电机控制嵌入式DSP芯片TMS320F240及其应用

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电机控制嵌入式DSP 芯片 TMS320F240及其应用

曾繁玲

（罗定职业技术学院，罗定 527200）

摘要 描述电机控制嵌入式DSP 芯片TMS320F240的原理结构与特点，并结合电机控制技术

的发展趋势，介绍此芯片在开关磁阻电机数字控制系统的应用。

关键词：嵌入式DSP ；电机控制；开关磁阻电机

Embedded DSP Chip TMS320F240 and its Application

are Controlled to the Electrical Machinery

Zeng Fanling

（Luo Ding Occupation Technical College, Luo ding 527200）

Abstract Describe the electrical machinery and control principle structure and the characteristics of embedded DSP chip TMS320F240, and combine the development trend of the electrical machinery control technique, and introduce the application of this chip at switch magnetic obstruction electrical machinery numerical control system.

Keywords: embedded DSP ；electrical machinery gauge ；tap magnetic obstruction electrical machinery

1 引言

近年来，随着电机控制技术的发展和电机驱动

系统市场的繁荣，美国德州仪器公司推出了电机控

制嵌入式DSP 芯片TMS320x240，TMS320F240是

其中典型的一种。目前有一定数量的文献都是介绍

TMS320F240在电气传动中的应用，但都侧重于介

绍系统的硬件和软件的设计，没有从芯片的角度系

统地介绍TMS320F240的原理结构和特点。

TMS320F240集DSP 的信号高处理能力及适用于电

机控制的优化外围电路于一体，具有很强的指令系

统和硬件支撑，可以实现电机的数字化控制。本文

将着重介绍TMS320F240的原理结构特点以及它在

工业控制中的应用。

2 TMS320F240的体系结构

TMS320F240的体系结构图如图1所示，它主

要由DSP 内核和存储空间、事件管理器、A/D 转换

器、串行口、看门狗定时器等组成。对数字化高性

能的电机控制来说，TMS320F240最具特色的电机控制外设电路是它的片内事件管理器，可提供高速、高效和全变速的先进控制技术。 2.1 DSP 的内核和存储空间 DSP 的内核含16位插式左移移位器、16位T 寄存器、16×16乘法器、32位P 寄存器、左移移位器、32位算术逻辑单元、左移移位寄存器（0～7）、8个辅助寄存器、8级硬件堆栈、重复指令集、2个状态寄存器。 TMS320F240片内有三块RAM 区： B0块（256×16位）、B1块（256×16位）、B2块（32×16位）。其中B0块既可以配置为数据区，又可以配置为程序区，若配置为程序区可在上电时浮点运算子程序或者表格从外部慢速EPROM 装入此区域，

进而缓解高速处理器与慢速外围部件之间的矛盾。这些RAM 全部允许在一个指令周期内访问两次，大大加快了数据的处理能力。

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图1

2.2 事件管理器

TMS320F240的内部嵌入的事件管理器，资源丰富，包含有PWM 波形产生、12个比较/PWM 通道、可以工作于连续递增或连续递减等6种模式的3个16位通用定时器、提供死区功能的3个16位全比较器单元、3个16位单比较器单元、4个捕获单元等多种硬件资源。

事件管理器的结构如图2，事件管理器模块有12个比较/PWM 输出引脚。事件管理器模块所有的寄存器都映射到数据存储区。这些寄存器分为三部分：12个通用定时器的寄存器；10个全比较和单比较单元的寄存器；9个事件管理器模块的中断寄存器等。为了产生PWM 信号，需要1个计数器重复对应于PWM 周期的计数，1个比较器保存调制值。比较器不断地与定时计数器的值比较。当值相等时，输出引脚发生电平跃变；当值第2次相等时或计数到达周期值时，输出引脚又发生电平跃变。对于每一个定时周期，改变对应于调制值的比较器的值，即可得到不同脉冲宽度的信号。每个通用定时器比较单元可产生基于其自己的定时器的PWM 输出波型。3个单比较器单元以及通用定时器1或2可以产生另外3路PWM 输出，可以应用于没有死区要求或用片外的其他电路构成死区的场合。全比较器单元的任何一个以及通用定时器1、死区单元和输出逻辑，可以产生一对死区和极性可编程的PWM 信号。

2.3 其他片内外设

TMS320F240内含16通道两路转换精度为10位的高速A/D 转换器，转换时间最短可为6.6µs 。在调速系统构成电流环时，电流反馈A/D 转换CPU 内部进行处理，缩短了电流采样时间，有利于提高调速装置的动态功能.它还具有丰富的、功能强大的

中断系统及常用的I/O 接口。

图2

3 TMS320F240的性能特点

（1）采用哈佛结构，三级流水线操作，大大提高了指令执行速度，在内部时钟20MHz 时，指令周期为50ns ；

（2）优化的CPU 结构，达到20MIPS ，更加快了指令执行速度；

（3）一次32位的计算只需一个指令周期50ns ，为复杂控制算法的实现提供了良好的条件；

（4）提供了丰富的“乘累加”指令，可以方便快速的实现电机控制中的数字滤波。

4 基于TMS320F240的数字电机控制系统

基于TMS320F240控制开关磁阻电机（SRM ）控制系统如图3。

该控制系统可实现开关磁阻电机的数字化控制，系统中无线通讯模块接受上位机发出的控制参数，将其转换为PWM 输出，经过驱动放大送给电

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机，产生输出。通过电路检测装置检测相电流，光盘编码器检测电机的转动方向及转角，反馈给DSP 系统，形成闭环控制，实时有效地控制运动精度。

图3

4.1 电流检测电路

使用磁场平衡式霍尔检测器（LEM 模块）来检测电机的三相电流。LEM 的输出一方面输入到TMS320F240的三路A ／D 转换口，转换成数字信号后用以控制电流斩波限；一方面输入到保护电路，实现对功率变换器主开关的过流保护。 4.2 位置与速度检测

TMS320F240的事件管理器具有其特殊功能模块— 正交解码（QEP ）电路和捕获单元，它们可直接与光电编码器相连，用于电机转速和旋转机械角位置的检测。正交编码脉冲包含两个脉冲序列，有变化的频率和1/4周期的固定相位偏移。当电机轴上的光盘编码器产生正交编码脉冲时，通过检测两个序列中哪个序列领先，可以测出电机的正反转；并据此对捕获的信号进行加减计数，从而得到当前的计数值和计数方向，即电机的角位移和转向。电机的角速度可以通过脉冲的频率测出。 4.3 PWM 策略和产生

TMS320F240的事件管理器有3个全比较单元和3个单比较单元，3个全比较单元能非常方便地产生三对PWM 输出，为各种控制策略的实现提供了最大限度的便利。3个单比较单元实现另外三对PWM 信号输出，对电机的定子绕组分别进行控制。使全比较单元和简单比较单元的PWM 输出载波频率相同，就可以使驱动内、外定子上桥臂的六路PWM 信号分别由全比较单元和简单比较单元产生，而下桥臂驱动信号则共用全比较单元的另外三路PWM 。 4.4 与上位机的通讯

TMS320F240的串行通讯模块SCI 和串行外设接口SPI 可实现与上位机、外设及多处理器间的通讯，DSP 与上位机的RS232通讯如图4所示。上位机向下位机发送各种控制参数及指令，下位机DSP 系统响应上位机的控制策略，上位机中的控制系统的主程序完成下位机的初始化，并向下位机发送控制参数和指令及响应下位机的中断。下位机中的子程序则完成面向电机的控制任务：发出PWM 脉冲、串行口中断、捕获中断等。

图4

5 结论

DSP 有许多专用的外围设备和高性能的特性，能完成一般单片机难以胜任的任务，使其成为电机控制系统最好的芯片之一。TMS320F240数字控制系统的硬件电路简单，系统所需的元器件少，从而大大降低了系统的成本，提高了系统的可靠性和性能价格比。

基于TMS320F240的开关磁阻电机数字控制系统具有良好的控制性能和调速性能，获得了较好的动态性能和较高的稳态精度，运行效率高，抗干扰能力强。因此，该系统具有较高的应用价值。

参考文献

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作者简介

曾繁玲，女，讲师，于1971年12月出生，现在罗定职业技术学院担任电力拖动、电路分析、电力电子技术等课程的教学工作。