双DSP电机控制数字平台设计

摘要：直接转矩控制目前已经应用到同步机和异步机的各种控制系统中，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

0    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PDPINT_A和PDPINT_B，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BUSY_L变低，而第二片仲裁使BUSY_R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。

图1    主从连接电路

    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，从而避免了死锁的发生。

    中断逻辑    另一个重要的内部电路结构，它允许双CPU通过端口直接进行通信。CY7C025最高位的存储单元1FFF作为右边端口的中断信箱，

    次高位存储单元1FFE作为左边端口的中断信箱。各CPU可以读取双方的中断信箱，但只能写对方的中断信箱。当一端写入对方的中断信箱时，对方就会产生一个中断信号；读自己的中断信箱则清除自己的中断信号，读对方的中断信箱不会清除中断信号。

    旗语通信逻辑    可以使双口RAM暂时指定一块存储区，只供一端的CPU使用，称之为独占模式。CY7C025配置了独立于RAM阵列的8个旗语锁存器，用于标志双口RAM是否处于独占模式。独占模式也可以用来避免地址仲裁问题，因为，它是一种使两边不同时使用同一地址的方法，通常也叫做软件仲裁。

    控制平台结构框图如图2所示。

图2    双DSP系统结构框图

    电机由IPM来驱动，霍尔元件检测相关物理量，通过信号调理电路给A/D转换器，转换结果由LF2407A存储于双口RAM中，并由VC33读取用于计算。调理的同时保护电路也进行相应的检测，在意外状况发生时随时切断触发信号。VC33将获取的数据进行分析和计算，所有的数据处理都由VC33完成，只将计算结果反馈给LF2407A，并由此产生相应的控制信号，通过接口电路来控制IPM工作。同时预留了D/A及串口输出等相关外围电路，用于实现显示、检测、与其它系统通信等各项功能。LF2407A和VC33优势互补，并行工作，控制周期的长短主要取决于算法实现时间。原有的控制软件（以C32为控制平台）需要100μs左右，在采用了新的控制平台后，整个控制周期减小到20μs左右。

2    双端口RAM存储争用解决方案

    在双机的数据交流过程中，存在存储空间争用问题，常见的解决方案有如下几种。

    ——硬件方案    最简单的方法就是上面提到的使用双口RAM内部的仲裁逻辑，要求两边的CPU都具有RDY引脚，从而插入相应的等待周期。对于8098单片机，DSP都具有这样的资源，而且只需要硬件支持，相对简单。如果不具备RDY引脚，如8031单片机，则不能采用此种方法。

    ——中断方案    需要硬件和软件的同时支持。将双口RAM的左右中断信号输出引脚和CPU的外部中断输入引脚相连，并编写相应的中断子程序。

    ——旗语方案    同样需要硬件和软件的同时支持，我们也称之为软件仲裁。其步骤为申请独占区域、判断申请是否成功、释放独占区域。由于两边不同时使用同一地址，所以也可以避免争用的发生。

    本系统设计时综合了各种情况最后选用了硬件方案。这是因为使用中断方案软件编写复杂，频繁中断跳转在算法和控制都较复杂的情况下，对于软件的可靠性和稳定性是不利的；采用旗语方案则控制相对复杂一些；硬件方案具有简单可靠的特点，存储空间的争用完全由硬件解决，即当发生存储空间争用的时候，决定先行稳定的端口优先进行访问，另一端口则插入等待周期。由于DSP的快速性，不同于以往的单片机将产生很长的等待周期。针对本系统考虑，即使是最坏的情况：每个控制周期内传递数据8个，LF2407A一次读/写周期50ns记，共需要0.4μs。当然这完全由硬件来实现，若考虑软件上共同配合，则可以更有效地减少等待时间。而且0.4μs和20μs的控制周期相比，所占的比重非常小，并不会给系统性能带来显著影响，系统可靠性和稳定性也能够得到保证。这也正是本系统的特点所在。

3    TMS320C2407A/TMS320VC33与CY7C025之间通信的实现

    LF2407A的数据总线宽度和地址总线宽度都是16位，单片CY7C025就足够了。VC33的数据总线宽度是32位，可以采用两片CY7C025以主从模式进行宽度扩展（见图3），这样每次VC33读取数据时就能一次读入两个LF2407A的采样数据。也可以采用单片CY7C025，虽然没有完全利用VC33的数据宽度，但是，从电路设计上来讲相对简洁。由于本系统双口RAM的作用主要是起到数据传递的作用，不需要保存大量的中间结果以及已经使用过的数据，因此，需要的存储空间不是很大，单片双口RAM就已经足够。具体的接口电路见图3，片选等控制信号由译码电路产生。

图3    接口电路实现

    地址空间分配综合了不同DSP的空间资源分配要求，具体见表1。

表1    地址空间分配表

4    软件功能实现

    双DSP协同工作的关键是相互通信和数据交流上的密切配合，可通过硬件仲裁电路来完成这一任务。但是如果仅仅用硬件完成，如上分析，毕竟等待时间还要0.4μs左右。如果辅以软件配合，则可以有效地减少等待产生的情况。

    首先，冲突可能发生在同时写同一个存储单元。在数据写的时候采用如下措施可以避免这种情况的发生：如图4所示，将读/写的存储空间独立开来，显然LF2407A和VC33在写的时候就不可能产生冲突，避免了等待的发生。

图4    读/写存储空间分开

    其次，冲突可能发生在一读一写同一存储单元的情况下。以LF2407A写数据，VC33读数据为例，上面分析的产生0.4μs等待时间的情况是基于如下假设：将8个数据依顺序存储于同一地址单元。即LF2407A存第一个数据时发生冲突，VC33产生等待时间50ns，等待结束VC33读数据，此后LF2407A将第二个数据覆盖前一个数据存储，依次类推得出的结果就是8×50ns=400ns。事实是我们有足够的地址空间用来存储每批数据，将8个数据按顺序存放在不同的地址空间，此时的情况如下：LF2407A存第一个数据时发生冲突，VC33产生等待时间50ns，等待结束VC33读数据，与此同时LF2407A也开始写第二个数据于下一个存储单元中。两者同时进行，我们只要保证VC33读完的时候，LF2407A第二个数据已经写完，则不会有冲突发生。针对本例，由于两者时间不同（LF2407A为50ns，VC33为13.3ns），VC33读得较快，只要在软件编写上增加40ns左右的循环，就能保证如上的要求。当读/写反过来的时候，则不存在这样的情况而能顺利配合。这样，最终的结果是只增加50ns的等待周期，对于本系统完全可以接受。

    由于两个DSP并不同步工作，所以，LF2407A可以采样尽可能多的数据并保存，VC33只选用最新的数据用于计算，这样就能保证数据的冗余。程序流程如图5所示。

（a）LF2407A流程图

(b)VC33流程图

图5    利用双口RAM进行双机通信流程图

5    结语

    双DSP控制系统综合利用了TMS320LF2407A和TMS320VC33芯片的优势和特长，两者在控制和计算上分工明确，并行工作。利用双口RAM实现数据和信息的交流的时候，针对电机控制系统采样数据相对较少的特点，从硬件和软件上相互配合，在解决存储空间争用的同时，很好地解决了等待时间等资源的浪费，也避免了数据交换时利用中断造成的软件不稳定。实现了两者之间的协调工作，大大缩短了控制周期，提高了控制平台的性能。对于低电感同步电机直接转矩控制时，由于控制周期过长而引起电流上升过大的问题能很好地加以解决，同时也使转矩脉动明显减小。