1、PE 電力電子2007年第3期50電機控制嵌入式DSP 芯片 TMS320F240及其應(yīng)用曾繁玲(羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院,羅定 527200摘要 描述電機控制嵌入式DSP 芯片TMS320F240的原理結(jié)構(gòu)與特點,并結(jié)合電機控制技術(shù)的發(fā)展趨勢,介紹此芯片在開關(guān)磁阻電機數(shù)字控制系統(tǒng)的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:嵌入式DSP ;電機控制;開關(guān)磁阻電機Embedded DSP Chip TMS320F240 and its Applicationare Controlled to the Electrical MachineryZeng Fanling(Luo Ding Occupation Technical Col

2、lege, Luo ding 527200Abstract Describe the electrical machinery and control principle structure and the characteristics of embedded DSP chip TMS320F240, and combine the development trend of the electrical machinery control technique, and introduce the application of this chip at switch magnetic obst

3、ruction electrical machinery numerical control system.Keywords: embedded DSP ;electrical machinery gauge ;tap magnetic obstruction electrical machinery1 引言近年來,隨著電機控制技術(shù)的發(fā)展和電機驅(qū)動系統(tǒng)市場的繁榮,美國德州儀器公司推出了電機控制嵌入式DSP 芯片TMS320x240,TMS320F240是其中典型的一種。目前有一定數(shù)量的文獻都是介紹TMS320F240在電氣傳動中的應(yīng)用,但都側(cè)重于介紹系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計,沒有從芯片的角度系統(tǒng)

4、地介紹TMS320F240的原理結(jié)構(gòu)和特點。TMS320F240集DSP 的信號高處理能力及適用于電機控制的優(yōu)化外圍電路于一體,具有很強的指令系統(tǒng)和硬件支撐,可以實現(xiàn)電機的數(shù)字化控制。本文將著重介紹TMS320F240的原理結(jié)構(gòu)特點以及它在工業(yè)控制中的應(yīng)用。2 TMS320F240的體系結(jié)構(gòu)TMS320F240的體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,它主要由DSP 內(nèi)核和存儲空間、事件管理器、A/D 轉(zhuǎn)換器、串行口、看門狗定時器等組成。對數(shù)字化高性能的電機控制來說,TMS320F240最具特色的電機控制外設(shè)電路是它的片內(nèi)事件管理器,可提供高速、高效和全變速的先進控制技術(shù)。 2.1 DSP 的內(nèi)核和存儲空間 D

5、SP 的內(nèi)核含16位插式左移移位器、16位T 寄存器、16×16乘法器、32位P 寄存器、左移移位器、32位算術(shù)邏輯單元、左移移位寄存器(07、8個輔助寄存器、8級硬件堆棧、重復(fù)指令集、2個狀態(tài)寄存器。 TMS320F240片內(nèi)有三塊RAM 區(qū): B0塊(256×16位、B1塊(256×16位、B2塊(32×16位。其中B0塊既可以配置為數(shù)據(jù)區(qū),又可以配置為程序區(qū),若配置為程序區(qū)可在上電時浮點運算子程序或者表格從外部慢速EPROM 裝入此區(qū)域,進而緩解高速處理器與慢速外圍部件之間的矛盾。這些RAM 全部允許在一個指令周期內(nèi)訪問兩次,大大加快了數(shù)據(jù)的處理能

6、力。PE 電力電子 2007年第3期51圖12.2 事件管理器TMS320F240的內(nèi)部嵌入的事件管理器,資源豐富,包含有PWM 波形產(chǎn)生、12個比較/PWM 通道、可以工作于連續(xù)遞增或連續(xù)遞減等6種模式的3個16位通用定時器、提供死區(qū)功能的3個16位全比較器單元、3個16位單比較器單元、4個捕獲單元等多種硬件資源。事件管理器的結(jié)構(gòu)如圖2,事件管理器模塊有12個比較/PWM 輸出引腳。事件管理器模塊所有的寄存器都映射到數(shù)據(jù)存儲區(qū)。這些寄存器分為三部分:12個通用定時器的寄存器;10個全比較和單比較單元的寄存器;9個事件管理器模塊的中斷寄存器等。為了產(chǎn)生PWM 信號,需要1個計數(shù)器重復(fù)對應(yīng)于PW

7、M 周期的計數(shù),1個比較器保存調(diào)制值。比較器不斷地與定時計數(shù)器的值比較。當(dāng)值相等時,輸出引腳發(fā)生電平躍變;當(dāng)值第2次相等時或計數(shù)到達周期值時,輸出引腳又發(fā)生電平躍變。對于每一個定時周期,改變對應(yīng)于調(diào)制值的比較器的值,即可得到不同脈沖寬度的信號。每個通用定時器比較單元可產(chǎn)生基于其自己的定時器的PWM 輸出波型。3個單比較器單元以及通用定時器1或2可以產(chǎn)生另外3路PWM 輸出,可以應(yīng)用于沒有死區(qū)要求或用片外的其他電路構(gòu)成死區(qū)的場合。全比較器單元的任何一個以及通用定時器1、死區(qū)單元和輸出邏輯,可以產(chǎn)生一對死區(qū)和極性可編程的PWM 信號。2.3 其他片內(nèi)外設(shè)TMS320F240內(nèi)含16通道兩路轉(zhuǎn)換精度

8、為10位的高速A/D 轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換時間最短可為6.6µs 。在調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成電流環(huán)時,電流反饋A/D 轉(zhuǎn)換CPU 內(nèi)部進行處理,縮短了電流采樣時間,有利于提高調(diào)速裝置的動態(tài)功能.它還具有豐富的、功能強大的中斷系統(tǒng)及常用的I/O 接口。圖23 TMS320F240的性能特點(1采用哈佛結(jié)構(gòu),三級流水線操作,大大提高了指令執(zhí)行速度,在內(nèi)部時鐘20MHz 時,指令周期為50ns ;(2優(yōu)化的CPU 結(jié)構(gòu),達到20MIPS ,更加快了指令執(zhí)行速度;(3一次32位的計算只需一個指令周期50ns ,為復(fù)雜控制算法的實現(xiàn)提供了良好的條件;(4提供了豐富的“乘累加”指令,可以方便快速的實現(xiàn)電機控制中的

9、數(shù)字濾波。4 基于TMS320F240的數(shù)字電機控制系統(tǒng)基于TMS320F240控制開關(guān)磁阻電機(SRM 控制系統(tǒng)如圖3。該控制系統(tǒng)可實現(xiàn)開關(guān)磁阻電機的數(shù)字化控制,系統(tǒng)中無線通訊模塊接受上位機發(fā)出的控制參數(shù),將其轉(zhuǎn)換為PWM 輸出,經(jīng)過驅(qū)動放大送給電PE 電力電子 2007年第3期52機,產(chǎn)生輸出。通過電路檢測裝置檢測相電流,光盤編碼器檢測電機的轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)角,反饋給DSP 系統(tǒng),形成閉環(huán)控制,實時有效地控制運動精度。圖34.1 電流檢測電路使用磁場平衡式霍爾檢測器(LEM 模塊來檢測電機的三相電流。LEM 的輸出一方面輸入到TMS320F240的三路A /D 轉(zhuǎn)換口,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后用以控制

10、電流斬波限;一方面輸入到保護電路,實現(xiàn)對功率變換器主開關(guān)的過流保護。 4.2 位置與速度檢測TMS320F240的事件管理器具有其特殊功能模塊 正交解碼(QEP 電路和捕獲單元,它們可直接與光電編碼器相連,用于電機轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)機械角位置的檢測。正交編碼脈沖包含兩個脈沖序列,有變化的頻率和1/4周期的固定相位偏移。當(dāng)電機軸上的光盤編碼器產(chǎn)生正交編碼脈沖時,通過檢測兩個序列中哪個序列領(lǐng)先,可以測出電機的正反轉(zhuǎn);并據(jù)此對捕獲的信號進行加減計數(shù),從而得到當(dāng)前的計數(shù)值和計數(shù)方向,即電機的角位移和轉(zhuǎn)向。電機的角速度可以通過脈沖的頻率測出。 4.3 PWM 策略和產(chǎn)生TMS320F240的事件管理器有3個全比

11、較單元和3個單比較單元,3個全比較單元能非常方便地產(chǎn)生三對PWM 輸出,為各種控制策略的實現(xiàn)提供了最大限度的便利。3個單比較單元實現(xiàn)另外三對PWM 信號輸出,對電機的定子繞組分別進行控制。使全比較單元和簡單比較單元的PWM 輸出載波頻率相同,就可以使驅(qū)動內(nèi)、外定子上橋臂的六路PWM 信號分別由全比較單元和簡單比較單元產(chǎn)生,而下橋臂驅(qū)動信號則共用全比較單元的另外三路PWM 。 4.4 與上位機的通訊TMS320F240的串行通訊模塊SCI 和串行外設(shè)接口SPI 可實現(xiàn)與上位機、外設(shè)及多處理器間的通訊,DSP 與上位機的RS232通訊如圖4所示。上位機向下位機發(fā)送各種控制參數(shù)及指令,下位機DSP

12、系統(tǒng)響應(yīng)上位機的控制策略,上位機中的控制系統(tǒng)的主程序完成下位機的初始化,并向下位機發(fā)送控制參數(shù)和指令及響應(yīng)下位機的中斷。下位機中的子程序則完成面向電機的控制任務(wù):發(fā)出PWM 脈沖、串行口中斷、捕獲中斷等。圖45 結(jié)論DSP 有許多專用的外圍設(shè)備和高性能的特性,能完成一般單片機難以勝任的任務(wù),使其成為電機控制系統(tǒng)最好的芯片之一。TMS320F240數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件電路簡單,系統(tǒng)所需的元器件少,從而大大降低了系統(tǒng)的成本,提高了系統(tǒng)的可靠性和性能價格比。基于TMS320F240的開關(guān)磁阻電機數(shù)字控制系統(tǒng)具有良好的控制性能和調(diào)速性能,獲得了較好的動態(tài)性能和較高的穩(wěn)態(tài)精度,運行效率高,抗干擾能力強。因此,該系統(tǒng)具有較高的應(yīng)用價值。參考文獻1 吳紅星.電機驅(qū)動與控制專用集成電路及應(yīng)用M .北京:中國電力出版社,2006.2 吳