j基于雙DSP電機控制數(shù)字平臺設(shè)計
0 引言
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/257643.htmTI公司的2000系列DSP是電機控制領(lǐng)域常用芯片,針對電機控制設(shè)計的事件管理器具有突出優(yōu)點。3X系列DSP則是性價比很好的通用芯片,浮點運算,數(shù)據(jù)處理速度快。為此采用雙DSP系統(tǒng)結(jié)構(gòu),從電機控制領(lǐng)域特點出發(fā),利用TMS320LF2407A控制上的強大功能而專注于控制方面的工作;TMS320VC33浮點運算能力強,則進行數(shù)據(jù)的分析和處理。使用雙口RAMCY7C025實現(xiàn)雙機之間的高速數(shù)據(jù)交流和通信,使得不同MDSP優(yōu)勢充分體現(xiàn),協(xié)同工作,大大提高控制平臺的性能。
直接轉(zhuǎn)矩控制[1]是目前廣為研究的電機控制理論之一,已在異步機上取得了成功,而在同步機方面的應用也已有了一定發(fā)展[2]。由于該理論直接對轉(zhuǎn)矩進行控制,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,控制周期過長會使電流過大;同時大周期會使轉(zhuǎn)矩脈動加大。為了解決這個問題可以從控制策略上加以改進,比如采用SVM-DTC[3]來取代傳統(tǒng)DTC方案;也可以在控制平臺上加以考慮,提高處理器速度,縮短控制周期。以單個DSP為核心的控制平臺(常見的芯片如TI公司的2000系列),由于既要完成復雜的算法,還要執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、控制信號輸出、系統(tǒng)保護以及人機交互等一系列操作,無法有效地縮短控制周期。在綜合考慮了各種數(shù)字信號處理器的性能之后,決定采用雙DSP并行工作的體系結(jié)構(gòu);并同時考慮到該控制系統(tǒng)的特點,即在每個控制周期內(nèi)兩個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)計思想。首先,在芯片的選型上兼顧了各自不同的特點,即專用于電機控制領(lǐng)域的芯片TMS320LF2407A專注于控制;高速通用數(shù)據(jù)處理芯片TMS320VC33則著眼于復雜算法的實現(xiàn),從而充分利用了各自的特點。其次,針對電機控制這一特定領(lǐng)域,需要采集的數(shù)據(jù)相對較少,同時反饋的也只是計算結(jié)果,即PWM波發(fā)送策略,并無大量中間結(jié)果,因此,需要考慮的重點是控制方法的實現(xiàn),和數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)必須占用盡可能少的資源。同時由于數(shù)據(jù)量較少,可以用較小的代價來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的冗余,使得數(shù)據(jù)處理時更加靈活和方便,DSP之間并不一定保持同步工作狀態(tài)。為了實現(xiàn)兩個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,避免存儲空間爭用[5]的同時,使得數(shù)據(jù)存儲過程盡量少耗費各種資源。
1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成
TMS320LF2407A最突出的特點在于其事件管理器模塊:共有兩個事件管理器EVA及EVB,提供了8個16位脈寬調(diào)制(PWM)通道。這些都是針對電機控制而設(shè)計的,在PWM波的產(chǎn)生上相當方便可靠;可編程的PWM死區(qū)控制可以防止上下橋臂同時輸出觸發(fā)脈沖而導致直通。同時每個模塊還提供了兩個外部引腳PDPINTA和PDPINTB,當該引腳上出現(xiàn)低電平時事件管理器模塊將快速關(guān)閉相應的PWM通道,起到保護作用。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)換時間只有500ns。由于轉(zhuǎn)換時間是整個控制周期的組成部分之一,快速A/D對于縮短控制周期是非常有利的。
TMS320C3X系列DSP芯片是一種性能價格比很好的浮點處理芯片,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)所帶來的數(shù)據(jù)吞吐量大、運算快的優(yōu)點。在算法實現(xiàn)上,由于采用了浮點計算格式,將使計算精度得到提高;采用編程語言C會使程序編寫效率大大改善,這對于需要用復雜算法實現(xiàn)的控制策略來說是很重要的。
雙口RAM的特點在于具有兩組相互獨立的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線,片內(nèi)包含的控制邏輯解決了三個重要的問題:處理器之間的信號關(guān)系(中斷邏輯);兩個CPU正在使用同一地址時的時間關(guān)系(仲裁邏輯)和把一塊存儲器臨時分配到某一邊的硬件支持(旗語邏輯),從而保證雙機之間數(shù)據(jù)、信號交流的正確進行。
仲裁邏輯(忙邏輯)每塊CY7C025允許兩個CPU同時讀取任何存儲單元(包括同時讀同一地址單元),但是不允許同時寫或者一讀一寫同一地址單元,否則就會發(fā)生錯誤。雙口RAM中已經(jīng)有相應的仲裁邏輯電路來解決這一問題:先行穩(wěn)定的地址端口通過仲裁邏輯電路優(yōu)先讀寫,同時內(nèi)部電路使另一個端口的BUSY信號有效,并在內(nèi)部禁止對方訪問,直到本端口的操作結(jié)束。BUSY信號可以作為CPURDY信號的來源,從而使得CPU處于等待狀態(tài)。
當雙口RAM單片使用的時候,問題相對簡單,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到32位甚至更寬,這就需要多片雙口RAM來進行位擴展。此時如果出現(xiàn)同時訪問,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都會處于等待狀態(tài)。為了避免這種情況的發(fā)生(BUSY信號死鎖),可以使用主從模式,使得當多塊芯片一起工作時,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信號接上拉電阻作為輸出,從芯片的BUSY信號作為寫禁止輸入,當主芯片處于BUSY狀態(tài)時,從芯片接收這個狀態(tài),同樣處于忙狀態(tài),從而避免了死鎖的發(fā)生。
中斷邏輯
另一個重要的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu),它允許雙CPU通過端口直接進行通信。CY7C025最高位的存儲單元1FFF作為右邊端口的中斷信箱,
次高位存儲單元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,但只能寫對方的中斷信箱。當一端寫入對方的中斷信箱時,對方就會產(chǎn)生一個中斷信號;讀自己的中斷信箱則清除自己的中斷信號,讀對方的中斷信箱不會清除中斷信號。
旗語通信邏輯可以使雙口RAM暫時指定一塊存儲區(qū),只供一端的CPU使用,稱之為獨占模式。CY7C025配置了獨立于RAM陣列的8個旗語鎖存器,用于標志雙口RAM是否處于獨占模式。獨占模式也可以用來避免地址仲裁問題,因為,它是一種使兩邊不同時使用同一地址的方法,通常也叫做軟件仲裁。
控制平臺結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
圖2 雙DSP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
電機由IPM來驅(qū)動,霍爾元件檢測相關(guān)物理量,通過信號調(diào)理電路給A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換結(jié)果由LF2407A存儲于雙口RAM中,并由VC33讀取用于計算。調(diào)理的同時保護電路也進行相應的檢測,在意外狀況發(fā)生時隨時切斷觸發(fā)信號。VC33將獲取的數(shù)據(jù)進行分析和計算,所有的數(shù)據(jù)處理都由VC33完成,只將計算結(jié)果反饋給LF2407A,并由此產(chǎn)生相應的控制信號,通過接口電路來控制IPM工作。同時預留了D/A及串口輸出等相關(guān)外圍電路,用于實現(xiàn)顯示、檢測、與其它系統(tǒng)通信等各項功能。LF2407A和VC33優(yōu)勢互補,并行工作,控制周期的長短主要取決于算法實現(xiàn)時間。原有的控制軟件(以C32為控制平臺)需要100μs左右,在采用了新的控制平臺后,整個控制周期減小到20μs左右。
2 雙端口RAM存儲爭用解決方案
在雙機的數(shù)據(jù)交流過程中,存在存儲空間爭用問題,常見的解決方案有如下幾種。
——硬件方案最簡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,從而插入相應的等待周期。對于8098單片機,DSP都具有這樣的資源,而且只需要硬件支持,相對簡單。如果不具備RDY引腳,如8031單片機,則不能采用此種方法。
——中斷方案需要硬件和軟件的同時支持。將雙口RAM的左右中斷信號輸出引腳和CPU的外部中斷輸入引腳相連,并編寫相應的中斷子程序。
——旗語方案同樣需要硬件和軟件的同時支持,我們也稱之為軟件仲裁。其步驟為申請獨占區(qū)域、判斷申請是否成功、釋放獨占區(qū)域。由于兩邊不同時使用同一地址,所以也可以避免爭用的發(fā)生。
本系統(tǒng)設(shè)計時綜合了各種情況最后選用了硬件方案。這是因為使用中斷方案軟件編寫復雜,頻繁中斷跳轉(zhuǎn)在算法和控制都較復雜的情況下,對于軟件的可靠性和穩(wěn)定性是不利的;采用旗語方案則控制相對復雜一些;硬件方案具有簡單可靠的特點,存儲空間的爭用完全由硬件解決,即當發(fā)生存儲空間爭用的時候,決定先行穩(wěn)定的端口優(yōu)先進行訪問,另一端口則插入等待周期。由于DSP的快速性,不同于以往的單片機將產(chǎn)生很長的等待周期。針對本系統(tǒng)考慮,即使是最壞的情況:每個控制周期內(nèi)傳遞數(shù)據(jù)8個,LF2407A一次讀/寫周期50ns記,共需要0.4μs。當然這完全由硬件來實現(xiàn),若考慮軟件上共同配合,則可以更有效地減少等待時間。而且0.4μs和20μs的控制周期相比,所占的比重非常小,并不會給系統(tǒng)性能帶來顯著影響,系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性也能夠得到保證。這也正是本系統(tǒng)的特點所在。
3 TMS320C2407A/TMS320VC33與CY7C025之間通信的實現(xiàn)
LF2407A的數(shù)據(jù)總線寬度和地址總線寬度都是16位,單片CY7C025就足夠了。VC33的數(shù)據(jù)總線寬度是32位,可以采用兩片CY7C025以主從模式進行寬度擴展(見圖3),這樣每次VC33讀取數(shù)據(jù)時就能一次讀入兩個LF2407A的采樣數(shù)據(jù)。也可以采用單片CY7C025,雖然沒有完全利用VC33的數(shù)據(jù)寬度,但是,從電路設(shè)計上來講相對簡潔。由于本系統(tǒng)雙口RAM的作用主要是起到數(shù)據(jù)傳遞的作用,不需要保存大量的中間結(jié)果以及已經(jīng)使用過的數(shù)據(jù),因此,需要的存儲空間不是很大,單片雙口RAM就已經(jīng)足夠。具體的接口電路見圖3,片選等控制信號由譯碼電路產(chǎn)生。
圖3 接口電路實現(xiàn)
地址空間分配綜合了不同DSP的空間資源分配要求,具體見表1。
表1 地址空間分配表
4 軟件功能實現(xiàn)
雙DSP協(xié)同工作的關(guān)鍵是相互通信和數(shù)據(jù)交流上的密切配合,可通過硬件仲裁電路來完成這一任務。但是如果僅僅用硬件完成,如上分析,畢竟等待時間還要0.4μs左右。如果輔以軟件配合,則可以有效地減少等待產(chǎn)生的情況。
首先,沖突可能發(fā)生在同時寫同一個存儲單元。在數(shù)據(jù)寫的時候采用如下措施可以避免這種情況的發(fā)生:如圖4所示,將讀/寫的存儲空間獨立開來,顯然LF2407A和VC33在寫的時候就不可能產(chǎn)生沖突,避免了等待的發(fā)生。
圖4 讀/寫存儲空間分開
其次,沖突可能發(fā)生在一讀一寫同一存儲單元的情況下。以LF2407A寫數(shù)據(jù),VC33讀數(shù)據(jù)為例,上面分析的產(chǎn)生0.4μs等待時間的情況是基于如下假設(shè):將8個數(shù)據(jù)依順序存儲于同一地址單元。即LF2407A存第一個數(shù)據(jù)時發(fā)生沖突,VC33產(chǎn)生等待時間50ns,等待結(jié)束VC33讀數(shù)據(jù),此后LF2407A將第二個數(shù)據(jù)覆蓋前一個數(shù)據(jù)存儲,依次類推得出的結(jié)果就是8×50ns=400ns。事實是我們有足夠的地址空間用來存儲每批數(shù)據(jù),將8個數(shù)據(jù)按順序存放在不同的地址空間,此時的情況如下:LF2407A存第一個數(shù)據(jù)時發(fā)生沖突,VC33產(chǎn)生等待時間50ns,等待結(jié)束VC33讀數(shù)據(jù),與此同時LF2407A也開始寫第二個數(shù)據(jù)于下一個存儲單元中。兩者同時進行,我們只要保證VC33讀完的時候,LF2407A第二個數(shù)據(jù)已經(jīng)寫完,則不會有沖突發(fā)生。針對本例,由于兩者時間不同(LF2407A為50ns,VC33為13.3ns),VC33讀得較快,只要在軟件編寫上增加40ns左右的循環(huán),就能保證如上的要求。當讀/寫反過來的時候,則不存在這樣的情況而能順利配合。這樣,最終的結(jié)果是只增加50ns的等待周期,對于本系統(tǒng)完全可以接受。
由于兩個DSP并不同步工作,所以,LF2407A可以采樣盡可能多的數(shù)據(jù)并保存,VC33只選用最新的數(shù)據(jù)用于計算,這樣就能保證數(shù)據(jù)的冗余。程序流程如圖5所示。
(a)LF2407A流程圖
(b)VC33流程圖
圖5 利用雙口RAM進行雙機通信流程圖
5 結(jié)語
雙DSP控制系統(tǒng)綜合利用了TMS320LF2407A和TMS320VC33芯片的優(yōu)勢和特長,兩者在控制和計算上分工明確,并行工作。利用雙口RAM實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的交流的時候,針對電機控制系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)相對較少的特點,從硬件和軟件上相互配合,在解決存儲空間爭用的同時,很好地解決了等待時間等資源的浪費,也避免了數(shù)據(jù)交換時利用中斷造成的軟件不穩(wěn)定。實現(xiàn)了兩者之間的協(xié)調(diào)工作,大大縮短了控制周期,提高了控制平臺的性能。對于低電感同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制時,由于控制周期過長而引起電流上升過大的問題能很好地加以解決,同時也使轉(zhuǎn)矩脈動明顯減小。
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