基于高性能數(shù)字信號控制器在伺服系統(tǒng)中的功能及應用設計

1、 引言

隨著工業(yè)、民用、軍事對自動化的需求不斷提高，以高性能微處理器為控制策略的數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)必將成為伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。圍繞TI公司推出的高性能數(shù)字信號控制器TMS320F28334，重點介紹其在伺服系統(tǒng)中的功能及實際應用。

2、 器件介紹

2．1 TMS320F28334簡介

TMS320F28334（以下簡稱F28334）屬于F2833x系列，該系列也是TMS320C一2000系列數(shù)字信號控制器中的一員。和以前相比，該系列器件有很多性能的提升和擴展。F2833x在繼承同類器件32位定點處理器結(jié)構(gòu)的基礎上，集成有單指令（32位）IEEE754浮點處理單元。該器件可以執(zhí)行效率很高的C／C++程序代碼，可利用高級語言編寫的軟件完成系統(tǒng)控制，還可用C／C++語言開發(fā)程序算法。由于F2833x系列具有定點和浮點處理單元兩種結(jié)構(gòu)，因此能替代一些系統(tǒng)的數(shù)字信號處理器和控制器，這樣不但能降低開發(fā)成本，還能降低功耗。而其具有的32x32位MAC、快速中斷響應、8級指令流水線能夠很輕松地完成復雜算法和控制，滿足系統(tǒng)應用需要。

F28334的主要特性：150 MHz時鐘周期：6個通道DMA控制器；16位或32位外部接口；128 Kxl6位Flash，34 K×16位SARAM，1 K×16位一次編程RAM；8 Kxl6位引導ROM；超強的外圍控制，如EPWM，HRPWM，ECAP，EQEPI等；3個32位CPU定時器；外圍串口有：ECAN，SCI，SPI，MCBSP，I2C；16個通道的12位M/D轉(zhuǎn)換器；多種低功耗模式和多種封裝選擇等。

2．2 A/D轉(zhuǎn)換器簡介

A／D轉(zhuǎn)換器集成在F28334內(nèi)部，屬于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一部分，與內(nèi)部其他結(jié)構(gòu)共用系統(tǒng)時鐘，并由CPU控制。A／D轉(zhuǎn)換器有16個模擬輸入通道，可配置為2個獨立的8通道模式，也可將2個獨立的8通道配置成1個16通道模式，為EPWM模塊提供更好服務，實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的精確控制。

M/D轉(zhuǎn)換器的主要特性：12位精度A／D轉(zhuǎn)換器內(nèi)核，并且具有雙路采樣保持電路；同時采樣和序列采樣模式；模擬輸入電壓范圍：O～3 V；在12．5 MHz的A／D轉(zhuǎn)換器時鐘下，具有6．25MS／s的采樣速率；16個結(jié)果寄存器存儲相應通道的采樣結(jié)果；在“開始轉(zhuǎn)換序列”模式中具有多種觸發(fā)源：軟件立即開始、EPWM、XINT2。

以上特性及可變的采樣速率、低功耗模式、A/D轉(zhuǎn)換器與DMA接口等功能都是通過配置相應的寄存器實現(xiàn)的。正是基于A/D轉(zhuǎn)換器的強大性能，可同時采集多達16路模擬信號，能夠組成一個采樣網(wǎng)絡，從而全面檢測和控制伺服系統(tǒng)。

3、 系統(tǒng)硬件設計

對于伺服系統(tǒng)，相電流采樣精度直接影響整個伺服系統(tǒng)的性能。因此采樣電路和保護電路都是圍繞電流環(huán)內(nèi)的電流值設計。F28334處理和比較采樣得到的電流，進而輸出PWM波進行相應控制。系統(tǒng)框圖如圖l所示。

從圖1可看出，電流測量信號通過A/D轉(zhuǎn)換器INA0和ECAPI進入F28334；電流保護信號通過ECAP2和ECAP3進入F28334；而PWM控制波從F28334的專用引腳輸出，經(jīng)光電隔離和功率驅(qū)動電路后進入電機。由于系統(tǒng)的變頻器采用交一直一交結(jié)構(gòu)，即有一個三相不可控整流橋和用IGBT實現(xiàn)逆變功能的逆變器組成，所以只需產(chǎn)生6路PWM控制信號。

3．1 電流環(huán)內(nèi)電流值的采樣

為了提高采樣精度，電流信號不能直接連接到A／D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入引腳，而是要分別獲取電壓信號的幅值和方向。通過一個絕對值電路和電壓跟隨電路，得到一個正相電壓，由運算放大器完成，最終得到的電壓再連接到F28334的ADCINTO引腳；另外，通過一個由比較器構(gòu)成的過零比較電路，檢測出電壓的正負，再連接到F28334的ECAPl引腳。電流采樣電路框圖如圖2所示。

圖2中的絕對值電路由放大器和二極管組成。電壓跟隨器的輸出端用一只3.3 V的穩(wěn)壓二極管把輸出電壓箝位于0～3.3 V，過零比較器的輸出端同樣用一只3．3 V的穩(wěn)壓二極管箝位，保證F28334不會因輸入電壓值過高而損壞。

3．2 電流環(huán)內(nèi)電流保護

系統(tǒng)電路中電機電流保護分為限流保護和過流保護。前者是當電機電流超過額定值In的x倍時開始動作，當電機電流減小到低于x倍額定電流時，保護系統(tǒng)退出，此信號通過E—CAP2進入F28334；后者則是當電機電流超過y倍（y》x）的額定電流時，電機停機，直到重新啟動系統(tǒng)。此信號通過ECAP2進入F28334。電流保護電路框圖如圖3所示。

當比較器1負端電平大于參考電壓（對應電機電流xIn）時，比較器1輸出低電平，即限流保護ECAP2信號有效，由F28334封鎖PWM引腳輸出脈沖：當比較器2的負端電平大于參考電壓（對應電機電流yIn），比較器2輸出低電平，D觸發(fā)器的Q置低，即ECAP3信號有效，進而F28334封鎖PWM輸出脈沖。注意：當過流保護后，電機電流即使減小到0，系統(tǒng)也不再工作，直到手動重啟系統(tǒng)，并將D觸發(fā)器的Q電平拉高，系統(tǒng)才會重新工作。其中，In為電機額定工作電流。x介于1和1.2之間，y為1．5。

3．3 三相PWM波產(chǎn)生

F28334的PWM脈沖信號的產(chǎn)生需要時基、比較計數(shù)器、動作限定器、死區(qū)、PWM斬波器以及跳閘區(qū)（Trip—Zone）。通過時基單元設定PWM波時基計數(shù)器的周期和頻率，配置各路PWM波之間的相位關系，設定PWM波的對稱性，輸出時基計數(shù)器的值到比較寄存器和動作限定器。計數(shù)器的值連續(xù)與計數(shù)器A和計數(shù)器B相比較，相等時產(chǎn)生相應的輸出到動作限定器。當時基計數(shù)器的值與時基的周期、零、計數(shù)器A以及計數(shù)器B之中的一個或多個相等時，輸出PWM波。動作限定器輸出的PWM波形經(jīng)死區(qū)、PWM斬波器以及跳閘區(qū)，最后到達相應的引腳。如果不經(jīng)死區(qū)和PWM斬波器則輸出的波形不能被修改。跳閘區(qū)確保PWM波形的正確性。

3．4 功率驅(qū)動

系統(tǒng)是由一個三相不可控的整流橋和由IGBT實現(xiàn)逆變的逆變橋組成，功率驅(qū)動電路只是IGBT的柵極驅(qū)動電路，而其設計是否合理，決定其靜態(tài)特性和動態(tài)特性。柵極正偏壓、負偏壓和柵極電阻對IGBT的通態(tài)壓降、開關時間、開關損耗、承受短路能力以及dUGE／dt等參數(shù)都有影響。選用HL402B作為IGBT的驅(qū)動器，圖4為HIA02B接線圖。其中HIA02B接25 V電源，產(chǎn)生正偏電壓為+15 V，負偏電壓為一10 V，柵極電阻可選幾歐姆到幾百歐姆，這里選用2Ω的電阻。

3．5 驅(qū)動波形和逆變器后輸出的波型

F28334輸出PWM波形到驅(qū)動電路，驅(qū)動電路則可接入逆變器主功率器件的柵極，給驅(qū)動電路通電，逆變器不加電，用示波器觀察驅(qū)動電路輸出，如圖5所示。由于輸入電阻和電容的影響，驅(qū)動波形不再是標準的方波。

3．6 F28334存儲和通信

F28334內(nèi)部有數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器，因此無需外接存儲器。無論是程序還是數(shù)據(jù)的存取，其速度都很快，無需考慮有外設存儲器的系統(tǒng)與外設存儲器通信時存在的速度匹配問題。由于F28334的通信接口和模式很多，完全能滿足通信需要。利用這些接口能夠輕松實現(xiàn)與其他系統(tǒng)器件的通信。同時，還可利用其豐富的引腳外部擴展顯示模塊和鍵盤等設備，為用戶提供一個人機對話的接口。

4、 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要完成系統(tǒng)的初始化和系統(tǒng)控制，即：系統(tǒng)寄存器初始化，中斷向量的設置，A／D轉(zhuǎn)換器模塊寄存器初始化，A／D轉(zhuǎn)換器采樣，數(shù)據(jù)的處理和存儲，電流保護電路的監(jiān)控等。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖6所示。

從圖6可知，電流保護和通信功能是通過中斷實現(xiàn)的。如果沒有產(chǎn)生電流保護和通信中斷，則系統(tǒng)完成電機電流采樣．處理和存儲數(shù)據(jù)，并根據(jù)實際需要使系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)，也可從休眠狀態(tài)退出繼續(xù)工作，這樣可減小系統(tǒng)的功耗。這里只給出部分程序代碼：

5、 注意事項

5．1 上位機讀取數(shù)據(jù)

當上位機讀取F28334采集得到的數(shù)據(jù)時，不必實時讀?。梢韵葧捍嬖谄鋬?nèi)部數(shù)據(jù)存儲器中。在上位機需要時，上位機設定的中斷向F28334發(fā)送中斷請求信號，F(xiàn)28334接收到請求后，通過SCI接口發(fā)送暫存在F28334內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器中的數(shù)據(jù)。

5．2 電源模塊設計

電源模塊是伺服系統(tǒng)的重要組成部分，電源模塊的好壞直接關系著系統(tǒng)能否正常工作。主要有3種電源：F28334的內(nèi)核電源（1．9 V）和I/O電源（3．3V），A／D轉(zhuǎn)換器模塊的數(shù)字電源、模擬電源以及功率驅(qū)動模塊的電源。F28334的電源可選用TI公司提供與之相匹配的電源器件供電；A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字電源和模擬電源一定要分開供電，以減少數(shù)字電源對模擬電路的影響；而功率驅(qū)動電路可采用與其他電源隔離的獨立懸浮電源電路來供電。

6 、結(jié)語

主要介紹了基于F28334的小型伺服系統(tǒng)模塊設計，實現(xiàn)控制伺服系統(tǒng)，模塊中雖然沒有給出顯示模塊和鍵盤等人機通信接口，但是可根據(jù)具體的要求來增加這些外設，以增強系統(tǒng)模塊的功能。

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