控制系统硬件设计.doc

31 TMS320F2812芯片概述TMS320F2812芯片27】f28】【29】是美国TI公司推出的最佳测控应用的定点DSP芯片TMS320C2000系列之中的一款，属于C28x系列。C28x系列芯片是TI公司近年来推出的具有更高性能的改进的芯片，进一步增强了芯片的接口能力和嵌入功能，从而拓宽了数字信号处理器的应领域。TMS320C28x系列是目前国际市场上最先进、功能最强大的32位定点DSP芯片。它既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于有大批量数据处理的测控场合，如工业自动化控制、电力电子技术应用、智能化仪器仪表及电机、马达伺服控制系统等。它功能强大，在工业控制领域，它有显著的特点，主要包括：1)它采用高性能静态CMOS(Static CMOS)技术；系统最高频率可达150MHz(时钟周期667ns)；低功耗(核心电压18V，IO口电压33V)。2)中央处理器为高性能的32位系统，支持16位16位和32位32位乘且累加操作运算、16位16位的两个乘且累加运算，采用哈佛总线结构(Harvard BusArchitecture)提高了操作能力，系统中采自动的中断响应方式，可以迅速的响应中断并做出处理，采用统一的寄存器编程模式，可达4兆字的线性程序地址和4兆字的数据地址，支持CC+与汇编语言并与TMS320F24虮F240x处理器源代码兼容。3)片内存储器丰富：8K16位的Flash存储器；1Kxl6位的OTP型只读存储器；L0和L1：两块4Kxl6位的单口随机存储器(SARAM)；H0：一块8Kxl6位的单口随机存储器：M0和M1：两块1Kxl6位的单口随机存储器。4)含有外部存储器接口，包括19根地址线、16根数据线和三个片选信号可扩展多达1MB的存储器，可编程等待状态数，可编程读写选通计数器(Strobe Timing)。5)系统时钟可选择由内部晶体振荡器或者外部时钟提供，同时还可以动态的改变锁相环的频率或者将锁相环模块旁路。6)可扩展外部中断(PIE)模块，最多可支持96个外部中断，当前仅使用了45个外部中断。7)保密性好，支持128位的密钥(Security KeyLock)，可保护FlashOTP和L0L1SARAM中的程序被盗。8)含有两个独立的两个事件管理器(EVA、EVB)外围设备，增强了芯片的控制能力9)外围通讯设备丰富：串行外围接口(SPI)；两个串行通信接口(SCI)，标准的UART口；改进的局域网络(eCAN)；多通道缓冲串行接口(McBSP)。10)内部含有一个12位的16通道ADC转换器，分为28通道的多路输入选择器两个采样保持器，最高转换速率可达125Mbps。n)含有最多56个独立的可编程、多用途通用输入输出(GPIO)引脚，可根据不同需要设置不同功能。12)包含三个32位CPU级别的定时器，为控制事件提供时钟基准。32 TMS320F2812芯片的主要功能模块分析与应用伊顿ups电源321 TMS320F281 2芯片的事件管理器应用事件管理器(EV)是F2812芯片一个典型功能扩展模块，它特别适合运用在电力变换、电机控制等领域。在F2812中含有两个功能和外围接口完全相同的事件管理器EVA与EVB。下面以事件管理器A为例介绍。EVA的功能t30j模块框图如图31所示，主要包括GP定时器、全比较PWM单元、捕捉单元及正交编码脉冲电路(QEPs)等模块。EVB的相关的功能器件是同样的，只是模块及信号的命名不同而已。本系统用到了事件管理器的通用定时器GP、全比较单元、捕获单元。由于整UPS电源控制系统只用一块DSP芯片，而整个UPS电源的数字化控制远不止整流一块，所以整流器的控制功能的实现所能占用的系统资源有限，必须充分利用资源，以实现最大功能的控制。在本课题中，分给整流控制系统的芯片资源仅限于一个事件管理器，这就需要充分理解事件管理器的逻辑功能与工作原理，以实现最优的控制。每个事件管理器包含两个GP定时器。每个定时器都可以独立的工作，为控制系统产生采样周期提供时钟基准，为捕获单元提供时钟基准，为全比较单元产生PWM波提供时钟基准。每个GP定时器包含： ，(1)1个16位的定时器计数器TXCNT，可增减计数，TXCNT可以读写；(2)1个16位的定时器比较寄存器TxCMPR(带阴影的双缓冲寄存器)，可以读写；(3)1个16位的定时器周期寄存器TxPR(带阴影的双缓冲寄存器)，可以读写；(4)1个16位的定时器控制寄存器TxCON，可以读写；(5)可选择的内部或外部输入时钟；(6)一个对于内部或外部输入时钟可编程的预定标因子；(7)控制和中断逻辑，用于4种可屏蔽中断：下溢中断、上溢中断、定时器比较中断和定时器周期中断；(8)1个输入方向选择引脚(TDII权)(可选择为递增减计数模式，进行增计数或减计数)。每个事件管理器的两个GP定时器不但可以独立控制作为事件管理器的其它设备的时钟基准，也可以相互间同步运行，通过比较寄存器中的值与周期寄存器中的值匹配产生PWM脉冲信号，通过修改TDIRx寄存器控制计数器的计数模式。GP定时器的周期寄存器与比较寄存器都是双缓冲的，可以随时向这两个寄存器写数据，可以通过控制寄存器控制灵活的修改决定着两个寄存器的更换时刻。提供了下溢、上溢中断、定时器比较中断、定时器中期中断，使通过中断服务控制预知事件的发生成为可能。增强了事件管理器的控制能力。每个事件管理器都包含三个独立的全比较单元。全比较单元可以选择两个GP定时器的任何一个作为自己的时钟基准。这三个全比较单元的比较寄存器依然是双缓冲的，可以灵活修改比较值，在通常应用中，主要是利用三个全比较单元产生六路PWM脉冲信号，控制逆变器或其它矢量控制设备，以提高控制效率。每个全比较单元都可以单独使能，且其控制的两个PWM信号输出引脚可以根据需要输出高电平或者低电平，增强了控制的灵活性。在比较匹配发生时，不但可以改变PWM输出口的电平信号，还可以通过设置向CPU发出中断请求，利用中断满足控制所要达到的效果。本课题利用移相电抗器移相实现12脉波整流，所需要的12路驱动脉冲信号需要通过三个全比较单元比较匹配产生，具体的将在后面详细叙述，通过修改比较寄存器的值可以灵活跟踪移相电抗器的移相角实现移相角的最优化控制，使两者整流桥输出电流均衡，达到最大限度削弱整流系统本身产生的谐波电流的目的。获单元是事件管理器的输入设备，每个事件管理器含有三个捕获单元，其中捕获24翼第三章控制系统硬件设计单元1、2共用一个时钟基准，捕获单元3可以单独选择时钟基准，同样它们可以选择任意GP定时器作为时钟基准，捕获单元的输入为施密特触发边沿捕获引脚，可以设置捕获上升沿、下降沿，者上升下降沿皆捕获。当捕获单元捕获到相应的事件后，将读取所选用的时钟基准的GP定时器的计数寄存器，并将读取的计数值自动保存到相应的FIFO堆栈中，同时如果有一个或者多个有效的捕获值信息存储到FIFO里，还会置位相应的中断标志位，如果该标志位没有被中断屏蔽，将会产生相应的中断处理，大大提高了DSP芯片的实时控制能力。捕获单元的操作不会影响任何GP定时器的操作，也不会影响与GP定时器相关的比较操作。本课题利用事件管理器的捕获单元设计了数字锁相环。343直流电流的检测直流电流主要是针对蓄电池电流的检测，通过控制充放电电流与蓄电池电压判断蓄电池健康状况，估计蓄电池当前的荷电量，并预测还能维持系统继续运行的时间，给用户以提示，提醒用户早做准备，避免因蓄电池蓄电量不足造成不必要的损失。本UPS电源系统根据用户所提供的要求配备不同的蓄电池容量，针对不同容量的蓄电池提供不同的充电电流，所允许的充电电流波动范围为O-50A。本控制系统采用霍尔电流传感器CS050E实现直流电流的检测。CS050E的主要性能参数如下：原边额定输入电流：50A；原边电流测量范围：OIOOA；副边额定输出电压：41V；电源电压：1215V；绝缘电压：25KV；频带宽度：DC20KHz；负载电阻：IOKQ。344温度检测UPS电源由多部分电子器件组成，而每种器件的工作温度都是有明确的范围，如果超过器件所能承受范围，轻则造成系统工作不稳定，严重者造成系统永久性损坏，甚至危及负载。所以在UPS运行中，不但要检测环境温度，将其控制在系统能够稳定工作范围之内，而且还要检测重要模块的工作温度，以防止温度过高烧坏模块，在温度超过范围时，实施保护。温度(temperature)是表示物体冷热程度的物理量1，只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，用来量度物体温度数值的标尺叫温标。目前国际上用得较多的温标有华氏温标(。F)、摄氏温标(。C)与热力学温标(K)。华氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为32度，水沸点为212度，中间等分180格，每格为华氏1度，符号为下；摄氏温标规定标准大气压下纯水的冰融点为O度，水沸点为100度，中间等分为100格，每格为摄氏1度，符号为；热力学温标又称开氏温标(K)或绝对温标，它规定分子运动停止时的温度为绝对零度，它是建立在热力学基础之上的、体现出温度仅与热量有关而与测温物质的任何物理性质无关的理想温标，它规定纯水在标准大气压下的冰融点为27316K，沸点与冰融点之间分为100等分，每等分lK，将水的冰融点以下27316K定为绝对零度(OK)。它们之间的转换关系为：c=吾(F一32)(317)K=27316+C (318)温度不能直接处理，必须借助其它手段，在工业应用中，被广泛应用的有热电偶、热电阻等。热电阻有金属材料与半导体材料之分，半导体材料热电阻又有阻值随温度升高而升高和阻值随温度高(PTC)而降低之分(NTC)之分。本文中综合考虑成本与温测量所需要的精度决定采用东莞为勤电子有限公司的NTSA0102型NTC热敏电阻实现温度的测量。NTCNegative Temperature Coefficient的缩写，意思是负的温度系数，泛371电磁兼容性与干扰分析电磁兼容性H羽一electromagnetic compatibility(EMC)是指设备或系统在其电磁环境中能够符合要求的工作且不对该环境中的其它任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。电磁兼容性包括EMI(电磁干扰)与EMS(电磁耐受)两方面。EMI是电磁干扰(E1ectromagnetic Interference)的简称，有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰主要是指由电子设备产生的干扰信号通过导电介质或公共电源线互相产生的干扰；辐射干扰是指由电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备而产生的干扰。EMS包括：ESD(静电放电)、RS(辐射耐受)、EFTB(快速脉冲耐受)、surge(雷击)、CS(传导耐受)等等。系统要发生电磁兼容性问题，必须具备三个要素，即电磁骚扰源、耦合途径、敏感设备。电磁骚扰源是指其所发射的电磁能量，能使处在同一环境的人或其它生物受到伤害、或使其它设备、分系统或系统发生电磁危害、导致性能降级甚至完全失效的任何形式的自然或电能设备；耦合途径是指任何可供骚扰传输的通路或媒介；敏感设备是指当受到电磁骚扰源所发出的电磁能量的作用时，会受到伤害的人或其它生物，以及会受到电磁危害，导致性能降级甚至完全失效的器件、设备、分系统或系统。许多器件、设备、分系统或系统既是电磁骚扰源又是敏感设备。所以，在发生电磁兼容性问题时，要从这三个因素着手，对症下药，消除其中任何一个因素，都可以将电磁兼容问题解决。电磁骚扰源主要有内部骚扰源和外部骚扰源。由内部骚扰源引起的干扰是指电子设备内部各元部件之间的相互干扰，主要包括以下几种：梅兰日兰ups电源1)工作电源通过线路的分布电容和绝缘电阻产生漏电造成的干扰(与工作频率有关)；2)信号通过地线、电源和传输导线的阻抗互相耦合，或因导线之间存在的互感引起的干扰；3)由于系统或设备内部某些元件发热，影响元件本身或其它元件的稳定性造成的干扰；4)大功率或者高电压部件产生的电场、磁场通过耦合方式影响其它部件正常工作造成的干扰。由外部骚扰源引起的干扰是指由电子设备或系统本身以外的其它因素对线路、设备或系统引起的干扰，主要包括以下几种：1)外部的高电压电源、线路等通过绝缘漏电的形式干扰电子线路、设备或系统；2)外部的大功率设备在空间产生的磁场强度较大，通过互感耦合方式干扰电子线路、设备或系统；3)空间无线电磁波等对电子线路或系统产生的干扰；4)其所处的工作环境的温度不稳定，引起电子线路、设备或系统内部元器件参数改变而造成的干扰：5)由工业配电网的设备或电压通过电源变压器所产生的干扰。DSP是一个相当复杂的数、模混合系统，工作频率可高达150蚰z，这将会使它不可避免地向外辐射电磁波，对环境中的设备产生干扰、妨碍甚至损伤；而它本身是采用CMOS41东南大学硕士学位论文技术制造的，工作电压只有33V，内核工作电压18V，是一个相对比较脆的设备，极易受到外来干扰的影响，来自外部的电磁辐射以及内部元器件之间和各传输通道间的窜扰对DSP及其数据信息所产生的干扰如果处理不好很可能威胁到其工作的稳定性、可靠性和安全性。所以在设计F2812控制系统必须这些问题，从电磁骚扰源、耦合途径、敏感设备三方面综合考虑，解决电磁兼容性问题，即使不能完全消除干扰引起的控制系统故障，也应使之降低到最小的程度，以尽大的保证控制系统运行的稳定性、可靠性与安全性。372本文中所做的工作在硬件方面，将控制系统与数据采集、驱动保护分开单独布板，尽量减少高频部分与低频部分直接的相互干扰。控制系统采用四层板设计，降低电源与地线的影响，保证控制系统的运行稳定性。由于F2812和大多数DSP芯片一样是采用先进的CMOS技术制造的，而CMOS电路在每次发生跳跃的时候，都会产生大的电流，同时在供电电路上产生一个电流脉波，这些因升降产生的假信号在被传导到感应电路之前，都必须虑掉，所以在贴近F2812供电引脚与地线之间加装去耦电容H副，滤除芯片本身产生的干扰，避免向外传输。同时在需要有电源供电的IC芯片的电源端加装滤波电容，使各个IC本身产生的干扰信号尽量少的传输出去。将系统的数字部分与模拟部分分开布局，采用不同的电源供电，并将供电电源与市电隔离滤波，保证供电电源的稳定性与抗干扰能力，尽量减少数字与模拟部分之间的相互影响，提高数据采集的精确度与准确度。尽量缩短高频信号线回路的长度，在布线时候根据电磁干扰和电磁兼容的指导进行布线。针对未使用的DSP的输入、输出引脚用下拉电阻接地，防止浮空，以防止不必要的开关转换和噪声产生。信号的传输线采用双绞线，尽量降低在传输过程中所受到的干扰。根据功率状况，尽量将发热比较严重的器件放到边缘，且将对温度比较敏感的器件远离这些发热源，使温度的影响降低最小。将强电部分与弱电部分分装在机箱的不同区域，中间加铁片隔离，进行电磁屏蔽，降低它们之间的耦合联系。对外界电网极不稳定的环境加装浪涌保护设