基于DSP TMS320F2812的交流传动系统控制器

第 39誊第 2期 2005年 4月 电 力电子 技 术 Power Electronics Vo1．39．No．2 April，2005 基于DSP TMS320F2812的交流传动系统控制器 黄大为，张文凯，于 艾，杨 耕 (清华大学，北京 100084) 摘要：介绍了以TI公司TMS320F2812型 DSP(Digita|Signal Processor)~,Yf为基础的用于运动控制系统的控制 器结构 说明了基于该芯片 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 控制器硬件框架以及采用 C语言进行软件编程时应注意的问题。 ：硬件上要注意 TMS320F2812的电源系统与 A／D模块部分的特殊性；在软件设计上采用 C语言编程，可充分利用这种芯片的高速运 算能力和丰富的片内外资源，有利于软件的模块化，便于维护和移植。部分实验结果验证了该设计的叮行性。 关键词：交流电气传动；控制器，数字信号处理 中图分类号：TM571，TM921．2 文献标识码：A 文章编号：1000-100X(2005)02—0001—03 Design of AC Drive System based on DSP TMS320F2812 HUANG Da—wei．ZHANG Wen—kai，YU Ai，YANG Geng (Tsinghua University，Bering 100084，China) Abstract：The paper presents the configuration of control board based on DSP TMS320F28 12，which is used in motion control system，discusses some details in the designing hardware and programming with C language，and finally，provides experimental results of the system．Great attention has been paid to specialties of TMS320F28 1 2 power supply system and A／I)modle in hardware．C language program is used for designing the software．It is of benefit to modularization，mainte— nance and transplant of software by usage of DSP s high operation ability and its variant internal and external resources． Parts of experimental results show the feasibility of design． Key words：AC Drive；ControlledDSP 1 引 言 近年来，随着矢量控制、直接转矩控制等控制方 法的出现．交流传动系统的静、动态特性有了显著改 善。由于这些控制策略往往需要进行复杂的实时计 算，因此在系统实现时需要使用高性能的微处理器。 TI公司于2003年底推出了该公司最先进的专门用 于运动控制系统的 TMS320F2812型 DSP(Digital Signal Processor)芯片『】1。它具有成本低，功耗小，性 能高的特点，在与现有的 24x／240x系列 DSP控制芯 片代码兼容的同时，TMS320F2812还具有运算速度 更快，外设集成度更高，数据以及程序存储量更大， A／D转换更加精确和快速等主要特点。 本文介绍了TI公司最新推出的用于运动控制 系统的TMS320F2812型 DSP芯片的特点：说明了 基于这种芯片设计的交流传动系统控制器的硬件框 架以及采用 C语言进行软件编程时应注意的一些 具体问题．最后给出了部分实验结果 2 用TMS320F2812的控制器硬件设计 图 l示出基于 TMS320F2812型 DSP设计 的系 定稿日期：2004—09一l7 作者简介：黄大为(1974一)，男，天津人，硕士研究生，研 究 方向 为 交流 变频 调 速技 术 。 统控制板功能框 图。中央处理器 (CPU)采用 TMS320F2812：外围采用各功能模块。其中，编码器 模块用来检测和处理电机转子位置信号：PWM模块 用 来驱 动功 率器件 ，如 IPM (Intelligent Power Module)：D／A输出模块用来把系统的一些数字量转 换成模拟量．再供系统监测用：外部I／O模块用于扩 展开关量输入输出端子．以便与用户的PLC、继电器 等数字控制电路构成控制系统；A／D模块用来把系 统所需的电流、电压等模拟量变换成数字量，再参与 系统控制：电源模块为系统提供各种所需电平：上位 机及显示模块供用户实时监控变频器的参数变化。 其它功能模块l1编码器模块 _ _ IQ主EP ~湓A／DE1 ————_．1￡ 丛箍出 l— T M S 。 3 2 2 型0障盏匾 DSP l CS l Ncs，====兰=兰 卜 — — 外部I，o模块 图 1 基于TMS320F2812的DSP板的 框图 TMS320F2812有自身的特点，设计时需注意电源 模块、信号处理、系统启动方式和A／D转换等诸多问题。 2．1 电源模块 TMS320F2812的内核电压为 1．8V，外部 I／O电 压为3．3V；TMS320F2812内部的Flash具有低电压烧 1 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 39卷第 2期 2005年 4月 电力电子技术 Power Electronics Vo1．39．No．2 April，2005 写功能．但它 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 提供单独 的 3．3V烧写电压 ； TMS320F2812的A／D功能单元精度高，转换速度快， 因而对噪声干扰比较敏感，在设计过程中要求对模拟 电路的电源和地与数字电路的电源和地做相应的隔 离处理。此外．要求控制板同时存在外围电路所需的 5V．~15V，24V等几组供电电平。由此可见，控制板的 电源模块部分相当复杂．除了要实现对系统供电的功 能外，其模拟信号也要求提供电流回路，电流回路越 小．对系统的自激噪声干扰越低。控制板所处理的模 拟信号大多是比较关键的反馈信号，如果系统的模拟 电源部分处理不当．会使数字电路部分的噪声干扰信 号通过电源模块串入模拟电路，或因信号回路过长产 生自激噪声，对系统的稳定性和可靠性产生很大影 响。为此，在系统电源模块的设计上，采用了下述方法： (1)系统 PCB板采用 4层板设计，通过内电源 层供电。在设计控制板电源系统时遵循了尽量简化 的原则．避免电源系统过于复杂．以提高系统的可靠 性及抗扰能力 (2)为防止数字干扰信号串入模拟电路．对数字 地和模拟地采用一点共地的方法处理．并在模拟地 的引出点串接电感或磁珠，以滤除高频噪声。另外， 在电源地信号引入 CPU电路板处做了大面积的铺 地．以减小阻抗 (3)TMS320F2812芯片的供电时序有一定的要 求 ．故 设 计 中采 用 了 TI的 TPS767D318作 为 TMS320F2812的电源芯片．它是双通道输出电压变 换器，输入电平为5V．输出电平为 1．8V和 3．3V。电 源模块通过 MOS管(导通电平为 1．IV)来控制 1．8V 和 3．3V电平的供电时序。DSP内核电源(1．8V)先上 电，I／O电源(3．3V)后上电．当TMS320F2812的所有 电源均达到允许的范围时．经过 140 280ms的延 时，以确保 DSP能正常工作．再将控制板输出使能 信号PORESET拉高，使控制板信号保持正常输出。 图2示出系统上电时序 LASH烧写电压／ ．／ 1 ． 8V 电日寸鏖1 1v-／ ／ 利 电 ／i／j ／ 4o~28 一 ‘ PORESE'F 图 2 系统电源上电时序 2．2 不同电平信号的转换 TMS320F2812的外部 I／O电压为 3．3V。为了满 足工业要求，设计驱动信号为 5V电平信号，由此 将产生电平转换问题。TMS320F2812控制板所接 2 收的数字、模拟信号分为主板信号和外部端子信 号．要将这两个信号转换到TMS320F2812所要求 的电平信号范围内才能输入。此外，TMS320F2812 的CPU输出部 I／O电平为 3．3V，而最终控制板输 出的数字信号要能够驱动主板的 5V电平信号，系 统中使用 LVX4245将 PWM输出信号转化为 5V 电平信号来驱动 IPM。 2．3 Boot．1oader方式 该方式决定了 CPU的程序从哪些资源中启 动．即编译后的程序存在哪部分存储空间。为适应 不同的系统需求 ，TMS320F2812提供了 FLASH． SPI，SCI，HO，OTP和 Parallel 6种 Boot—loader启动 方式。不同的 Boot—loader方式通过选择 SPICLK． SPISTEA．SCITXDA和 MDXA 4个管脚的跳线组合 来实现。 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1给出这 4个管脚的跳线组合所代表 的启动方式 表 1 Boot．1oader跳线说明 Boot启动 SCIT MDX SPIST SPICL 模式选择 (XDA脚) (A脚) (EA脚) (K脚) FLASH 1 × × × SP1 0 1 × × SC1 0 0 l l H0 0 0 1 0 OTP 0 0 0 l 并行 0 0 0 0 2．4 A，D转换的特点 TMS320F2812的 A／D模块具有 12位精度I2．31． 这为实现伺服系统的高精度控制创造了条件。以交 流电流的A／D为例．该系统采用 2．5倍额定电流峰 值对应 A／D转换的满量程 3V。考虑到 A／D转换的 最后一位有量化误差．即TMS320F2812的A／D准确 值为 11位精度。由于电流波形是正负双极波形．所 以一倍额定电流有效值对应的数字量是 2“，2，2．5／ 、／ =290．即电流采样的分辨率能达到 1／290．而以 前的24x／240x系列的MD为 1O位精度．分辨率只 相当于TMS320F2812的 1／4．只有 1，72左右。 此外．TMS320F2812的A／D转换模块与24x／240x 系列相比有自身的特点。24x／240x系列的参考电压 有两个引脚分别为 (一般接 GND)$H V ，没有 片内基准电压，一旦 有波动就会影响整个A／D 的采样精度。TMS320F2812进行A／D转换时．采用的 是片内的2．5V基准电平．且电压基准有输出引脚．这 样也方便了外围模拟电路的设计。TMS320F2812的参 考电平引脚只有一个ADCLO引脚，一般接 GND，没 有参考电平的高电压引脚的输入。它的转换公式为： 维普资讯 http://www.cqvip.com 基于 DSPTMS320F2812的交流传动 系统控制器 D量：4095× 皇 二垒 篁 鱼 (1) j 由式(1)可知，影响 A／D转换的外界因素只有 ADCLO引脚的电平，由于它连接 GND，所以转换的 精度和稳定度都得到提高。 2．5 扩展I／O口控制 由于该系统需要实现很 多扩展 I／O功能，而 TMS320F2812本身的I／O端口资源有限．因此需要通 过系统的数据及地址总线扩展出的帕 空间来实现外 部开关量传输。在设计过程中需要两个译码器片选信号 CS (写片选)和CS：(读片选)。图3示出相关的逻辑图。 图 3 扩展 I／O控制信号 2．6 其 它 TMS320F2812是 TI公司在 IMS320C2000平 台上第一次使用 32位内核的 DSP。它比以前的 24x／240x系列 DSP多了一个 McBSP接口 (多通道 缓冲串口)。在芯片内核上 ．工作主频最高可达 150MHz。内部时钟支持 3级分频。分别为 PLLCR设 置系统时钟；HISPCP控制一些高速的外围接口电路 的时钟．包括 ADC和 EV等：LOSPCP控制一些低速 外围接口电路的时钟，包括SCI和 SPI等。而每个功 能模块又具有相应的寄存器设置自身的时钟，这样 的结构可方便地设置各个模块需要的时钟频率。 3 采用 C语言的软件设计 该系统采用 C语言编程的软件设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。主 要基于以下考虑：①对控制软件来说．系统的可靠性 和稳定性相当重要。用汇编编程直接对系统内部的 专用寄存器和标志位以及数据存储区的页码等资源 进行操作，要想达到很高的稳定性比较困难；②汇编 中大量的跳转语句也在一定程度上降低了程序的可 读性，不利于实现程序的模块化：(~)TMS320F2812 的程序和数据空间资源非常丰富．指令周期非常短， 用 C语言编程的反汇编效率能达到 85％左右 这些 特点表明，TMS320F2812很适合采用 C语言来开发 交流传动系统用的控制软件。采用 C语言编程有利 于提高软件系统的模块化和封装化，以及缩短开发 周期，增强代码的可维护性和可移植性。 此外，对实现整个软件系统来说，采用 C语言 编程有利于建立具有特定数据结构的数据库，结合 cmd文件对片内存储空间的划分．可通过使用 stack 区所对应的局部变量有效地减少整个程序中全局变 量的使用 从而提高系统的稳定性。该系统采用 C 语言编程进行软件设计并遵循以下原则：①全局性。 尽量保证系统各模块负载均衡；②正确性。数学推导 严密，尽可能利用试验验证；③结构化。软件设计做 到层次化、模块化、封装化；④规范性。保证程序的易 读性、移植性和可维护性。该系统软件采用面向对象 结构化的设计思路 为使结构清晰，整个系统软件按 功能群分割为多个文件分别处理和完成相应的任 务，系统软件分图4所示的3个层次。 r】l1ATCH PANAL CoNTRoL oPER n0N E磁 oR DFVICF VARIARI F 主 控 层 算法 层 接 口层 图4 系统软件结构层次图 ①主控层。不涉及具体操作．只负责各个任务 调度。中断安排 ，时间和优先级处理等。主控层只 有一个文件 main．c’包括主函数和中断函数。在主 函数和中断函数中调用算法层的函数来实现系统 的各个功能。 ②算法层。负责具体任务执行，控制算法实现， 系统的主要功能全都在算法层体现。它所包含的模 块由系统要求的各个功能来决定。算法层主要用以 实现信号采集(ATYATCH)、面板显示(PANAL)、控 制算法(CONTROL)等功能。各模块之间通过标志位 来联系．不互相调用 ③接口层。负责与硬件的接口。所有与外设有关 的操作都在该层进行处理。接口层中，DEVICE模块 驱动系统硬件．VARIBLE模块用来定义 DSP硬件 资源等。除接口层外，系统其它层程序绝对禁止直接 对外设进行操作；接口层直接对外设进行操作的函 数尽可能做到功能完善，但函数不宜过多。 4 部分试验及结果 ． 该传动系统已在交流变频系统上得到了实际验 证。CPU采用 TMS320F2812芯片；功率输出器件采 用智能IGBT模块；编程语言采用 C语言【引：控制算法 采用矢量控制算法：PWM发生算法采用空间电压矢 量方法。图5示出经 RC滤波后，变频器的输出频率 为 50Hz，IPM的开关频率为 8kHz时交流传动系统输 出的PWM相电压 u 和线电压Ⅱ 实验波形。图中RC 滤波电路的滤波时间常数为0．4ms。 (下转第20页) 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 39卷第 2期 2005年 4月 电力电子技 术 Power Electronics Vo1．39．No．2 April，2005 19次的电流谐波分析。由图可见，按SHE的计算结果 进行控制可有效消除特定的低次谐波，且谐波分布向 高次谐波转移。由于高次谐波的感抗比较大，这样就 很大程度上降低了谐波的影响。 5 软硬件实现及实验结果 脉冲发生器的核心元件是一片 XC2S200的 FPGA 脉冲发生就是通过对这个器件的编程来实现 的。编程采用 VHDL语言，FPGA通过并口从主控制 器接收指令 ， ，&，控制输出波形和参考波形的相 位偏移。计量角度则通过对0．01。脉冲的计数得到，使 得可靠性得到很大提高，输出的脉冲序列则经由锁 存驱动后送至主电路的脉冲分配板，驱动主电路工 作．图4a示出硬件结构框图；图4b示出FPGA脉冲 发生模块的软件 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图。 同 步 信 号 脉 冲 同步信号 t ,a)脉冲发生器硬件结构框 图 消谐计算结果 主控制器指令 (b)脉冲 发 生模块 软件 框图 图4 硬件结构框图及软件流程图 首先对同步信号进行滤波和抗干扰处理．然后测 频．并根据频率产生O．O1。脉冲．由该脉冲可测得系统 电压的相位，而且保证了O．O1。的精确度，接收到主控 制器的角度指令，则可决定输出电压的相位，这样就 可根据消谐的计算结果，控制发出满足要求的脉冲。 按上述原理设计脉冲发生器。图5a示出实测的 9脉冲下输出电流 i。波形。对该电流波形做傅立叶分 析．得到图5b所示的结果。可见，小于 15次的低次谐 波电流基本被消除，这与实际计算结果相符。 ∞ 1 0．5 1衄 0 t／ms 谐波脓 (a)9脉冲 实测波形 (b)9脉冲实测I。的傅立叶分析 图5 9脉冲下实测输出电流波形及其谐波分析 6 结束语 通过实验结果分析和现场实际运行表明，基于 FPGA的特定消谐脉冲发生器具有脉宽精度高， 运 行可靠，实现方法简单，操作控制方便等特点，具有 很好的工业应用价值。 参考文献 ⋯ 陈远华．基于 DSP实现的特定消谐 PWM脉冲发生器【J1． 清华大学学报．2003．43(3)：349～352． 【2】 日本电气学会．电力半导体变流电路【MJ．北京：机械J二业 出版社．1993． 【3】 刘风君．正弦波逆变器【M¨ E京：科学出版社，2002． 【41 ¨ Li．Multilevel Selective Harmonic Elimination PWM Technique in Series—Connected Voltage lnverters[J】．1EEE Transactions on Industry Applications，2000．36(1)：160---169． 【5】 佟为明．PWM逆变器特定消谐式谐波抑制技术的研究【Jl_ 高技术通讯，2001，(9)：68～71． (上接 第3页) 堙 > 暑 0 0 藩静 一一● 1 1 T 1 一 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