基于DSP+CPLD的異步電動機控制系統開發平臺設計

隨著電力電子技術、電機控制理論和微控制器的不斷發展，現代交流調速技術在國民經濟中得到了廣泛應用。目前，高性能的調速控制策略和現代控制理論已逐步應用于交流電動機控制領域，普通運動控制系統已不能滿足高性能調速控制要求，建立以DSP+CPLD為控制核心的異步電動機控制系統開發平臺，對于研究高性能運動控制策略具有重要意義。它不僅可以減小系統體積，而且可以實現復雜的實時控制、提高系統運算能力，此開發平臺可方便用戶快速完成電機控制系統產品的開發和應用。

1 開發平臺硬件總體設計

1.1 開發平臺總體設計及特點

該開發平臺以三相異步電動機作為被控對象，以控制器TMS320F2812與復雜可編程邏輯器CPLD作為控制核心，主電路為典型的三相交-直-交電壓源型逆變電路，二極管構成了三相橋式整流電路，濾波后獲得直流電壓，由智能功率模塊（IPM）作為逆變器的主開關器件，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門的電路控制，不僅可以對DSP進行更多功能的擴展，而且可以減少系統的復雜程度，提高系統控制精度。

復雜可編程邏輯器件有豐富的邏輯資源，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點，若用其單獨構成變頻調速系統，開發周期長且成本昂貴。Altera公司的MAX IIZ CPLD具有多種關鍵優勢。在單個器件中實現了高級功能和零功耗。在高級系統特性上都超出了傳統宏單元CPLD，這些特性包括用戶閃存、內部振蕩器、成本優化、更大的密度、更小的封裝以及更低的功耗等。基于上述原因，并考慮系統后續開發的通用性和各種不同控制方案的實現，控制電路以DSP+CPLD作為控制核心，采用

TMS320F2812芯片實現異步電動機各種復雜控制算，CPLD實現外圍電路的邏輯控制。不僅滿足了系統控制的高性能要求，而且減輕了DSP處理負擔，使得DSP可以集中處理系統控制算法，簡化了邏輯電路，提高了電機運行的可靠性。

基于TMS320F2812+CPLD的異步電動機控制系統開發平臺硬件原理，如圖1所示。

圖1 開發平臺硬件設計結構圖

與普通控制系統相比，該控制系統開發平臺有如下特點：

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

（2）DSP、復雜可編程邏輯器件構成的電機控制系統有著更智能化的發展。

（3）該控制系統開發平臺控制方案靈活，可編程性強，預留端口豐富，便于擴展，不僅可以實現對異步電動機的控制，也可以達到對其他高性能電機的控制，系統升級容易，維護性好。

（4）利用該控制系統開發平臺，可以縮短產品開發周期、降低開發成本、提高開發效率，并可以在短時間內完成電機控制系統產品的開發和應用。

（5）該控制系統開發平臺控制電路開關量形式的輸出信號均通過光耦隔離與系統主電路接口，保證了強弱電的隔離，系統穩定性高，能夠滿足電機控制領域對系統高可靠性的要求。

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電源供電。采用智能功率模塊（IPM）作為逆變器的主開關器件，其外圍元件少、結構簡單且可靠性高。同時配備全面的保護措施，保證系統的可靠運行。

（1）逆變電路。

開發平臺逆變電路為典型三相交-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，內部整合了6路高速、低功耗IGBT組成的三相全控橋和一路用于制動的IGBT，以及過電壓、過電流和過熱等故障檢測和保護電路，并將檢測信號送到DSP進行中斷處理。控制器輸出的信號均經過光耦隔離電路進入IPM，有效地抑制了系統干擾。

（2）電壓、電流檢測電路。

在逆變電路的直流側和輸出的交流側設計了電壓、電流檢測電路，通過霍爾電壓、電流傳感器獲得電壓、電流信號，經隔離放大后送過DSP的ADC模塊，進行A／D轉換，以實現系統的閉環控制。當系統發生過流、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脈沖輸出，避免系統發生故障。

1.2.2 控制電路

控制系統開發平臺主要用來完成各種復雜的異步電動機調速控制算法，加速電機控制系統產品的開發和應用。DSP與外圍電路的聯系，可以完全通過CPLD控制，DSP和CPLD采用總線方式進行通信。CPLD作為系統DSP芯片的擴展，可以完成眾多邏輯控制以及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制，并且可以實現SRAM以及LED、IED讀寫信號的控制。

TMS320F2812是TI公司最新推出的是32位定點DSP控制器，采用改進哈佛結構，具有高速數據處理能力。其片內集成有豐富的運動控制專用外設：PWM產生電路、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控制器等，適合用在高精度伺服控制領域。

Altera公司的MAX IIZ系列EPM57OZM144C7N采用MBGA封裝，有144個引腳和116個用戶可用I／O口，典型等價宏單元440個，DSP電壓與該芯片匹配，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，系統先給所有+3.3 V的I／O加電，再接通1.9 V的內核電源。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／自動復位，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