多DSP芯片系统（精选四篇）
多DSP芯片系统 篇1
TMS320C5402是TI公司1999年10月推出的性价比较高的定点数字信号处理器, 其主要特点如下:先进的改造型哈佛结构, 操作速率可达100MIPS;先进的多总线结构, 3条16位数据存储器总线和1条程序存储器总线;40位算术逻辑单元 (ALU) , 包括1个40位桶形移位器和2个40位累加器;1个17×17乘法器和1个40位专用加法器, 允许16位带 (或不带) 符号的乘法;8个辅助寄存器及1个软件栈, 允许使用业界最先进的定点DSP C语言编译器;数据/程序寻址空间1M×6bit, 内置4k×16bit ROM和16k×16bit RAM。内置可编程等待状态发生器、锁相环时钟产生器、2个多通道缓冲串行口、1个8位并行与外部处理器通信的HPI口、2个16位定时器以及6通道DMA控制器;低功耗, 工作电源有3V和1.8V (内核使用) 。
2 SPI接口协议
串行外围设备接口 (SPI) 是MOTOROLA公司提出的一个同步串行外设接口, 允许CPU与各种外围接口器件以串行方式进行通信、交换信息。SPI协议是以主从方式工作的, 这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备, 其接口包括以下四种信号:串行数据输入 (也称为主进从出, 或MISO) ;串行数据输出 (也称为主出从进, 或MOSI) ;串行移位时钟 (也称为SCK) ;从使能信号 (也称为CS) 。这样, 仅需3～4根数据线和控制线 (串行时钟线 (SCK) 、主机输入/从机输出线 (MISO) 、主机输出/从机输入线 (MOSI) 、低电平有效的使能信号线 (CS) ) 即可扩展具有SPI接口的各种I/O器件。工作时, 主设备通过提供移位时钟和从使能信号来控制信息的流动。从使能信号是一个可选的高低电平, 它可以激活从设备 (在没有时钟提供的情况下) 的串行输入和输出。在没有专门的从使能信号的情况下, 主从设备之间的通信则由移位时钟的有无来决定, 在这种连接方式下, 从设备必须自始至终保持激活状态, 而且从设备只能是一个, 不能为多个。
3 TMS320C5402的多通道缓冲串行口McBSP
多通道缓冲串行口McBSP的功能是提供器件内外数据的串行交换, 其方便的数据流控制可使其与大多数同步串行外围设备接口, 串口接收、发送时钟和同步帧信号既可由外部设备提供, 又可由内部时钟发生器提供。 McBSP是在标准串行接口的基础上对功能进行扩展的, 除具有标准串口的功能特点外, McBSP串口具有相当大的灵活性, 其灵活性体现在如下几个方面:
(1) 双缓冲区发送, 三缓冲区接收, 允许连续数据流传输。
(2) 可与SPI, IOM-2, AC97等兼容设备直接接口。
(3) 可编程帧同步、数据时钟极性, 支持外部移位时钟或内部频率可编程移位时钟。
(4) 拥有相互独立的数据发送和接收帧同步脉冲和时钟信号。
(5) 多通道发送和接收, 最多可达128个通道, 速度可为100Mbit/s。
4 TMS320C5402基于SPI协议的配置
TMS320C5402 DSP芯片的McBSP串口工作于时钟停止模式时与SPI协议兼容。当McBSP被配置为时钟停止模式时, 发送器和接收器在内部是同步的, 即可将发送数据帧时钟 (FSX) 用作从使能 (即SS) , 而将发送数据位时钟 (CLKX) 用作SPI协议中SCK。由于收数据位时钟 (CLKR) 和接收数据帧时钟 (FSR) 在内部与FSX和CLKX是相连的, 因此, 该管脚不能用于SPI模式。当McBSP被配置为一个主设备时, 传送输出信号 (BDX) 被用作SPI协议的MOSI信号, 而接收输入信号 (BDR) 则被用作MISO信号。同样地, 当McBSP被配置为一个从设备时, BDX被用作MISO信号, BDR则被用作MOSI信号。
5 其它有关寄存器的配置
以McBSP作为SPI从设备介绍有关McBSP的其它有关寄存器的配置, 若McBSP做为SPI主设备, 则相关配置正好相反。当McBSP作为SPI从设备时, 主设备外部产生主时钟, CLKX引脚和FSX引脚必须被设置为输入。由于CLKX引脚和CLKR信号在内部相连接, 因而传送和接收回路均由外部主时钟计时 (CLKX) , 同时, 由于FSX引脚和FSR信号也已在内部连接, 因此, CLKR引脚和FSR引脚不再需要外部信号的连接。
尽管CLKX信号由主设备外部产生且与McBSP同步, 但是, McBSP的采样率发生器仍然必须正确启动SPI从设备, 同时, 采样率发生器还应被设置为最大速率 (CPU时钟速率的一半) 。另外, 内部采样率时钟常被用来同步McBSP逻辑和外部主时钟以及从使能信号。每次传送时, McBSP一般在从使能信号的上升沿进行FSX输入。也就是说, 在每次传送的开始, 主设备必须维护使能信号, 而在每次传送完成后, 则必须消除从使能信号。在两次传送之间, 从使能信号不能一直保持为高电平。对正确的SPI从设备而言, McBSP的数据延迟参数必须设置为0, 在这种运行模式中, 设置值为1或2没有定义。
6 结束语
串行SPI通信协议是一种标准的通信协议, 将DSP作为从设备时, 时钟可由主设备来提供, 因此不用再专门调试时钟, 在开发中比较方便。用C语言开发的DSP程序不仅使程序的可读性和可移植性大大加强, 程序的修改也极为方便。
摘要：简单介绍了SPI接口协议的内容和TI公司生产的TMS320C5402 DSP芯片, 以及如何将该DSP芯片的多通道缓冲串行口McBSP配置为SPI模式 (时钟停止模式) , 从而可以实现DSP芯片与其它处理器 (PC机、A/D芯片等) 之间的通信, 该配置方法广泛应用于高速数据采集系统。
关键词：SPI模式,多通道缓冲串行口,配置
参考文献
[1]李哲英, 等.DSP基础理论与应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2002.
多DSP芯片系统 篇2
摘要：介绍了自行设计的移动机器人CASIA-I中超声测距系统的软、硬件，以及超声测距数据与上位机通信的设计和实现过程。该系统以DSP-TMS320LF2407A作为核心处理器，以CAN总线为基础，实现了上述功能。经实验验证，测距范围为0.45m～3.5m，系统测距精度在0.7%以内，可以满足移动机器人室内导航的要求。
关键词：移动机器人DSP超声测距CAN总线通讯
移动机器人要实现在未知和不确定环境下运行，必须具备自动导航和避障功能。在移动机器人的导航系统中，传感器起着举足轻重的作用。视觉、激光、红外、超声传感器等都在实际系统中得到了广泛的应用。其中，超声波传感器以其信息处理简单、速度快和价格低，被广泛用作移动机器人的测距传感器，以实现避障、定位、环境建模和导航等功能。
传统的轮式移动机器人超声数据采集系统大多采用单片机作为微处理器，以此来测量移动机器人到障碍物的距离，并将距离通过串口传输到上位机。采用这种设计，系统制造简单、成本低。但是，对于多超声传感器测距系统，如果仍采用单片机来完成测距任务，由于系统中超声传感器数量较多，为保证系统的实时性，就需要多个单片机才能完成数据采集，这使得采集系统不可避免地存在设计复杂和一延续算法难以实现等缺陷。随着微电子工艺的发展，数字信号处理器(DSP)的应用领域已从通信行业拓展到工业控制领域。TI公司推出的TMS320LF2407A的专门针对控制领域应用的DSP，它具有高速信号处理和数字控制功能所必需的体系结构，其指令执行速度高达40MIPS，且大部分的指令都可以在一个25ns的单周期内执行完毕。另外，它还具有非常强大的片内I/O端口和其它外围设置，可以简化外围电路设计，降低系统成本。正是基于种思想，中国科学院自动化研究所在国家“863”计划的支持下，利用多DSP和嵌入式PC104自动设计和研制了轮式移动机器人CASIA-I。本文着重介绍其超声数据采集系统，同时对通过CAN总线完成的超声数据与上位机通讯的原理和设计过程进行分析说明，并给出实验结果。
图1超声数据采集硬件原理图
1超声测距原理
超声测距的原理较简单，一般采用渡越时间法，即：
D=ct/2(1)
其中D为移动机器人与被测障碍物之间的距离，c为声波在介质中的传输速率。声波在空气中传输速率为：
其中，T为绝对温度，c0=331.4m/s。在不要求测距精度很高的情况下，一般可以认为c为常数。渡越时间法主要是测量超声发射到超声返回的时间间隔t，即“渡越时间”，然后根据式(1)计算距离。
2系统硬件设计
在距地面高度为45cm、相隔为22.5°的同一环上均匀分布着16个Polaroid生产的超声传感器，其编号为1#～16#(逆时针安排)，超声传感器波束角为30°，超声传感器的最小作用距离为0.45m。超声数据采集板主要有两大模块：一是16路超声器的超声波发射和回波的接收模块，二是与上位(机器人中央控制器)的CAN总线通讯模块。其硬件结构见图1。
TMS320LF2407向I/O端口发出控制信号，启动内部定时器进行计时。此控制信号功率放大后作为超声传感驱动电路启动信号(INIT)，超声传感器产生的、遇到障碍物时返回的高频振荡信号经放大(为弥补传播过程中信号的衰减)使超声传感驱动电路的ECHO端产生高电平脉冲。ECHO电平变化经过门电路后引起TMS320LF407A外部中断，在中断程序内获取定时器的计数值，根据式(1)计算距离;否则，认为传感器前方探测范围内无障碍物。
图2超声测距数据采集程序框图
因为超声传感器之间的安装位置相差22.5°，而超声传感器的波束角为30°，如果超声波同时发射，必须会有干扰。如果采用轮循方式，即一个接一个地发射超声波，虽然可以消除串扰回波的影响，但是16个超声传感器轮循一次周期较长，降低了采集频率。为了在不降低采集频率的同时消除超声的相互干扰，本系统将16个超声传感器分成A(1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#、15#)和B(2#、4#、6#、8#、10#、12#、14#、16#)两组，因为同一组内的两个超声传感器安装位置相差45°，通过计算可以知道，这种情况下超声传感器同时工作不会产生干扰，因而每一组里的超声传感器同时工作，组与组之间则采用轮循方式工作。这样既可以到很高的采集频率，同时也满足了系统的实时性要求。每组8个超声传感器的ECHO端分别连接到一门电路，然后通过门电路连接DSP的XINT1和XINT2端。XINT1/2引脚电平发生跳变时会产生外部中断，通过I/O口可以知道是哪个或哪几个传感器引起中断。
TMS320LF2407A内部集成了CAN控制器，通过它可以方便地构成CAN控制局域网络。TMS320LF2407A的CANTX和CANRX接口与CAN收发器SN65HVD230相连，通过SN65HVD230连接CAN总线。SN65HVD230是TI公司生产的专门针对240X系列DSP内CAN控制器与物理总线的接口。它的供电电压和TMS320LF2407A一样，仅为3.3V。由于CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，最高传感速率可达到1Mbps。超声采集板的数据能够快速、可靠地传给中央控制器。
3软件设计
系统软件主要由两部分构成，即超声数据采集与处理模块、CAN总线通讯模块。
3.1多路超声传感器数据采集模块
超声传感器被分为两组，两组循环交替工作。软件设计上采用两个定时器依次工作，分别对两组传感器进行计时。选择定时器的周期比超声传感器探测最大距离所需的渡越时间稍长。在每个定时器周期开始时，触发一组超声传感器同时开始工作。在定时器周期内，每个回波返回，都会触发一次外部中断(XINT1或XINT2中断)，在外部中断处理程序内，将超声波返回时间进行纪录，并将相应的超声传感器关闭。外部中断处理程序非常简短，本系统只用了不到20条指令，并且TMS320LF2407A指令执行速度很快，因而即使因进入外部中断处理程序而延误了对后来回波的处理，但这种延误的时间根据计算不大于0.5μs，由此引入的距离误差根据(1)式计算小于83.5×10-6m。可见误差非常小，可以忽略不计。当定时器中断时，对于距离大于最大超声探测范围的，没有相应的时间记录，给它们加上超出测距范围的标志。其它的`时钟数据都有记录，根据(1)式计算距离，然后启动下一个定时器工作，并触发下一组超声传感器。本文的超传感器的最大探测距离为3.5m，因而超声波探测的最长时间为20.58ms。所以每个定时器的周期选为20.6ms。图2只画出了一组超声传感器的处理框图，另一组与此相，不再多述。
表1超声测距系统测量值与实际值单位：cm
实际值456075100125150175200测量值43.2661.4774.76100.17125.9.84174.63200.78实际值225250275300325350测量值224.11251.7276.9297.8322.7352.5
由于受环境温度、湿度的影响，超声传感器的测量值与实际值总有一些误差，表1列出了本超声测距系统测量值与对应的实际值。采用最小二乘法对表1的数据进行拟合，结果为：
y=0.9986x+0.2111
式中，x为测量值，y为实际值。
3.2基于CAN总线的数据通信
超声数据采集板发送测距数据以中断的方式完成。TMS320LF2407A有专门的mailbox中断，用于响应发送/接收中断。每个超声传感器的测距值在DSP内用两个字节存储，而CAN总线传输标准要求每个数据帧最多只能传输8个字节的数据。本系统共有16个超声传感器，共有32个字节存储所有测距值。CAN总线传输所有测距值需要4个数据帧才能传送完。本系统的通讯过程为：中央控制器发送远程请求，超声数据采集板进入接收中断，在中断服务程序内，采用查询方式发送4帧数据，每帧数据包含4个超声传感器的测距值。本系统采用的滤特率是500kbps。TMS320LF2407A用mailbox0接收中央控制器的远程请求帖，用mailbox2发送测距数据值。图3是超声数据采集板的发送数据中断服务程序框图。其中，TA2是对应mailbox2发送数据帧完成标志位，RMP0是对应mailbox0接收数据帧的标志位。关于TMS320LF2407A的CAN模块的具体说明。
图4中央控制器接收子程序框图
中央控制器接收子程序由VC++编写。当机器人需要新的测距值时，即调用此子程序。程序框图见图4。接收程序收到一帧数据后，判断数据是否有错，若有错，则向采集板发送命令，要求重发此帧数据;若正确，发送确认命令，要求采集板发送下一组数据，直到所有的超声测距数据都接收完。
基于DSP芯片的数字控制系统综述 篇3
传统的信号处理或控制系统采用模拟技术进行设计与分析,处理设备和控制器采用模拟器件(电阻、电容和运算放大器)实现。自20世纪60年代以来,数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)日渐成为一项成熟的技术,并在多项应用领域逐渐替代了传统模拟信号处理系统。
一、典型闭环控制系统
典型的闭环控制系统,基本上由三个模块构成:控制器、被控对象和传感器[1]。控制器根据所下达的参考指令与由传感器测得的反馈信号比较,所产生的误差再经过控制算法计算出适当的修正信号而使系统有最佳的反应,而这个过程主要是完成控制算法的执行,因此可以用模拟、数字或混合的方式完成。
控制系统是由两个主要的模块构成：控制器和被控对象,控制器由多个子系统组成,其核心为控制处理器。其主要功能就是完成控制算法,由于采用不同的控制算法,控制器也有不同的形式。
近代控制理论采用的各种控制方法,如适应控制、模糊控制、神经网络控制、鲁棒控制等,均可用来就行控制系统设计[2]。控制算法多种多样,但基本上都是由数学方程式组成,再加上一些流程控制指令,所有控制处理器就在于如何运用软、硬件技术实现控制算法。
二、DSP为基础的数字控制系统
当控制算法比较复杂,则难以采用模拟电路实现,为此采用微处理器或DSP的数字控制方式是目前设计控制系统的发展趋势,以DSP为基础的数字控制系统,如图1所示。
其主要优点如下:
(1)能够用软件实现复杂的控制算法,而不需要采用复杂的模拟电路设计。
(2)由软件程序修改而实现不同的控制方法,无须更改硬件电路。
(3)可降低体积、重量与功耗,同时价格也较低具有较高的可靠性,且易于维修与测试,对噪声与干扰有较强的抗干扰能力。
采用DSP的主要优点就是能够以软件程序取代复杂的硬件电路,大规模集成电路发展,再加上廉价的芯片、高处理能力的CPU以及大容量的存储器,它们均能以非常快的速度实现较复杂的控制算法,因此实现控制功能的硬件价格相对较低。
复杂的控制系统应用于工业自动化,如CNC或机器人,应用于国防工业如导弹与导航等,均需要高可靠性[3]。采用DSP使系统的可靠性有了极大的提高。而且高密度电路,降低了在电力电子系统中高电压与高电流变化对电路所形成的影响,控制芯片的屏蔽较为简单,由电力线或信号线所产生的噪声也容易滤掉。
在模拟电路设计中遇到的一些问题,如温度或环境变化而引起的漂移现象,这种现象也会因为组件老化而发生,但在数字电路中则可以消除这些问题。以DSP软件实现的数值计算不仅不会又参数变化,计算也百分之百准确,而且截断和溢出等问题也可以采用适当的调整比例范围来解决。
三、结论
本文在进行经典控制系统特性分析的基础上,建立了数字控制模型,选用了控制简单、运行可靠的DSP芯片的数字控制系统进行了分析和设计,给出数字控制与模拟信号处理系统相比,数字信号处理技术及设备具有灵活、精确、抗干扰能力强、设备尺寸小、速度快、性能稳定和易于升级等优点。进一步为数字控制研究提供了参考依据,因而具有较大的实用价值和良好的应用前景。
摘要：本文通过对典型闭环控制系统介绍,结合DSP控制芯片,分析数字控制与模拟电路控制的优缺点,及数字控制系统设计基本过程。工程上有较好的参考和应用价值。
关键词：DSP芯片,数字控制,闭环控制
参考文献
[1]H Li,K L Shi,P G McLaren. Neural-Network-Based Sensorless Maximum Wind Energy Capture With Compensated Power Coefficient[C].IEEE Trans.On Industry Appl icat ions,2005,41(6):1548-1556.
[2]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社.2000.
多DSP芯片系统 篇4
关键词：永磁同步电机,交流伺服系统,前馈,IRMCK201芯片,DSP
0 引言
随着交流伺服控制技术的不断进步,交流伺服驱动系统将逐渐取代直流伺服系统。由于永磁同步电机伺服系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的速度伺服与位置伺服控制,因此永磁同步电机伺服系统在交流伺服驱动系统中占据着重要的地位,全数字化是未来伺服驱动技术发展的必然趋势[1]。本文采用交流永磁同步伺服电机作执行机构构成交流伺服系统,永磁同步电机采用空间矢量控制算法,控制系统采用TI公司的高性能DSP芯片TMS320F2812和运动控制专用芯片IRMCK201相结合实现数字化三环系统,即位置环、速度环、电流环的控制系统,设计了具有完整的保护和监控功能的永磁同步电机伺服系统。
1 伺服系统的硬件设计
整个伺服系统是由主电路、控制电路、辅助电路等构成。其中主电路由三相整流电路、滤波电路、逆变电路、永磁同步电机等构成;控制电路由TMS320F2812和IRMCK201及其外围电路构成;辅助电路由光电编码器、电流检测电路等构成。其硬件结构图如图1所示。
三相交流输入经过整流和滤波之后得到直流电压供给智能功率模块。DSP作为主控芯片实现数字位置环程序、LED显示程序、键盘程序等,并且配置IRMCK201的寄存器,使IRMCK201按所设定的参数进行工作,并且接收来自保护电路的信号产生中断实现过压保护和欠压保护。IRMCK201接收光电编码器及HALL传感器所采集的角度及速度信息,实现电机的自启动并接收电流传感器IR2175所采集的电流信息。角度、速度、电流信息供给电流调节器和速度调节器以形成电流闭环和速度闭环,并产生带死区的空间矢量脉宽调制(SVPWM)波经过光耦隔离驱动功率模块。
1.1 主电路的设计
驱动电路为AC-DC-AC逆变电路,整流电路采用Diodes公司的整流模块将输入的交流电变成直流电,整流电路输出的直流电压含有脉动成分,因此需加入大电容滤波电路。逆变电路采用的是三菱公司的PS21867型智能功率模块(IPM),其优点:采用第5代绝缘栅双极晶体管(IGBT)工艺,内置优化后的栅极驱动和过流保护、欠压保护电路;超小型体积,输出功率强劲的三相波形,供给永磁同步伺服电机,利于产品的小型化设计。IPM具有欠压保护功能,当IGBT下臂欠压时,IPM从FO(IPM故障输出)口输出低电平,送入DSP的外部中断接口,DSP配置IRMCK201相应的寄存器来禁止PWM脉冲输出。过压保护电路主要采用比较器判断,输出送到DSP芯片的外部中断接口,DSP配置IRMCK201相应的寄存器来禁止PWM脉冲输出。IRMCK201的GATEKILL引脚是门极关断引脚,当其得到有效信号时,将关断所有6路PWM输出,对IPM起保护作用。本系统中将三极管连接在电阻两端,并连接比较器,输出接到GATEKILL引脚,通过三极管的通断来判断直流母线是否过流,当过流发生时,比较器输出使能GATEKILL信号,达到过流保护目的。
1.2 控制电路的设计
1.2.1 交流电机控制芯片IRMCK201
IRMCK201是IR公司推出的基于FPGA技术的交流电机控制专用芯片,其功能强大,且不需要大量编程,只需配置其寄存器即可。其功能如下:可以实现对交流永磁同步伺服电机或交流异步电机控制;可以实现电流闭环控制和速度闭环控制;可以与单片机、DSP等微处理芯片连接或外接EEPROM实现电机控制;可以选择8位并行接口、异步串行接口、SPI接口与微处理芯片连接;提供与IR2175反馈电流传感芯片的专用接口;提供与增量式编码器的接口;内部硬件实现磁场定向控制[2]。其内部结构图如图2所示。
本系统利用IRMCK201实现速度环和电流环,产生带死区的SVPWM波控制功率模块,能达到快速平稳的控制目标,并通过并行接口与DSP通信。
1.2.2 主控DSP芯片TMS320F2812
本系统采用TI公司的高性能DSP芯片TMS320F2812作主控芯片,应用其实现数字位置环、LED显示、键盘输入,并利用其GPIO口与IRMCK201通信为IRMCK201配置寄存器,以达到期望的控制效果。TMS320F2812是一款特别适合电机控制和运动系统控制的高性能32位定点DSP芯片,其具有数据处理能力强,存储空间大,中断响应和处理迅速,外围设备电路完善等优点,其中事件管理器(EV)所具有的捕获口及正交解码电路适合本系统处理光电编码器所采集的电机位置及速度信息,该芯片的正交解码电路能将复合式光电编码器所发出的两相正交脉冲进行4倍频处理,提高了分辨率,使位置和速度信息更精确。
1.3 辅助电路设计
1.3.1 光电编码器信号处理电路
本系统利用复合式光电编码器采集永磁同步电机的位置及速度信息,电机启动前,通过U、V、W三相脉冲的状态估算出电机磁极位置,即当前的角度,以实现电机的启动,一旦电机旋转起来,光电编码器的A、B、Z三相脉冲可以精确地检测出位置值。为了提高系统的抗干扰性能,这6路脉冲均用差分输出即A+、A-、B+、B-、Z+、Z-、U+、U-、V+、V-、W+、W-,编码器输出的信号经滤波、整形后连接到IRMCK201的编码器接口及DSP的正交解码电路(QEP),其中A+、A-信号的处理过程如下:A+、A-经过滤波后连接到差分接收器AM26L32,得到输出AO,再将AO经过高速CMOS反相器74HC14进行整形后即可接到IRMCK201和DSP。
1.3.2 电流检测电路
本系统的电流检测是基于IR2175芯片的,IR2175是IR(International Rectifier)公司生产的高压线性电流传感器,它不用通过A/D转换便可直接输出PWM数字信号,从而简化了电机控制电路的电流检测和保护操作,可方便地用于电机驱动系统中IR2175完成电机电流的测量,可以直接与IRMCK201连接,从而使得电机电流检测电路变得紧凑简单。基于IR2175的永磁同步电机的V相电流检测电路如图3所示。IR2175的高压侧供电电压VB和补偿电压VS的输入来自于Vfb,Vfb是V相驱动电源。低压侧的供电电压为15 V。PB接到电机的定子V相绕组上,经过采样电阻后得到260 m V以内的采样电压信号输入到感应输入引脚VIN+,PDB是智能功率模块的V相输出,输入到VIN-与PB进行比较,从PO口输出一个占空比随电流幅值大小改变的数字PWM信号SENB,SENB经过高速光耦6N137隔离后,输入到IRMCK201的IR2175接口引脚IFB0,实现电机V相电流信号反馈,经过坐标变换、比较、电流调节器及SVPWM输出,构成电流闭环。
2 伺服系统的软件设计
2.1 DSP与IRMCK201的通信软件
本系统采用TMS320F2812 DSP配置交流电机控制芯片IRMCK201的寄存器,它们之间的有3种通信方式,即SPI接口、串行接口、8位并行接口,考虑伺服系统要求快速性和实时性,本系统采用并行接口通信方式。IRMCK201的并行接口HPD0~HPD7与DSP的通用输入/输出口GPIOB0~GPIOB7相连,IRMCK201的片选信号HPNCS、并行接口写使能HPNWE、并行接口读使能HPNOE和并行接口地址信号HPA分别与DSP的通用输入/输出口GPIOA0~GPIOA3相连,4条控制线只要给定正确的逻辑,就可以从数据线读取或写入寄存器的值,因此用DSP的GPIO就可以模拟出读写的时序。其时序为:并行接口地址信号HPA高电平有效,IRMCK201的片选信号HPNCS低电平有效,并行接口写使能HPNWE低电平有效,并行接口读使能HPNOE低电平有效。用DSP的GPIOA0~GPIOA3按以上时序编写程序即可进行正确的读写操作,只需通过此通信配置IRMCK201的寄存器实现速度环、电流环和磁场定向算法,避免了编写大量复杂的程序。
2.2 IRMCK201的配置及数字位置环算法
2.2.1 主程序及位置环实现
本系统在DSP上编写的主程序实现IRMCK201的寄存器配置及DSP的初始化,中断程序实现位置环算法,程序流程图如图4所示。
DSP初始化后,对IRMCK201进行初始化,包括PWM波的载波周期和死区时间、错误监控、滑模增益、空间矢量调整系数、速度极限值、速度环使能、加减速度。配置电机参数包括编码器计数使能、电机速度比例因子、起始时读HALL传感器的值以及根据反馈设置电流PI和速度PI调节器的比例积分系数。读取电流偏差主要是打开电流反馈补偿使能位,从速度环得到参考输入电流,关闭电压修调PWM输出。然后打开PWM和FOC(磁场定向控制)使能,向速度寄存器写入数据。
2.2.2 前馈位置环算法
伺服定位系统要求高的定位精度、尽可能快的动态响应速度以及位置响应无超调,所以通常位置调节器设计成比例或者比例积分调节器,但是比例和比例积分调节器在保证动态响应速度快及稳态精度高时可能导致出现位置超调,甚至导致系统不稳定,如果保证系统响应无超调,则可能导致稳态精度低及动态响应速度慢,这是一对矛盾。因此本文把位置调节器设计成带前馈补偿的比例调节器,可以在不影响系统稳定性的前提下提高系统响应速度及稳态精度。带前馈补偿的位置环控制框图,如图5所示[3]。
本系统中G1(s)=KP,速度环采用的是PI调节器,位置环的截止频率远小于速度环的截止频率。所以可以将速度环等效为一个一阶惯性环节,即G2(s)=KV/(TVs+1),KV为速度环调节器增益,TV为时间常数;电机等效为一个积分环节,即G3(s)=1/s,F(s)=KPR,KPR前馈增益,在理论上当KPR=1/KV时可以实现误差全补偿,使稳态误差为零,但是系统一般很难实现全补偿条件,本系统设计工作在欠补偿状态,即设计KPR=0.8/KV。
3 结语
本文设计了基于TMS320F2812型DSP和交流电机控制芯片IRMCK201的永磁同步电机交流伺服系统,所选用的永磁同步电机的额定功率:1.5 k W,额定转速:2 500 r/min,最高转速:3 000 r/min,额定转矩:6 N·m,最大转矩:18 N·m,额定电流:6 A。经过测试电机运行平稳,动态响应速度较快。速度波动率小于0.03%(负载0~100%),数值对应于额定速度,转速从0上升到1 000 r/min的时间为40 ms。在位置给定为10 000个脉冲时,完成整个定位过程需要580 ms。
本交流伺服系统用高速数字信号处理芯片TMS320F2812实现数字位置环,算法灵活,可以实现多种位置环算法,以达到良好控制性能,速度环和电流环采用基于FPGA技术的芯片IRMCK201,单片芯片实现高性能的速度环和电流环,大大减小了程序的复杂程度,缩短了开发周期。
参考文献
[1]陈吉红,朱志红,熊清平.发展我国伺服驱动产业的探讨[J].伺服控制,2007(2):12-15.
[2]滕福林.基于IRMCK201的交流位置伺服系统研究与应用设计[J].伺服控制,2007(3):27-35.