基于TMS320F2802的变频器方案

基于TMS320F2802的变频器方案1、讲述内容我们为何选择TI的TMS320F2802作为变频器主控芯片？我们怎样在TMS320F2802上实现变频器控制方案？我们的基于TMS320F2802的变频器方案的产品分类及其特点。Q&A。2、我们为何选择TI的TMS320F2802作为变频器主控芯片①现在变频器的主控芯片可能有以下几种选择：基于MCU方案（Intel的N87C196MC、瑞萨单片机等）；基于16位DSP方案（TI的TMS320F240x等）；基于32位DSP方案（TI的TMS320F28xx等）。下面我们将在16位DSP和32位DSP中间作一个比较，因为TI的TMS320F2812系列DSP虽然是32位机，但其成本太高（超过20美元），所以我们暂不予考虑，这里以TMS320F240x和TMS320F2802为例。②处理器的运算速度TMS320F2802为100MHz（TMS320F2802-60为60MHz），而TMS320LF240x最高为40MHz。在变频器这样一个多变量、多任务的系统中，尤其是如果采用电压空间矢量控制算法（SVPWM）、矢量控制、直接转矩控制（DTC）算法的话，要求的运算数据量更大。显然TMS320F2802不管是在SPWM算法中还是升级到SVPWM、矢量控制、DTC等算法都会有更好的性能。③内核区别TMS320F2802是采用32位的C28x内核，具有以下特点：指令采用原子操作：指令长度更短，执行更有效，可以在相同的代码长度下，执行更多有效指令；带有单周期的双16*16和单32*32位的硬件乘法器：单个时钟周期内完成32位数据乘法，更适合于适时PID运算、在线运算SPWM数据、各种要求小数格式的数据处理，且精度高，可以做到真正0.01Hz的精确度；超快速的中断结构和响应：使系统保护、功能响应更有效，更快。相比之下，TMS320F240x是16位的C24x内核，执行32位乘法至少比C28x要慢8倍以上，指令执行是4流水线形式，比C28x的8流水线原子操作慢，数据处理上不方便在线处理运算SPWM数据，需要预先算好表格，因此修改很不方便，精度受表格数据精确性影响不易很精确。④片上存储器比较TMS320F2802片上有32千字（KW）的程序Flash，6千字（KW）的数据RAM，适合在线运算数据表格的存储，也能存储更多变量，有效地提高系统性能。TMS320F240x片上最多2.5千字（KW）的RAM，不适合大块数据的在线传送。⑤外部中断及定时器比较外部中断：TMS320F2802有3个外部中断，且可以任意连接到GPIO-A的任何一个引脚，既方便外接需要快速响应的信号，也便于PCB布线。而TMS320F240x只有2个外部中断，固定引脚分配。定时器：变频器中有很多过程要求准确计时，且计时时间变化范围跨度大，从几十ms到几十分不等，因此要求控制芯片有多个定时器，而且定时器能够定时的范围越大，编程越方便，维护越容易。TMS320F2802有3个32位的定时器，定时范围可以是1us～几十分，在不增加计时变量的情况下就可以实现变频器要求的时间计数，多个计时器给多个计时任务很好的选择。TMS320F240x只有2个16位定时器，定时范围和定时器数量的使用不如TMS320F2802方便。⑥AD性能比较在高精度控制场合，高速、高精度、高SN比的AD是需要的，为了减少系统成本，缩小体积，在精度允许的情况下，片内AD是控制的首选。TMS320F2802的AD是12位，最高转换频率为6.25MHz，可以选择内部或外部参考电压，电压输入范围是0~3V，即使采用过采样的方式，用于SVPWM、DTC控制算法，其采样转换的速率和精度都能完全满足变频器控制要求。TMS320F240x的AD是10位精度，最高转换频率为2MHz，在精度要求高的控制场合，不能很好地满足要求。⑦PWM产生比较变频器最核心的部分就是PWM的波形产生，控制核心的波形产生器产生PWM波的使用方便性、多样性是开发变频器厂家和人员最关注的一个。TMS320F2802有两种PWM信号：6路16位的PWM信号、可以实现最高500KHz的高分辨率PWM信号（HRPWM）。前者可以6路单独配置、互补成对输出配置，并且3对PWM相位可以设置，形成任意互差角度的3对PWM波。这对于3相变频器这样要求互差120°PWM波的实现更容易、更精确、软件干预更少。TMS320F240x只有16位PWM产生器，3相PWM波相位要软件干预调节，编程实现与软件维护性能都不如TMS320F2802好。⑧软件保密性比较作为自主知识产权的产品，变频器的软件产权保护是一个很重要的问题。TMS320F2802采用128位密码，且加密的区域包括：FLASH、L0、L1，阻止代码读出，一般以穷举法解密的话，1G以上的CPU也需要好几百年才能穷举完，所以基本上是不能解密的。而TMS320F240x采用64位加密密码，加密区域只能是FLASH，可能短期内就可以用穷举法解密。所以有一定的安全隐患。⑨软件开发环境及软件可维护性比较一般而言，TMS320F240x的C编程效率很低，可能在汇编编程的0.1~0.2倍，所以在变频器这样的要求实时处理的控制器上，只能用汇编语言编写程序。这样造成程序可读性低，可维护性差，程序移植性差，不适合企业的开发和产品连续升级。而TMS320F2802能很好地支持C编程，且C编程的程序执行效率与完成同样功能的汇编语言程序效率比可以达到1：1.1，所以基本上没有损失效率。而且，TI提供大量C语言的函数库，以及支持任何第三方的C语言库，还提供虚拟小数库IQMATH，使小数的处理也能和32位整形数据一样，有很高的效率。这使得程序可读性好、可维护性高、可移植性好，开发和维护速度快，节省大量企业成本和提高企业产品对市场的适应能力。⑩成本比较单就TMS320F2802与TMS320F2406A/2407A而言，前者的成本（含周边器件、电源转换等）不到后者的2/3，便宜2美元以上。3、我们怎样在TMS320F2802上实现变频器控制方案根据TMS320F2802的芯片特征，我们设计了一款通用变频器控制板，这款控制板既可以与我们设计的功率板配合，形成成熟的变频器产品，也可以修改为用户订制的专用控制板，与用户的功率板配合形成产品。控制板原理框图如下图1。图1控制板用TMS320F2802和一片PLD协调工作，其中TMS320F2802负责算法运算、各种参数计算、各种需要快速响应的保护处理、键盘通信、预留接口通信等主要工作，PLD完成接口扩展和一些逻辑处理以及状态指示。按照功能分类，控制板上的功能和DSP资源分配如下。①电源TMS320F2802是内核1.8V、IO3.3V的电源，控制板只要求输入5V电源，通过LDO转换为1.8V、3.3V，并用电源监测管理芯片控制复位信号和看门狗功能。②模拟输入/输出模拟输入的信号包括：通过0/4~20mA、0～10V等输入的调速信号；电流传感器输出的电流信号；控制电源监测输入信号；主电路功率模块的温度传感器输出经调理后的温度电压信号。所有模拟信号送入DSP的12位AD接口进行模数转换。输出的信号有：通过DSP的辅助PWM，用于输出对应脉宽的PWM信号，通过电路调理对应0～10V电压的模拟信号输出。③输入、输出信号各种保护信号(包括过流保护信号、短路保护信号、过欠压信号等)输入PLD锁存，再送到DSP保护专用TZ引脚，实现故障锁存和快速关断PWM信号。其他IO信号由DSP或PLD处理。④各种通信接口键盘、显示的接口：通过RS232接口与键盘显示通信，完成变频器的参数设置、显示等用户接口功能；RS485串行接口：用于系统组网，用于多个变频器的协同工作；CAN现场总线：目前保留，用于以后的扩展。⑤不需要快速响应的输入、输出信号包括一些状态、指示开关量。⑥6路PWM驱动信号由DSP的专用PWM发生器输出，带死区功能。4、我们的基于TMS320F2802的变频器方案的产品分类及其特点基于TMS320F2802的变频器控制板及其配套产品的特征：①频率0～400Hz可调整，真正精确到0.01Hz的精确频率分辨率；低速大力矩，0.5Hz/150%；过载能力150%;②开关频率1.0kHz~16kH连续可调，或者自动跟踪主频调整；③多种加减速曲线、加减速时间设置，适合不同工况；④多种计时设置，用于点动、多段速、多段计时控制；⑤多种固定方程V/f曲线选择，多种用户采点方式拟合V/f曲线设置，用于不同负载，适合做不同的起动转矩提升；⑥可编程IO接口，模拟量0～20mA、4～20mA、0～5/10V、-5/-10～5/10V输入调速方式选择。频率设定方式：数字设定、模拟量设定、串行通讯设定、PID设定、脉冲设定、键盘设定等；⑦完善的保护功能：过、欠压、过流、过载、短路、过热、存储器错误、CPU错误、控制电源错误等，并提供各种错误显示；⑧其他内置功能：如PID、瞬时停电恢复、AVR、转速跟随起动、模拟PLC功能等；⑨软件完全自主知识产权，依托国内名校电机控制国家重点专业实验室，技术力量雄厚，消除厂家后顾之忧，硬件平台扩展余量大，在同样控制板硬件结构上，可以实现SPWM、SVPWM、无传感器矢量控制、改进型SVPWM（减少开关损耗1/3以上）、死区补偿等控制算法，软件可维护性好，可读性好，移植性强，厂家可以在此基础上方便地进行二次开发；⑩针对厂家，提供demo版基于TMS320F2802的变频器程序，提供CCS与Matlab的仿真接口，并提供相应的开发包、开发板，便于厂家二次开发和调试。