（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp控制的srd研究与实践.pdf

太原理工人学硕士学位论文 a b s 曩r a ( ：t t h i sa r t i c l ep r i m a r i l yi n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo fs w i t c h e d r e l u c t a n c ed r i v e ( s g d ) s y s t e ma n di t sd e v e l o p m e n to fn a t i v ea n d i n t e m a t i o n a l t h ec h a r a c t e r i s t i co fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) a n d i t se l e c t r o m a g n e t i c sp r i n c i p l ea r ed e s c r i b e di nd e t a i l s a tt h es a m et i m et h ea r t i c l e e x p o u n d s t h e d e v e l o p m e n t ， c h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a t i o no f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) i t a n a l y z e saf e wr e q u e s t sa b o u ti n t e r f a c ec i r c u i to fd s pa n ds r m c o n t r 0 1 t h ec o n t r o lm e t h o di si n t r o d u c e da n dt h eh a r d w a r eo f t h e c o n t r o l l e ri sd e s i g n e d t h ec o n t r o l l e ru s e st h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7o f t ic o m p a n ya st h em a i nc o n t r o lu n i ta n d p r o d u c e st h eo na n do f f a n dp w m s i g n a lo fe a c hp h a s ec o n t r o l l i n gt h ei g b to na n do f f t h ec o n t r o ls o f t w a r ei s p r o g r a m m e d t h em o d u l a rp r o g r a mc a n m a k et h e p r o g r a mu n i v e r s a l a n dr e a d a b l e 。f i n a l l y a c c o r d i n gt o d e b u g g i n go fh a r d w a r ec i r c u i t ，c o n t r o l o fs w i t c h e dr e l u c t a n c e d r i v eb a s e do nd s pi sa t t e m p t e d 。i t p r o v i d e ss o m er e f e r e n c e sa b o u t t h ed e v e l o p m e n t o f d i g i t a ic i r c u i ta p p l y i n gi ns r d k e y w o r d s ：d s p ,s r m ，p w m 查壁堡三查兰堕主兰垡堡墨一 第一章绪论 开关磁阻电机调速系统( s w i t c h e d r e l u c t a n c ed r i v e 简称s r d ) 是8 0 年代中期发展起来的新型调速系统，它是继异步电动机变频调速系统之后 崛起的一种很有发展前景的变速拖动系统。它融电力电子技术、微电子技 术和电机控制技术于一体，为典型的机电一体化技术，具有优良的调速性 能：与直流调速系统和异步电动机变频调速系统相比较，具有结构简单、 成本低、损耗小、效率高、可控参数多、控制灵活、起动电流小、起动转 矩大，能比常规电机高得多转速下运行，坚固耐用，适用于恶劣环境中使 用等优点，因此，开关磁阻电动机一问世就引起了国内外电工界的广泛关 注，深信它将在电气传动自动化领域中占有重要地位。 1 1s r d 系统的发展简介 最早有记录的s r 电机可以追溯到1 9 世纪4 0 年代。1 8 4 2 年，英国科 学家w h e a t s t o n e 和d a v i d s o n 等人发明创造了由蓄电池供电的机车驱动 电动机，但由于无法解决换相问题，电枫性能很差。7 0 年代以英国科学 家l a w r e n s o np j 教授为首，由英国l e e d s 大学和n o t i n g h a m 大学联合成 立了用电机及其驱动系统开发电动汽车的攻关小组f 2 3 】。1 9 8 0 年，在经过 了近十年的理论研究和产品开发基础上，l a w r e n s o np j 教授等人发表了 著名的科学论文“v a r i a b l e s p e e ds w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r s ”。文中详尽 地介绍了开关磁阻电机的这种新型电机的工作原理、设计方法、控制方案 以及已研究成功的一系列样机的实验结果1 2 2j 1 2 ”。他们创造性地提出了容 电力电子技术和电机设计于一体的设计观点，彻底解决了早期双凸极结构 太原理工大学硕士学位论文 磁阻电机无法解决的换相问题，并使得新型磁阻电机的单位出力可以与交 流异步电机相媲美甚至还略占优势，因此这种新型电机一经提出，就得到 了国际上的广泛认可。开关磁阻电机驱动系统也成为这种新型电子换相变 磁阻电机驱动系统的正式名称。这方面的研究论文逐年增加，普及到的国 家也逐年增加，如有英国、美国、德国、中国、意大利、加拿大、新加坡、 南斯拉夫等国。 我国的s k l 3 研究自8 0 年代中期开始，目前已有许多院校和厂所投入 了不少力量，并逐步从实验室走向生产和推广应用。我国已在1 9 8 8 年、 1 9 9 1 年、1 9 9 3 年三次召开了开关磁阻电机研讨会，并于9 3 年初成立了开 关磁阻电机学组，国内开发s r d 较为成功的单位有：华中理工大学、北 京纺机所、太原理工大学、浙江大学等【2 3 l 。 迄今为止，s r d 系统的发展历程仅有短短的二十余年，但它却取得 了令人瞩目的成绩，其产品已在电动机驱动系统，家用电器、工业应用、 伺服系统、高速驱动等众多领域得到成功应用，其功率范围也覆盖了从 1 0 w 到5 m w ，转矩从o 0 1 n 1 7 1 到1 0 6 n m ，转速可达1 0 0 0 0 0 r r a i n 。 目前s r d 系统的研究主要涉及以下几个方面j ： ( 1 ) s r m 参数的确定，主要是磁链曲线的测量和计算； ( 2 ) 性能的精确估算，包括整个系统稳态和动态性能的数字仿真； ( 3 ) s r d 系统的优化，包括从电动机的设计和控制器软、硬件两方面 来提高系统效率、降低噪音和转矩脉动； ( 4 ) 无位置传感器的s r d 系统的研制，位置闭环控制是开关磁阻电动 机的基本特征，但它的存在会使电机结构简单的优点变得逊色，降低了可 靠性。为此探索实用的无位置检测器方案是十分引人注目的课题； 查堕望三查兰堡主堂垡堡茎一 ( 5 ) 变换器方案和主开关元件选择； ( 6 ) 数字信号处理器和专用集成电路的应用，主要是根据不同的控制 方案选择合适的数字信号处理器以及控制电路的a s l c 设计； ( 7 ) 高速开关磁阻电动机产品开发； ( 8 ) 振动、噪声研究； ( 9 ) 铁损耗分析与效率研究。 1 2 开关磁阻电机调速系统概述 1 2 1s r d 构成 开关磁阻电动机调速系统：主要由s r m 、功率变换器、控制器、位 置检测器构成1 2 4 】。如下图卜1 所示。 图卜1 s r d 系统方框图 ( 1 ) 磁阻电机：s r m 是s r d 中实现机电能量转换的部件，系双凸 极可变磁阻电动机，其定转予的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转予无绕 组也无永磁体，定予极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组可串联或并 联构成一对磁极，称为“一相”。s r m 可以设计成多相结构，且定、转 子的极数有多种不同的搭配。相数多，步距角小，有利于减小转矩脉动， 但结构复杂，且主开关器件多，成本高。因此电机定、转子的极数应当按 奎璺望三查堂堡主堂垡堡苎 一 使用的场合合理确定。 s r m 的转向与电流方向无关，为单向电流。通过简单的控制方式便 可改变电动机的转向、转速和工作状态。 ( 2 ) 功率变换器的作用是将电源提供的能量经适当转换后提供给 s r m ，由蓄电池或交流电整流后得到的直流电供电。由于s r m 绕组电流 是单向的，使得其功率变换器主电路不仅结构较简单，而且相绕组与主开 关器件是串联的，因而可以避免直接短路故障。s r d 的功率变换器主电 路的结构形式与供电电压、电动机相数及主开关器件的种类等有关。 ( 3 ) 控制器是系统的中枢。本文采用数字处理器芯片作为控制中心 来进行控制，它综合处理速度指令、速度反馈信号及电流传感器、位置传 感器的反馈信号，控制功率变换器中主开关器件的工作状态，实现对s r m 运行状态的控制。 1 2 2 开关磁阻电动机的基本结构及其转动原理【2 l l 【”l 【6 2 l s r 电动机的定子和转子铁心是由硅钢片叠装的，在定予铁心内圆周 和转子铁心外圆周均分布齿和槽，齿又称凸极，即所谓双凸极结构。定子 铁心每个齿上安装象直流电机主磁极绕组一样的集中绕组，转子铁心齿上 不安装绕组。定子内圆周上相对的两个齿上的绕组串联( 顺向) 成为一相 绕组。 s r 电动机的运行原理遵循磁阻最小原理磁通总要沿着磁阻最小 的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己 勺主轴线与磁场的轴线蘑合。如图1 7 0 1 - 2 。 4 - 查堕望三查堂堡主堂垡堡壅一 图1 2s r 电机结构 1 2 3 开关磁阻电机调速系统的应用 随着科技能力的不断进步，以及半导体集成控制技术水平的提高， s r d 系统已有了系列化产品，其多种功率s r d 系统在不同的工业部门和 家用电器中得到应用 s s l 。 ( 1 ) 用于龙门创床：工业上需要电动机能频繁启、停及正反转，开 关磁阻调速电动机能较好的实现。如机械工业中龙i - j n 床、铣床、冶金行 业的可逆轧机、飞锯、飞剪、电弧炉的电极升降系统，建设工程中的沥青、 水泥混凝土系统等。 ( 2 ) 用于纺织“探边”设备：经过纺织行业的“探边”与“对中” 设备的实践使用，取得了较好的效果。对作为“探边”设备的动力，其反 应速度小于o 3 s ，即电动机运转时，接到指令后，能在o 3 s 内实现反转， 并要求在2 4 小时内连续频繁运转，同时要求在较宽广范围内进行无级调 速。 ( 3 ) 用于家用电器：将克服当今洗衣机和空调机、电冰箱的缺陷， 成为更完善新一代产品。s r d 系统具有优良的调速性能，有更高的电能 机械能转换效率，特别是在中低速时，优势尤为突出。从而能有效的克服 了变频调速系统的弊端，使节能更为有效。一般情况下，空调均是高耗能 太原理工大学硕士学位论文 型家电，如果能节5 能以上，必将会获得较大的经济与社会效益。 ( 4 ) 在电动车驱动上的应用 s s l t ”1 ：由于燃油汽车废气严重污染环境， 故发展和完善无污染的电动车是社会的必然。而发展电动车除了车内的蓄 电池要有高能量密封之外，再则就是要有性能和效率很优越的电动机调速 系统作动力。而s r d 系统高效率、高可靠性、宽广的调速范围，卓越的 启、制动性能，它是各类电动车最理想的动力之。据有关资料报道，轻 轨电动车列车将列入我国“十五”重大科技攻关项目。 ( 5 ) 高速运行应用场合的开发：由于s r m 电动机具有坚固性和需 要相对低的开关频率，所以在叠片性能和轴承满足的条件下可作高速传动 与运行，为此，作为开发高速s r d 系统又是一个应用方向。据有关资料 说明：美国为空间技术应用研制了2 5 0 0 0 r m i n 、9 0 k w 的高速s r d 样机， 其电动机有效材料仅为1 0 k g 。 虽然s r d 系统在我国出现较晚，产业化工作滞后，它的特点目前尚 未被广大用户所了解，但由于s r d 系统具有十分优良的控制性能，从而 使得某些领域可取代现在仍广泛采用的交流变频调速系统，特别是在一些 现有调速系统难以胜任的场所发挥作用。 1 3 课题的目的和任务 随着工业电气传动、自动控制和家电领域对电机控制产品需求的不 断增加，现代电机控制技术也变得越来越重要。但开关磁阻电机的调速和 控制以前大多用单片机8 0 3 1 、8 0 5 1 等进行控制，电路采用的元器件多、 运行速度慢、硬件结构复杂、系统运行可靠性差、控制灵活性小等缺点。 并且在这种控制系统中，s r 电动机磁场非线性，转子磁链模型计算、转 太原理工大学硕士学位论文 子参数的辩识与校正等，使系统变得十分复杂。数字信号处理器( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) d s p 的出现，为电机系统的数字化控制注入了新的生机， 完全解决了开关磁阻电机的这些要求。 本文把数字信号处理器d s p 应用于开关磁阻电机调速系统中，使得 s r m 调速系统控制灵活，并通过软件编程能实现不同调速方式1 3 9 l 。随着 d s p 在电机控制领域的应用，基于d s p 的开关磁阻电机调速的研究课题 已迫在眉睫。 数字信号处理器是伴随着微电子技术的迅速发展和数字信号处理理 论与技术的不断完善，而开发的现代高速数字信号处理单片机，是电子信 息领域的新型高科技产品。美国t i ( t e x a si n s t r u m e n t ) 公司最新推出的高性 能1 6 位数字信号器t m s 3 2 0 f 2 4 0 x ，是专门为电机的数字化控制而设计。 t m s 3 2 0 c f 2 0 0 0 系列芯片将d s p 高速运算能力与面向电机的高效控制力 集于一体，能较好地处理电机的控制问题。 系统利用d s p 高速采样及高速运算的特点，用脉冲宽度调节p w m 技术的控制方法来实现了数字化的闭环控制，从而实现了开关磁阻电动机 的全数字化控制。 查堕里三查兰堡主兰竺堡塞一 第二章d s p 概述 2 1d s p 技术的发展历程及趋势f 2 7 l 【2 5 5 d s p 是d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( 数字信号处理器) 的缩写，它是一种能 够快速进行乘法和加法运算，适用于高速数字信号处理的单片大规模集成 电路。它的出现使得数字信号处理技术从理论研究进入到实际应用阶段。 2 0 世纪5 0 年代末，数字信号处理作为- - f 新兴的学科开始发展起来。 数字信号处理技术中包含有各种数字滤波及离散傅立叶变换( d f t ) 等算 法，其特点计算量大、耗时多，在实际系统中应用较为困难。在数字信号 处理技术发展初期，d s p 未出现以前由于受到数字信号处理技术特点的 限制，人们只能在大型计算机上进行数字信号处理技术算法的研究和处理 系统的模拟和仿真。随着人们对数字信号处理技术优越性的认识加深，人 们迫切要求生产出一种能够适应相关数字信号处理所要求的快速实时处 理、处理数据量大、处理精度高等特点。2 0 世纪6 0 年代中后期，随着快 速傅立叶变换( f f t ) 提出及大规模集成电路技术的发展，使得用硬件实 现数字滤波及傅立叶成为可能。 d s p 是以数字信号来处理大量信息的器件，能够每秒钟处理千万条复 杂的指令程序，其处理速度比以往最快的微处理器还快1 0 5 0 倍。d s p 技术的发展经历了三个阶段。7 0 年代，是数字信息处理技术的理论研究 阶段，具有代表性的著作是美国两位著名教授a v o p p e n h e i m h 和 r v s c h a f e r 写的“d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ”( 1 9 7 5 ) 。数字信号处理技术的 出现，成为分析实际现象的有力工具，当时的d s p 系统由分离元件组成。 其应用领域仅局限于军事、航空航天部门。 查堕垄三查兰堡主兰垡堡塞 进入8 0 年代，随着大规模集成电路技术的发展，数字信号处理技术 应用范围不断扩大，要求提高信息处理速度，进一步降低成本，推动了 d s p 技术的发展。这时的d s p 已是一种专用的微处理器，能够快速输入 和输出信息数据，快速处理以运算为主的信息。1 9 8 2 年，美国t i 公司研 制出了第一代低成本高性能的d s p 。d s p 芯片的问世是个里程碑，它标 志着d s p 应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。至8 0 年代中期， 随着c m o s 技术的进步与发展，第二代基于c m o s 工艺的d s p 芯片应运 而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为语音处理、图像硬件 处理技术的基础。8 0 年代后期，第三代d s p 芯片问世，运算速度进一步 提高，其应用于范围逐步扩大到通信、计算机领域。使d s p 技术开始在 工业领域中得到应用和普及。 进入9 0 年代，d s p 技术有了镓人的发展，相继出现了第四代和第五 代d s p 器件。现在的d s p 属于第五代产品，它与第四代相比，系统集成 度更高，将d s p 芯片及外围元件综合集成在单一芯片上。这种集成度极 高的d s p 芯片不仅在通信、计算机领域大显身手，而且逐渐渗透到人们 臼常消费领域。当前，电子产品正在发生从模拟到数字的转化，数字化是 当前信息领域发展的一大趋势。在这一场数字化的革命中，d s p 器件取得 了飞速的发展，成为集成电路中继微处理器和微控制器之后，又一个引人 注目的产品。目前，对d s p 爆炸性需求的时代已经来i 临，前景十分可观。 据资料统计，在众多d s p 应用领域中，使用最多的d s p 产品是美国t i ( 德州仪器) 公司的t m s 3 2 0 系列d s p ，其次是l u c e n t 及a d 公司的d s p 产品。 本文采用的数字信号处理芯片是美国t i ( 德州仪器) 公司生产的 查墨堡三奎兰堡主兰竺堡苎 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p ，t m s 3 2 0 系列包括：定点、浮点、多处理器数字信 号处理器和定点d s p 控制器。t m s 3 2 0 系列包括下列产品 线：，c i x 、，c 2 x 、c 2 x x 、c 5 x 、c 5 4 x 、和c 6 x 定点d s p ；c 3 x 和c 4 x 浮点d s p 以及，c 8 x 多处理器d s p 。f 2 4 0 x 是c f 2 x x x 定点d s p 中的一 种 2 7 1 2 s l 6 ”。 2 2d s p 基本结构、特点及应用 为了快速地实现数字信号处理运算，d s p 芯片一般都采用了特殊的软 硬件结构。这些特殊结构包括：( 1 ) 哈佛结构；( 2 ) 流水线技术； ( 3 ) 硬件乘法器；( 4 ) 特殊的d s p 指令。该结构支持分离的程序结构 总线和数据空间总线。另有第三类可用空间，即i o 空间，可通过外部总 线接口进行访问。为支持对大量外设的选择，采用了外设总线。外设总线 被映射至数据空间，且通过系统模块与数据总线接口。从而，所有适用于 数据空间的指令也适用于所有的外设寄存器。 数字信号处理系统是以数字信号处理器为基础，因此具有数字处理的 全部优点m i ： ( 1 ) 接口方便。d s p 系统与其它以现代数字技术为基础的系统或设备 都是相互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些 系统接口要容易得多。 ( 2 ) 编程方便。d s p 系统中的可编程d s p 芯片可使设计人员在开发过 程中灵活方便地对软件进行修改和升级。对s r d 来说可用软件编程取代 一些硬件电路，并且通过修改软件就可以实现不同的控制方式。 ( 3 ) 稳定性好。d s p 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的 查堕堡三查堂堡主兰垡坚一 影响较小，可靠性高。 ( 4 ) 精度高。1 6 位数字系统可以达到1 0 。的精度。 ( 5 ) 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而 数字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。 ( 6 ) 集成方便。d s p 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模 集成。 当然，数字信号处理也存在一定的缺点。例如，对于简单的信号处理 任务，如与模拟交换线的电话接口，若采用d s p 则使成本增加。d s p 系 统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且d s p 系统消 耗的功率也较大。此外，d s p 技术更新的速度快，数学知识要求多，开发 和调试工具还不尽完善 3 6 1 。 虽然d s p 系统存在着一些缺点，但其突出的优点已经使之在通信、 语音、图像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到越来 越广泛的应用。d s p 技术的迅速发展和提高，已经成为决定电子产品更新 换代决定性因素。d s p 芯片的应用主要有f ”1 【4 7 】【5 1 】： 信号处理如数字滤波、自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、 谱分析、卷积、波形产生等； 通信如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵 消、多路复用、传真、纠错编码、可视电话等； 语音如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、 说话人确认、语音邮件、语音存储等； 图形图像如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、 动画、机器人视觉等； 奎堕望王查堂堡兰堂焦兰兰一 军事如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航、导弹制导等； 仪器仪表如频谱分析、函数发生等； 自动控制如引擎控制、声控、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制 等； 医疗如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等： 家用电器如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数 字电话电视等。 随着d s p 芯片性能价格比的不断提高，可以预见d s p 芯片将会在更 多的领域内得到更为广泛的应用。经过多年的发展，d s p 产品的应用已扩 大到人们的学习、工作和生活的各个方面，并逐渐成为电子产品更新换代 的决定因素。 2 3d s p 芯片的选择【2 8 j | 4 4 j 【4 9 】【5 4 i 目前，在d s p 市场上有许多著名的芯片公司的d s p 产品，如t i 、 l u c e n t 、a d 、m o t o r o l a 等，它们在价格、性能及用途等方面往往都有相 当大的差别。因此，在选择d s p 芯片时必须从价格、性能以及是否适合 在目标系统中使用等几个方面进行综合考虑。 考虑到美国t i 公司的d s p 产品在世界d s p 市场上占有主导地位，而 且在国内，t i 公司有许多的代理商和第三方开发者，他们所提供的t i 公 司的d s p 产品及开发系统品种较为丰富，因此在本论文中决定选用t i 公 司的t m s 3 2 0 系列产品。 目前t i 公司的t m s 3 2 0 系列的d s p 主打产品主要有以下三类： t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 及t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 。这三类中的d s p 各自 奎堡堡三奎兰堡圭堂竺堡茎 的价格及应用范围都不同，具体选择哪一款d s p ，还得从它们的用途及价 格方面进行综合考虑。t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 的d s p 价格较低，速度为3 0 m i p s 左右，主要应用于控制领域，如电机控制、工业自动化控制等。 t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 的d s p 的突出特点则是低功耗高性能，其速度为4 0 2 0 0 m i p s 左右，主要应用于有线和无线通讯、i p 、便携式信息系统等。 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 的d s p 属t i 公司的高端产品，其速度可达1 2 0 0 一 2 0 0 0 m i p s ，主要应用领域为网络系统、m o d e m 、交换机、数字音频及图 像处理设备等。 根据开关磁阻电机调速系统的控制要求，并考虑到适用性及价格等方 面原因，我们选择了t i 公司专为基于电机控制而设计的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是t m s 3 0 2 c 2 0 0 0 平台中c 2 4 0 x 系列的第二代厂产品，属 定点d s p ，于1 9 9 8 年推出的，它将高性能的d s p 内核和丰富的微控制器 外设功能集于一身，如在t m s 3 2 l f 2 4 0 7 内集成有a d 转换器、p w m 电 路、大容量的片内存储器以及高速串行端口等，从而成为传统的多微处理 单元( m p u ) 和昂贵的多片设计的理想替代。 2 4t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 的结构及特点9 1 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 是美国t i ( 德州仪器) 公司专为电机数字控制应用 而推出的一种低价格、高性能1 6 位定点运算数字信号处理器。它具有高 速信号处理和数字控制所必需的体系结构特点，而且有为电机控制应用提 供单片解决方案所必需的外围设备。作为系统的管理者，d s p 具有强大的 片内i 0 端口和其它外围设备。这个应用优化的外围设备单元和d s p 内 核一起，使在这所有类型电机的高精度、高效、全变速控制中实用先进的 奎堕堡三盔兰堡主兰壁堡塞一 控制技术成为可能。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 控制器是所有2 4 0 x 控制器中的一种超级控制器， t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 控制器上有比较丰富的外围接1 2 1 。d s p 控制器功能结构 3 】f 6 9 如图2 2 。在t m s 3 2 0 系列d s p 的基础上，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 有 以下一些特点： 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减少了 控制器的功耗；3 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到3 3 n s ( 3 0 m h z ) ，从而提高了控制器的实时控制能力。 基于t m s 3 2 0 c 2 x xd s p 的c p u 内核保证了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列 d s p 代码和t m s 3 2 0 系列d s p 代码兼容。 片内高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，高达1 5 k 字的数据程 序r a m ，5 4 4 字双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单1 ：1 r a m ( s a r a m ) 。 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定 时器：8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道。 可扩展的外部存储器( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) 总共1 9 2 k 字：6 4 k 子 程序存储器；6 4 k 字数据存储器；6 4 k 字i o 寻址空间。 看门狗定时器模块( w d t ) 。 1 0 位a d 转换器最小转换时间为5 0 0 n s ，可选择由两个事件管理 器来触发的两个8 通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器。 控制器局域网络( c a n ) 2 0 模块。 串行通信接口( s c i ) 。 奎堕堡三叁堂堕圭兰垡堡塞 lp l l v m d a r a m1 9 0 )ip l l f 2 2 5 6 w o r d s p l l d o c k ix t uj c u 【州 x t a l 2 砖 c l k o u r 婚p d t ”s 2 c 矗x 队r a m ( b 1 1 d c l n 啦l n l 5 d s p 2 5 6 o r d sv c c 骶l o p e l 1 0 b n a d c v s 轧 怕 p m cl w i l hl 州n v 曝f i i i 甙昭f a u t o s e q u e n c e r ) o a r a mi b 2 1 v 雕“， 3 2 w o r d sx i n t 2 j 艘s o c n o p d 0 s c i t ) ( d j i o p o s a s c l r x d ：t o p a l 屯d 33 v $ p l s 蚴a 1 0 p c 2 v 鹱 is p i s o u i j i o p c 3 s a r a m o k w o r d 引 s p i is p t c l k h o p c 4 $ p t s t e ：i o p c 5 t p l _ c a n 侧o p c 6 t p 2 c n 脯i o p c 7c a n 州r o i v 斟l s v ) 1 3 2 k w o f d s ： 4 刖2 k f l 2 k 4 k ) w d p o r t f o - 7 i o p a l 0 ：t i a 0 d 恬 p o r t 尉w i o 阳腔订 d i g i 谢i o 啪1 5 p o r t c f 0 - , 7 1 d p c 时1 p o r te f w i i o p e l 0 ： p 1 ( s h a m dq d t ho t h e r p i n s ) -臣石ortd(0jiopo嘲 r 胛 p o r t f i o p 噼q耵 t r s t r e m e j ( b 3 r n a m e m o r y i n b r f a c et d o弼 t 日w e t粥gp o r t e n a l 4 4 t c k e u 0r j t s 雁 e mu 1w 厢i o p c o 仉粥盯陌邢研爪 c 甜墟唧a j i 口牦rc a p l 。e p l 帕p 3 c a p t d q e p 4 f , o p f 0c p 掣0 e p 2 j 1 0 p a 4 c a 黼f 1c 盼1 0 p 5 p w 岍舵牦ip w m l 蝴 酬m a n a g e r ae v e n ! m a n a g e rb 硒恻o p a 7 p 坩n 刚o p p w m 啪p e 3 t u r e i n p u t3 x c e c u m i n p u t p w m 9 i o p b 0 p w m l 0 j i c 矧嗣, n m6xc o m f e r e t p y & lp 愀d p b t p w m l i 肥p e 5o u 扣u th d 嫩 2 x g p i m 娟p 4 m2x g p m 曹幅和州 p w m l 2 t i o p e 6p w m 目1 0 p 酣 i 3 p w m f p j c m p ) o p f 2t i p w m 丌1 c m p n o p b 4 t 4 l c v 帏1 r r 4 c m r t o p f 3 t 2 p w m 丌2 c m p p 髓 t 强r b ：i o p f 4t a r 褂i o p b 6 1 c l k i n b 帕p f 5t c l k i n a i o p b 7 - 1 5 奎璺墨三盔堂堡主堂垡笙塞 1 6 位的串行外设接口模块( s p i ) 。 基于锁相环的时钟发生器。 高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入输出引脚( g p i o ) 。 5 个外部中断( 电机驱动保护、复用和两个可屏蔽中断) 。 电源管理包括3 种低功耗模式，并且能独立将外设器件转入低功 耗模式。 24 1 事件管理器模块t 3 1 | 6 9 1 如图2 2 ，每个2 4 0 x 器件都包括两个事件管理模块e v a 和e v b ，每 个事件管理器模块包括通用定时器( g p ) 、比较单元、捕获单元以及正 交编码脉冲电路。e v a 和e v b 的定时器，比较单元以及捕获单元的功能 都相同，只是定时器和单元的名称不同。事件管理模块e v a 和e v b 有相 同的外设寄存器。 事件管理器可输出p w m 脉冲，直接控制电机功率驱动器，此外还包 括定时器、捕获，比较、死区控制逻辑、空间矢量p w m 发生器和直接与 光电编码器接口的编码单元。 一通用定时器 l 、通用定时器概述 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 每个事件管理模块有两个通用定时器( g p ) 。包括： 一个1 6 位的定时器增，减计数的计数器t x c n t ，可读写； 一个1 6 位的定时器比较寄存器( 双缓冲，带影子寄存器) t x c m p r ， 可读写； 一个1 6 位的定时器周期寄存器( 双缓冲，带影子寄存器) t x p r ，可 读写个1 6 位的定时器控制寄存器t x c o n ，可读写； 奎堕堡三查兰堡主堂堡堡壅 各个g p 定时器之间可以彼此独立工作或相互同步工作。与每个o p 定时器有关的比较寄存器可用作比较功能或p w m 波形发生。对每个g p 定时器在增减计数方式中，有3 种连续的工作方式。每个g p 定时器的内 部或外部的输入时钟都可进行可编程的预定标。g p 定时器还向事件管理 器的子模块提供时基。g p 定时器1 对所有的比较和p w m 电路提供时基， g p 定时器2 或1 对捕获单元和正交脉冲计数操作提供时基。周期寄存器 和比较寄存器的双缓冲允许根据需要编程改变p w m 周期和p w m 脉冲宽 度。 通用定时器的计数操作。每个通用定时器有4 种可选择的操作模式： 停止保持模式；连续增计数模式；定向增减计数模式；连续增，减计数模 式。相应的定时器控制寄存器t x c o n 中的位的形式决定了通用定时器的 计数模式。 停止保持模式：在这种模式下，通用定时器的操作停止并保持当前 状态，定时器的计数器、比较输出和预定标计数器都保持不变。 连续增计数模式：在这种模式下，通用定时器将按照定标的输入时钟 计数，直到它的计数器的值和周期寄存器的值相等为止。匹配之后的下一 个输入时钟的上升沿，通用定时器复位为0 并开始另一个计数周期。通用 定时器连续增计数模式特别适用于边沿触发或p w m 波形的产生，也适用 于许多电机和运动控制系统的采样周期的产生。 定向增，减计数模式：通用定时器在定向增减计数模式中将根据定标 的时钟和t d i r a b 引脚的输入来增或减计数。这种模式能够用于事件管 理模块中的正交编码脉冲电路。在这种情况下，正交编码脉冲电路为定时 器2 或4 提供计数时钟和方向。 太原理工大学硕士学位论文 连续增，减计数模式：这种计数模式与定向增减计数模式基本相同， 只是在连续增减计数模式下，引脚t d l r a b 的状态下不再影响计数的方 向。定时器的计数方向仅在计数器的值达到周期寄存器的值时，才从增计 数变为减计数。定时器的计数方向仅在计数器的值为0 时才从减计数变为 增计数。这种计数模式尤其适用于产生对称的p w m 波形，该波形广泛应 用于电机运动控制和电力电子设备中。 2 、通用定时器的比较操作 每个通用定时器都有一个相关的比较寄存器t x c m p r 和一个p w m 输出引脚t x p w m 。通用定时器的值总是与相关的比较寄存器的值进行比 较，当定时计数器的值与比较寄存器的值相等时，就产生比较匹配。可通 过置t x c o n 1 位为l 来使能比较操作。如果比较使能时，当产生比较是 匹配时将发生下列事件： 定时器的比较中断寄存器标志位在匹配后的1 个c p u 时钟周期后被 置位； 在匹配后的一个c p u 时钟周期后，根据g p t c o n a b 寄存器相应的 配置情况，相关的p w m 输出将发生跳变； 如果比较中断标志位已通过设置g p t c o n a b 寄存器中的相应位去 启动模数转换器( a d c ) ，则当比较中断标志位被置位的同时也将产生模 数转换的启动信号。 3 、通用定时器的输出逻辑 输出逻辑可以调整波形的发生器的输出，以生成不同类型功率设备所 需的p w m 波形。p w m 输出可以通过配置g p t c o n a b 寄存器中的相应 位来规定高有效、低有效、强制高或强制低。 f 8 太原理工大学硕士学位论文 当p w m 输出规定为高有效时，它的极性与相关非对称和对称波形发 生器的输出极性相同。 当p w m 输出规定为低有效时，它的极性与相关非对称和对称波形发 生器的输出极性相反。 4 、通用定时器的p w m 输出 每个通用定时器都可以独立地用于提供一个p w m 输出通道，因此， 通用定时器最多可提供4 个p w m 输出。 可选用连续增或连续增，减计数模式来产生p w m 输出。选用连续增 计数模式时可产生边沿触发或非对称p w m 波形；选用连续增，减计数模 式时可产生对称p w m 波形。可按以下的方法来设置通用定时器的p w m 输出操作： 根据所需的p w m ( 载波) 周期设置t x p r ； 设置t x c o n 寄存器以确定计数模式和时钟源，并启动p w m 输 出操作； 将相应于p w m 脉冲的在线计算宽度( 占空比) 的值加载到 t x c m p r 寄存器中。 二捕获单元 捕获单元被用于高速i o 的自动管理，它监视输入引脚上信号的变化， 记录输入事件发生时的计数器值，即记录下所发生事件的时刻。该部件的 工作由内部定时器同步，不用c p u 干预。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 共有6 个捕获 单元，对于e v a 模块与它相关的捕获单元引脚有3 个，它们分别是c a p l 、 c a p 2 和c a p 3 。对于e v b 模块与它相关的捕获单元也有3 个，它们分别 是c a p 4 、c a p 5 和c a p 6 。 一一 查堕堡三奎堂堡圭堂垡丝苎 一一 _ _ _ - - - ， _ 。_ 。_ - 。_ 。- - 。_ 。_ _ 。_ 。- 。- - 。_ _ 。_ 。- _ 。 一 捕获单元包括以下特性： 一个1 6 位的捕获控制寄存器c a p c o n x ( 可读写) ：一个1 6 位的捕 获f i f o 状态寄存器c a p f i f o x ；可选择通用定时器1 2 或者3 4 作为时基； 6 个1 6 为2 级深f i f o 堆栈( c a p x f i f o ) ，每个捕获单元一个；3 个施密 特触发器输入引脚，每个捕获单元一个：用户定义的跳变检测方式：6 个 可屏蔽的中断标志位，每个捕获单元一个。 当进行捕获时，捕获堆栈f i f o 中至少有一个捕获到的计数值时，则 相应的中断标志被置位。如果该中断没有被屏蔽，则会产生一个外设中断 请求信号。如果使用捕获中断，则可以从中断服务子程序中读取捕获到的 计数值。如果没有使用中断，则也可以通过查询中断标志位和f i f o 堆栈 的状态位来确定是否发生了捕获事件，若已发生捕获事件，则可以相应捕 获单元的f i f o 堆栈重读取捕获到的计数值。 2 , 4 2 模数转换模块( a d c ) f 3 j 【6 9 1 双a 仍转换器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 中配置有两个带采样，保持各8 路1 0 位的a d 转换器，可用于并行处理模拟量，模拟羹可包括：反馈的速度、 位置、温度传感、电压传感和电流传感信号等。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的模数转 换a d c 具有以下特性： 带内置采样和保持( s h ) 的1 0 位模数转换模块a d c 。 多达1 6 个的模拟输入通道( a d c i n 0 a d c i n l 5 ) 。 自动排序的能力。一次可执行最多6 个通道的“自动转换”，而 每次要转换的通道都可通过编程来选择。 两个独立的最多可选择8 个模拟转换通道的排序器( s e q l 和 s e q 2 ) 可以独立工作的在双排序器模式，或者级连之后工作在一 查堕兰三奎兰堡圭堂些丝苎一 个最多可选择1 6 个模拟转换通道的排序器模式。 在给定的排序方式下，4 个排序控制器( c h s e l s e q n ) 决定了模 拟通道转换的顺序。 可单独访问的1 6 个结果寄存器( r e s u l t 0 - - - r e s u l t l 5 ) 用来 存储转换结果。 多个触发源可以启动a d 转换： 1 软件：软件立即启动( 用s o cs e q n 位) ； 2 e v a ：事件管理器a ( 在e v a 中有多个事件源可以启动a d 转换) ； 3 e v b ：事件管理器b ( 在e v b 中有多个事件源可以启动a d 转换) ； 4 外部：a d c s o c 引脚。 灵活的中断控制允许在每一个或每隔一个序列的结束时产生中 断请求。 排序器可工作在启动，停止模式，允许多个按时间排序的触发源同 步转换。 e v a 和e v b 可各自独立地触发s e q l 和s e q 2 (