基于高性能数字信号控制器在伺服系统中的功能及应用设计

1、 引言

随着工业、民用、军事对自动化的需求不断提高，以高性能微处理器为控制策略的数字化交流伺服系统必将成为伺服系统的发展趋势。围绕TI公司推出的高性能数字信号控制器TMS320F28334，重点介绍其在伺服系统中的功能及实际应用。

2、 器件介绍

2．1 TMS320F28334简介

TMS320F28334（以下简称F28334）属于F2833x系列，该系列也是TMS320C一2000系列数字信号控制器中的一员。和以前相比，该系列器件有很多性能的提升和扩展。F2833x在继承同类器件32位定点处理器结构的基础上，集成有单指令（32位）IEEE754浮点处理单元。该器件可以执行效率很高的C／C++程序代码，可利用高级语言编写的软件完成系统控制，还可用C／C++语言开发程序算法。由于F2833x系列具有定点和浮点处理单元两种结构，因此能替代一些系统的数字信号处理器和控制器，这样不但能降低开发成本，还能降低功耗。而其具有的32x32位MAC、快速中断响应、8级指令流水线能够很轻松地完成复杂算法和控制，满足系统应用需要。

F28334的主要特性：150 MHz时钟周期：6个通道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位一次编程RAM；8 Kxl6位引导ROM；超强的外围控制，如EPWM，HRPWM，ECAP，EQEPI等；3个32位CPU定时器；外围串口有：ECAN，SCI，SPI，MCBSP，I2C；16个通道的12位M/D转换器；多种低功耗模式和多种封装选择等。

2．2 A/D转换器简介

A／D转换器集成在F28334内部，属于其内部结构的一部分，与内部其他结构共用系统时钟，并由CPU控制。A／D转换器有16个模拟输入通道，可配置为2个独立的8通道模式，也可将2个独立的8通道配置成1个16通道模式，为EPWM模块提供更好服务，实现伺服系统的精确控制。

M/D转换器的主要特性：12位精度A／D转换器内核，并且具有双路采样保持电路；同时采样和序列采样模式；模拟输入电压范围：O～3 V；在12．5 MHz的A／D转换器时钟下，具有6．25MS／s的采样速率；16个结果寄存器存储相应通道的采样结果；在“开始转换序列”模式中具有多种触发源：软件立即开始、EPWM、XINT2。

以上特性及可变的采样速率、低功耗模式、A/D转换器与DMA接口等功能都是通过配置相应的寄存器实现的。正是基于A/D转换器的强大性能，可同时采集多达16路模拟信号，能够组成一个采样网络，从而全面检测和控制伺服系统。

3、 系统硬件设计

对于伺服系统，相电流采样精度直接影响整个伺服系统的性能。因此采样电路和保护电路都是围绕电流环内的电流值设计。F28334处理和比较采样得到的电流，进而输出PWM波进行相应控制。系统框图如图l所示。

从图1可看出，电流测量信号通过A/D转换器INA0和ECAPI进入F28334；电流保护信号通过ECAP2和ECAP3进入F28334；而PWM控制波从F28334的专用引脚输出，经光电隔离和功率驱动电路后进入电机。由于系统的变频器采用交一直一交结构，即有一个三相不可控整流桥和用IGBT实现逆变功能的逆变器组成，所以只需产生6路PWM控制信号。

3．1 电流环内电流值的采样

为了提高采样精度，电流信号不能直接连接到A／D转换器的模拟输入引脚，而是要分别获取电压信号的幅值和方向。通过一个绝对值电路和电压跟随电路，得到一个正相电压，由运算放大器完成，最终得到的电压再连接到F28334的ADCINTO引脚；另外，通过一个由比较器构成的过零比较电路，检测出电压的正负，再连接到F28334的ECAPl引脚。电流采样电路框图如图2所示。

图2中的绝对值电路由放大器和二极管组成。电压跟随器的输出端用一只3.3 V的稳压二极管把输出电压箝位于0～3.3 V，过零比较器的输出端同样用一只3．3 V的稳压二极管箝位，保证F28334不会因输入电压值过高而损坏。

3．2 电流环内电流保护

系统电路中电机电流保护分为限流保护和过流保护。前者是当电机电流超过额定值In的x倍时开始动作，当电机电流减小到低于x倍额定电流时，保护系统退出，此信号通过E—CAP2进入F28334；后者则是当电机电流超过y倍（y》x）的额定电流时，电机停机，直到重新启动系统。此信号通过ECAP2进入F28334。电流保护电路框图如图3所示。

当比较器1负端电平大于参考电压（对应电机电流xIn）时，比较器1输出低电平，即限流保护ECAP2信号有效，由F28334封锁PWM引脚输出脉冲：当比较器2的负端电平大于参考电压（对应电机电流yIn），比较器2输出低电平，D触发器的Q置低，即ECAP3信号有效，进而F28334封锁PWM输出脉冲。注意：当过流保护后，电机电流即使减小到0，系统也不再工作，直到手动重启系统，并将D触发器的Q电平拉高，系统才会重新工作。其中，In为电机额定工作电流。x介于1和1.2之间，y为1．5。

3．3 三相PWM波产生

F28334的PWM脉冲信号的产生需要时基、比较计数器、动作限定器、死区、PWM斩波器以及跳闸区（Trip—Zone）。通过时基单元设定PWM波时基计数器的周期和频率，配置各路PWM波之间的相位关系，设定PWM波的对称性，输出时基计数器的值到比较寄存器和动作限定器。计数器的值连续与计数器A和计数器B相比较，相等时产生相应的输出到动作限定器。当时基计数器的值与时基的周期、零、计数器A以及计数器B之中的一个或多个相等时，输出PWM波。动作限定器输出的PWM波形经死区、PWM斩波器以及跳闸区，最后到达相应的引脚。如果不经死区和PWM斩波器则输出的波形不能被修改。跳闸区确保PWM波形的正确性。

3．4 功率驱动

系统是由一个三相不可控的整流桥和由IGBT实现逆变的逆变桥组成，功率驱动电路只是IGBT的栅极驱动电路，而其设计是否合理，决定其静态特性和动态特性。栅极正偏压、负偏压和栅极电阻对IGBT的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路能力以及dUGE／dt等参数都有影响。选用HL402B作为IGBT的驱动器，图4为HIA02B接线图。其中HIA02B接25 V电源，产生正偏电压为+15 V，负偏电压为一10 V，栅极电阻可选几欧姆到几百欧姆，这里选用2Ω的电阻。

3．5 驱动波形和逆变器后输出的波型

F28334输出PWM波形到驱动电路，驱动电路则可接入逆变器主功率器件的栅极，给驱动电路通电，逆变器不加电，用示波器观察驱动电路输出，如图5所示。由于输入电阻和电容的影响，驱动波形不再是标准的方波。

3．6 F28334存储和通信

F28334内部有数据存储器和程序存储器，因此无需外接存储器。无论是程序还是数据的存取，其速度都很快，无需考虑有外设存储器的系统与外设存储器通信时存在的速度匹配问题。由于F28334的通信接口和模式很多，完全能满足通信需要。利用这些接口能够轻松实现与其他系统器件的通信。同时，还可利用其丰富的引脚外部扩展显示模块和键盘等设备，为用户提供一个人机对话的接口。

4、 系统软件设计

系统软件主要完成系统的初始化和系统控制，即：系统寄存器初始化，中断向量的设置，A／D转换器模块寄存器初始化，A／D转换器采样，数据的处理和存储，电流保护电路的监控等。系统的软件流程图如图6所示。

从图6可知，电流保护和通信功能是通过中断实现的。如果没有产生电流保护和通信中断，则系统完成电机电流采样．处理和存储数据，并根据实际需要使系统进入休眠状态，也可从休眠状态退出继续工作，这样可减小系统的功耗。这里只给出部分程序代码：

5、 注意事项

5．1 上位机读取数据

当上位机读取F28334采集得到的数据时，不必实时读取．可以先暂存在其内部数据存储器中。在上位机需要时，上位机设定的中断向F28334发送中断请求信号，F28334接收到请求后，通过SCI接口发送暂存在F28334内部数据存储器中的数据。

5．2 电源模块设计

电源模块是伺服系统的重要组成部分，电源模块的好坏直接关系着系统能否正常工作。主要有3种电源：F28334的内核电源（1．9 V）和I/O电源（3．3V），A／D转换器模块的数字电源、模拟电源以及功率驱动模块的电源。F28334的电源可选用TI公司提供与之相匹配的电源器件供电；A/D转换器的数字电源和模拟电源一定要分开供电，以减少数字电源对模拟电路的影响；而功率驱动电路可采用与其他电源隔离的独立悬浮电源电路来供电。

6 、结语

主要介绍了基于F28334的小型伺服系统模块设计，实现控制伺服系统，模块中虽然没有给出显示模块和键盘等人机通信接口，但是可根据具体的要求来增加这些外设，以增强系统模块的功能。

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