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标题: 基于TMS320F2812的电流采样系统的设计 [打印本页]

作者: liyf 时间: 2012-1-27 20:18
标题: 基于TMS320F2812的电流采样系统的设计

Design of DC Sampling System Based on TMS320F2812
摘要：本文详细介绍了基于TMS320F2812的电流采样系统的设计方法。根据直流电流信号产生特点和采集技术的基本要求，选用合适的电流传感器TS2L5-NP，设计电压变换电路，采用TMS320F2812型DSP的片上模数转换模块进行模数转换。并编写了滤波算法程序，对电流采样值进行滤波。实验表明，该方法可以提高信噪比，减小噪声，拥有较高精度。
关键字：TMS320F2812；电流传感器；电压变换电路

Abstract: Design of DC sampling system based on TMS320F2812 was detailedly discussed. According to the special character of DC and basic need of collection technology, it had chosen the correct current sensor LTS25-NP, designed voltage conditioning circuit. The TMS320F2812 on-chip analog to digital converter module and filtering algorithm was adopted. Experiments showed that the designs can improve ratio of signal and noise, and detect the DC signal effectively.
Keywords: TMS320F2812, Current sensor, Voltage conditioning circuit

1 引言
直流电机的电枢电流信号与电机的电磁转矩成正比。电流闭环控制电流的大小可以改善系统的启动性能，使电机以能承受的最大电力启动，这样启动时间短，起动转矩大，最大限度的利用电机的过载能力。同时，实时检测电流的大小又可以防止电流长时间超过电机课承受的最大电流，起到保护电机的目的。再次，在电机负载突然变化的时候，能够迅速的检测到负载的突增，同时控制其增大电流来减小其对系统性能的影响。当电机用于机器人，导弹等需要高性能的情况下，要求其相应性能达到较高水平时，更需要电流参数的采集。
本文介绍的电流采集系统应用于Maxon直流伺服电机的电流采集，具体分为以下几个部分：电极、放大电路、滤波电路、A/D转换。
2 电流传感器的选型
电流传感器的选择十分重要，应该满足体积小，功耗低，精度高的要求，才能用于嵌入式系统。在经过市场调查，对比了其他一些产品后，选择了LEM公司的基于专用集成电路（ASIC）的电流传感器芯片LTS25-NP，基于ASIC技术的闭环电流传感器，已经成为业界流行的电流隔离测量的最佳解决方案,并被广泛的应用于驱动器、UPS及电力电子行业上,使其成为是与电力电子行业发展与用户的需求同步的产品。与其他产品的对比见图1

LTS25-NP系列产品的目标是找到电力电子的领域中隔离测量的良好方法。由于数字器件、处理器在电力电子领域中的广泛应用，而这些器件都是单端5V供电的，LTSR也是单端5V供电。
对电流产感器的测试主要是对其精度的测试。使用的电流源为固纬公司的GPS-3030直流电源输出器，能提供最大3A的电流。利用matlab曲线拟合函数，将数据拟合为一条直线，为实测结果和拟合结果，其中曲线为实测数据点的连线，直线为使用一次曲线拟合命令算出的拟合曲线。

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拟合得到的曲线的方程为：Uout = 0.0578Iin + 1.5046                               （1）
非常接近理想的曲线方程：Uout = 0.06 Iin + 1.5                                  （2）
式中的Uout为输入给DSP模数转换的电压值，Iin为通过电流传感器的电流值。
1 电压变换电路的设计
电流传感器的输出范围是1.875V – 3.125V不能直接接入ＤＳＰ的A/D转换模块，因为变化范围过小，而且最大值3.125V超过了模数转换模块的上限3V，所以设计了信号调理部分，将满量程时信号的输出范围调整到0-3V，增加了限幅电路防止损坏模数转换模块。这部分电路使用了放大器TL082实现。TL082是低功耗，低输入偏差和偏置电流，高输出阻抗的JFET输入运算放大器，应用范围十分广泛。变化前的电流输入Iin与电压输出Uout的关系是：
Uout=0.025Iin+2.5                                                       （3）
其中，Uout∈（1.875，3.125），Iin∈（-25，+25）
所需要的输入输出关系应该是：
Uout=0.06Iinx+1.5                                                       （4）
其中，Uout∈（0，3），Iin∈（-25，25）
由此推算，那么变换电路的输入电压Uinput与输出电压Uoutput的关系应该是：
Uoutput = 2.4 Uinput – 4.5                                                 （5）
电压变换电路电路图如图2所示：

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4  滤波算法的设计
经过电压变换部分的转化，输入到DSP模数转换模块的电压变到1.5V，但是电磁干扰问题没有得到很好的解决。尤其是实验中使用的开关电源，可能产生很大干扰，分析开关电源的干扰机理，主要原因是：
l  二极管的反向恢复时间引起的干扰
高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过，在其受反偏电压而转向截止时，由于PN结中有较多的载流子积累，因而在载流子消失之前的一段时间里，电流会反向流动，致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di/dt)。
l  开关管工作时产生的谐波干扰
功率开关管在导通时流过较大的脉冲电流。例如正激型、推挽型和桥式变换器的输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波，其中含有丰富的高次谐波分量。当采用零电流、零电压开关时，这种谐波干扰将会很小。另外，功率开关管在截止期间，高频变压器绕组漏感引起的电流突变，也会产生尖峰干扰。
l  交流输入回路产生的干扰
无工频变压器的开关电源输入端整流管在反向恢复期间会引起高频衰减振荡产生干扰。开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰能量，通过开关电源的输入输出线传播出去而形成的干扰称之为传导干扰；而谐波和寄生振荡的能量，通过输入输出线传播时，都会在空间产生电场和磁场。这种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。
l  其他原因
元器件的寄生参数，开关电源的原理图设计不够完美，印刷线路板（PCB）走线通常采用手工布置，具有很大的随意性，PCB的近场干扰大，并且印刷板上器件的安装、放置，以及方位的不合理都会造成EMI干扰。
在实验中发现，电流的采样值不经过滤波算法的时候，由于开关电源的干扰，会产生比较大的误差，导致采集的数值变化比较大。如果作为PID算法的反馈值计算过程中不能得到满意的结果。采用了一定的滤波算法。滤波算法设计为将模数转换结果的存入一个大小为十个元素的数组中，然后，找出一个最大值和一个最小值，将这两个值去掉，剩下的所有数组元素相加，相加之和向右移3位，即为进行除8的除法运算。由于DSP中没有专用的除法指令，即便使用C语言写出的程序中可以出现除法运算符也能完成相应的除法运算，但是，C语言编译器将C程序编译成汇编语言之后除法的实现过程也要转换成减法，将除数依次减去，直到减得余数小于除数。这个过程将消耗大量的CPU运算时间，所以采用了右移3位的方法处理除法会节省大量的计算时间，使算法的实时性加强。
5  A/D转换
TMS320LF2812中的ADC转换器是一个带有16通道的12位模/数转换器，其16个通道分成两组，分别由两个排序控制器（SEQ1和SEQ2）控制，ADC工作是以任务为单位，在一个任务中要转换的通道可以通过SEQ1和SEQ2选择，转换通道的顺序可以通过排序控制器CHSELSEQn来设置，转换结果保存在16个结果寄存器（RESULT0-RESULT15）中，DSP可以自由读取。ADC的启动触发源可以由软件、EVA、EVB以及外部引脚ADCSOC来产生，用户在需要时可以很方便的触发ADC启动。另外该ADC还带有校验功能，保证转换结果的正确性和精度。
这个中断是由时间管理器的计时器1来实现的，其中断速率是时间管理器计时器3速率的10倍，即每秒钟中断10000次，与实验中采用的滤波算法相配合，因为滤波算法是将数组中的10个值去掉一个最大值和一个最小值，然后取平均值。所以选择模数转换的周期为PID算法的10倍与其搭配。
6  结论
电机电流信号是电机控制中非常重要的一个参数，对电流信号采集的好坏直接影响到算法的结果，影响到电机的控制效果。电机的电流信号电流值比较大不能直接使用DSP 采集，采用了先进的电流传感器进行电流电压的转化。电压的大小又不满足DSP片上模数转换模块的要求，需要信号变换电路进行电压的转换。经过反复调试、实验，最终达到了比较满意的效果。验证了系统硬件设计的可行性和算法的有效性。

本文作者创新点：本文作者创新地采用了新型电流传感器和DSP芯片TMS320F 2812，实现了对电流信号的检测。
参考文献
[1] 邵明; 李振军; 郭春华. 高精度交流采样系统研制[J]. 微计算机信息，2006，23：226-227.
[2] Texas Instruments. TMS320F28x DSP Peripherals Reference Guide．2003
[3] 见城尚志，永守重信. 直流伺服电动机.上海科学技术文献出版社. 1986.6
作者简介：龚思远：男，（1981—），河北工业大学自动化系硕士研究生，主研方向是智能假肢系统的设计。杨鹏：男，(1960—)，河北工业大学自动化系教授, 主研方向是机器人、智能假肢。

联系方式：
通信地址：300130 天津河北工业大学东院441信箱，龚思远， E-mail：gongzheng_2000@yahoo.com.cn[1]

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