隨著電力電子技術、電機控製理論和微控製器的不斷發展，現代交流調速技術在國民經濟中得到了廣泛應用。目前，高性能的調速控製策略和現代控製理論已逐步應用於(yu) 交流電動機控製領域，普通運動控製係統已不能滿足高性能調速控製要求，建立以DSP+CPLD為(wei) 控製核心的異步電動機控製係統開發平台，對於(yu) 研究高性能運動控製策略具有重要意義(yi) 。它不僅(jin) 可以減小係統體(ti) 積，而且可以實現複雜的實時控製、提高係統運算能力，此開發平台可方便用戶快速完成電機控製係統產(chan) 品的開發和應用。

1 開發平台硬件總體(ti) 設計

1.1 開發平台總體(ti) 設計及特點

該開發平台以三相異步電動機作為(wei) 被控對象，以控製器TMS320F2812與(yu) 複雜可編程邏輯器CPLD作為(wei) 控製核心，主電路為(wei) 典型的三相交-直-交電壓源型逆變電路，二極管構成了三相橋式整流電路，濾波後獲得直流電壓，由智能功率模塊（IPM）作為(wei) 逆變器的主開關(guan) 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(feng) 富的片上資源和高效的數據處理能力，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(zhuan) 門的電路控製，不僅(jin) 可以對DSP進行更多功能的擴展，而且可以減少係統的複雜程度，提高係統控製精度。

複雜可編程邏輯器件有豐(feng) 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、設計靈活、規模大和速度快、邏輯處理能力強大的優(you) 點，若用其單獨構成變頻調速係統，開發周期長且成本昂貴。Altera公司的MAX IIZ CPLD具有多種關(guan) 鍵優(you) 勢。在單個(ge) 器件中實現了高級功能和零功耗。在高級係統特性上都超出了傳(chuan) 統宏單元CPLD，這些特性包括用戶閃存、內(nei) 部振蕩器、成本優(you) 化、更大的密度、更小的封裝以及更低的功耗等。基於(yu) 上述原因，並考慮係統後續開發的通用性和各種不同控製方案的實現，控製電路以DSP+CPLD作為(wei) 控製核心，采用

TMS320F2812芯片實現異步電動機各種複雜控製算，CPLD實現外圍電路的邏輯控製。不僅(jin) 滿足了係統控製的高性能要求，而且減輕了DSP處理負擔，使得DSP可以集中處理係統控製算法，簡化了邏輯電路，提高了電機運行的可靠性。

基於(yu) TMS320F2812+CPLD的異步電動機控製係統開發平台硬件原理，如圖1所示。



圖1 開發平台硬件設計結構圖

與(yu) 普通控製係統相比，該控製係統開發平台有如下特點：

（1）DSP與(yu) CPLD協調控製，可以發揮各自的優(you) 點，實現電機的高性能調速控製。

（2）DSP、複雜可編程邏輯器件構成的電機控製係統有著更智能化的發展。

（3）該控製係統開發平台控製方案靈活，可編程性強，預留端口豐(feng) 富，便於(yu) 擴展，不僅(jin) 可以實現對異步電動機的控製，也可以達到對其他高性能電機的控製，係統升級容易，維護性好。

（4）利用該控製係統開發平台，可以縮短產(chan) 品開發周期、降低開發成本、提高開發效率，並可以在短時間內(nei) 完成電機控製係統產(chan) 品的開發和應用。

（5）該控製係統開發平台控製電路開關(guan) 量形式的輸出信號均通過光耦隔離與(yu) 係統主電路接口，保證了強弱電的隔離，係統穩定性高，能夠滿足電機控製領域對係統高可靠性的要求。

1.2 各模塊電路設計

1.2.1 主電路

主電路為(wei) 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(guan) 電源供電。采用智能功率模塊（IPM）作為(wei) 逆變器的主開關(guan) 器件，其外圍元件少、結構簡單且可靠性高。同時配備全麵的保護措施，保證係統的可靠運行。

（1）逆變電路。

開發平台逆變電路為(wei) 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(nei) 部整合了6路高速、低功耗IGBT組成的三相全控橋和一路用於(yu) 製動的IGBT，以及過電壓、過電流和過熱等故障檢測和保護電路，並將檢測信號送到DSP進行中斷處理。控製器輸出的信號均經過光耦隔離電路進入IPM，有效地抑製了係統幹擾。

（2）電壓、電流檢測電路。

在逆變電路的直流側(ce) 和輸出的交流側(ce) 設計了電壓、電流檢測電路，通過霍爾電壓、電流傳(chuan) 感器獲得電壓、電流信號，經隔離放大後送過DSP的ADC模塊，進行A／D轉換，以實現係統的閉環控製。當係統發生過流、過壓時，電路可以迅速將低電平信號發送到DSP的PDPINT保護引腳，封鎖PWM脈衝(chong) 輸出，避免係統發生故障。

1.2.2 控製電路

控製係統開發平台主要用來完成各種複雜的異步電動機調速控製算法，加速電機控製係統產(chan) 品的開發和應用。DSP與(yu) 外圍電路的聯係，可以完全通過CPLD控製，DSP和CPLD采用總線方式進行通信。CPLD作為(wei) 係統DSP芯片的擴展，可以完成眾(zhong) 多邏輯控製以及I／O擴展任務。CPLD可以設置成具有地址譯碼器功能，依據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製，並且可以實現SRAM以及LED、IED讀寫(xie) 信號的控製。

TMS320F2812是TI公司最新推出的是32位定點DSP控製器，采用改進哈佛結構，具有高速數據處理能力。其片內(nei) 集成有豐(feng) 富的運動控製專(zhuan) 用外設：PWM產(chan) 生電路、SVPWM狀態機、可編程死區、比較／捕獲單元等。其他功能外設：A／D轉換單元、SCI、SPI、CAN控製器等，適合用在高精度伺服控製領域。

Altera公司的MAX IIZ係列EPM57OZM144C7N采用MBGA封裝，有144個(ge) 引腳和116個(ge) 用戶可用I／O口，典型等價(jia) 宏單元440個(ge) ，DSP電壓與(yu) 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，係統先給所有+3.3 V的I／O加電，再接通1.9 V的內(nei) 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(wei) 雙路輸出，一路輸出恒定的3.3 V電壓，另一路輸出可調電壓，實現DSP供電時序要求。采用TPS3823S芯片實現電源監控和手動／自動複位，監控程序運行，防止程序陷入死循環。TPS767D301電平輸出電路如圖2所示。



圖2 TPS767D301電平輸出電路

1OUT=（1+R1／R2），2OUT=3.3 V。式中，VREF=1.183 4 V。選取適當R1和R2的電阻值，就可得到可調電壓。

（2）存儲(chu) 器模塊。

在係統開發平台上完成各種控製策略以及各種算法的數據處理中，會(hui) 產(chan) 生很多臨(lin) 時數據，如果僅(jin) 由DSP片內(nei) RAM承擔，會(hui) 加重DSP的負擔，使得係統控製精度降低，限製係統的完整運行。為(wei) 滿足數據存儲(chu) 需要，擴展一片型號為(wei) IS61LV516的SARAM，通過CPLD地址譯碼產(chan) 生的片選信號，可以指定其作為(wei) 程序存儲(chu) 器或數據存儲(chu) 器。

（3）CPLD模塊。

CPLD在該開發平台中起邏輯控製作用。可以進行：1）QEP信號處理，輸入為(wei) 速度位置傳(chuan) 感器提供的速度位置信號、DSP給出PWM脈寬調製信號，輸出為(wei) 各IGBT驅動模塊的控製信號，經光耦隔離電路進入IPM。正交編碼器檢測到的電動機位置轉速信號送至DSP，經過其內(nei) 部QEP電路得到電動機的速度和方向，實現係統的反饋控製和PWM控製信號輸出，從(cong) 而達到轉速閉環控製。2）地址譯碼，對DSP輸出的地址信號進行地址譯碼，實現對F2812外圍擴展芯片片選功能，選通相應的外圍芯片映射至F2812內(nei) 存中。3）DSP的I／O擴展，如果係統同時控製多台電機，DSP自身I／O引腳就不能滿足要求，需要通過CPLD擴展。CPLD對另外電機的正交編碼信號進行處理，完成正交信號的倍頻、脈衝(chong) 計數，同時輸出計數結果，作為(wei) 電機速度、位置判斷依據。#p#分頁標題#e#

（4）顯示模塊。

為(wei) 了保障係統的可靠運行，通過DSP與(yu) CPLD的配合，設計了與(yu) LCD液晶顯示接口電路，控製LCD顯示以及LED指示燈的顯示，實現了係統的人機接口，使得係統具有良好的人機操作界麵。液晶模塊選用長沙太陽人電子有限公司的SMG12864ZK標準中文字符及圖形點陣型液晶顯示模塊，可顯示128×64點陣或8個(ge) ×4行漢字，DSP與(yu) LCD之間的接口電路如圖3所示。



圖3 DSP與(yu) LCD之間的接口電路

液晶的複位信號／RST和片選信號RS由DSP控製信號經過CPLD譯碼後產(chan) 生，數據線。DB[0]～DB[7]由TMS320F2812的數據線DATA[0]～DATA[7]經過CPLD的雙向總線驅動得到，其它同名信號對應相連。

（5）保護模塊。

保護模塊主要是在係統上電／掉電或出現故障的情況下，及時提供封鎖信號，保證係統安全可靠地工作。該開發平台保護電路具有母線過壓保護、過流保護、電機過熱、IPM故障信號處理功能。係統的保護信號也可以融入到CPLD邏輯中，當故障發生時，可以實時快速切斷CPLD的PWM輸出。

同時，為(wei) 了使該硬件係統應用範圍得到擴展，設計了除異步電動機外不同電機以及不同控製策略可能用到的信號采集電路，以及不同位置反饋器件所用到的接口電路。

2 開發平台軟件件總體(ti) 設計方案

開發平台的軟件開發和調試在TI公司DSP集成開發環境CCSC2000下進行。用C語言進行整個(ge) 控製係統的軟件編程。模塊化的設計方法，使得編程和使用都方便靈活。利用本控製係統開發平台，通過軟件編程，可以方便地實現異步電動機矢量控製，直接轉矩控製等控製算法。

CPLD的開發工具為(wei) Max PlusII軟件，VHDL語言編程，根據指定的引腳配置自動生成熔絲(si) 文件後，對CPLD器件下載編程。程序內(nei) 各模塊按嚴(yan) 格時序工作，同時各模塊又並行工作，完成不同的動作。

係統控製程序分為(wei) 兩(liang) 部分，即主程序和中斷服務子程序。主程序完成初始化後進入循環。中斷服序程序主要完成係統各種控製策略，包括電機定子電流和電壓采樣，完成電流、電壓的A／D轉換。利用正交編碼單元處理速度反饋信號。根據各種控製算法輸出PWM信號對電機轉矩進行控製。係統主程序流程圖如圖4所示。



圖4 係統主程序流程圖

3 結束語

DSP結合CPLD構建的電機開發平台，適合異步電動機控製算法的實現，以DSP作為(wei) 主控製器，CPLD輔助功能擴展，使得整個(ge) 控製係統開發平台具有較強的擴展功能和較高的靈活性，不僅(jin) 節約了成本，縮短了係統開發周期，而且提高了開發性能。