基于TMS320F28334的伺服系统模块设计

　　1 引言

　　随着工业、民用、军事对自动化的需求不断提高，以高性能微处理器为控制策略的数字化交流伺服系统必将成为伺服系统的发展趋势。围绕TI公司推出的高性能数字信号控制器TMS320F28334，重点介绍其在伺服系统中的功能及实际应用。

　　2 器件介绍

　　2．1 TMS320F28334简介

　　TMS320F28334(以下简称F28334)属于F2833x系列，该系列也是TMS320C一2000系列数字信号控制器中的一员。和以前相比，该系列器件有很多性能的提升和扩展。F2833x在继承同类器件32位定点处理器结构的基础上，集成有单指令(32位)IEEE754浮点处理单元。该器件可以执行效率很高的C／C++程序代码，可利用高级语言编写的软件完成系统控制，还可用C／C++语言开发程序算法。由于F2833x系列具有定点和浮点处理单元两种结构，因此能替代一些系统的数字信号处理器和控制器，这样不但能降低开发成本，还能降低功耗。而其具有的32x32位MAC、快速中断响应、8级指令流水线能够很轻松地完成复杂算法和控制，满足系统应用需要。

　　F28334的主要特性：150 MHz时钟周期：6个通道DMA控制器；16位或32位外部接口；128 Kxl6位Flash，34 K×16位SARAM，1 K×16位一次编程RAM；8 Kxl6位引导ROM；超强的外围控制，如EPWM，HRPWM，ECAP，EQEPI等；3个32位CPU定时器；外围串口有：ECAN，SCI，SPI，MCBSP，I2C；16个通道的12位M/D转换器；多种低功耗模式和多种封装选择等。

　　2．2 A/D转换器简介

　　A／D转换器集成在F28334内部，属于其内部结构的一部分，与内部其他结构共用系统时钟，并由CPU控制。A／D转换器有16个模拟输入通道，可配置为2个独立的8通道模式，也可将2个独立的8通道配置成1个16通道模式，为EPWM模块提供更好服务，实现伺服系统的精确控制。

　　M/D转换器的主要特性：12位精度A／D转换器内核，并且具有双路采样保持电路；同时采样和序列采样模式；模拟输入电压范围：O～3 V；在12．5 MHz的A／D转换器时钟下，具有6．25MS／s的采样速率；16个结果寄存器存储相应通道的采样结果；在"开始转换序列"模式中具有多种触发源：软件立即开始、EPWM、XINT2。

　　以上特性及可变的采样速率、低功耗模式、A/D转换器与DMA接口等功能都是通过配置相应的寄存器实现的。正是基于A/D转换器的强大性能，可同时采集多达16路模拟信号，能够组成一个采样网络，从而全面检测和控制伺服系统。

　　3 系统硬件设计

　　对于伺服系统，相电流采样精度直接影响整个伺服系统的性能。因此采样电路和保护电路都是围绕电流环内的电流值设计。F28334处理和比较采样得到的电流，进而输出PWM波进行相应控制。系统框图如图l所示。

　　从图1可看出，电流测量信号通过A/D转换器INA0和ECAPI进入F28334；电流保护信号通过ECAP2和ECAP3进入F28334；而PWM控制波从F28334的专用引脚输出，经光电隔离和功率驱动电路后进入电机。由于系统的变频器采用交一直一交结构，即有一个三相不可控整流桥和用IGBT实现逆变功能的逆变器组成，所以只需产生6路PWM控制信号。

　　3．1 电流环内电流值的采样

　　为了提高采样精度，电流信号不能直接连接到A／D转换器的模拟输入引脚，而是要分别获取电压信号的幅值和方向。通过一个绝对值电路和电压跟随电路，得到一个正相电压，由运算放大器完成，最终得到的电压再连接到F28334的ADCINTO引脚；另外，通过一个由比较器构成的过零比较电路，检测出电压的正负，再连接到F28334的ECAPl引脚。电流采样电路框图如图2所示。

　　图2中的绝对值电路由放大器和二极管组成。电压跟随器的输出端用一只3.3 V的稳压二极管把输出电压箝位于0～3.3 V，过零比较器的输出端同样用一只3．3 V的稳压二极管箝位，保证F28334不会因输入电压值过高而损坏。

　　3．2 电流环内电流保护

　　系统电路中电机电流保护分为限流保护和过流保护。前者是当电机电流超过额定值In的x倍时开始动作，当电机电流减小到低于x倍额定电流时，保护系统退出，此信号通过E-CAP2进入F28334；后者则是当电机电流超过y倍(y>x)的额定电流时，电机停机，直到重新启动系统。此信号通过ECAP2进入F28334。电流保护电路框图如图3所示。

当比较器1负端电平大于参考电压(对应电机电流xIn)时，比较器1输出低电平，即限流保护ECAP2信号有效，由F28334封锁PWM引脚输出脉冲：当比较器2的负端电平大于参考电压(对应电机电流yIn)，比较器2输出低电平，D触发器的Q置低，即ECAP3信号有效，进而F28334封锁PWM输出脉冲。注意：当过流保护后，电机电流即使减小到0，系统也不再