TMS320F2812设计系统实例

1、基于TMS320F2812的高压电机保护装置0引言高压电机一般都是用于工业生产中的重要场所，它的可靠运行对于生产安全来说非常关键；而电机保护设备又是电动机可靠运行的主要保障，电动机保护设备最为重要 的特性指标就是可靠性和实时性。目前在市场上应用的电动机保护装置最为先进的是基于普通单片机的微机保护，这类设备为了保证测量、计算和保护的实时性，在设计时往往采用多CPU结构，采用插件的形式，这导致在力图保证实时性的同时，设备结构复杂性大大提高，可靠性降低，很大程度是因为所采用芯片的局限性所致。DSP芯片是专门为快速实现各种数 字信号处理而设计的、具有特殊结构的微处理器，文中介绍了TI公司2000系列D

2、SP中最新最先进的TMS320F2812芯片在高压电动机保护中的应用，大大提高了电机保护的可靠性和实时性。 1TMS320F2812 DSP芯片TMS320F2812是美国TI公司最新研制的2000系列数字信号处理器，是面向电机控制、工业自动化的第一款带片内Flash、工作频率达到150 MHz的32位DSP。它采用经典哈佛总线结构，利用多总线在存储器、外围模块和CPU之间转换数据，这种多总线结构使得 它可以在一个周期内并行完成取指令、读数据和写数据，同时它采用了指令流水线技术，保证信号处理的快速性和实时性。TMS320F2812芯片的内部存储器包括14 K的RAM和128 K×16

3、 bit的Flash；芯片内集成的外围模块非常丰富：包括16通道12 bits的ADC模块；16通道的PWM输出；多达56个独立的、可编程的GPIO口；3个带有6种模式的通用目的定时器；3个可配置死区的比较器；3个单端比较单元；4个捕捉单元；同时还集成有多种串行接口：完全符合RS232标准的双通道串行接口、CAN总线模块、McBSP接口和SPI接口，这些都充分保证了通信设计的方便。 2基于TMS320F2812的高压电机保护装置整体设计保护装置包括5大部分：主功能系统、电源、电量输入和开关量处理、通信及人机接口。结构框图如图1所示。装置充分利用了TMS320F2812芯片高集成度的特点，是实现

4、数据采集、数据处理、数据存储和传输等功能的主要芯片，附带信号变换和调理电路，不需外扩外围功能芯片，这使得装置整体电路规模大大精简，不论是集成度还是可靠性都有质的提高2.1数据采集保护中的首要功能就是数据采集，装置直接利用了TMS320F2812芯片中集成的ADC模块来实现 ，其最高采样速度可达12.5 MSPS，因此无论在采集通道数、采样精度还是采样速度上都满足电机保护的要求。ADC模块内建双采样保持器(SH)，可以根据需要配置，既可配置成两个独立的8通道模块，也可将这两个独立的8通道模块级联而形成一个16通道模块。ADC模块的模拟量输入范围为03 V，在电机保护现场电流信号取自电流互感器CT

5、二次侧，并将其作为装置内电流变送器的输入，在装置中选用的是西南自动化研究所的WBI513 C0型电流变送器，其输出的信号为025 mA，不能直接输入到TMS320F2812的ADC模块，所以必须设计具有信号转换和滤波等功能的信号调理电路。装置中选用了TI公司的自校准精密双 运算放大器TLC4502作为信号调理电路的核心芯片，TLC4502是利用1 m5 V数字CMOS技术制造的高性能运算放大器，它具有非常高的直流增益以及良好的电源抑制比和共模抑制比。 2.2数据存储在保护装置运行过程中有许多参数需要修改和保存，特别在保护动作时需要保存当时日期时间、当时电机运行参数和动作信息，而TMS320F2

6、812中没有集成EEPROM，这就需要外扩EEP ROM，考虑到TMS320F2812提供了SPI串行接口，笔者选用了Microchip Technology Inc.的25 AA320，它是32 Kbytes SPI总线串行EEPROM，25AA320与TMS320F2812的接口电路如图3所示 ，从电路图中可以看出选用25AA320使得接口电路简单，可靠性好，实时性也能得到保证。 2.3数据通信在目前应用的电机保护装置中，基于热继电器的保护和基于晶体管集成电路的保护之所以逐渐被淘汰，主要是它们不具有通信接口，不能和其他系统通讯，形成了“信息孤岛”，与目前生产现场信息化、网络化趋势的要求相矛

7、盾。基于普通单片机的电机保护装置一般都具有通信接口，主要是RS232或RS485接口，尤其以RS232接口居多，虽然在一定程度上缓解了以上所述的矛盾，但目前在应用电机保护装置比较集中的地方(如火电厂、大型泵站)，现场级大多采用现场总线的通信方式，特别是CAN总线，在这种情况下，具有RS232或RS485接口的基于普通单片机的电机保护装置就很难满足要求，TMS320F2812不仅集成了完全符合RS232标准的双通道串行接口，而且集成了CAN总线模块。文中所述的基于TM S320F2812的高压电机保护装置同时提供了RS232通信接口和CAN总线接口，完美地解决了保护装置与其他系统的通信问题。TM

8、S320F2812中集成的CAN总线模块是增强型CAN(eCAN)模块，支持CAN技术规范20B，最高达1 Mbps速率，并带光电隔离；在基于TMS320F2812的电机保护装置中，设计提供CAN总线 接口是在集成的eCAN模块的基础上，外扩了TI公司的3.3 V CAN总线收发器SN65HVD232，相关电路如图4所示。3软件设计概述传统单片机的开发系统构成大致如下：将仿真器和目标板相接，仿真器代替 目标板上CPU的功能，将应用程序通过与PC相接的电缆下传到仿真器并运行。DSP的开发和传 统单片机的开发有较大的区别，现存DSP芯片基本上都设计了JTAG接口(JTAG接口根据IEEE11. 4

9、9.1标准而设计的边界扫描电路，专门用于完成仿真和测试的一套硬件电路)，TI公司在原有IEEE11491标准的基础上又进行了扩充，通过JTAG接口可以实现引脚连通性检验、外围 运行检验、访问片内所有资源、在线仿真、程序下载、厂家测试等。DSP开发装置中所说的 仿真器完成的功能是并行口数据格式向JTAG接口格式的转换；与传统意义上用仿真器暂时去 取代CPU的方式不同。TI公司针对DSP软件开发和仿真调试已经推出了基于不同内核的综合开发平台CCS(Code Comp oser Studio)，针对2000系列内核DSP的综合开发平台是CCS2000，它支持标准C语言、汇编语言和算术助记语言，另外D

10、SPBIOS的使用和实时数据交换提供了方便快捷的开发环境。基于TMS320F2812的高压电机保护装置的软件开发和仿真调试选用的是CCStudio V2.02，采用标准C语言作为程序设计语言，其编译效率和直接用汇编语言已经没有太大的差距，并且由于在电机保护算法中要运用到大量的浮点运算和三角运算，而TI公司提供的浮点运算库IQMath可以在标准C程序中直接调用，对于普通的浮点乘法运算，其执行周期为20个时钟周期左右，三角函数运算的执行周期用40多个时钟周期，最为复杂的开方运算执行周期也只用60个时钟周期，运算效率相当高，当系统工作频率在150 MHz时，这些浮点运算耗时相当少，有利于提高系统的实

11、时性。4功能设计基于TMS320F2812的高压电机保护装置可实现启动保护、电流速断保护、过流保护、负序电流保护、热过载保护、零序过流保护和低电压保护等主要保护功能。(1)启动保护电机的启动特性变化趋势与电压合闸角、电机负载特性、电机负载大小等因素有关，以往的电机保护大多都是按照躲过启动电流来整定，当启动过程中电流达到整定的最大启动电流时则保护动作，但实际可能会出现以下两种情况：一种是最大启动电流出现在加电后很短的时间内，此后电流急剧下降，很快达到正常状态，这种情况可能是正常的，但根据以上整定，则会出现误动；另一种情况是电机在启动过程中电流没有达到最大启动电流，但迟迟不能达到正常状态，即启动时

12、间过长，而根据以上整定，将不会动作，这时就出现了保护拒动。针对这种情况，这种启动保护算法原理正确，动作可靠，性能良好。(2)电流速断保护和过流保护主要是对电机的短路和运行过程中的堵转提供不同等级的保护功能，并对电机的启动提供后备保护。(3)负序电流保护当电机三相不对称时，将出现较大的负序电流，而负序电流的热效应会使电机过热大增，危及电机的安全运行，装置中提供了定时限负序过流保护和反时限负序过流保护，分别对电机的反相、断相、匝间短路等异常运行工况提供保护。(4)热过载保护根据电机的发热原理设计了一个发热模型，该模型以电流为输入量，考虑到正序和负 序电流的热效应不同，同时也根据电机的散热原理设计了

13、散热模型，发热和散热模型中的 时间常数可以根据现场情况自由整定。(5)零序过流保护零序过流保护主要是为电机的接地故障提供保护。(6)低电压保护当电源电压短时降低或短时中断时，为保证重要电机自启动，要断开次要电机，就需要 配置低电压保护，其原理是当3个相间电压都小于定值并且超过时限时，低电压保护动作。 5结论基于TMS320F2812的高压电机保护装置充分利用了TMS320F2812芯片工作 频率高，集成度高，系统资源丰富的特点，使得整套保护装置硬件结构紧凑，保护功能强， 可靠性高，实践证明非常适合重要的高压电机保护。基于TMS320F2812无刷直流电机控制系统设计1 引言众所周期，无刷直流电

14、机既具有交流电机简单，运行可靠，维护方便等优点，又具有直流电机运行效率高，不受机械换向限制，调速性能好，易于做到大容量、高转速等特点。TI公司的TMS320F2812数字信号处理器(DSP)既具有高速信号处理和数字功能所需的体系结构，还具有专为电机控制应用提供单片解决方案所需的外围设备。以TMS320F2812为核心的全数字电机控制系统极大地简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，降低了成本，并对无刷直流电机的普及应用具有良好的前景。为此，提出了一种基于TMS320F2812的全数字永磁无刷直流电机控制方案。2 系统设计方案该系统设计采用三相Y型永磁方波无刷电机PWM控制方案，通电方式为两两通电。

15、图1给出控制系统原理框图。它采用全数字三闭环控制。其中，电流环采用PI调节器，速度环采用遇限削弱积分的积分分离PID控制算法，它的输出极性决定了正反转方向，从而可实现电机的四象限运行。位置环采用PI调节器。逆变器采用全桥型PWM调制。3 系统硬件设计图2给出基于TMS320F2812的无刷直流电机控制系统。采用TMS320F2812作为控制器，用于处理采集到的数据和发送控制命令。TMS320F2812控制器首先通过3个IO端口捕捉直流电机上霍尔元件H1，H2，H3的高速脉冲信号，检测转子的转动位置，并根据转子的位置发出相应的控制字，以改变PWM信号的当前值，进而改变直流电机驱动电路(全桥控制电

16、路IGBT)中功率管的导通顺序，实现对电机转速和转动方向的控制。电机的码盘信号A，B通过TMS320F2812 DSP控制器的CAP1，CAP2端口捕捉的。捕捉到的数据存储在寄存器中，通过比较捕捉到A，B两相脉冲值，以确定当前电机的正反转状态和转速。在系统运行中，驱动保护电路检测当前系统的运行状态，如果系统中出现过流或欠压状况，PWM信号驱动器(IR2131)启动内部保护电路，锁存后继PWM信号输出，同时通过FAULT引脚拉低TMS320F2812控制器的PDPINTA引脚电压，启动DSP控制器的电源驱动保护。这时所有EV模块的输出引脚将被硬件置为高阻态，从而保护控制系统。以下主要介绍系统中的

17、转子位置检测电路、相电流检测电路、驱动电路、系统保护电路等。3.1 转子位置检测电路控制无刷直流电机时，DSP控制器根据转子的当前转动位置，发送相应的控制字，通过改变PWM脉冲信号的占空比控制电机。无刷直流电机的转子位置是由位置传感器来检测的。该系统设计采用了3个光电式位置传感器(霍尔元件)，它们是利用光电效应制成的，由跟随电机转子一起旋转的遮光板和固定不动的光源及光电管等部件组成。随着电机转子的旋转，光电管间歇接收从光源发出的光，不断导通和截止，从而产生一系列“0”和“1”的信号。这些脉冲信号通过IO端口传输给DSP，DSP读取霍尔元件的状态值，以确定转子的当前位置。再通过改变PWM信号的占

18、空比控制驱动电路，改变IGBT的导通顺序，实现电机的换相控制，并调节电机的转速。电机驱动电路控制桥臂上的功率管导通顺序为VQ1，VQ2VQ2，VQ3VQ3，VQ4VQ4，VQ5VQ5，VQ6VQ6，VQ1(两两通电)。电机转子每转一圈，H1，H2，H3将出现101100110010011001的6种状态，DSP对每一种状态发送相应的控制字，改变电机的通电相序，实现电机的连续运行。图3给出电机驱动电路控制原理图。3.2 相电流检测电路电流反馈通道由霍尔元件、运算放大器和AD转换器组成。电流反馈采用变比为1：1 000的磁平衡式霍尔元件，该元件的输出为电流信号，并且信号较弱，必须经过精密电阻转换成

19、电压信号，再经过放大处理，得到电流的双极性信号。因为DSP中AD转换单元的输入范围是03.3 V(单极性)，需要设计将双极性信号变为单极性的电路，再送到AD转换器。图4给出电路原理图。3.3 驱动电路电机控制器驱动电路采用IR2131(见图5)。IR2131IR2132是一种采用高压、高速功率MOSFET和IGBT的驱动器。IR2131可同时控制6个功率管的导通和关断。通过输出端口HO1，HO2，HO3分别控制三相全桥驱动电路中上半桥VQ1、VQ3、VQ5的导通和关断，通过输出端口LO1、LO2、LO3分别控制三相全桥驱动电路中下半桥VQ4、VQ6、VQ2的导通和关断，从而实现控制电机转速和正反转。3.4 系统保护电路在无刷直流电机控制系统中，保护电路具有重要作用，可保护控制系统的核心器件DSP免受高压、过电流的冲击，同时也保护电机的驱动电路免遭损坏。整个系统的保护电路主要由电路隔离、信号隔离和驱动保护3部分组成。 隔离电路信号隔离电路是把控制电路与驱动电路之间的控制信号和驱动信号通过光电隔离器进行信号隔离，实现不同电压之间的信号传输，如图6所示。该隔离电路可