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本系统是基于DSP的全数字伺服系统。DSP采用美国TI公司最新的高性能的电机控制处理器TMS320F2812，是目前国际市场上最先进、功能最强大的32位定点DSP芯片，它具有功耗小、性能高，运算速度快，数据和程序存储器容量大，AD采样和处理精度高等特点，能满足伺服系统复杂控制算法要求。
【分类号】：TM921.541
一、TMS320F2812概述
TMS320F2812是TI公司2003年正式推出的32位定点DSP芯片，是目前工业控制和机器人控制等领域中最高档的DSP之一。该芯片性能优越，既具有数字信号处理能力，又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能。比起TMS320LF2407A来讲，具有更完备的外围控制接口和更丰富的电机控制外设电路，片上资源可以同时控制两台三相电机，从而使控制系统的价格大大降低而体积缩小、可靠性提高，可以在高度集成环境中实现高性能的电机控制，各项性能指标都有了显着的提高。其主要资源和性能指标如下：
（1） 它是C2000系列中性能最高的芯片，处理速度达150MIPS，实时处理能力强，能应用于很多复杂的控制算法，并且其代码与以前各个型号的DSP兼容，故TMS320F2812 DSP有着广泛的应用空间。
（2） 高性能低功耗，采用1.8 V内核电压和3.3 V外围接口电压。
（3） 128 K内部FLASH，18 K内部SARAM，可外扩1M统一编址存储器。其寻址空间达4 M。
（4） 芯片内部有3个32位定时器。
（5） 拥有双事件管理器EVA和EVB，控制更加灵活。
（6） 拥有两个SCI口和一个SPI口，增加了数据缓存功能；传输频率可达MHz量级。此外，串行通讯模块还包括增强的eCAN总线和新增的McBSP，能足够满足多种通讯的需要。
（7） 16个信道的12位A/D接口可灵活设置采样方式。
（8） 可使用多达56个可编程且可复用的I/O口。
（9） 提供看门狗电路、电源监视、上电复位、手动复位，系统可靠、稳定。
（10） 标准的JTAG接口，方便调试。
下图为TMS320F2812的功能框图
图1 TMS320F2812的功能框图
二、系统结构的主电路设计
从图2可看出，本系统是一个具有转速反馈的闭环系统。系统参数由上位机通过SCI接口传递给下位机，DSP负责采样各相电压电流，计算电机的转速。DSP通过算法得到空间电压矢量的PWM控制信号，经光耦隔离，驱动放大来控制逆变器开关主电路。同时DSP还监控调速系统的运行状态，当系统出现短路、过压、欠压、过流、过热等故障时，封锁PWM输出信号，将电机停机。
整个伺服系统以TMS320F2812为核心，所有复杂的控制算法及控制策略都是通过该控制器来实现的，本系统涉及到DSP的大部分集成外设，如事件管理器EV、异步串行通讯接口SCI、模数转换器ADC、PWM发生模块以及JTAG仿真接口等。其硬件电路主要是由主电路、控制电路和外围电路等构成。其中主电路由三相整流电路、逆变器和永磁同步电机等构成，其中逆变器采用六只IGBT功率逆变器完成功率转换；控制电路主要由TMS320F2812为核心的DSP控制器组成，用来完成永磁同步电机的电流环、速度环和位置环的控制器的算法实现，空间矢量PWM波（SVPWM）的产生等；外围电路由光电编码器、电流检测电路、故障检测保护以及显示电路等组成，实现电机转速检测、位置检测、电流检测和系统保护等。
图2 系统硬件结构图
为控制方便，本系统的硬件电路，除主电路及光电编码转速检测电路、IGBT驱动电路、电压电流传感电路、主回路限流开关电路等外围电路外，其余的电路如DSP控制电路、保护电路、传感器信号处理电路、故障信号处理电路等外围电路均做成同样尺寸的电路板，通过接口插在控制箱内的母板上，控制箱从外界引入电源对母板上的各个电路板供电。同时各个电路板上的相关信号可以通过母板从控制箱引出，用于测量或使用。
系统主电路的作用是直接驱动PMSM工作，主要由三相整流电路、滤波器、能耗制动回路和逆变器等组成。整流电路采用富士公司的三相整流桥6R130G 1600，整流电路为三相桥式全波整流电路，耐高压，可达1600V，输入是三相交流电，三相输入为220V，则经整流后平均直流电压为 =2.34×220=514.8V。在功率变换单元的设计中，功率电子开关的选择很重要，我们选用绝缘门极晶体管（IGBT）作为逆变电路的功率开关器件。IGBT既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有通态电压低、耐压高的优点，目前在电机驱动、中频和开关电源以及要求速度快、低损耗的领域占有主导地位。下图为主电路的结构简图。
图3 主电路结构简图
图中，第一部分为整流电路，第二部分为滤波电路，第三部分为能耗制动回路，第四部分为逆变器。三相桥式全波整流电路完成工频电流到直流的转换，经整流器整流后的直流电存在脉动。滤波电路起到稳压滤波的作用，滤波电路中的滤波电容值很大。R和T组成能耗制动回路。在逆变器电路中二极管为超快恢复二极管，起到续流的作用，为负载的滞后电流提供一条反馈到电源的通路。通过对IGBT有规律的通断控制实现对输出电压和频率的控制，从而实现永磁同步电机的矢量控制。
（二）系统控制电路板的设计
DSP控制电路、保护电路、传感器信号处理电路、故障信号处理电路等外围电路集成在一块电路板上，这样减少了空间。在这里，运用protel99对DSP电路板进行开发设计。首先介绍一下TMS320F2812的几个关键系统：
1. 时钟电路 开发板用30MHz外部晶体给DSP提供时钟，并使能F2812 片上PLL电路。PLL倍频系数由PLL控制寄存器PLLCR的低4位控制，可由软件动态的修改。外部复位信号（RS）可将此4位清零（CCS中的复位命令将不能对这4位清零）。TMS320F2812的CPU最高可工作在150M的主频下，也即是对30M输入频率进行5倍频。
2. TMS320F2812 存储空间的配置
TMS320F2812为哈佛结构的DSP，在逻辑上有4M X 16位的程序空间和4M X 16位数据空间，但在物理上已将程序空间和数据空间统一成一个4M X 16位的空间。TMS320F2812片上有128K X 16位的FLASH，18K X 16位的SRAM，4K X 16位的BOOT ROM，1K X 16位的OTP ROM。 在2812开发板系统上还外扩了64K X 16位SRAM（基本配置为64K X 16位，最大配置为512K X 16位），在开发板上还外扩了SRAM（基本配置为64K x 16 位，最大可配512Kx 16 位）和若干个控制/状态寄存器（如D/A 输出寄存器等）。
3. F2812外部存储器接口
TMS320F2812的外部存储器接口包括：19位地址线，16位数据线，3个片选控制线及读写控制线。这3个片选线映射到5个存储区域，Zone0，Zone1，Zone2，Zone6和Zone7。其中，Zone0和Zone1共用1个片选线XCS0AND1，Zone6和Zone7共用1个片选线XCS6AND7。这5个存储区域可分别设置不同的等待周期。
Zone0 存储区域： 0X002000—0X003FFF，8K X 16位
Zone1 存储区域： 0X004000—0X005FFF，8K X 16位
Zone2 存储区域： 0X080000—0X0FFFFF，512K X 16位
Zone6 存储区域： 0X100000—0X17FFFF，512K X 16位
Zone7 存储区域： 0X3FC000—0X3FFFFF，16K X 16位
4.SRAM 的存储空间映射
开发板上外扩有单片高速（12ns）、16-位SRAM，基本配置位64K×16-位，最大可配置为512K×16-位。SRAM 被映射到F2812 的Zone 6 和Zone 7 存储空间中，F2812 的Zone 6 存储空间的大小为512K×16-位，当配置的SRAM 的容量小于512K×16-位时，则逻辑上将以SRAM 的容量在Zone 6 存储空间中反复映射，而物理上只有SRAM 的容量大小。同时逻辑上SRAM 也被映射到Zone 7 存储空间中，F2812 的Zone 7存储空间的大小为16K×16-位，对于的地址范围0x3F，C000～0x3F，FFFF。所以当SRAM逻辑上被映射到Zone 7 存储空间时，实际将寻址SRAM 的高16K×16-位物理存储空间。
5. McBSP
TMS320F2812 上有一个多通道缓冲型同步串口McBSP，在开发板内没有使用，直接连至J10 和J16 连接器上，提供外部使用，其接口电平为+3.3V。
McBSP 是Multichannel Buffered Serial Port 的缩写，即多通道缓冲型串行接口，是一种多功能的同步串行接口，它具有很强的可编程能力，可以配置为多种同步串口标准，直接与各种器件高速接口。McBSP接口连接器如下图所示：
图4 McBSP接口的DIR选择 图5 McBSP外扩接口
总之，面向电机的专用数字信号处理器（DSP）的出现，为伺服系统采用先进的控制理论以及复杂的控制算法提供了有力的支持，使模糊控制、神经网络控制等智能控制在交流伺服系统在线实时的应用成为可能。
参考文献
[1] 孙业树.基于DSP的永磁同步电机交流伺服控制系统的研究与设计[D]江苏大学，2003.
[2] 劉永飘.基于DSP的永磁交流伺服控制系统开发[D]西安理工大学，2006.
[3] 张侨.基于DSP的交流伺服系统设计[D]华中科技大学，2006.
【分类号】：TM921.541
一、TMS320F2812概述
TMS320F2812是TI公司2003年正式推出的32位定点DSP芯片，是目前工业控制和机器人控制等领域中最高档的DSP之一。该芯片性能优越，既具有数字信号处理能力，又具有強大的事件管理能力和嵌入式控制功能。比起TMS320LF2407A来讲，具有更完备的外围控制接口和更丰富的电机控制外设电路，片上资源可以同时控制两台三相电机，从而使控制系统的价格大大降低而体积缩小、可靠性提高，可以在高度集成环境中实现高性能的电机控制，各项性能指标都有了显着的提高。其主要资源和性能指标如下：
（1） 它是C2000系列中性能最高的芯片，处理速度达150MIPS，实时处理能力强，能应用于很多复杂的控制算法，并且其代码与以前各个型号的DSP兼容，故TMS320F2812 DSP有着广泛的应用空间。
（2） 高性能低功耗，采用1.8 V内核电压和3.3 V外围接口电压。
（3） 128 K内部FLASH，18 K内部SARAM，可外扩1M统一编址存储器。其寻址空间达4 M。
（4） 芯片内部有3个32位定时器。
（5） 拥有双事件管理器EVA和EVB，控制更加灵活。
（6） 拥有两个SCI口和一个SPI口，增加了数据缓存功能；传输频率可达MHz量级。此外，串行通讯模块还包括增强的eCAN总线和新增的McBSP，能足够满足多种通讯的需要。
（7） 16个信道的12位A/D接口可灵活设置采样方式。
（8） 可使用多达56个可编程且可复用的I/O口。
（9） 提供看门狗电路、电源监视、上电复位、手动复位，系统可靠、稳定。
（10） 标准的JTAG接口，方便调试。
下图为TMS320F2812的功能框图
图1 TMS320F2812的功能框图
二、系统结构的主电路设计
从图2可看出，本系统是一个具有转速反馈的闭环系统。系统参数由上位机通过SCI接口传递给下位机，DSP负责采样各相电压电流，计算电机的转速。DSP通过算法得到空间电压矢量的PWM控制信号，经光耦隔离，驱动放大来控制逆变器开关主电路。同时DSP还监控调速系统的运行状态，当系统出现短路、过压、欠压、过流、过热等故障时，封锁PWM输出信号，将电机停机。
整个伺服系统以TMS320F2812为核心，所有复杂的控制算法及控制策略都是通过该控制器来实现的，本系统涉及到DSP的大部分集成外设，如事件管理器EV、异步串行通讯接口SCI、模数转换器ADC、PWM发生模块以及JTAG仿真接口等。其硬件电路主要是由主电路、控制电路和外围电路等构成。其中主电路由三相整流电路、逆变器和永磁同步电机等构成，其中逆变器采用六只IGBT功率逆变器完成功率转换；控制电路主要由TMS320F2812为核心的DSP控制器组成，用来完成永磁同步电机的电流环、速度环和位置环的控制器的算法实现，空间矢量PWM波（SVPWM）的产生等；外围电路由光电编码器、电流检测电路、故障检测保护以及显示电路等组成，实现电机转速检测、位置检测、电流检测和系统保护等。
图2 系统硬件结构图
为控制方便，本系统的硬件电路，除主电路及光电编码转速检测电路、IGBT驱动电路、电压电流传感电路、主回路限流开关电路等外围电路外，其余的电路如DSP控制电路、保护电路、传感器信号处理电路、故障信号处理电路等外围电路均做成同样尺寸的电路板，通过接口插在控制箱内的母板上，控制箱从外界引入电源对母板上的各个电路板供电。同时各个电路板上的相关信号可以通过母板从控制箱引出，用于测量或使用。
系统主电路的作用是直接驱动PMSM工作，主要由三相整流电路、滤波器、能耗制动回路和逆变器等组成。整流电路采用富士公司的三相整流桥6R130G 1600，整流电路为三相桥式全波整流电路，耐高压，可达1600V，输入是三相交流电，三相输入为220V，则经整流后平均直流电压为 =2.34×220=514.8V。在功率变换单元的设计中，功率电子开关的选择很重要，我们选用绝缘门极晶体管（IGBT）作为逆变电路的功率开关器件。IGBT既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又具有通态电压低、耐压高的优点，目前在电机驱动、中频和开关电源以及要求速度快、低损耗的领域占有主导地位。下图为主电路的结构简图。
图3 主电路结构简图
图中，第一部分为整流电路，第二部分为滤波电路，第三部分为能耗制动回路，第四部分为逆变器。三相桥式全波整流电路完成工频电流到直流的转换，经整流器整流后的直流电存在脉动。滤波电路起到稳压滤波的作用，滤波电路中的滤波电容值很大。R和T组成能耗制动回路。在逆变器电路中二极管为超快恢复二极管，起到续流的作用，为负载的滞后电流提供一条反馈到电源的通路。通过对IGBT有规律的通断控制实现对输出电压和频率的控制，从而实现永磁同步电机的矢量控制。
（二）系统控制电路板的设计
DSP控制电路、保护电路、传感器信号处理电路、故障信号处理电路等外围电路集成在一块电路板上，这样减少了空间。在这里，运用protel99对DSP电路板进行开发设计。首先介绍一下TMS320F2812的几个关键系统：
1. 时钟电路 开发板用30MHz外部晶体给DSP提供时钟，并使能F2812 片上PLL电路。PLL倍频系数由PLL控制寄存器PLLCR的低4位控制，可由软件动态的修改。外部复位信号（RS）可将此4位清零（CCS中的复位命令将不能对这4位清零）。TMS320F2812的CPU最高可工作在150M的主频下，也即是对30M输入频率进行5倍频。
2. TMS320F2812 存储空间的配置
TMS320F2812为哈佛结构的DSP，在逻辑上有4M X 16位的程序空间和4M X 16位数据空间，但在物理上已将程序空间和数据空间统一成一个4M X 16位的空间。TMS320F2812片上有128K X 16位的FLASH，18K X 16位的SRAM，4K X 16位的BOOT ROM，1K X 16位的OTP ROM。 在2812开发板系统上还外扩了64K X 16位SRAM（基本配置为64K X 16位，最大配置为512K X 16位），在开发板上还外扩了SRAM（基本配置为64K x 16 位，最大可配512Kx 16 位）和若干个控制/状态寄存器（如D/A 输出寄存器等）。
3. F2812外部存储器接口
TMS320F2812的外部存储器接口包括：19位地址线，16位数据线，3个片选控制线及读写控制线。这3个片选线映射到5个存储区域，Zone0，Zone1，Zone2，Zone6和Zone7。其中，Zone0和Zone1共用1个片选线XCS0AND1，Zone6和Zone7共用1个片选线XCS6AND7。这5个存储区域可分别设置不同的等待周期。
Zone0 存储区域： 0X002000—0X003FFF，8K X 16位
Zone1 存储区域： 0X004000—0X005FFF，8K X 16位
Zone2 存储区域： 0X080000—0X0FFFFF，512K X 16位
Zone6 存储区域： 0X100000—0X17FFFF，512K X 16位
Zone7 存储区域： 0X3FC000—0X3FFFFF，16K X 16位
4.SRAM 的存储空间映射
开发板上外扩有单片高速（12ns）、16-位SRAM，基本配置位64K×16-位，最大可配置为512K×16-位。SRAM 被映射到F2812 的Zone 6 和Zone 7 存储空间中，F2812 的Zone 6 存储空间的大小为512K×16-位，当配置的SRAM 的容量小于512K×16-位时，则逻辑上将以SRAM 的容量在Zone 6 存储空间中反复映射，而物理上只有SRAM 的容量大小。同时逻辑上SRAM 也被映射到Zone 7 存储空间中，F2812 的Zone 7存储空间的大小为16K×16-位，对于的地址范围0x3F，C000～0x3F，FFFF。所以当SRAM逻辑上被映射到Zone 7 存储空间时，实际将寻址SRAM 的高16K×16-位物理存储空间。
5. McBSP
TMS320F2812 上有一个多通道缓冲型同步串口McBSP，在开发板内没有使用，直接连至J10 和J16 连接器上，提供外部使用，其接口电平为+3.3V。
McBSP 是Multichannel Buffered Serial Port 的缩写，即多通道缓冲型串行接口，是一种多功能的同步串行接口，它具有很强的可编程能力，可以配置为多种同步串口标准，直接与各种器件高速接口。McBSP接口连接器如下图所示：
图4 McBSP接口的DIR选择 图5 McBSP外扩接口
总之，面向电机的专用数字信号处理器（DSP）的出现，为伺服系统采用先进的控制理论以及复杂的控制算法提供了有力的支持，使模糊控制、神经网络控制等智能控制在交流伺服系统在线实时的应用成为可能。
参考文献
[1] 孙业树.基于DSP的永磁同步电机交流伺服控制系统的研究与设计[D]江苏大学，2003.
[2] 劉永飘.基于DSP的永磁交流伺服控制系统开发[D]西安理工大学，2006.
[3] 张侨.基于DSP的交流伺服系统设计[D]华中科技大学，2006.