雙DSP電機控制數字平臺設計

摘要：直接轉矩控制目前已經應用到同步機和異步機的各種控制系統中，由于其采用Bang?Bang控制，長控制周期將導致大電流和大的轉矩脈動這兩個突出問題，要使控制性能更為優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是電機控制領域常用芯片，針對電機控制設計的事件管理器具有突出優點。3X系列DSP則是性價比很好的通用芯片，浮點運算，數據處理速度快。為此采用雙DSP系統結構，從電機控制領域特點出發，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，則進行數據的分析和處理。使用雙口RAMCY7C025實現雙機之間的高速數據交流和通信，使得不同MDSP優勢充分體現，協同工作，大大提高控制平臺的性能。

關鍵詞：電機控制；直接轉矩控制；雙DSP；雙端口RAM；通信

0??? 引言

??? 直接轉矩控制[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展[2]。由于該理論直接對轉矩進行控制，故瞬態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，還要執行數據采集、控制信號輸出、系統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并行工作的體系結構；并同時考慮到該控制系統的特點，即在每個控制周期內兩個DSP之間交換的信息很少，不同于諸如圖像采集系統[4]那樣，需要大流量的數據交換。由此采取了一系列特殊的設計思想。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域的芯片TMS320LF2407A專注于控制；高速通用數據處理芯片TMS320VC33則著眼于復雜算法的實現，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域，需要采集的數據相對較少，同時反饋的也只是計算結果，即PWM波發送策略，并無大量中間結果，因此，需要考慮的重點是控制方法的實現，和數據采集的實現必須占用盡可能少的資源。同時由于數據量較少，可以用較小的代價來實現數據的冗余，使得數據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。為了實現兩個DSP之間的數據交換和通信，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，使得數據存儲過程盡量少耗費各種資源。

1??? 硬件系統構成

??? 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位脈寬調制（PWM）通道。這些都是針對電機控制而設計的，在PWM波的產生上相當方便可靠；可編程的PWM死區控制可以防止上下橋臂同時輸出觸發脈沖而導致直通。同時每個模塊還提供了兩個外部引腳PDPINT_A和PDPINT_B，當該引腳上出現低電平時事件管理器模塊將快速關閉相應的PWM通道，起到保護作用。片內模數轉換模塊為數據采集提供了高性能的A/D轉換器，最小轉換時間只有500ns。由于轉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，具有很高的數據處理速度。片內部分擁有34K×32位的RAM，在程序運行期間，所有的數據都位于其中，從而能夠充分發揮哈佛總線結構所帶來的數據吞吐量大、運算快的優點。在算法實現上，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、數據線和控制線，片內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系（中斷邏輯）；兩個CPU正在使用同一地址時的時間關系（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據、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，否則就會發生錯誤。雙口RAM中已經有相應的仲裁邏輯電路來解決這一問題：先行穩定的地址端口通過仲裁邏輯電路優先讀寫，同時內部電路使另一個端口的BUSY信號有效，并在內部禁止對方訪問，直到本端口的操作結束。BUSY信號可以作為CPURDY信號的來源，從而使得CPU處于等待狀態。

??? 當雙口RAM單片使用的時候，問題相對簡單，但是，在現代數字系統中，由于數據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。此時如果出現同時訪問，將有多塊雙口RAM處于工作狀態，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都會處于等待狀態。為了避免這種情況的發生（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狀態時，從芯片接收這個狀態，同樣處于忙狀態，從而避免了死鎖的發生。

??? 中斷邏輯??? 另一個重要的內部電路結構，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，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。

??? 控制平臺結構框圖如圖2所示。

圖2??? 雙DSP系統結構框圖

??? 電機由IPM來驅動，霍爾元件檢測相關物理量，通過信號調理電路給A/D轉換器，轉換結果由LF2407A存儲于雙口RAM中，并由VC33讀取用于計算。調理的同時保護電路也進行相應的檢測，在意外狀況發生時隨時切斷觸發信號。VC33將獲取的數據進行分析和計算，所有的數據處理都由VC33完成，只將計算結果反饋給LF2407A，并由此產生相應的控制信號，通過接口電路來控制IPM工作。同時預留了D/A及串口輸出等相關外圍電路，用于實現顯示、檢測、與其它系統通信等各項功能。LF2407A和VC33優勢互補，并行工作，控制周期的長短主要取決于算法實現時間。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

??? 在雙機的數據交流過程中，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域、判斷申請是否成功、釋放獨占區域。由于兩邊不同時使用同一地址，所以也可以避免爭用的發生。

??? 本系統設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，頻繁中斷跳轉在算法和控制都較復雜的情況下，對于軟件的可靠性和穩定性是不利的；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，即當發生存儲空間爭用的時候，決定先行穩定的端口優先進行訪問，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生很長的等待周期。針對本系統考慮，即使是最壞的情況：每個控制周期內傳遞數據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，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，并不會給系統性能帶來顯著影響，系統可靠性和穩定性也能夠得到保證。這也正是本系統的特點所在。

3??? TMS320C2407A/TMS320VC33與CY7C025之間通信的實現

??? LF2407A的數據總線寬度和地址總線寬度都是16位，單片CY7C025就足夠了。VC33的數據總線寬度是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讀取數據時就能一次讀入兩個LF2407A的采樣數據。也可以采用單片CY7C025，雖然沒有完全利用VC33的數據寬度，但是，從電路設計上來講相對簡潔。由于本系統雙口RAM的作用主要是起到數據傳遞的作用，不需要保存大量的中間結果以及已經使用過的數據，因此，需要的存儲空間不是很大，單片雙口RAM就已經足夠。具體的接口電路見圖3，片選等控制信號由譯碼電路產生。

圖3??? 接口電路實現

??? 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

??? 雙DSP協同工作的關鍵是相互通信和數據交流上的密切配合，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生的情況。

??? 首先，沖突可能發生在同時寫同一個存儲單元。在數據寫的時候采用如下措施可以避免這種情況的發生：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生沖突，避免了等待的發生。

圖4??? 讀/寫存儲空間分開

??? 其次，沖突可能發生在一讀一寫同一存儲單元的情況下。以LF2407A寫數據，VC33讀數據為例，上面分析的產生0.4μs等待時間的情況是基于如下假設：將8個數據依順序存儲于同一地址單元。即LF2407A存第一個數據時發生沖突，VC33產生等待時間50ns，等待結束VC33讀數據，此后LF2407A將第二個數據覆蓋前一個數據存儲，依次類推得出的結果就是8×50ns=400ns。事實是我們有足夠的地址空間用來存儲每批數據，將8個數據按順序存放在不同的地址空間，此時的情況如下：LF2407A存第一個數據時發生沖突，VC33產生等待時間50ns，等待結束VC33讀數據，與此同時LF2407A也開始寫第二個數據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第二個數據已經寫完，則不會有沖突發生。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，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，最終的結果是只增加50ns的等待周期，對于本系統完全可以接受。

??? 由于兩個DSP并不同步工作，所以，LF2407A可以采樣盡可能多的數據并保存，VC33只選用最新的數據用于計算，這樣就能保證數據的冗余。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??? 結語

??? 雙DSP控制系統綜合利用了TMS320LF2407A和TMS320VC33芯片的優勢和特長，兩者在控制和計算上分工明確，并行工作。利用雙口RAM實現數據和信息的交流的時候，針對電機控制系統采樣數據相對較少的特點，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，也避免了數據交換時利用中斷造成的軟件不穩定。實現了兩者之間的協調工作，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，同時也使轉矩脈動明顯減小。