基于DSP+CPLD的異步電動機控制系統(tǒng)開發(fā)平臺設(shè)計
隨著電力電子技術(shù)、電機控制理論和微控制器的不斷發(fā)展,現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)在國民經(jīng)濟中得到了廣泛應用。目前,高性能的調(diào)速控制策略和現(xiàn)代控制理論已逐步應用于交流電動機控制領(lǐng)域,普通運動控制系統(tǒng)已不能滿足高性能調(diào)速控制要求,建立以DSP+CPLD為控制核心的異步電動機控制系統(tǒng)開發(fā)平臺,對于研究高性能運動控制策略具有重要意義。它不僅可以減小系統(tǒng)體積,而且可以實現(xiàn)復雜的實時控制、提高系統(tǒng)運算能力,此開發(fā)平臺可方便用戶快速完成電機控制系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)和應用。
1 開發(fā)平臺硬件總體設(shè)計
1.1 開發(fā)平臺總體設(shè)計及特點
該開發(fā)平臺以三相異步電動機作為被控對象,以控制器TMS320F2812與復雜可編程邏輯器CPLD作為控制核心,主電路為典型的三相交-直-交電壓源型逆變電路,二極管構(gòu)成了三相橋式整流電路,濾波后獲得直流電壓,由智能功率模塊(IPM)作為逆變器的主開關(guān)器件,輸出一定頻率和電壓的三相交流電給異步電動機供電。
DSP有豐富的片上資源和高效的數(shù)據(jù)處理能力,運行速度較快,因此對外圍部件快速配合要求也高。如果外圍部件采用專門的電路控制,不僅可以對DSP進行更多功能的擴展,而且可以減少系統(tǒng)的復雜程度,提高系統(tǒng)控制精度。
復雜可編程邏輯器件有豐富的邏輯資源,更適合完成各種算法和組合邏輯。具有I/O口多、設(shè)計靈活、規(guī)模大和速度快、邏輯處理能力強大的優(yōu)點,若用其單獨構(gòu)成變頻調(diào)速系統(tǒng),開發(fā)周期長且成本昂貴。Altera公司的MAX IIZ CPLD具有多種關(guān)鍵優(yōu)勢。在單個器件中實現(xiàn)了高級功能和零功耗。在高級系統(tǒng)特性上都超出了傳統(tǒng)宏單元CPLD,這些特性包括用戶閃存、內(nèi)部振蕩器、成本優(yōu)化、更大的密度、更小的封裝以及更低的功耗等。基于上述原因,并考慮系統(tǒng)后續(xù)開發(fā)的通用性和各種不同控制方案的實現(xiàn),控制電路以DSP+CPLD作為控制核心,采用
TMS320F2812芯片實現(xiàn)異步電動機各種復雜控制算,CPLD實現(xiàn)外圍電路的邏輯控制。不僅滿足了系統(tǒng)控制的高性能要求,而且減輕了DSP處理負擔,使得DSP可以集中處理系統(tǒng)控制算法,簡化了邏輯電路,提高了電機運行的可靠性。
基于TMS320F2812+CPLD的異步電動機控制系統(tǒng)開發(fā)平臺硬件原理,如圖1所示。
圖1 開發(fā)平臺硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖
與普通控制系統(tǒng)相比,該控制系統(tǒng)開發(fā)平臺有如下特點:
(1)DSP與CPLD協(xié)調(diào)控制,可以發(fā)揮各自的優(yōu)點,實現(xiàn)電機的高性能調(diào)速控制。
(2)DSP、復雜可編程邏輯器件構(gòu)成的電機控制系統(tǒng)有著更智能化的發(fā)展。
(3)該控制系統(tǒng)開發(fā)平臺控制方案靈活,可編程性強,預留端口豐富,便于擴展,不僅可以實現(xiàn)對異步電動機的控制,也可以達到對其他高性能電機的控制,系統(tǒng)升級容易,維護性好。
(4)利用該控制系統(tǒng)開發(fā)平臺,可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高開發(fā)效率,并可以在短時間內(nèi)完成電機控制系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)和應用。
(5)該控制系統(tǒng)開發(fā)平臺控制電路開關(guān)量形式的輸出信號均通過光耦隔離與系統(tǒng)主電路接口,保證了強弱電的隔離,系統(tǒng)穩(wěn)定性高,能夠滿足電機控制領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)高可靠性的要求。
1.2 各模塊電路設(shè)計
1.2.1 主電路
主電路為典型三相交-直-交電壓源型逆變電路,通過三相不控整流電路向逆變器和開關(guān)電源供電。采用智能功率模塊(IPM)作為逆變器的主開關(guān)器件,其外圍元件少、結(jié)構(gòu)簡單且可靠性高。同時配備全面的保護措施,保證系統(tǒng)的可靠運行。
(1)逆變電路。
開發(fā)平臺逆變電路為典型三相交-直-交電壓源型逆變電路,采用三菱公司智能功率模塊(IPM)PM50RL1A120,其耐壓1200 V,額定電流50 A,內(nèi)部整合了6路高速、低功耗IGBT組成的三相全控橋和一路用于制動的IGBT,以及過電壓、過電流和過熱等故障檢測和保護電路,并將檢測信號送到DSP進行中斷處理。控制器輸出的信號均經(jīng)過光耦隔離電路進入IPM,有效地抑制了系統(tǒng)干擾。
(2)電壓、電流檢測電路。
在逆變電路的直流側(cè)和輸出的交流側(cè)設(shè)計了電壓、電流檢測電路,通過霍爾電壓、電流傳感器獲得電壓、電流信號,經(jīng)隔離放大后送過DSP的ADC模塊,進行A/D轉(zhuǎn)換,以實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。當系統(tǒng)發(fā)生過流、過壓時,電路可以迅速將低電平信號發(fā)送到DSP的PDPINT保護引腳,封鎖PWM脈沖輸出,避免系統(tǒng)發(fā)生故障。
1.2.2 控制電路
控制系統(tǒng)開發(fā)平臺主要用來完成各種復雜的異步電動機調(diào)速控制算法,加速電機控制系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)和應用。DSP與外圍電路的聯(lián)系,可以完全通過CPLD控制,DSP和CPLD采用總線方式進行通信。CPLD作為系統(tǒng)DSP芯片的擴展,可以完成眾多邏輯控制以及I/O擴展任務(wù)。CPLD可以設(shè)置成具有地址譯碼器功能,依據(jù)DSP輸出的地址信號,對其進行譯碼,通過地址總線輸入CPID,選通外圍電路達到對其進行控制,并且可以實現(xiàn)SRAM以及LED、IED讀寫信號的控制。
TMS320F2812是TI公司最新推出的是32位定點DSP控制器,采用改進哈佛結(jié)構(gòu),具有高速數(shù)據(jù)處理能力。其片內(nèi)集成有豐富的運動控制專用外設(shè):PWM產(chǎn)生電路、SVPWM狀態(tài)機、可編程死區(qū)、比較/捕獲單元等。其他功能外設(shè):A/D轉(zhuǎn)換單元、SCI、SPI、CAN控制器等,適合用在高精度伺服控制領(lǐng)域。
Altera公司的MAX IIZ系列EPM57OZM144C7N采用MBGA封裝,有144個引腳和116個用戶可用I/O口,典型等價宏單元440個,DSP電壓與該芯片匹配,同時提供了JTAG接口,可以進行ISP編程,邏輯處理能力強大,外圍邏輯電路得以簡化。
(1)電源模塊。
TMS320F2812采用雙電源供電,系統(tǒng)先給所有+3.3 V的I/O加電,再接通1.9 V的內(nèi)核電源。針對這樣的電源要求,選用TI公司提供的雙電源供電芯片TPS767D301給DSP供電,該芯片為雙路輸出,一路輸出恒定的3.3 V電壓,另一路輸出可調(diào)電壓,實現(xiàn)DSP供電時序要求。采用TPS3823S芯片實現(xiàn)電源監(jiān)控和手動/自動復位,監(jiān)控程序運行,防止程序陷入死循環(huán)。TPS767D301電平輸出電路如圖2所示。
圖2 TPS767D301電平輸出電路
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