DSP內(nèi)部ADC模塊在直流無刷電機控制系統(tǒng)中的運用＊

(海軍駐上海滬東中華造船(集團)有限公司軍事代表室 上海 200129)

1 引言

在直流無刷電機控制系統(tǒng)中,需要輸入DSP進行處理的模擬信號主要有兩類：單極性模擬信號和雙極性模擬信號。單極性模擬信號主要有經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換后的母線電壓信號和母線電流信號,其幅值均大于0;雙極性模擬信號主要是經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后的電機相電流信號,其幅值根據(jù)導(dǎo)通關(guān)系進行正負交替變化。而用于直流無刷電機控制的TMS320C2000系列DSP的內(nèi)部集成ADC模塊,其引腳能接受的模擬信號幅度范圍為0～3V[1～2]。因此,將模擬信號送入ADC以前,必須經(jīng)過外部運放電路進行處理(包括增益、濾波和偏置等)以適應(yīng)ADC引腳對輸入模擬信號的要求。

2 單極性模擬信號

2.1 外圍處理電路

對于單極性模擬信號,其幅值大于0,相對ADC引腳對輸入信號的需求,只需進行降幅處理,因此其外圍處理電路相對簡單,只需做濾波和增益處理即可。濾波的主要目的是對系統(tǒng)不關(guān)心的頻率成份進行濾除,只保留系統(tǒng)關(guān)心的頻率成份,從而提高信號處理結(jié)果的準確性。如圖1所示為直流母線電壓采樣外圍處理電路原理圖。根據(jù)輸入信號Sin_in幅值的大小,同時考慮信號可能出現(xiàn)的最大值,通過改變電阻R6和R7的阻值,對輸入信號幅值進行放大或縮小,使輸入信號在Sin點測量的幅值最大值接近3V,但不能超過3V;根據(jù)實際運用情況,改變電阻R2、R3、R4的阻值和電容C1、C2的容值,來改變低通濾波器的截至頻率。圖中電壓放大倍數(shù)為1,低通濾波器截至頻率為500Hz。

圖1 帶低通濾波器的直流母線電壓信號處理電路原理圖

2.2 軟件算法

廣泛運用于電機控制領(lǐng)域的TMS320C2000系列屬定點運算DSP[3],具體芯片型號的不同決定了其ADC的位數(shù),而位數(shù)決定了最終的轉(zhuǎn)換精度,如TMS320LF2407內(nèi)部集成的ADC是10位的[4],TMS320F2812內(nèi)部集成的ADC則是12位的[5～7]。以TMS320F2812的12位ADC為例,DSP完成轉(zhuǎn)換后將結(jié)果存放在ADC結(jié)果緩沖寄存器ADCRESULT x(16位)中的高12位,其最大值為0xFFF0,對應(yīng)Q0格式最大有效值為0x0FFF,若將AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果用Q15格式進行表示,Q15格式的最大值為0x7FFF,可以發(fā)現(xiàn),在相同輸入信號的條件下,采用不同的Q格式進行數(shù)的定標,可以大幅提高數(shù)的表達精度,從而縮小轉(zhuǎn)換誤差。

直流母線電壓采樣的AD轉(zhuǎn)換,其信號處理過程及算法實現(xiàn)步驟如圖2所示。將單極性的母線電壓模擬信號經(jīng)過圖1所示的外圍電路進行處理,將處理后的模擬信號送給DSP的ADC引腳,從ADC結(jié)果緩沖寄存器取出轉(zhuǎn)換結(jié)果,將其右移一位,便將Q0格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Q15格式的數(shù)據(jù),此時由于數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的誤差僅為0.02%,完全可以忽略。其具體算法為：

采取這樣的處理有效地簡化了格式轉(zhuǎn)換的復(fù)雜度,有效避免了在格式轉(zhuǎn)換過程中因定點運算帶來的轉(zhuǎn)換誤差,用數(shù)0x7FFF進行“與”操作的目的在于消除移位操作可能帶來的符號位的影響,提高算法的完備性。

圖2 單極性模擬信號AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理示意圖

3 雙極性模擬信號

3.1 外圍處理電路

對于雙極性模擬信號,其幅值根據(jù)導(dǎo)通關(guān)系進行正負交替變化,為適應(yīng)DSP對模擬信號輸入的要求,必須采取相應(yīng)的措施對其進行處理。在只需要檢測相電流的幅值的運用場合下,可以采取全波整流的方式,此時將負半周的信號轉(zhuǎn)換為正信號,經(jīng)全波整流處理后的信號周期是以前的一半,而幅值不變,此時分辨不出電流信號的正負。在同步電機控制系統(tǒng)中,不但需要適時采樣出電流的大小,還要對它所處的正負半周進行判斷,此場合就不能采用整流的方式處理模擬信號,除了需要單極性模擬信號的濾波和增益處理外,還需對幅值進行偏置處理。偏置的目的在于為DSP的ADC輸入提供幅值大于0的信號。如圖3所示為直流無刷電機單相相電流采樣外圍處理電路原理圖。根據(jù)輸入信號Sin_in幅值的大小,同時考慮信號可能出現(xiàn)的最大值,通過改變電阻R6和R7的阻值,對輸入信號幅值進行放大或縮小,使輸入信號在Sin點測量的幅值在-1.5V～+1.5V之間,其絕對值不能超過1.5V;根據(jù)實際運用情況,改變電阻R2、R3、R4的阻值和電容C1、C2的容值,來改變低通濾波器的截至頻率。圖中電壓放大倍數(shù)為1,低通濾波器截至頻率為10kHz。

圖3 帶低通濾波器的直流無刷電機單相相電流信號處理電路原理圖

3.2 軟件算法

仍以TMS320F2812為例,直流無刷電機單相相電流采樣的AD轉(zhuǎn)換,及其數(shù)據(jù)處理過程如圖4所示。將雙極性的電機相電流模擬信號經(jīng)過圖3所示的外圍電路進行處理,將處理后的模擬信號送給DSP的ADC引腳,從ADC結(jié)果緩沖寄存器取出轉(zhuǎn)換結(jié)果,將其與0x8000進行異或操作,便可將Q0格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Q15格式的數(shù)據(jù),同時將信號進行了還原處理,此時由于數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的誤差僅為0.04%,仍然可以忽略。具體的實現(xiàn)算法有兩種,一種是三相的電流信號均采用直接采樣得到,其優(yōu)點是占用DSP的計算時間少,但硬件資源消耗大;另一種是兩相的電流信號直接采樣得到,另一相通過計算得到,優(yōu)點是硬件資源消耗小,缺點是占用DSP指令周期多。其具體算法為：

算法一(直接采樣)：

算法二(間接計算)：

兩種算法均有效地簡化了格式轉(zhuǎn)換的復(fù)雜度,有效避免了在格式轉(zhuǎn)換過程中因定點運算帶來的轉(zhuǎn)換誤差,在完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的同時完成了信號的還原處理,拓寬了DSP處理模擬信號的范圍。

圖4 雙極性模擬信號AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理示意圖

4 結(jié)語

為驗證外圍電路的實用性及軟件算法的可行性,同時為提高模擬信號轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度,筆者在研制直流無刷電機控制器時,分別采用上述對單極性和雙極性模擬信號進行外圍處理的電路對母線電壓、電流和電機相電流進行處理,采用TMS320F2812為主控芯片,對軟件算法進行了驗證。相比傳統(tǒng)用Q0格式進行數(shù)據(jù)運算,以上算法得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)果誤差大大降低,同時有效還原了雙極性模擬信號的相位關(guān)系,為同步電機相電流采樣奠定了基礎(chǔ)。給出的兩種外圍處理電路可廣泛運用于各種電機控制系統(tǒng)中完成信號的預(yù)處理,而算法則可大大降低處理程序的復(fù)雜性。

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