DSP在电机控制中的应用

显 示 了 比 一 般 微 处 理 器 更 多 的 优 点，具 有 广 阔 公司的 ＤＳＰ３２Ｃ、Ｍｏｔｏｒｏｌａ 公 司 的 ＤＳＰ５６００１ 和 空间。
ＴＩ 公 司 专 为 电 机 控 制 而 设 计 的
ｅ．多 种 通 信 接 口；ＣＡＮ２．０Ｂ、ＳＣＩ、ＳＰＩ。
ＴＭＳ３２０Ｃ２ＸＸ 系 列 ＤＳＰ 芯 片 ， 使
引言
的应用前景。利用 ＤＳＰ 的 高 速Biblioteka ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ
电机控制是工业自动化进程中一个相当 计算能力可以增加采样速度和
重要的组成部分，它包含工业领域中的速度控 完成复杂的信号处理和控制算
制、力矩控制、位置控制。微处理器在电机控 法 。 扩 展 Ｋａｌｍａｎ 滤 波 算 法 ， 自
制领域中的应用，使传统的电机控制面貌一新。 适应矢量控制，状态观测器等复
统中的应用已经呈指数增长。 的 开 销 。 用 一 个 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ 控 制 芯 片 可
２ ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ 的结构特点 以对多个电机进行控制。该系列的控制器集成
ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ 是 ＴＩ 专 门 为 有 串 行 通 讯 接 口（ＳＣＩ），使 之 能 够 与 系 统 中 的 其
８ 结束语 电机控制 是 ＤＳＰ 应 用 的 主 要 领 域，高 性 能 的 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ 芯 片 可 以 实 现 控 制 系 统 中 的复杂控制算法，大大提高了控制系统的控制 精度，在实时性和精度要求较高的场合有广阔 的应用前景，大量的面向电机控制而集成的外 设使得控制系统的硬件结构变得十分简单，在 此基础上构成的运动控制，外围电路少，可以极 大地降低控制系统的硬件成本。
科苑论谈
ＤＳＰ 在电机控制中的应用
彭群平 （ 分宜县水利电力勘察设计室， 江西 分宜 ３３６６００）
摘 要： 论述了 ＤＳＰ 的发展及其在电机控制中的应用，特别介绍了 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ 的结构特点， 并对基于此芯片的数字电机控制系统的组成 给予探讨。
关键词： ＤＳＰ； 数字电机控制； 控制系统； ＰＷＭ
图 ２ 电机控制结构图
ｅ．具有在单周期内操作的多个硬件地址产 ＤＳＰ 的高速能力还可以消除噪声污染和不精确
ｂ．片内 ３２Ｋ 字的 ＦＬＡＳＨ 程序存储 器，高 达
生器，可以并行执行多个操作；支持流水 线 操 作， 的 输 入 及 反 馈 信 号 数 据 。 对 要 求 速 度 较 快 的 １．５Ｋ 字 的 数 据 程 序 ＲＡＭ，５４４ 字 双 口 ＲＡＭ
３ 控制系统的组成
单 元（ＭＣＵ）和 昂 贵 的 多 片 设 计 的
该系统可以实现交流传动系统以及永磁
替代，具有以下一些特点：
直流电机的数字化控制，系统中通讯模块接受
ａ．采 用 高 性 能 静 态 ＣＯＭＳ 技 术， 上 位 机 发 出 的 控 制 参 数， 将 其 转 换 为 ＰＷＭ 输
其 供 电 电 压 为 ３．３Ｖ，减 小 了 控 制 出，经 过 驱 动 放 大 送 给 电 机，产 生 输 出 。 相 电 流
数 字 电 机 控 制 （ＤＭＣ） 而 设 计 的 它控制器或上位机进行异步通讯。该控制器还
ＤＳＰ 芯 片 之 一 。 它 将 ＤＳＰ 内 核 有 一 个 同 步 外 设 接 口（ＳＰＩ 和 ＣＡＮ 通 信 模 块） 。
和 丰 富 的 微 控 制 器 外 设 功 能 集 其结构框图见图 １。
于单片之内，成为传统多处理器
ＤＳＰ 一般都具有如下一些特点：
器提供系统变量可以从电气变
ａ．在一个指令周期内可完成一次乘法和一 量中估算出来，而这一复杂的运
次加法。
算 过 程 就 可 以 有 ＤＳＰ 来 完 成 。
ｂ．采 用 改 进 的 哈 佛 结 构，程 序 和 数 据 空 间 在自适应系统中，系统参数和状
分离，可以同时访问指令和数据。
态变量通过状态观测器的计算
ｃ．片 内 具 快 速 ＲＡＭ，通 常 可 通 过 独 立 的 数 可采用 ＤＳＰ 有效地实现。 同 样
据总线在两块中同时访问。
由于高运算度，ＤＳＰ 也可有 效 用
ｄ．具有低开销或大开销循环及跳转的硬件 于 神 经 网 络 和 模 糊 逻 辑 化 运 动
支持。
控制系统。在实际工程应用中，
它具有速度快、控制准确灵活、噪声小、高集 杂算法利用 ＤＳＰ 芯片可以 方 便
成度、反应灵敏等优点。适应了工业企业提高 地 实 现 。ＤＳＰ 的 信 号 处 理 能 力
产品质量和增加产量的要求，因此得到了广泛 还可用来减少位置、速度、磁
的应用。
通等传感器，无传感器矢量控制
１ ＤＳＰ 的基本特征
之所以成为可能，就是因为传感
片的功能和用法类似于一个高速单片机。
ＩＯ 端 口 、 复 杂 的 中 断 控 制 器，不 适 用 于 运 动 控
ｄ．可扩展的外部 存 储 器 共 １９２Ｋ 字；６４Ｋ 字
在 自 动 控 制 系 统 中，ＤＳＰ 的 高 速 计 算 能 力 制 资 源 。 ＡＤ 公 司 的 ＡＤＳＰ２１ＸＸ 系 列 、 ＡＴ＆Ｔ 程序存储器；６４Ｋ 字数据存 储 器；６４Ｋ 字 ＩＯ 寻 址
使取值、译码、取操作数和执行等操作重叠执 ＰＷＭ 控 制 算 法 （ 如 空 间 矢 量 算 法） 用 ＤＳＰ 芯 （ＤＡＲＡＭ）和 ２Ｋ 字的单口 ＲＡＭ（ＳＡＲＡＭ）。
行。
片可提高供电电压的利用率，减少电动机电流
ｃ．两 个 事 件 管 理 器 ＥＶＡ 和 ＥＶＢ，每 一 个 包
按 照 用 途 分 类 ， ＤＳＰ 可 分 为 通 用 型 芯 片 中的谐波分量。
含：２ 个 １６ 位 通 用 定 时 器；８ 个 １６ 位 的 ＰＷＭ 通
和专用型芯片。专用型芯片是为特定的数字运
早 期 的 通 用 ＤＳＰ 芯 片 因 为 缺 乏 支 持 实 时 道；３ 个捕获单元；片内光电 编 码 器 接 口；１６ 通 道
算 而 设 计，如 数 字 滤 波 、 卷 积 。 通 用 型 ＤＳＰ 芯 控 制 的 资 源，如 复 杂 的 定 时 单 元 、 高 速 的 多 个 ＡＤ 转换器。
时 控 制 系 统 中 。 现 代 控 制 系 统 器 的 转 换 时 间 为 ５００ｎｓ，提 供 多 达 １６ 路 的 模 拟
的 开 发 实 现 越 来 越 多 地 依 赖 于 输入，具有自动排序功能，使最大为 １６ 路的转换
功能强大的 ＤＳＰ。ＤＳＰ 在控制系 在 同 一 转 换 期 间 内 完 成 进 行 而 不 会 增 加 ＣＰＵ
器的功耗；４０ＭＩＰＳ 的执行速度，提 以及由光电编码器检测的电机的转动方向及转
图 １ ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ 的体系结构框图
高了实时控制能力。
角反馈给 ＤＳＰ 系统，形 成 闭 环 控 制，实 时 有 效 地
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控制运动精度。该系统可以实现多电机系统协 调动作的控制，从而构成多轴联动的控制平台。
组 件 集 成 度 的 提 高，开 发 工 具 的 理 器 模 块 的 性 能 包 括 中 间 或 边 沿 对 齐 的 ＰＷＭ
完善以及价格和功耗的进一步 发生器及可编程的死区控制性能，该模块可以
降 低，ＤＳＰ 越 来 越 多 地 应 用 在 实 实 现 同 步 ＡＤ 转 换 功 能，高 性 能 １０ 位 模 数 转 换
ｆ．系 统 保 护，如 低 压 检 测 、 看 门 狗 等 。
ＤＳＰ 芯 片 更 适 用 于 控 制 系 统 的
其 中 ， ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ 具 有 的 两 个 事 件
应 用 。 随 着 ＤＳＰ 芯 片 内 部 功 能 管 理 器 模 块，用 于 电 机 数 字 化 控 制 应 用，事 件 管
上位机向下位机发送各种控制参数及指令，下 位 机 ＤＳＰ 系 统 响 应 上 位 机 的 控 制 策 略，上 位 机 中控制系统的主程序完成下位机的初始化并向
下位机发送控制参数和指令以及响应下位机的 中断。下位机中的子程序则完成面向电机的控 制任务：发出 ＰＷＭ 脉冲、串行口中断、捕获中 断、ＰＤＰＩＮＴ 保护中断、ＡＤＣ 转换子程序等。
该系统的结构如图 ２。 ４ ＰＷＭ 输出 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ 的 两 个 事 件 管 理 器 的 ＰＷＭ 发生电路可产生 １２ 路具有可编程死区和 可变输出极性的 ＰＷＭ 信号，直接控制电机驱动 器，死区时间可由死区控制寄存器设置。 利用 ＥＶ 模块的 ３ 个全比较单元产生 ＳＰ－ ＷＭ 波形， 如图 ３ 所示。 对 全 比 较 单 元 编 程 使 其 工 作 于 ＰＷＭ 模 式 ， 引 脚 ＰＷＭｙ， ｙ＋１／ＣＭＰｙ， ｙ＋ １ 为 ＰＷＭ 输出方式。用定时器 １ 产生一定周期的载波信 号， 改变定时器 １ 周期寄存器的值就改变了载 波频率。 在定时器 １ 不断计数的同时， 全比较单 元的比较逻辑也在不断地将定时器 １ 计数器的 值和比较寄存器的值进行比较， 当两个值相等 时 将 产 生 比 较 匹 配 信 号 。 该 信 号 被 送 到 ＰＷＭ 电路中的对称 ／ 非对称波形发生器， 由它产生 一路 ＰＷＭ 脉冲信号 ， 再 经 过 死 区 单 元 就 产 生 了可以驱动同一 桥 臂 的 ＩＧＢＴ（绝 缘 栅 双 极 晶 体 管）互 补 的 ＰＷＭ ｙ， ｙ＋１ 信 号 ， 为 了 防 止 上 下 桥臂的直通， 在互补信号间加入了死区， 最后 通过输出逻辑产 生 两 路 ＰＷＭ 波 形 。 比 较 寄 存 器中存放的是代表脉宽的计数值， 定时器 １ 向 上 计 数 和 向 下 计 数（使 载 波 为 三 角 波）时 各 有 一 次计数器的值和比较寄存器的值相等， 这两次 匹配都会导致 ＰＷＭ 输 出 在 引 脚 上 的 翻 转 ， 因 此， 通过改变比较寄存器的值就可以控制在一 个载波周期内两次匹配发生的时刻， 即控制每 个载波周期中输 出 的 ＰＷＭ 脉 冲 的 宽 度 。 对 称 的 ＰＷＭ 波形的产生见图 ４。 ５ 电流检测 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ 内部集成了 ２ 个 １０ 位 ８ 通 道 ＡＤ 转 换 器，可 以 直 接 用 于 电 机 或 运 动 控 制 场 合，转 换 时 间 可 编 程 设 置，能 达 到 ５００ｎｓ 以