基于tms320f2812的无刷直流电机控制系统设计(1) - 图文(8)

西北工业大学硕士学位论文 控制算法得以实现.

第四章基于DSP的控制系统方案设计

片内存储器资源包括:128KX16位ROM、18KX16位的单端口数据/程序 8“1^、片内1281(_><16位的？13511程序存储器、报父16位片上8〇〇1艮(脱、 1KX16的一次可编程存储器OTP。F2812片上Flash/ROM具有可编程加密特 性,可用在开发及对现场软件进行升级的简单编程。F2812还设有代码安全模块 (CSM)。该模块用以保护

Flash/ROM/OTP模块，从而保证了相关寄存器的数据 安全。除此之外，F2812提供了一

个外部存储器接口，对于需要较大存储模型的 系统，其寻址地址可达到1M字.

4.1.2事件管理器模块

TMS320F2812有两个事件管理器模块EVA和EVB,都是特定的外围设备，

为多轴运动控制应用而设计的。它们是数字电机控制应用使用的非常重要的外 设，能够实现机电设备控制的多种必要的功能。

每个事件管理器模块包括：2个通用定时器(GPTimer),三个全比较单元， PWM单元、三个捕获单元、正交编码脉冲(QEP)电路。每个事件管理器模块都 有6个指定的PWM输出引脚，他们与3个比较单元有关，这六个输出引脚可以控 制三相交流感应电机和无刷直流电机。通过比较动作控制寄存器（ACTRx)可 以灵活的控制输出，如果需要，每个定时器单元都可以利用自身的定时器产生 PWM输出。

下面我们根据直流无刷电机的控制需要来说明六路PWM波的具体产生过 程。 产生PWM信号，需要一个能够循环计数的定时器来重复PWM周期，一个比 较寄存器来存放调制值。定时器的值不断地与比较寄存器的值进行比较，当两值 匹配时，相关输出极性产生变化。当第二次匹配产生或周期结束时，相关引脚或 极性产生另一个变化。输出信号的变化时间由比较寄存器的值决定。这个过程在 每个定时器周期按照比较寄存器不同的值重复，这样便产生了PWM信号。 *通用目的定时器（GP)

PWM波形的周期发生器可以由EV模块的通用目的定时器来实现。GP定时器 可以为

事件管理器的其他子模块提供时基：GP定时器还可以为所有的比较和 PWM电路提供时基

fGP

定时器1和GP定时器2可以为捕捉电路和正交脉冲计数操 作模式提供时基。 通用目的定时器可以进行单独操作，也可与其他定时器同步操作。每个GP 定时器所有的

比较寄存器可以用作比较功能和PWM波形的产生。双缓冲的周期

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西北工业大学硕士学位论文 第四章基于DSP的控制系统方案设计

和比较寄存器允许可编程的变化定时器（PWM)周期，从而得到比较/PWM脉 冲的所需宽度。每一个通用目的定时器在增或增/减计数模式下都有3种操作模 式。通过预定标因子，每个GP定时器可以使用内部或外部时钟^ *全比较单元

全比较单元主要完成第二部分的工作，即将设定的比较值与计数值实时比 较，产生比较匹配触发事件，作为输出逻辑单元的触发基准。只要实时改变比较 寄存器的值，就可以改变匹配事件发生的时间长短，从而改变单位周期内高电平 或者低电平的脉冲宽度，产生PWM波形。

每一个全比较单元都和两个PWM引脚相对应，这样，三个全比较单元就可 以控制六路

PWM波形的产生。图4>1是全比较单元产生PWM波形的示意图。

对称PWM波形产生 图4-1由全比较单元产生PWM波

?事件管理器中断

事件管理器的中断事件分为3组：A、B和C。每一组都有不同的中断标志 和中断使能寄存器。每个EV中断组中有若千个事件管理器外围设备中断请求。 当EV模块产生一个中断事件时，EV中断标志寄存器的相应中断标志位置1。

2%

西北工业大学硕士学位论文 第四章基于DSP的控制系统方案设计

如果标志位没有屏蔽，则外围设备中断扩展控制器就会产生一个外围设备请求<■ 当中断请求被确认后，与被使能的中断标志对应具有最高优先级的外围中断向量 被装入外围设备中断向量寄存器(PIVR：)。

由此可见，对产生PWM波形的某个引脚逻辑电平的使能，就是对电机进行 控制时产生触发电平的主要方法。不同电机具有不同的控制逻辑，但是只要通过 设置电平触发的时间基准、定义事件发生的条件以及发生时的引脚逻辑，就可以 利用事件管理器模块产生适应不同电机的控制时序。

4.13片上外设

(U串行外设接口（SPI)

串行外围接口（SPI)是一个髙速的同步串行输入/输出端口，它允许可编程 长度（15?16位）的串行位流以一个可编程的位传输速率移入或移出该设备， 能够实现DSP控制器与外部设备或者与另一个控制器之间的通信。这种模式的通 讯，较通过串行通讯接口（SCI)进行通讯时，速率提高近一倍，而且它还可以 通过控制寄存器的TALK位实现多个DSP之间的数据交换。

TMS320F2812的SPI和以往DSP的SFI相比具有两个特点：一是传送、接收都 具有

独立的FIFO:二是波特率可以自动检测。自动波特率检测逻辑主要解决通 信过程中终端波特率的确定问题?而其16字的FIFO可大大减少通信中断次数，

提高通信速率。SPI有一个16位的波特率选择寄存器，通过改变寄存器的值可以 得到多于65000种的波特率。

(2) 串行通信接口（SCI)

串行通信接口 SCI是一个双线的异步串口

，一般看作是UARh SCI模块支 持CPU与采

用非返回至O(non-retum-to-zero) (NRZ)标准格式的异步外围设备之 间的数字通信。

SCI的接收器和发送器各具有一个16级深度的FIFO,这样可以 减少空头的服务。它们还各

有自己独立的使能位和中断位，可以在半双工通信中 进行独立的操作，或在全双工通信中同时进行操作

。一般用于DSP与上位机的 通信中。

(3) 模数转换模块(ADC)

TMS320F2812的ADC模块是一个带采样/保持电路的12位分辨率的，具有 流水线结

构的模-数转换器。可多路选择16通道输入，在25MHz的ADC时钟 时，执行一次转换操作时间为80ns,比F2407快得多。丨6个转换结果寄存器可 工作于连续自动排序模式或启动/停止模式。

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西北工业大学硕士学位论文 第四章基于DSP的控制系统方案设计

4.2控制系统设计

总体方案设计中，根据系统功能我们将整个系统划分为整流滤波电路、IPM 模块、DSP主控电路

和转子位置检测电路几个模块。系统功能框图如图‘2示。

图4^2控制系统功能框图

交流市电由整流桥和变压器转换为直流电,一部分经过稳压模块后作为DSP 芯片和其他主控板上电子器件的供电电源，一部分作为电机驱动电源送入IPM 模块。IPM模块中包

括三相桥式逆变电路和电流反馈电路，通过DSP控制芯片 给出PWM波驱动信号驱动电机转动，同时将瞬时电流信号反馈给DSP进行电 流反馈控制。电机位置信号经过放大输入DSP中形成位置反馈控制，并根据计 数器测得时间算出电机转动速度，完成速度反馈，构成闭环

f服系统，提高直流 调速系统的控制性能。DSP主控板除给出电机控制信号外，还可扩展外

部附加功 能，方便更加直观地控制系统。

4.3控制方案说明

4.3.1转子位置检测方案选择

反电动势过零点检测法是目前技术最成熟，实现最简单，应用最广泛的转 子位置检测方法，尤其是在家电领域。这种方法的基本原理是：在忽略电机电枢 反应影响的前提下，无刷直流电机稳态运行时，任何时刻其三相绕组只有两相导 通，每相绕组分别导通120°电角度。通过检测“关断相”（逆变桥上下功率器件 皆处于关断的那一相）的反电势过零点，来依次得到转子的6个关键位置，以此 轮流触发6个功率管，驱动电机正常运行。

由于逆变器三相桥式电路中总有一相是断开相，因此，与之相联的桥臂上、 下两个管子是截止的，则该相绕组的相电压等于感生电动势，该感生电动势就是

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