1、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。
2、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
3、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
4、 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，AD0AD7 为一组，AD8AD15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
5、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，AD0AD7 为一组，AD8AD15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
6、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 03.3V 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
7、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
8、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 PW
9、M 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 SPRS174JM. 2001：242 江思敏.TMS320LF240xDSP 引脚开发教程M.北京：机械工业出版社，2003：3053 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，2003：994 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。 W
