依此实时估计电机的运行状态，如磁链的大小和角度、转矩的大小和方向、电机的转速和滑差等。按照某种调控规律产生PWM信号，控制逆变器的开关动作，从而对电机运行状态进行调控。
    板上资源可以控制两部电机，可以减少控制成本。

5 结束语

    目前采用的一些性能优越的电机控制技术，如矢量控制技术和直接力矩控制技术属于计算密集型的控制方法，采样控制周期短、控制算法复杂、而且检测和计算精度高。基于TMS320F2812的DSP电机控制器凭其优越的数字化控制能力，完全可以胜任复杂精确的计算和控制任务，可以应用于励磁脉冲控制系统、电力保护系统，也可以延伸到不间断电源(UPS)、变频开关电源、机器人控制（ROBOT）等高精度工业控制领域。 

参考文献：
[1] TI.TMS320F2812 Digital Signal Processors Data Manual SPRS174J[M]. 2001：24
[2] 江思敏.TMS320LF240xDSP引脚开发教程[M].北京：机械工业出版社，2003：305
[3] 苏涛，蔡建隆，何学瑞.DSP接口电路设计与编程[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003：99
[4] 沈本荫，现代交流传动及其控制系统[M]. 北京：中国铁道出版社，1997：80