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双DSP电机控制数字平台设计

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:和异步机的各种控直接转矩控制目前已经应用到同步机制系统中,由于其采用BangBang控制,长控制周期将导致大电流和大的转矩脉动这两个突出问题,要使控制性能更为优越必然对控制周期提出更高的要求。提高控制平台性能是解决这些问题的有效途径之一。TI公司的2000系列DSP是电机控制领域常用芯片,针对电机控制设计的事件管理器具有突出优点。3X系列DSP则是性价比很好的通用芯片,浮点运算,数据处理速度快。为此采用双DSP系统结构,从电机控制领域特点出发,利用TMS320LF2407A控制上的强大功能而专注于控制方面的工作;TMS320VC33浮点运算能力强,则进行数据的分析和处理。使用双口RAMCY7C025实现双机之间的高速数据交流和通信,使得不同MDSP优势充分体现,协同工作,大大提高控制平台的性能。

  关键词:电机控制;直接转矩控制;双DSP;双端口RAM;通信
  
  引言
  
  直接转矩控制[1]是目前广为研究的电机控制理论之一,已在异步机上取得了成功,而在同步机方面的应用也已有了一定发展[2]。由于该理论直接对转矩进行控制,故瞬态性能得到了显著的改善。但是,由于其采用的是BangBang控制,控制周期过长会使电流过大;同时大周期会使转矩脉动加大。为了解决这个问题可以从控制策略上加以改进,比如采用SVMDTC[3]来取代传统DTC方案;也可以在控制平台上加以考虑,提高处理器速度,缩短控制周期。以单个DSP为核心的控制平台(常见的芯片如TI公司的2000系列),由于既要完成复杂的算法,还要执行数据采集、控制信号输出、系统保护以及人机交互等一系列操作,无法有效地缩短控制周期。在综合考虑了各种数字信号处理器的性能之后,决定采用双DSP并行工作的体系结构;并同时考虑到该控制系统的特点,即在每个控制周期内两个DSP之间交换的信息很少,不同于诸如图像采集系统[4]那样,需要大流量的数据交换。由此采取了一系列特殊的设计思想。首先,在芯片的选型上兼顾了各自不同的特点,即专用于电机控制领域的芯片TMS320LF2407A专注于控制;高速通用数据处理芯片TMS320VC33则着眼于复杂算法的实现,从而充分利用了各自的特点。其次,针对电机控制这一特定领域,需要采集的数据相对较少,同时反馈的也只是计算结果,即PWM波发送策略,并无大量中间结果,因此,需要考虑的重点是控制方法的实现,和数据采集的实现必须占用尽可能少的资源。同时由于数据量较少,可以用较小的代价来实现数据的冗余,使得数据处理时更加灵活和方便,DSP之间并不一定保持同步工作状态。为了实现两个DSP之间的数据交换和通信,选择了双口RAM作为两者之间的媒介。并从硬件和软件上相互配合,避免存储空间争用[5]的同时,使得数据存储过程尽量少耗费各种资源。
  
  1硬件系统构成
  
  TMS320LF2407A最突出的特点在于其事件管理器模块:共有两个事件管理器EVA及EVB,提供了8个16位脉宽调制(PWM)通道。这些都是针对电机控制而设计的,在PWM波的产生上相当方便可靠;可编程的PWM死区控制可以防止上下桥臂同时输出触发脉冲而导致直通。同时每个模块还提供了两个外部引脚PDPINTA和PDPINTB,当该引脚上出现低电平时事件管理器模块将快速关闭相应的PWM通道,起到保护作用。片内模数转换模块为数据采集提供了高性能的A/D转换器,最小转换时间只有500ns。由于转换时间是整个控制周期的组成部分之一,快速A/D对于缩短控制周期是非常有利的。
  
  TMS320C3X系列DSP芯片是一种性能价格比很好的浮点处理芯片,具有很高的数据处理速度。片内部分拥有34K×32位的RAM,在程序运行期间,所有的数据都位于其中,从而能够充分发挥哈佛总线结构所带来的数据吞吐量大、运算快的优点。在算法实现上,由于采用了浮点计算格式,将使计算精度得到提高;采用编程语言C会使程序编写效率大大改善,这对于需要用复杂算法实现的控制策略来说是很重要的。
  
  双口RAM的特点在于具有两组相互独立的地址线、数据线和控制线,片内包含的控制逻辑解决了三个重要的问题:处理器之间的信号关系(中断逻辑);两个CPU正在使用同一地址时的时间关系(仲裁逻辑)和把一块存储器临时分配到某一边的硬件支持(旗语逻辑),从而保证双机之间数据、信号交流的正确进行。
  
  仲裁逻辑(忙逻辑)每块CY7C025允许两个CPU同时读取任何存储单元(包括同时读同一地址单元),但是不允许同时写或者一读一写同一地址单元,否则就会发生错误。双口RAM中已经有相应的仲裁逻辑电路来解决这一问题:先行稳定的地址端口通过仲裁逻辑电路优先读写,同时内部电路使另一个端口的BUSY信号有效,并在内部禁止对方访问,直到本端口的操作结束。BUSY信号可以作为CPURDY信号的来源,从而使得CPU处于等待状态。
  
  当双口RAM单片使用的时候,问题相对简单,但是,在现代数字系统中,由于数据总线的宽度往往可以达到32位甚至更宽,这就需要多片双口RAM来进行位扩展。此时如果出现同时访问,将有多块双口RAM处于工作状态,如果依然象单片工作时那样,每块双口RAM都使用自己的仲裁逻辑,则很可能出现一种情况,即第一片仲裁使得BUSYL变低,而第二片仲裁使BUSYR变低,这样两边的CPU都会处于等待状态。为了避免这种情况的发生(BUSY信号死锁),可以使用主从模式,使得当多块芯片一起工作时,只使用主片的仲裁逻辑,并迫使从片跟随主片。主从模式的电路连接如图1所示。
  
  主芯片的BUSY信号接上拉电阻作为输出,从芯片的BUSY信号作为写禁止输入,当主芯片处于BUSY状态时,从芯片接收这个状态,同样处于忙状态

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