基于高性能數字信號控制器在伺服系統中的功能及應用設計

1、 引言

隨著工業、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字化交流伺服系統必將成為伺服系統的發展趨勢。圍繞TI公司推出的高性能數字信號控制器TMS320F28334，重點介紹其在伺服系統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位定點處理器結構的基礎上，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控制，還可用C／C++語言開發程序算法。由于F2833x系列具有定點和浮點處理單元兩種結構，因此能替代一些系統的數字信號處理器和控制器，這樣不但能降低開發成本，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轉換器；多種低功耗模式和多種封裝選擇等。

2．2 A/D轉換器簡介

A／D轉換器集成在F28334內部，屬于其內部結構的一部分，與內部其他結構共用系統時鐘，并由CPU控制。A／D轉換器有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，實現伺服系統的精確控制。

M/D轉換器的主要特性：12位精度A／D轉換器內核，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轉換器時鐘下，具有6．25MS／s的采樣速率；16個結果寄存器存儲相應通道的采樣結果；在“開始轉換序列”模式中具有多種觸發源：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轉換器與DMA接口等功能都是通過配置相應的寄存器實現的。正是基于A/D轉換器的強大性能，可同時采集多達16路模擬信號，能夠組成一個采樣網絡，從而全面檢測和控制伺服系統。

3、 系統硬件設計

對于伺服系統，相電流采樣精度直接影響整個伺服系統的性能。因此采樣電路和保護電路都是圍繞電流環內的電流值設計。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。系統框圖如圖l所示。

從圖1可看出，電流測量信號通過A/D轉換器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，經光電隔離和功率驅動電路后進入電機。由于系統的變頻器采用交一直一交結構，即有一個三相不可控整流橋和用IGBT實現逆變功能的逆變器組成，所以只需產生6路PWM控制信號。

3．1 電流環內電流值的采樣

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 電流環內電流保護

系統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。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，系統也不再工作，直到手動重啟系統，并將D觸發器的Q電平拉高，系統才會重新工作。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波產生

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

3．4 功率驅動

系統是由一個三相不可控的整流橋和由IGBT實現逆變的逆變橋組成，功率驅動電路只是IGBT的柵極驅動電路，而其設計是否合理，決定其靜態特性和動態特性。柵極正偏壓、負偏壓和柵極電阻對IGBT的通態壓降、開關時間、開關損耗、承受短路能力以及dUGE／dt等參數都有影響。選用HL402B作為IGBT的驅動器，圖4為HIA02B接線圖。其中HIA02B接25 V電源，產生正偏電壓為+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 驅動波形和逆變器后輸出的波型

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

3．6 F28334存儲和通信

F28334內部有數據存儲器和程序存儲器，因此無需外接存儲器。無論是程序還是數據的存取，其速度都很快，無需考慮有外設存儲器的系統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與其他系統器件的通信。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、 系統軟件設計

系統軟件主要完成系統的初始化和系統控制，即：系統寄存器初始化，中斷向量的設置，A／D轉換器模塊寄存器初始化，A／D轉換器采樣，數據的處理和存儲，電流保護電路的監控等。系統的軟件流程圖如圖6所示。

從圖6可知，電流保護和通信功能是通過中斷實現的。如果沒有產生電流保護和通信中斷，則系統完成電機電流采樣．處理和存儲數據，并根據實際需要使系統進入休眠狀態，也可從休眠狀態退出繼續工作，這樣可減小系統的功耗。這里只給出部分程序代碼：

5、 注意事項

5．1 上位機讀取數據

當上位機讀取F28334采集得到的數據時，不必實時讀?。梢韵葧捍嬖谄鋬炔繑祿鎯ζ髦?。在上位機需要時，上位機設定的中斷向F28334發送中斷請求信號，F28334接收到請求后，通過SCI接口發送暫存在F28334內部數據存儲器中的數據。

5．2 電源模塊設計

電源模塊是伺服系統的重要組成部分，電源模塊的好壞直接關系著系統能否正常工作。主要有3種電源：F28334的內核電源（1．9 V）和I/O電源（3．3V），A／D轉換器模塊的數字電源、模擬電源以及功率驅動模塊的電源。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轉換器的數字電源和模擬電源一定要分開供電，以減少數字電源對模擬電路的影響；而功率驅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 、結語

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

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