摘 要：基于DSP芯片TMS320F2812的電機控制器設計，描述了其引導加載ROM、AD轉換單元、傳感器接口、cpld等電機控制外設電路的技術關鍵。還簡單介紹了其在調速系統中的應用。
關鍵詞：電機控制；DSP；外設；傳感器
 
    在電機控制領域， TI公司推出了2000系列電機控制嵌入式DSP。其中的TMS320F2812屬于高端產品，適合于工業控制、機床控制等高精度應用。目前涉及到2000序列的芯片在電氣傳動中的應用的文獻以側重介紹TMS320LF240x為主，介紹應用TMS320F(C)28x的比較少。TMS320F(C)28x比24x系列的DSP具有更完備的外圍控制接口和更豐富的電機控制外設電路，其指令執行時間或完成一次動作的時間僅為6.67納秒，流水線采樣最高速率60ns，交直轉換通道12位AD達16個，PWM輸出通道達12個［1］。片上資源可以足夠同時控制兩臺三相電機，使控制系統的價格大大降低而體積縮小、可靠性提高，可以在高度集成環境中實現高性能的電機控制。本文將著重闡述作者基于TMS320F2812設計的DSP控制器的設計中的重點，并介紹它在工業控制中的應用。

圖1  電機控制系統結構原理圖

1 引導加載ROM

    引導加載是指器件復位時執行一段引導程序，一般用于從端口（異步串口、I/O口、或HPI主機接口）將EPROM/FLASH等非易失性存儲器中加載程序到高速RAM中允許。
1.1  TMS320F2812的啟動模式
    TMS320F2812提供了幾種不同的啟動模式，四個通用IO引腳用于決定選擇何種啟動模式，如表所示：

1.2   SCI SPI啟動加載器
    通過SPI同步傳輸和SCI異步傳輸實現FLASH ROM引導加載。硬件電路如圖2，JP15為SPI或SCI引導加載器選擇,1-2時選擇SPI,2-3時選擇SCI；JP4是SPI數據傳輸路徑的選擇,位于1-2時,連接至外部擴展接口J6或串行ROM,位于2-3連接至J5仿真數據傳輸接口。SPI仿真接口可參考[2]。

2  AD轉換單元
    TMS320F2812電機控制器包含多達16路AD轉換通道，被分為兩組，AD0~AD7為一組，AD8~AD15為一組。每組都有一個專門的輸入端。事件管理器可將ADC配置為兩個獨立的8通道模塊，也可串接成為一個16通道的模塊。盡管有多個輸入通道和兩個序列發生器，轉換器只有一個。8通道模塊會將8路輸入自動排序，并按序選擇一路輸入進行轉換，轉換完成后的結果保存在對應的結果寄存器中。在串接模式下，自動序列發生器將成為16通道的發生器自動序列發生器允許對同一個通道的信號進行多次轉換，這主要用于過采樣的算法中。與單采樣AD轉換模塊相比是個進步［1］。

圖2  SCI SPI啟動加載器

3  與傳感器的接口
1）霍爾位置傳感器
    三個I/O引腳上，通過I/O引腳捕捉霍爾元件上的高速脈沖信號，檢測轉子的轉動位置，
2) 霍爾電流傳感器
    DSP需要兩到三個A/D通道對傳感器電流進行采集獲得三個相電流。霍爾電流傳感器采集的是模擬量信號，TMS320F2812電機控制器包含多達12路輸入通道，被分為兩組，AD0~AD7為一組，AD8~AD15為一組。每組都有一個專門的輸入端。需要注意的是要防止相電流過高造成對DSP的沖擊損壞。我們的做法雙重保護，即信號經過RC濾波后連接至一個運放比較器，比較器有一個參考電壓，當信號低于這個參考電壓，信號經過運算放大后輸出；當信號超過這個參考電壓，說明逆變器發生過流情況，比較器輸出低電平將DSP的PDPINT引腳拉低，此時所有的PWM輸出立即被置為高阻態。如圖3所示：

圖3  信號過電流保護電路
   

    經過比較器的信號連接到采樣保持放大器的反相輸入端。調節可變電阻，A/D轉換單元的參考電壓輸入端ADCREFP和ADCREFM引腳獲得0~3.3V的可變電壓，從而把檢測到的信號偏置到模/數轉換內核正常的輸入范圍。實現對DSP控制器的保護。
3) 速度傳感器
    感應電機轉子速度的最常用的方法是用增量編碼器和測速發電機。在編碼器的場合，TMS32F2812包含一個正交編碼脈沖（Q.E.P）單元，電機的碼盤信號A、B通過DSP控制器的CAP1、CAP2端口進行捕捉。捕捉到的數據存放到寄存器中，通過比較捕捉到的A、B兩相脈沖值可以確定當前電機轉子的速度和方向，完成這些僅需兩個數字量輸入和一個16或32位的內部計時寄存器。下圖為接兩部電機速度傳感器的電路，經過了一個四通道光藕TLP521-4連到DSP的CAP 引腳上，如圖4所示：

圖4  碼盤信號的捕捉電路

3  復合編程邏輯部件CPLD
    硬件系統應盡量朝“單片”方向設計，因為系統器件越多，器件之間相互干擾也越強，功耗也增大，也不可避免地降低了系統的穩定性。我們選用復合編程邏輯部件CPLD作為邏輯部件，它不僅完成邏輯譯碼功能，還帶有大容量FLASH存儲器、SRAM、數字I/O，減少了器件之間的干擾，提高了系統的穩定性。

4   應用舉例
    一個用DSP控制器控制異步電動機的矢量控制系統的基本結構如圖5所示

圖5  應用于異步電機矢量控制系統

    用可編程IO捕捉轉子的速度信號反饋，電機的相電流反饋采集到ADC通道進行轉換。
    接收光電編碼器的信號，并依此計算電機的轉速。采集電機相電流的瞬時值，依此實時估計電機的運行狀態，如磁鏈的大小和角度、轉矩的大小和方向、電機的轉速和滑差等。按照某種調控規律產生PWM信號，控制逆變器的開關動作，從而對電機運行狀態進行調控。
    板上資源可以控制兩部電機，可以減少控制成本。

5 結束語

    目前采用的一些性能優越的電機控制技術，如矢量控制技術和直接力矩控制技術屬于計算密集型的控制方法，采樣控制周期短、控制算法復雜、而且檢測和計算精度高。基于TMS320F2812的DSP電機控制器憑其優越的數字化控制能力，完全可以勝任復雜精確的計算和控制任務，可以應用于勵磁脈沖控制系統、電力保護系統，也可以延伸到不間斷電源(UPS)、變頻開關電源、機器人控制（ROBOT）等高精度工業控制領域。