基于DSP的電動(dòng)機(jī)速度調(diào)控試驗(yàn)臺(tái)的開發(fā)

Abstract: For the combination of motor control and the information system, and the improvement of motor control system, it’s necessary to implement the digital control on the motor control. A new motor control system based on DSP chip is developed in this paper. The hardware of the system is consists of two parts: the main controller circuit board and the main circuit board.

Keywords: DSP; Velocity Control; Motor; Control Circuit

1 引言

由于不同的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)需要用不同的數(shù)字變頻系統(tǒng)來控制,所以人們都要編寫專用的控制器軟件。一個(gè)新的速度調(diào)控算法是否可行,必須通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證,通常的做法是:利用MATLAB軟件包進(jìn)行仿真,檢驗(yàn)算法的理論可行性,在理論可行的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并制作一套實(shí)際電路,通過實(shí)踐來檢驗(yàn)。采用這種方法,一個(gè)速度調(diào)控算法從提出到最后實(shí)踐檢驗(yàn)通過,一般需要半年以上的時(shí)間,周期較長,影響延緩了技術(shù)更新的速度。我們?cè)O(shè)計(jì)這個(gè)數(shù)字化電動(dòng)機(jī)通用控制試驗(yàn)臺(tái)主要有以下兩個(gè)目的。

第一,數(shù)字化電動(dòng)機(jī)通用控制試驗(yàn)臺(tái)是給剛接觸電動(dòng)機(jī)速度調(diào)控控制的人們提供一套可以直接進(jìn)行電動(dòng)機(jī)速度調(diào)控控制的試驗(yàn)臺(tái)。

第二,數(shù)字化速度調(diào)控的通用控制試驗(yàn)臺(tái)是給專門研究速度調(diào)控算法的研究人員提供完備的速度調(diào)控研究設(shè)備。。

2 硬件試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)介紹

數(shù)字化通用控制試驗(yàn)臺(tái)的硬件平臺(tái)由幾個(gè)部分組成:一是負(fù)責(zé)控制算法的主控芯片及外圍設(shè)備,系統(tǒng)中選用了TI公司的TMS320F2812 DSP控制器,它功能強(qiáng)大,運(yùn)行速度快,是專門為電動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用優(yōu)化的控制芯片,完成各種模擬、數(shù)字信號(hào)的采樣;一是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,完成交-直-交變頻速度調(diào)控的功率驅(qū)動(dòng);還有就是用于實(shí)驗(yàn)的電動(dòng)機(jī)機(jī)組。有了這三部分,數(shù)字化速度調(diào)控控制研究就有了實(shí)驗(yàn)臺(tái),可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證速度調(diào)控算法的實(shí)際運(yùn)行效果。圖1給出了數(shù)字化通用速度調(diào)控試驗(yàn)臺(tái)的硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。

3 控制芯片TMS320F2812

數(shù)字化通用控制試驗(yàn)臺(tái)當(dāng)然不能沒有負(fù)責(zé)控制的CPU。本試驗(yàn)臺(tái)采用的是TI公司的TMS320F2812 DSP,該系列處理器是基于TMS320C2xx內(nèi)核的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器。器件上集成了多種先進(jìn)的處設(shè),為電動(dòng)機(jī)及其他運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供了良好的試驗(yàn)臺(tái)。F281x系列DSP有很高的運(yùn)算精度(32位)和系統(tǒng)的處理能力(達(dá)到150MIPS)。16通道高性能12位ADC單元提供了兩個(gè)采樣保持電路,可以實(shí)現(xiàn)雙通道信號(hào)同步采樣。TI公司的TMS320F2812控制芯片完全可以滿足高性能的數(shù)字化通用控制試驗(yàn)臺(tái)的主控芯片的要求。下面分別簡單介紹該DSP控制器的各個(gè)模塊。

圖1 數(shù)字化通用速度調(diào)控試驗(yàn)臺(tái)的硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

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運(yùn)行的一切條件以及和外圍設(shè)備的硬件接口,這些外圍設(shè)備的接口包括外部存儲(chǔ)器、通訊以及和功率驅(qū)動(dòng)的接口,及信號(hào)采樣電路等主要是弱電控制部分。

4.1 DSP控制器需要的電源

DSP是整個(gè)控制板的核心部分,如果要讓其能夠正常的運(yùn)行,就必須給DSP提供一個(gè)合適的電源。該主控板的芯片是TI的TMS320F2812,它要求雙電源來給CPU、FLASH、ADC和I/O上電。CPU的電源電壓是1.8V(135MHz)或者是1.9V(150MHz)。Flash的編程電壓和I/O電壓均是3.3V。我們先設(shè)計(jì)輸出為5V/+-15V/18V的開關(guān)電源,然后用芯片實(shí)現(xiàn)5V到3.3V及1.8/1.9V的電源轉(zhuǎn)換,提供給DSP控制器正常的工作電壓。+-15V用作一些采樣電路中運(yùn)放的電源。

4.2 DSP控制器的時(shí)鐘

DSP控制器要能夠正常地工作,除了要有電源之外,還有提供時(shí)鐘源。TMS320F2812 DSP控制器有一個(gè)在片、基于PLL的時(shí)鐘模塊。這個(gè)模塊提供了所有必要的時(shí)鐘信號(hào),PLL有4個(gè)倍率控制比特來選擇不同的CPU時(shí)鐘速率。

由于晶振的頻率穩(wěn)定,是目前使用最多的外部時(shí)鐘源。下面給出了典型0MHZ的外部石英晶振的特性如下,如圖2所示。

圖2 30MHz石英晶振的特征圖

4.3 擴(kuò)展RAM

由于我們的數(shù)字化通用控制試驗(yàn)臺(tái)的程序量和數(shù)據(jù)處理量都比較大,我們?cè)贒SP控制器系統(tǒng)板上擴(kuò)展了512K16的外部RAM。我們選擇了Zone6來擴(kuò)展外部RAM。

4.4 通訊模塊

DSP控制板具有很強(qiáng)的通訊功能。通訊模塊包括了JTAG,CAN,SPI和以太網(wǎng)模塊。以太網(wǎng)模塊模塊的接口主要用來在計(jì)算機(jī)和DSP控制器之間傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

由于我們用到了以太網(wǎng)通訊,這里簡要的介紹一下我們用到的以太網(wǎng)控制器RTL8019AS,它的主要性能如下:符合Ethernet II與IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn);全雙工,收發(fā)可同時(shí)達(dá)到10Mbps;16KB的SRAM,用于收發(fā)緩沖降低對(duì)主處理器的速度要求。8/16位數(shù)據(jù)總系線,8個(gè)中斷申請(qǐng)以及16個(gè)I/O基址選擇;內(nèi)部可分為:遠(yuǎn)程DMA接口(是指DSP與RTL8019AS內(nèi)部RAM進(jìn)行讀寫的接口);本地DMA接口(是指RTL8019AS與網(wǎng)線的接口);MAC邏輯功能:當(dāng)控制器向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),先將一幀數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程DMA通道送到RTL8019AS中的發(fā)送緩存區(qū),然后發(fā)出傳送命令;當(dāng)RTL8019AS完成了上一幀的發(fā)送后,再開始此幀的發(fā)送。RTL819接收到的數(shù)據(jù)通過MAC比較、CRC校驗(yàn)后,由FIFO存到接收緩沖區(qū);收滿一幀后,以中斷或寄存器標(biāo)志的方式通知主處理器。FIFO邏輯對(duì)收發(fā)數(shù)據(jù)作16字節(jié)的緩沖,以減少對(duì)本地DMA請(qǐng)求的頻率。

RTL8019AS的65腳jp的功能在于選擇配置RTL8019AS與控制其處理器的接口工作模式,設(shè)計(jì)中通過將其設(shè)為高電平選擇跳線方式,即RTL8019AS的I/O和中斷由跳線決定,不需外擴(kuò)EEPROM存儲(chǔ)信息來控制RTL8019AS的I/O和中斷。減少了連線,提高了高頻電路的穩(wěn)定性。以太網(wǎng)的接口電路框圖如圖3所示。

圖3 以太網(wǎng)的接口電路框圖

4.5 AD采樣模塊

DSP控制板包含了電動(dòng)機(jī)控制的AD采樣模塊,包括直流母線電壓,電流采樣,三相電壓采樣及兩路備用采樣電路,其余沒有用到的AD采樣通道均以接口方式接出,以備不時(shí)之需。所有的AD采樣信號(hào)都先通過濾波、電平處理和電壓鉗位等調(diào)理電路,使輸入DSP AD模塊的采樣檢測信號(hào)電壓大小在DSP控制器的容許電平范圍內(nèi)(0~3V),以免燒毀DSP控制器。

4.6帶硬件死區(qū)PWM控制信號(hào)

我們的PWM信號(hào)都是由DSP控制器的事件管理器EVA模塊產(chǎn)生的,在系統(tǒng)板上,我們防止逆變器中上下臂直通造成短路,設(shè)置了一個(gè)硬件死區(qū)電路,保證上下臂不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通,留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長短主要由器件關(guān)斷時(shí)間決定。但死區(qū)時(shí)間不能太長,因?yàn)樗绤^(qū)時(shí)間會(huì)給輸出PWM波帶來影響,使其稍稍偏離正弦波。

5 主電路設(shè)計(jì)

主電路主要包括EMI濾波、整流電路和開關(guān)逆變電路。

5.1 EMI濾波電路

為了減少干擾,我們采用了EMI濾波電路,如圖4。

圖4 EMI濾波電路

電路中包括共模扼流圈(亦稱共模電感)L、濾波電容C1－C4。L能起到抑制共模干擾的作用,當(dāng)出現(xiàn)共模干擾時(shí),由于兩個(gè)線圈所產(chǎn)生的磁通方向相同,經(jīng)過耦合后總電感量迅速增大,因此對(duì)共模信號(hào)呈現(xiàn)很大的感抗,使之不易通過,故稱作共模扼流圈。C1和C2采用薄膜電容器,容量范圍大致是0.01－0.47(μF),主要用來濾除串模干擾。C3和C4跨接在輸出端,并將電容器的中點(diǎn)接地,與電路中的共模扼流圈L相配合,能有效地抑制共模干擾。

5.2逆變電路

由于這個(gè)數(shù)字化通用控制試驗(yàn)臺(tái)既可以用于控制直流電動(dòng)機(jī),交流電動(dòng)機(jī),還可以用于控制開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī),所以,主電路在接法上有所講究。圖5所示即是我們的逆變器部分的電路圖。

圖5 逆變器部分電路圖

當(dāng)我們用于控制直流電動(dòng)機(jī),交流電動(dòng)機(jī)時(shí),JPU、JPV、JPW閉合,而且分別接電動(dòng)機(jī)的U,V,W三相;當(dāng)我們用于控制開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)時(shí),把U,V,W三相分別串聯(lián)在JPU、JPV、JPW上。

6 檢測電路

檢測電路的主要模塊包括:相電壓電流采樣電路,直流臂電壓電流的采樣電路。采用霍爾傳感器檢測方式,相電壓和電流信號(hào)經(jīng)過傳感器都轉(zhuǎn)換為電流信號(hào),進(jìn)入采樣板后,先通過一個(gè)下拉電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),再加一級(jí)跟隨電路,后接一個(gè)二階濾波電路,濾波后調(diào)幅,平移,之后限位。直流母線電壓及電流的采樣同樣采用電壓霍爾傳感器檢測。此電壓霍爾傳感器及電流霍爾傳感器是應(yīng)用霍爾原理的閉環(huán)傳感器。具有高精度、良好的線性度、低溫漂、抗外界干擾能力強(qiáng)、共模抑制比強(qiáng)、反應(yīng)時(shí)間快、頻帶寬的特點(diǎn)。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn):

平臺(tái)的主控芯片采用了TMS320F2812 DSP,該DSP有很高的運(yùn)算精度和系統(tǒng)的處理能力,使得該平臺(tái)不僅有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,良好的穩(wěn)定性,還具有對(duì)各種電機(jī)的通用性。

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