SP 在电机控制方面的运用

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热度0票  浏览121次 时间：2018年8月06日 10:11

　　摘要：DSP 芯片经多年的发展，其性能日益完善，其价格也逐渐降低，现已应用到包括工业、航空、军事等多个领域中。电机控制作为工业自动化革新进程的重要部分，目前已逐步应用了 DSP 控制芯片，大幅提高了电机控制效率。文章对TMS320LF2407A 的构造特点进行分析，同时又对基于此种芯片的电机控制系统的具体运用展开探讨，希望能为相关人士提供些许参考作用。

　　关键词：DSP；TMS320LF2407A；电机控制；运用中图分类号：TM301.2 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2015）10-0282-02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 [1]。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。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探讨，具体如下。

　　1 DSP 基本特征

　　根据具体用途可将 DSP 芯片分成通用型与专用型，通用型芯片在功能与用法上与高速单片机类似，专用型芯片则是针对特定数字信号运算，如数字滤波等设计的 DSP 芯片。通常来说无论是专用型还是通用型，DSP芯片均具备以下几点特征：

　　（1）程序与数据的运行空间采取分离模式，可同时进行数据与指令的访问操作。

　　（2）芯片中含有高速 RAM，能够利用独立数据总线进行数据连接，并同时访问。

　　（3）含有大开销或低开销以及跳转硬件支持。

　　（4）可在单个周期内执行多项操作，可实现流水线操作，重叠进行取值、译码、执行等多个操作内容。

　　应用于电机控制系统中的DSP芯片引起高速的计算能力，使其展现出不同于以往微处理器的更大应用优势，值得推广。

　　2 DSP 在电机控制中的运用优势分析

　　通过 DSP 的运用都能够满足速度和性能的要求，做到对高级算法的实时应用的升级，极大地提升了控制系统的能力[2]。

　　对于其他系统来说，在进行工作前都要做参数估计，之后才能进行其他任务。一般系统针对参数识别和参数估计都是区分开来的，因为系统的性能和功效现实，使得两者不能同时进行。

　　但是区别于一般处理器，DSP 能够做到识别与估计同时进行，这就极大的体现了 DSP 的优势。

　　DSP的优势不仅仅是处理功能强大，还有针对PWM的性能上。电源信号调节和功率因数校正是普通电机数字控制系统的两个功能，对于电机的控制还要靠 PWM 进行能量转换。

　　但是对于 DSP 来说，它自身带有 PWM 的性能，不仅消除了DAC，还极大地提高了供电量。由于对 DSP 的采用，不仅实现了在 1S 内完成大量的运算，提高了计算的效率，还实现了在消除谐波的同时极大地提升了对电能的利用率 [4]。要想保证系统能够保持平稳的工作，对系统进行诊断和维护是必要的措施，DSP 可实现对系统运行出现的故障进行及时的诊断，并且针对诊断出现的问题进行及时的维护。

　　3 DSP 芯片的结构特点

　　早期的 DSP 芯片对于复杂定时单元以及终端控制器、高速多个IO端口等方面较为欠缺，在运动控制方面还有待提高。

　　基于这一原因，TI 公司经技术升级研发出了针对电机控制的TMS320LF2XX 系列芯片，使 DSP 在电机控制领域的应用实现了突破。随着 DSP 芯片性能的不断提升、价格与能耗不断降低，使得 DSP 芯片已经广泛应用与国内外众多企业的电机实时控制系统中。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[5]。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。

　　4 DSP 在电机控制系统中的功能运用分析

　　DSP芯片可实现交流传动及永磁直流电机的自动化控制，控制系统内部的通讯模块收到传自上位机的控制参数信息，并将其向 PWM 输出模式进行转换，再对其进行驱动放大，并向电机传送，从而实现电机控制。相电流以及检测电机转动方的向光电编码器向反馈信号传动电机控制系统中，从而对运动精度进行掌控。

　　4.1 PWM 输出

　　本文例举的 DSP 芯片其内部事件管理器 PWM 电力可生产 12 路具有可变输出极性以及可编程死区的信号，对电机驱动器进行实时控制，死区时间可自行设置。在具体操作中，DSP对 EVA 模块中的全比较单元进行编程，以此实现 PWM 转换，通过定时器生成具备一定周期区间的载波，对定时器周期寄存器的数值进行更改，就可调节载波频率。

　　在定时器计数的同时，全比较单元也在不停地对计数值和寄存器中的数值进行比较，如果两值相等，那么则会有比较匹配的信号生成，这一信号传输至 PWM 中的波形发生器中，会生成PWM脉冲信号，信号经由死区最终生成能够实现对同一桥臂进行驱动的 IGBT 互补 PWM 信号，从而防止桥臂间的直通，如果在互补信号中加入死区，则会借助输出逻辑生产PWM 波形[6]。实现将脉宽计数值存放于比较寄存器中，由定时器向上下同时计数，在计数过程中不断进行比较，这期间会各自有一次计数值同寄存器值相同，这两次相同的情况则会致使 PWM 输出翻转，所以可通过调节寄存器中数值，实现对一个周期内匹配的生成时间，即能够实现载波中PWM脉冲宽度的调节控制。

　　4.2 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[7]。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。

　　4.3 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。

　　4.4 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 [8]。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。

　　5 结语

　　实时性和精确性是控制算法中继续提升的性能，DSP 在电机控制中的应用，极大地保证了实时性和精确性得以有效地实现，这样的不仅仅在算法上取得了进步，对于系统的控制程度也大大加强。由于 DSP 在电机控制中的完美应用，使得外部电路变得简单化，促进了控制系统硬件设备进行改革，这样不仅降低了硬件设备的成本，还使控制做到便捷化。DSP在随着技术的不断进步中也在不断地发展，DSP 技术的全面应用，不仅可以去除机械和液压装置，对于提升无速度传感器控制器和智能控制器的性能也起到了不可替代的作用。通过以上的介绍 DSP 技术的先进性是不言而喻的，DSP 的应用在改善电机控制性能的同时，也方便了计算，在经济和技术日益飞速发展的今天，我相信DSP将有更广阔的市场，并且全面替代单片机指日可待，也会带来电机控制质的改变。

　　参考文献：

　　[1] 乔敏娟,韩文波,刘莹莹,宋建林. 基于 DSP 的无刷直流电机闭环控制系统的设计 [J]. 计算机与现代化, 2014 (1)206-210.

　　[2] 郑胜,白晓淞,周俊赵. 基于 LabVIEW 与 DSP 的电机调速系统在光声图像采集中应用 [J]. 微特电机,2014(4):64-66.

　　[3] 卢慧芬,林斌,孙丹,潘再平. DSP 电机控制综合实验平台研制 [J].实验技术与管理,2014(10):97-102.

　　[4] TMS320C24X DSP Controllers(CPU，System, and Instruction Set) Texas Instruments Publish.

　　[5] TMS320C24X DSP Controllers(Peripheral Library SpecificDevices) Texas Instruments Publish.

　　[6] 李治强,王旭光. 基于 TMS320LF2407DSP 的直线步进电机速度控制的研究 [J]. 伺服控制,2011(3):34-37[7] Hisao Kubota,Kouki Matsue.DSP-based speed flux observer of induction motor [J].IEEE Trans Ind Appl，2011，29(2):36-40.

　　[8] 王桂荣,李太峰. 基于 TMS320F2812 的 PMSM 调速控制系统设计与分析 [J]. 机床与液压,2012(15):87-90-124作者简介：尹一帆（1981-），女，辽宁新宾人，讲师。