電機(jī)控制的數(shù)字平臺(tái)設(shè)計(jì)

0 引言

直接轉(zhuǎn)矩控制[1]是目前廣為研究的電機(jī)控制理論之一，已在異步機(jī)上取得了成功，而在同步機(jī)方面的應(yīng)用也已有了一定發(fā)展[2]。由于該理論直接對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，故瞬態(tài)性能得到了顯著的改善。但是，由于其采用的是Bang-Bang控制，控制周期過長(zhǎng)會(huì)使電流過大;同時(shí)大周期會(huì)使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)加大。為了解決這個(gè)問題可以從控制策略上加以改進(jìn)，比如采用SVM-DTC[3]來(lái)取代傳統(tǒng)DTC方案;也可以在控制平臺(tái)上加以考慮，提高處理器速度，縮短控制周期。以單個(gè)DSP為核心的控制平臺(tái)(常見的芯片如TI公司的2000系列)，由于既要完成復(fù)雜的算法，還要執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、控制信號(hào)輸出、系統(tǒng)保護(hù)以及人機(jī)交互等一系列操作，無(wú)法有效地縮短控制周期。在綜合考慮了各種數(shù)字信號(hào)處理器的性能之后，決定采用雙DSP并行工作的體系結(jié)構(gòu);并同時(shí)考慮到該控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，即在每個(gè)控制周期內(nèi)兩個(gè)DSP之間交換的信息很少，不同于諸如圖像采集系統(tǒng)[4]那樣，需要大流量的數(shù)據(jù)交換。由此采取了一系列特殊的設(shè)計(jì)思想。首先，在芯片的選型上兼顧了各自不同的特點(diǎn)，即專用于電機(jī)控制領(lǐng)域的芯片TMS320LF2407A專注于控制;高速通用數(shù)據(jù)處理芯片TMS320VC33則著眼于復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)，從而充分利用了各自的特點(diǎn)。其次，針對(duì)電機(jī)控制這一特定領(lǐng)域，需要采集的數(shù)據(jù)相對(duì)較少，同時(shí)反饋的也只是計(jì)算結(jié)果，即PWM波發(fā)送策略，并無(wú)大量中間結(jié)果，因此，需要考慮的重點(diǎn)是控制方法的實(shí)現(xiàn)，和數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)必須占用盡可能少的資源。同時(shí)由于數(shù)據(jù)量較少，可以用較小的代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的冗余，使得數(shù)據(jù)處理時(shí)更加靈活和方便，DSP之間并不一定保持同步工作狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)DSP之間的數(shù)據(jù)交換和通信，選擇了雙口RAM作為兩者之間的媒介。并從硬件和軟件上相互配合，避免存儲(chǔ)空間爭(zhēng)用[5]的同時(shí)，使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程盡量少耗費(fèi)各種資源。

1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

TMS320LF2407A最突出的特點(diǎn)在于其事件管理器模塊：共有兩個(gè)事件管理器EVA及EVB，提供了8個(gè)16位脈寬調(diào)制(PWM)通道。這些都是針對(duì)電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的，在PWM波的產(chǎn)生上相當(dāng)方便可靠;可編程的PWM死區(qū)控制可以防止上下橋臂同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖而導(dǎo)致直通。同時(shí)每個(gè)模塊還提供了兩個(gè)外部引腳PDPINTA和PDPINTB，當(dāng)該引腳上出現(xiàn)低電平時(shí)事件管理器模塊將快速關(guān)閉相應(yīng)的PWM通道，起到保護(hù)作用。片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊為數(shù)據(jù)采集提供了高性能的A/D轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間只有500ns。由于轉(zhuǎn)換時(shí)間是整個(gè)控制周期的組成部分之一，快速A/D對(duì)于縮短控制周期是非常有利的。

TMS320C3X系列DSP芯片是一種性能價(jià)格比很好的浮點(diǎn)處理芯片，具有很高的數(shù)據(jù)處理速度。片內(nèi)部分擁有34K×32位的RAM，在程序運(yùn)行期間，所有的數(shù)據(jù)都位于其中，從而能夠充分發(fā)揮哈佛總線結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的數(shù)據(jù)吞吐量大、運(yùn)算快的優(yōu)點(diǎn)。在算法實(shí)現(xiàn)上，由于采用了浮點(diǎn)計(jì)算格式，將使計(jì)算精度得到提高;采用編程語(yǔ)言C會(huì)使程序編寫效率大大改善，這對(duì)于需要用復(fù)雜算法實(shí)現(xiàn)的控制策略來(lái)說(shuō)是很重要的。

雙口RAM的特點(diǎn)在于具有兩組相互獨(dú)立的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線，片內(nèi)包含的控制邏輯解決了三個(gè)重要的問題：處理器之間的信號(hào)關(guān)系(中斷邏輯);兩個(gè)CPU正在使用同一地址時(shí)的時(shí)間關(guān)系(仲裁邏輯)和把一塊存儲(chǔ)器臨時(shí)分配到某一邊的硬件支持(旗語(yǔ)邏輯)，從而保證雙機(jī)之間數(shù)據(jù)、信號(hào)交流的正確進(jìn)行。

仲裁邏輯(忙邏輯) 每塊CY7C025允許兩個(gè)CPU同時(shí)讀取任何存儲(chǔ)單元(包括同時(shí)讀同一地址單元)，但是不允許同時(shí)寫或者一讀一寫同一地址單元，否則就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。雙口RAM中已經(jīng)有相應(yīng)的仲裁邏輯電路來(lái)解決這一問題：先行穩(wěn)定的地址端口通過仲裁邏輯電路優(yōu)先讀寫，同時(shí)內(nèi)部電路使另一個(gè)端口的BUSY信號(hào)有效，并在內(nèi)部禁止對(duì)方訪問，直到本端口的操作結(jié)束。BUSY信號(hào)可以作為CPURDY信號(hào)的來(lái)源，從而使得CPU處于等待狀態(tài)。

當(dāng)雙口RAM單片使用的時(shí)候，問題相對(duì)簡(jiǎn)單，但是，在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)中，由于數(shù)據(jù)總線的寬度往往可以達(dá)到32位甚至更寬，這就需要多片雙口RAM來(lái)進(jìn)行位擴(kuò)展。此時(shí)如果出現(xiàn)同時(shí)訪問，將有多塊雙口RAM處于工作狀態(tài)，如果依然象單片工作時(shí)那樣，每塊雙口RAM都使用自己的仲裁邏輯，則很可能出現(xiàn)一種情況，即第一片仲裁使得BUSYL變低，而第二片仲裁使BUSYR變低，這樣兩邊的CPU都會(huì)處于等待狀態(tài)。為了避免這種情況的發(fā)生(BUSY信號(hào)死鎖)，可以使用主從模式，使得當(dāng)多塊芯片一起工作時(shí)，只使用主片的仲裁邏輯，并迫使從片跟隨主片。主從模式的電路連接如圖1所示。

圖1 主從連接電路

主芯片的BUSY信號(hào)接上拉電阻作為輸出，從芯片的BUSY信號(hào)作為寫禁止輸入，當(dāng)主芯片處于BUSY狀態(tài)時(shí)，從芯片接收這個(gè)狀態(tài)，同樣處于忙狀態(tài)，從而避免了死鎖的發(fā)生。

中斷邏輯 另一個(gè)重要的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)，它允許雙CPU通過端口直接進(jìn)行通信。CY7C025最高位的存儲(chǔ)單元1FFF作為右邊端口的中斷信箱，

次高位存儲(chǔ)單元1FFE作為左邊端口的中斷信箱。各CPU可以讀取雙方的中斷信箱，但只能寫對(duì)方的中斷信箱。當(dāng)一端寫入對(duì)方的中斷信箱時(shí)，對(duì)方就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào);讀自己的中斷信箱則清除自己的中斷信號(hào)，讀對(duì)方的中斷信箱不會(huì)清除中斷信號(hào)。

旗語(yǔ)通信邏輯 可以使雙口RAM暫時(shí)指定一塊存儲(chǔ)區(qū)，只供一端的CPU使用，稱之為獨(dú)占模式。CY7C025配置了獨(dú)立于RAM陣列的8個(gè)旗語(yǔ)鎖存器，用于標(biāo)志雙口RAM是否處于獨(dú)占模式。獨(dú)占模式也可以用來(lái)避免地址仲裁問題，因?yàn)?，它是一種使兩邊不同時(shí)使用同一地址的方法，通常也叫做軟件仲裁。

控制平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 雙DSP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電機(jī)由IPM來(lái)驅(qū)動(dòng)，霍爾元件檢測(cè)相關(guān)物理量，通過信號(hào)調(diào)理電路給A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換結(jié)果由LF2407A存儲(chǔ)于雙口RAM中，并由VC33讀取用于計(jì)算。調(diào)理的同時(shí)保護(hù)電路也進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)，在意外狀況發(fā)生時(shí)隨時(shí)切斷觸發(fā)信號(hào)。VC33將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，所有的數(shù)據(jù)處理都由VC33完成，只將計(jì)算結(jié)果反饋給LF2407A，并由此產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，通過接口電路來(lái)控制IPM工作。同時(shí)預(yù)留了D/A及串口輸出等相關(guān)外圍電路，用于實(shí)現(xiàn)顯示、檢測(cè)、與其它系統(tǒng)通信等各項(xiàng)功能。LF2407A和VC33優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，并行工作，控制周期的長(zhǎng)短主要取決于算法實(shí)現(xiàn)時(shí)間。原有的控制軟件(以C32為控制平臺(tái))需要100μs左右，在采用了新的控制平臺(tái)后，整個(gè)控制周期減小到20μs左右。

2 雙端口RAM存儲(chǔ)爭(zhēng)用解決方案

在雙機(jī)的數(shù)據(jù)交流過程中，存在存儲(chǔ)空間爭(zhēng)用問題，常見的解決方案有如下幾種。

——硬件方案 最簡(jiǎn)單的方法就是上面提到的使用雙口RAM內(nèi)部的仲裁邏輯，要求兩邊的CPU都具有RDY引腳，從而插入相應(yīng)的等待周期。對(duì)于8098單片機(jī)，DSP都具有這樣的資源，而且只需要硬件支持，相對(duì)簡(jiǎn)單。如果不具備RDY引腳，如8031單片機(jī)，則不能采用此種方法。

——中斷方案 需要硬件和軟件的同時(shí)支持。將雙口RAM的左右中斷信號(hào)輸出引腳和CPU的外部中斷輸入引腳相連，并編寫相應(yīng)的中斷子程序。