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1 引言
在电机控制领域，TI公司推出2000系列电机控制DSP。TMS320F2812属于最新高端产品，适合工业控制、机床控制等高精度应用。目前2000系列芯片在电气传动中的应用以TMS320LF240x为主，应用TMS320F(C)28x的比较少。但28x比24x系列的DSP具有更完备的外围控制接口和更丰富的电机控制外设电路，更高的主频，指令执行时间仅为6.67ns，流水线采样最高速率60ns，12位A/D转换通道16个,PWM输出通道12个。资源足够同时控制两台三相电机，使控制系统价格大大降低而体积缩小、可靠性提高，可在高度集成的环境中实现高性能电机控制。电机控制系统基本结构见图1，本文阐述基于TMS320F2812的DSP电机控制系统设计中的重点。
图1 电机控制系统结构原理图 2 引导加载ROM
引导加载是指器件复位时执行一段引导程序，一般用于从端口(异步串口、I/O口或HPI主机接口)将EPROM/FLASH等非易失性存储器中加载程序到高速RAM 中。
2.1 TMS320 812的启动模式
TMS320F2812提供了几种不同的启动模式，四个通用I/O引脚用于确定选择何种启动模式，如表1所示。
| GPIOF7 | GPIOF12 | GPIOF4 | GPIOF9 | | | (SCITXDA) | (SCIMDXA) | (SPISTEA) | (SPICLKA) | 模式选择 | | 1 | × | × | × | Flash地址 | | 0 | 1 | × | × | SPI启动模式 | | 0 | 0 | 1 | 1 | SCI启动模式 | | 0 | 0 | 0 | 0 | Parallel启动模式 |
2.2 SCI SPI启动加载器
通过SPI同步传输和SCI异步传输实现FLASHROM引导加载。硬件电路见图2，JP15为SPI或SCI引导加载器选择，1—2时选择SPI，2—3时选择SCI；JP4是SPI数据传输路径的选择，位于1—2时，连接至外部扩展接口J6或串行ROM，位于2—3时连接至J5仿真数据传输接口。
图2 SCI SPI启动加载器3 A/D转换模块
TMS320F2812电机控制芯片内部集成了16路12位A/D转换模块，模拟量信号采样输入范围是0～ 3.3V，16路A/D通道分为两组，AD0～AD7为一组，AD8～AD15为一组。每组都有一个专门输入端。事件管理器可将ADC配置为两个独立的8通道模块，也可串接成一个16通道模块。尽管有多个输入通道和两个序列发生器，转换器只有一个。8通道模块将8路输入信号自动排序，并按序选择一路输入信号进行转换，转换完成后的结果保存在对应的结果寄存器中。串接模式下，成为16通道的A/D模块允许对同一个通道信号进行多次转换，主要用于过采样的算法中。与单采样A/D转换模块相比是个进步。 4 与传感器的接口
4.1 霍尔位置传感器
TMS320F2812通过芯片内部自带的ADC转换模块中的三个A/D转换通道捕捉霍尔位置传感器上的三个相位置信号。此信号为模拟量，接到A/D转换通道ADCINA3、ADCINA4、ADCINA5等引脚上，可以检测转子的转动位置。
4.2 霍尔电流传感器
DSP同时需要三个A/D转换通道对霍尔传感器电流进行采集以获得三个相电流信号。霍尔电流传感器采集的是模拟量信号，采用内部的A/D转换模块，特别注意的是要防止相电流过高造成对DSP的冲击损坏。这里采用双重保护，即信号经过RC滤波后连接至一个运放比较器，比较器有一个参考电压，信号经运算放大后输出；当信号超过参考电压，说明逆变器发生过流情况，比较器输出低电平将DSP的PDPINT引脚拉低，此时所有的PWM输出立即被置为高阻态，从而起到对DSP的保护作用。电路见图3。
图3 信号过电流保护电路
经过比较器的信号连接到采样保持放大器的反相输入端。调节可变电阻，A/D转换单元的参考电压输入端ADCREFP和ADCREFM 引脚获得0—3.3V的可变电压，从而把检测到的信号偏置到模/数转换内核正常的输入范围，以实现对DSP的保护。
4.3 速度传感器
测量电机转速常用的方法是用增量编码器和测速发电机。用编码器时，TMS320F2812包含一个正交编码脉冲(Q.E.P)单元，电机的码盘信号A、B通过DSP的CAP1、CAP2端口进行捕捉。捕捉到的数据存放到寄存器中，通过比较捕捉到的A、B两相脉冲值可以确定当前电机转子的速度和方向，完成这些仅需两个数字量输入和一个16位或32位的内部计时寄存器。图4为接两部电机速度传感器的电路。电机速度码盘信号经过一个四通道光耦合器件TLP521-4连到DSP的CAP引脚上进行捕捉。
图4 码盘信号捕捉电路 5 实际应用
5.1 异步电动机矢量控制系统
用TMS320F2812新型电机控制芯片设计的异步电动机矢量控制系统的基本结构如图5所示。
图5 应用于异步电机矢量控制系统
用可编程I/O口捕捉转子的速度反馈信号，电机的相电流反馈信号采集到ADC通道进行转换。接收光电编码器的信号，计算电机的转速。采集电机相电流的瞬时值，依此估计电机的实时运行状态，如转矩的大小和方向、电机的转速和滑差等。按照某种调控规律产生PWM信号，控制逆变器的开关动作，对电机运行状态进行调控。系统开发板采用长沙明伟电子公司的DSP2812开发板。板载资源如下：
DSP为TMS320F2812，32位定点高速数字信号处理器，最高工作频率150MHz，片内内置128K×16位FIAsH、18K×16位sRAM，片外扩展256K×16位sRAM、4M FIAsH，板上有RTL8019As以太网接口芯片，有RS232、RS485、CAN2.0转换电路，方便用户通讯。板上提供5路外扩可屏蔽中断源输入接口、2路外扩非屏蔽中断源输入接口、8路输入输出接口。
5.2 软件设计中部分程序代码
(1)初始化程序
CLRC CNF ;B0
SETC OVM
SPM 0
SETC SXM ;扩展符号
LAR AR0,#DEC_MS
LAR AR1,#(24-1) ;24个
LACC #ANGLES_ ;指向源
LARP AR0
INIT_TBL
TBLR * +,AR1 ;一个
ADD #1 ;下一个地址
BANZ INIT_TBL,AR0 ;AR1=0结束
LAR AR4,#79H ;用于堆栈保存现场,B2(60H-80H)
LDP #0E0H ;装载数据页指针
SPLK #68H,WDCR ;不用看门狗
SPLK #0284H,SCSR1 ;CLKIN 10M，CLKOUT 20MHz
LDP #0E1H
SPLK #0900H,ADCTRL1 ;ADC预分10，1MHz
SPLK #0001H,MAXCONV ;两个通道
SPLK #0010H,CHSELSEQ1 ;选择ADCIN0和ADCIN1
LACC MCRA
OR #0FD8H ;设置PWM,QEP
SACI MCRA
(2)电流采样和A/D转换子程序
LDP #0E1H ;装载数据页指针
SPLK #2000H,ADCTRL2 ;启动AD转换CONVERSION
BIT ADCTRL2,3 ;将忙状态位复制到TC
BCND CONVERSION,TC ;等待
LACC RESULT0,10 ;左移后加载累加器
LDP #0
SACH IA ;高位左移并存储
LDP #0E1H
LACC RESULT1,10
LDP #0
SACH IB;高位左移并存储 6 结束语
基于TMS320F2812的异步电机矢量控制系统已研制成功，实践证明它具有优异的性能和良好的控制能力。目前应用的一些性能优越的电机控制技术，如矢量控制和直接力矩控制都属于计算密集型控制方法，采样周期短、算法复杂而且检测和计算精度高。它凭借优异的控制能力，可以胜任复杂精确的计算和控制，可以用于励磁脉冲控制系统、电力保护系统，也可延伸到不间断电源(UPS)、变频开关电源、机器人等高精度控制领域。
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