DSP在电机控制系统中的功能应用分析

DSP在电机控制系统中的功能应用分析

张胜海

广东保威新能源有限公司528000

摘要：随着工业电气传动、自动控制和家电领域对电机控制产品需求的不断增加，现代电机控制技术也变得越来越重要。在以往的控制系统中，多采用单片机及功率器件加以控制，这种控制系统性能较为稳定。但是，在这种控制系统中，给定量要由直流量向交流量变换，而反馈量又要从交流量向直流量变换，两次坐标变换，再加上转子磁链模型计算、转子参数的辩识与校正等，使系统变得十分复杂。尤其是在全数字控制调速系统中，为了能实时控制，除了应采用CPU芯片主控外，还应采用数字信号处理器（DSP，例如TMS320系列）担负大量的运算工作，使系统的速度提高。本文以TMS320LF2407A为例，对基于DSP芯片的电机控制系统的具体运用展开分析。

关键词：DSP；TMS320LF2407A；电机控制；应用

引言

电机控制包括速度控制、位置控制以及力矩控制等多项功能，通过DSP这一高性能数字信号处理芯片，可以有效地提升电机控制的效率。电力控制中的DSP芯片主要应用在磁场定向及无传感器控制中。因无传感器控制需要通过已知电压及电流对所在位置及速度进行计算处理，但是在磁场定向控制中，则是将所有变量以矢量的形式，可以转化到定子旋转磁场的坐标中，DSP在这一过程中实现高速运算处理，确保以上工作的实现。

一、DSP的基本特征

DSP一般都具有如下一些特点：

a.在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。

b.采用改进的哈佛结构，程序和数据空间分离，可以同时访问指令和数据。

c.片内具快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。

d.具有低开销或大开销循环及跳转的硬件支持。

e.具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器，可以并行执行多个操作；支持流水线操作，使取值、译码、取操作数和执行等操作重叠执行。

按照用途分类，DSP可分为通用型芯片和专用型芯片。专用型芯片是为特定的数字运算而设计，如数字滤波、卷积。通用型DSP芯片的功能和用法类似于一个高速单片机。

在自动控制系统中，DSP的高速计算能力显示了比一般微处理器更多的优点，具有广阔的应用前景。利用DSP的高速计算能力可以增加采样速度和完成复杂的信号处理和控制算法。扩展Kalman滤波算法，自适应矢量控制，状态观测器等复杂算法利用DSP芯片可以方便地实现。DSP的信号处理能力还可用来减少位置、速度、磁通等传感器，无传感器矢量控制之所以成为可能，就是因为传感器提供系统变量可以从电气变量中估算出来，而这一复杂的运算过程就可以有DSP来完成。在自适应系统中，系统参数和状态变量通过状态观测器的计算可采用DSP有效地实现。同样由于高运算度，DSP也可有效用于神经网络和模糊逻辑化运动控制系统。在实际工程应用中，DSP的高速能力还可以消除噪声污染和不精确的输入及反馈信号数据。对要求速度较快的PWM控制算法（如空间矢量算法）用DSP芯片可提高供电电压的利用率，减少电动机电流中的谐波分量。

二、DSP芯片的结构特点

早期的通用DSP芯片因为缺乏支持实时控制的资源，如复杂的定时单元、高速的多个IO端口、复杂的中断控制器，不适用于运动控制资源。AD公司的ADSP21XX系列、AT&T公司的DSP32C、Motorola公司的DSP56001和TI公司专为电机控制而设计的TMS320C2XX系列DSP芯片，使DSP芯片更适用于控制系统的应用。随着DSP芯片内部功能组件集成度的提高，开发工具的完善以及价格和功耗的进一步降低，DSP越来越多地应用在实时控制系统中。现代控制系统的开发实现越来越多地依赖于功能强大的DSP。DSP在控制系统中的应用已经呈指数增长。本文以TMS320LF2407A型号DSP芯片为例，分析DSP芯片的结构特点，该芯片是IT公司针对DMC设计的DSP芯片型号之一，该芯片具有如下基本结构：

（1）该型号DSP芯片采用静态COMS技术，能耗低，电压为3.3v，执行速度以静态COMS技术可达40MIPS，有效提升了实施控制效率。

（2）芯片中FLASH程序存储器为32K字，数据程序RAM为1.5k字，双口RAM为55字，单口RAM为2k字。

（3）具备EVA与EVB事件管理器、16位定时器以及8个15位的PWM通道、16通道AD转换器以及光电编码器接口。

（4）芯片含192k外部可扩展存储器空间。

（5）含有CAN2.0B、SPI多种通信接口。该DSP芯片含有两个事件管理器应用于电机控制系统中，事件管理器模块能够同步进行AD转换，转换时间仅为500ms，同时芯片还可提供16路模拟输入，并能够实现自动排序，确保即使在同时时间进行16路转换也不会增加系统开销，通过这一结构就可实现利用一个该型号芯片对多台电机进行同时控制。此外这一系列的DSP处理器还可通过通讯接口实现异步通讯。

三、DSP在电机控制系统中的功能应用分析

3.1PWM输出

TMS320LF2407A的两个事件管理器的PWM发生电路可产生12路具有可编程死区和可变输出极性的PWM信号，直接控制电机驱动器，死区时间可由死区控制寄存器设置。利用EV模块的3个全比较单元产生SP-WM波形，如图1所示。对全比较单元编程使其工作于PWM模式，引脚PWMy，y+1/CMPy，y+1为PWM输出方式。用定时器1产生一定周期的载波信号，改变定时器1周期寄存器的值就改变了载波频率。在定时器1不断计数的同时，全比较单元的比较逻辑也在不断地将定时器1计数器的值和比较寄存器的值进行比较，当两个值相等时将产生比较匹配信号。该信号被送到PWM电路中的对称/非对称波形发生器，由它产生一路PWM脉冲信号，再经过死区单元就产生了可以驱动同一桥臂的IGBT（绝缘栅双极晶体管）互补的PWMy，y+1信号，为了防止上下桥臂的直通，在互补信号间加入了死区，最后通过输出逻辑产生两路PWM波形。比较寄存器中存放的是代表脉宽的计数值，定时器1向上计数和向下计数（使载波为三角波）时各有一次计数器的值和比较寄存器的值相等，这两次匹配都会导致PWM输出在引脚上的翻转，因此，通过改变比较寄存器的值就可以控制在一个载波周期内两次匹配发生的时刻，即控制每个载波周期中输出的PWM脉冲的宽度。

图1全比较单元结构图

3.2电流检测

DSP芯片内部含有AD转换器，本文例举的TMS320LF2407A型号DSP芯片内含10位8通道转换器，能够直接在电机控制中应用，并通过编程对转换时间进行自行设置，转换时间可设置为500ms，芯片中含有两个转换器，可通过双排序或是级联为16通道转换器，实现同时运作，芯片中的ADC模块其参考电压能够通过VREFLO引脚实现在0-5V间的波动。控制信号经采样后，输送到ADC输入管脚中。三相电动机采用DSP芯片进行高效的AD转换工作反馈控制机制时，需采用其中两路的反馈信号，同时操作两个AD转换器，并对A、B电流进行同时采样，大大减少了信号采样时间，提升系统性能。

3.3转速与位置反馈

TMS320LF2407A型号DSP芯片含有40余个可进行独立编程操作的IO引脚，同时内部含有多个捕获单元，并将其设置为正交编码脉冲。正交编码电路中能够直接与光电编码器相连，由此可为电机控制提供机械的位置与当前运行速度等参数信息。正交编码脉冲主要分成两组序列形式，当频率发生变化时，光电编码器会生成两组正交脉冲序列，对两个序列进行比较，选取领先的序列，以此测得电动机的当前转向，此外转动角度以及当前操作速率都能通过脉冲计数及频率进行计算。

3.4电路保护与通讯连接

为了对电机控制系统中的电动机驱动电路以及公路转换电路的工作可靠性进行保障，该DSP芯片还提供有PDPINT输入信号，以此方便各种保护操作的功能实现。一旦电机控制系统出现故障时，PDPINT呈低电平，这是DSP则停止操作，并向CPU发送中断信号，大大提高了故障处理效率。利用DSP芯片中的SPI通讯模块与外设接口可实现与外部设备及上位机、其它处理器的通讯连接，经连接后，上位机能够向下位机传达各类控制指令，同时处在下位机DSP芯片会响应上位机的操作策略，同时下位机子程序也会向上位机传输如PWM脉冲信号、中断保护信号、转换子程序等。

四、结束语

电机控制是DSP应用的主要领域，高性能的TMS320LF2407A芯片可以实现控制系统中的复杂控制算法，大大提高了控制系统的控制精度，在实时性和精度要求较高的场合有广阔的应用前景，大量的面向电机控制而集成的外设使得控制系统的硬件结构变得十分简单，在此基础上构成的运动控制，外围电路少，可以极大地降低控制系统的硬件成本。

参考文献：

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