雙DSP電機(jī)控制數(shù)字平臺設(shè)計(jì)

摘要：直接轉(zhuǎn)矩控制目前已經(jīng)應(yīng)用到同步機(jī)和異步機(jī)的各種控制系統(tǒng)中，由于其采用Bang?Bang控制，長控制周期將導(dǎo)致大電流和大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)這兩個(gè)突出問題，要使控制性能更為優(yōu)越必然對控制周期提出更高的要求。提高控制平臺性能是解決這些問題的有效途徑之一。TI公司的2000系列DSP是電機(jī)控制領(lǐng)域常用芯片，針對電機(jī)控制設(shè)計(jì)的事件管理器具有突出優(yōu)點(diǎn)。3X系列DSP則是性價(jià)比很好的通用芯片，浮點(diǎn)運(yùn)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(jī)控制領(lǐng)域特點(diǎn)出發(fā)，利用TMS320LF2407A控制上的強(qiáng)大功能而專注于控制方面的工作；TMS320VC33浮點(diǎn)運(yùn)算能力強(qiáng)，則進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理。使用雙口RAMCY7C025實(shí)現(xiàn)雙機(jī)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。

關(guān)鍵詞：電機(jī)控制；直接轉(zhuǎn)矩控制；雙DSP；雙端口RAM；通信

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(gè)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(fù)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(hù)以及人機(jī)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(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，針對電機(jī)控制這一特定領(lǐng)域，需要采集的數(shù)據(jù)相對較少，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，避免存儲空間爭用[5]的同時(shí)，使得數(shù)據(jù)存儲過程盡量少耗費(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PDPINT_A和PDPINT_B，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；采用編程語言C會(huì)使程序編寫效率大大改善，這對于需要用復(fù)雜算法實(shí)現(xiàn)的控制策略來說是很重要的。

??? 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）和把一塊存儲器臨時(shí)分配到某一邊的硬件支持（旗語邏輯），從而保證雙機(jī)之間數(shù)據(jù)、信號交流的正確進(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(dāng)雙口RAM單片使用的時(shí)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(dá)到32位甚至更寬，這就需要多片雙口RAM來進(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BUSY_L變低，而第二片仲裁使BUSY_R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信號接上拉電阻作為輸出，從芯片的BUSY信號作為寫禁止輸入，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(dāng)一端寫入對方的中斷信箱時(shí)，對方就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(huì)清除中斷信號。

??? 旗語通信邏輯??? 可以使雙口RAM暫時(shí)指定一塊存儲區(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)占模式也可以用來避免地址仲裁問題，因?yàn)椋且环N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來驅(qū)動(dòng)，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(jì)算。調(diào)理的同時(shí)保護(hù)電路也進(jìn)行相應(yīng)的檢測，在意外狀況發(fā)生時(shí)隨時(shí)切斷觸發(fā)信號。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，通過接口電路來控制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、與其它系統(tǒng)通信等各項(xiàng)功能。LF2407A和VC33優(yōu)勢互補(bǔ)，并行工作，控制周期的長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）需要100μs左右，在采用了新的控制平臺后，整個(gè)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(jī)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(yīng)的等待周期。對于8098單片機(jī)，DSP都具有這樣的資源，而且只需要硬件支持，相對簡單。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。

??? ——旗語方案??? 同樣需要硬件和軟件的同時(shí)支持，我們也稱之為軟件仲裁。其步驟為申請獨(dú)占區(qū)域、判斷申請是否成功、釋放獨(dú)占區(qū)域。由于兩邊不同時(shí)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(jì)時(shí)綜合了各種情況最后選用了硬件方案。這是因?yàn)槭褂弥袛喾桨杠浖帉憦?fù)雜，頻繁中斷跳轉(zhuǎn)在算法和控制都較復(fù)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(fù)雜一些；硬件方案具有簡單可靠的特點(diǎn)，存儲空間的爭用完全由硬件解決，即當(dāng)發(fā)生存儲空間爭用的時(shí)候，決定先行穩(wěn)定的端口優(yōu)先進(jìn)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(jī)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(gè)控制周期內(nèi)傳遞數(shù)據(jù)8個(gè)，LF2407A一次讀/寫周期50ns記，共需要0.4μs。當(dāng)然這完全由硬件來實(shí)現(xiàn)，若考慮軟件上共同配合，則可以更有效地減少等待時(shí)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(huì)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(diǎn)所在。

3??? TMS320C2407A/TMS320VC33與CY7C025之間通信的實(shí)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(jìn)行寬度擴(kuò)展（見圖3），這樣每次VC33讀取數(shù)據(jù)時(shí)就能一次讀入兩個(gè)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(jì)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(shí)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(shí)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(wù)。但是如果僅僅用硬件完成，如上分析，畢竟等待時(shí)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(shí)寫同一個(gè)存儲單元。在數(shù)據(jù)寫的時(shí)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(dú)立開來，顯然LF2407A和VC33在寫的時(shí)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(shí)間的情況是基于如下假設(shè)：將8個(gè)數(shù)據(jù)依順序存儲于同一地址單元。即LF2407A存第一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生沖突，VC33產(chǎn)生等待時(shí)間50ns，等待結(jié)束VC33讀數(shù)據(jù)，此后LF2407A將第二個(gè)數(shù)據(jù)覆蓋前一個(gè)數(shù)據(jù)存儲，依次類推得出的結(jié)果就是8×50ns=400ns。事實(shí)是我們有足夠的地址空間用來存儲每批數(shù)據(jù)，將8個(gè)數(shù)據(jù)按順序存放在不同的地址空間，此時(shí)的情況如下：LF2407A存第一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生沖突，VC33產(chǎn)生等待時(shí)間50ns，等待結(jié)束VC33讀數(shù)據(jù)，與此同時(shí)LF2407A也開始寫第二個(gè)數(shù)據(jù)于下一個(gè)存儲單元中。兩者同時(shí)進(jìn)行，我們只要保證VC33讀完的時(shí)候，LF2407A第二個(gè)數(shù)據(jù)已經(jīng)寫完，則不會(huì)有沖突發(fā)生。針對本例，由于兩者時(shí)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(dāng)讀/寫反過來的時(shí)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(gè)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(jì)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(jìn)行雙機(jī)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(jì)算上分工明確，并行工作。利用雙口RAM實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的交流的時(shí)候，針對電機(jī)控制系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)相對較少的特點(diǎn)，從硬件和軟件上相互配合，在解決存儲空間爭用的同時(shí)，很好地解決了等待時(shí)間等資源的浪費(fèi)，也避免了數(shù)據(jù)交換時(shí)利用中斷造成的軟件不穩(wěn)定。實(shí)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(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，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(shí)也使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯減小。