基于DSP+CPLD的異步電動機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)平臺設(shè)計(jì)

隨著電力電子技術(shù)、電機(jī)控制理論和微控制器的不斷發(fā)展，現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。目前，高性能的調(diào)速控制策略和現(xiàn)代控制理論已逐步應(yīng)用于交流電動機(jī)控制領(lǐng)域，普通運(yùn)動控制系統(tǒng)已不能滿足高性能調(diào)速控制要求，建立以DSP+CPLD為控制核心的異步電動機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)平臺，對于研究高性能運(yùn)動控制策略具有重要意義。它不僅可以減小系統(tǒng)體積，而且可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制、提高系統(tǒng)運(yùn)算能力，此開發(fā)平臺可方便用戶快速完成電機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用。

1 開發(fā)平臺硬件總體設(shè)計(jì)

1.1 開發(fā)平臺總體設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

該開發(fā)平臺以三相異步電動機(jī)作為被控對象，以控制器TMS320F2812與復(fù)雜可編程邏輯器CPLD作為控制核心，主電路為典型的三相交-直-交電壓源型逆變電路，二極管構(gòu)成了三相橋式整流電路，濾波后獲得直流電壓，由智能功率模塊（IPM）作為逆變器的主開關(guān)器件，輸出一定頻率和電壓的三相交流電給異步電動機(jī)供電。

DSP有豐富的片上資源和高效的數(shù)據(jù)處理能力，運(yùn)行速度較快，因此對外圍部件快速配合要求也高。如果外圍部件采用專門的電路控制，不僅可以對DSP進(jìn)行更多功能的擴(kuò)展，而且可以減少系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)控制精度。

復(fù)雜可編程邏輯器件有豐富的邏輯資源，更適合完成各種算法和組合邏輯。具有I／O口多、設(shè)計(jì)靈活、規(guī)模大和速度快、邏輯處理能力強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，若用其單獨(dú)構(gòu)成變頻調(diào)速系統(tǒng)，開發(fā)周期長且成本昂貴。Altera公司的MAX IIZ CPLD具有多種關(guān)鍵優(yōu)勢。在單個器件中實(shí)現(xiàn)了高級功能和零功耗。在高級系統(tǒng)特性上都超出了傳統(tǒng)宏單元CPLD，這些特性包括用戶閃存、內(nèi)部振蕩器、成本優(yōu)化、更大的密度、更小的封裝以及更低的功耗等?；谏鲜鲈颍⒖紤]系統(tǒng)后續(xù)開發(fā)的通用性和各種不同控制方案的實(shí)現(xiàn)，控制電路以DSP+CPLD作為控制核心，采用

TMS320F2812芯片實(shí)現(xiàn)異步電動機(jī)各種復(fù)雜控制算，CPLD實(shí)現(xiàn)外圍電路的邏輯控制。不僅滿足了系統(tǒng)控制的高性能要求，而且減輕了DSP處理負(fù)擔(dān)，使得DSP可以集中處理系統(tǒng)控制算法，簡化了邏輯電路，提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性。

基于TMS320F2812+CPLD的異步電動機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)平臺硬件原理，如圖1所示。

圖1 開發(fā)平臺硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

與普通控制系統(tǒng)相比，該控制系統(tǒng)開發(fā)平臺有如下特點(diǎn)：

（1）DSP與CPLD協(xié)調(diào)控制，可以發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高性能調(diào)速控制。

（2）DSP、復(fù)雜可編程邏輯器件構(gòu)成的電機(jī)控制系統(tǒng)有著更智能化的發(fā)展。

（3）該控制系統(tǒng)開發(fā)平臺控制方案靈活，可編程性強(qiáng)，預(yù)留端口豐富，便于擴(kuò)展，不僅可以實(shí)現(xiàn)對異步電動機(jī)的控制，也可以達(dá)到對其他高性能電機(jī)的控制，系統(tǒng)升級容易，維護(hù)性好。

（4）利用該控制系統(tǒng)開發(fā)平臺，可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高開發(fā)效率，并可以在短時(shí)間內(nèi)完成電機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用。

（5）該控制系統(tǒng)開發(fā)平臺控制電路開關(guān)量形式的輸出信號均通過光耦隔離與系統(tǒng)主電路接口，保證了強(qiáng)弱電的隔離，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，能夠滿足電機(jī)控制領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)高可靠性的要求。

1.2 各模塊電路設(shè)計(jì)

1.2.1 主電路

主電路為典型三相交-直-交電壓源型逆變電路，通過三相不控整流電路向逆變器和開關(guān)電源供電。采用智能功率模塊（IPM）作為逆變器的主開關(guān)器件，其外圍元件少、結(jié)構(gòu)簡單且可靠性高。同時(shí)配備全面的保護(hù)措施，保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

（1）逆變電路。

開發(fā)平臺逆變電路為典型三相交-直-交電壓源型逆變電路，采用三菱公司智能功率模塊（IPM）PM50RL1A120，其耐壓1200 V，額定電流50 A，內(nèi)部整合了6路高速、低功耗IGBT組成的三相全控橋和一路用于制動的IGBT，以及過電壓、過電流和過熱等故障檢測和保護(hù)電路，并將檢測信號送到DSP進(jìn)行中斷處理?？刂破鬏敵龅男盘柧?jīng)過光耦隔離電路進(jìn)入IPM，有效地抑制了系統(tǒng)干擾。

（2）電壓、電流檢測電路。

在逆變電路的直流側(cè)和輸出的交流側(cè)設(shè)計(jì)了電壓、電流檢測電路，通過霍爾電壓、電流傳感器獲得電壓、電流信號，經(jīng)隔離放大后送過DSP的ADC模塊，進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生過流、過壓時(shí)，電路可以迅速將低電平信號發(fā)送到DSP的PDPINT保護(hù)引腳，封鎖PWM脈沖輸出，避免系統(tǒng)發(fā)生故障。

1.2.2 控制電路

控制系統(tǒng)開發(fā)平臺主要用來完成各種復(fù)雜的異步電動機(jī)調(diào)速控制算法，加速電機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用。DSP與外圍電路的聯(lián)系，可以完全通過CPLD控制，DSP和CPLD采用總線方式進(jìn)行通信。CPLD作為系統(tǒng)DSP芯片的擴(kuò)展，可以完成眾多邏輯控制以及I／O擴(kuò)展任務(wù)。CPLD可以設(shè)置成具有地址譯碼器功能，依據(jù)DSP輸出的地址信號，對其進(jìn)行譯碼，通過地址總線輸入CPID，選通外圍電路達(dá)到對其進(jìn)行控制，并且可以實(shí)現(xiàn)SRAM以及LED、IED讀寫信號的控制。

TMS320F2812是TI公司最新推出的是32位定點(diǎn)DSP控制器，采用改進(jìn)哈佛結(jié)構(gòu)，具有高速數(shù)據(jù)處理能力。其片內(nèi)集成有豐富的運(yùn)動控制專用外設(shè)：PWM產(chǎn)生電路、SVPWM狀態(tài)機(jī)、可編程死區(qū)、比較／捕獲單元等。其他功能外設(shè)：A／D轉(zhuǎn)換單元、SCI、SPI、CAN控制器等，適合用在高精度伺服控制領(lǐng)域。

Altera公司的MAX IIZ系列EPM57OZM144C7N采用MBGA封裝，有144個引腳和116個用戶可用I／O口，典型等價(jià)宏單元440個，DSP電壓與該芯片匹配，同時(shí)提供了JTAG接口，可以進(jìn)行ISP編程，邏輯處理能力強(qiáng)大，外圍邏輯電路得以簡化。

（1）電源模塊。

TMS320F2812采用雙電源供電，系統(tǒng)先給所有+3.3 V的I／O加電，再接通1.9 V的內(nèi)核電源。針對這樣的電源要求，選用TI公司提供的雙電源供電芯片TPS767D301給DSP供電，該芯片為雙路輸出，一路輸出恒定的3.3 V電壓，另一路輸出可調(diào)電壓，實(shí)現(xiàn)DSP供電時(shí)序要求。采用TPS3823S芯片實(shí)現(xiàn)電源監(jiān)控和手動／自動復(fù)位，監(jiān)控程序運(yùn)行，防止程序陷入死循環(huán)。TPS767D301電平輸出電路如圖2所示。

圖2 TPS767D301電平輸出電路