1、PE 電力電子2007年第3期50電機控制嵌入式DSP 芯片 TMS320F240及其應用曾繁玲(羅定職業技術學院,羅定 527200摘要 描述電機控制嵌入式DSP 芯片TMS320F240的原理結構與特點,并結合電機控制技術的發展趨勢,介紹此芯片在開關磁阻電機數字控制系統的應用。關鍵詞:嵌入式DSP ;電機控制;開關磁阻電機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,隨著電機控制技術的發展和電機驅動系統市場的繁榮,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。目前有一定數量的文獻都是介紹TMS320F240在電氣傳動中的應用,但都側重于介紹系統的硬件和軟件的設計,沒有從芯片的角度系統

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

5、SP 的內核含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、重復指令集、2個狀態寄存器。 TMS320F240片內有三塊RAM 區: B0塊(256×16位、B1塊(256×16位、B2塊(32×16位。其中B0塊既可以配置為數據區,又可以配置為程序區,若配置為程序區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訪問兩次,大大加快了數據的處理能

6、力。PE 電力電子 2007年第3期51圖12.2 事件管理器TMS320F240的內部嵌入的事件管理器,資源豐富,包含有PWM 波形產生、12個比較/PWM 通道、可以工作于連續遞增或連續遞減等6種模式的3個16位通用定時器、提供死區功能的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。事件管理器的結構如圖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據存儲區。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。為了產生PWM 信號,需要1個計數器重復對應于PW

7、M 周期的計數,1個比較器保存調制值。比較器不斷地與定時計數器的值比較。當值相等時,輸出引腳發生電平躍變;當值第2次相等時或計數到達周期值時,輸出引腳又發生電平躍變。對于每一個定時周期,改變對應于調制值的比較器的值,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可以產生另外3路PWM 輸出,可以應用于沒有死區要求或用片外的其他電路構成死區的場合。全比較器單元的任何一個以及通用定時器1、死區單元和輸出邏輯,可以產生一對死區和極性可編程的PWM 信號。2.3 其他片內外設TMS320F240內含16通道兩路轉換精度

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

9、數字濾波。4 基于TMS320F240的數字電機控制系統基于TMS320F240控制開關磁阻電機(SRM 控制系統如圖3。該控制系統可實現開關磁阻電機的數字化控制,系統中無線通訊模塊接受上位機發出的控制參數,將其轉換為PWM 輸出,經過驅動放大送給電PE 電力電子 2007年第3期52機,產生輸出。通過電路檢測裝置檢測相電流,光盤編碼器檢測電機的轉動方向及轉角,反饋給DSP 系統,形成閉環控制,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 轉換口,轉換成數字信號后用以控制

10、電流斬波限;一方面輸入到保護電路,實現對功率變換器主開關的過流保護。 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,用于電機轉速和旋轉機械角位置的檢測。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。當電機軸上的光盤編碼器產生正交編碼脈沖時,通過檢測兩個序列中哪個序列領先,可以測出電機的正反轉;并據此對捕獲的信號進行加減計數,從而得到當前的計數值和計數方向,即電機的角位移和轉向。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生三對PWM 輸出,為各種控制策略的實現提供了最大限度的便利。3個單比較單元實現另外三對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,就可以使驅動內、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生,而下橋臂驅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 和串行外設接口SPI 可實現與上位機、外設及多處理器間的通訊,DSP 與上位機的RS232通訊如圖4所示。上位機向下位機發送各種控制參數及指令,下位機DSP

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