（电力电子与电力传动专业论文）零速极低速磁链位置观测仿真及高性能数字控制平台设计.pdf

零速极低速磁链位置观测仿真及高性能数字控制平台设计 a b s t r a c t d i g i t a lp l a t f o r mi st h eb a s i so fm o r d e nm o t o rc o n t r o ls y s t e m i nt h i st h e s i s an e w d u a l d s ps y s t e mi s g i v e no u tt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo b v i o u s l y t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 a f o c u s e so nt h es i d eo fc o n t r o lw h i l et m $ 3 2 0 v c 3 3d e a l sw i t ha l lc o m p l i c a t e dc a l c u l a t i o n b e c a u s ew em a k eu s eo ft 1 e i ra d v a n t a g ef u l l ya n di e tt h e mc o o p e r a t e r e a s o n a b l e l y , w e c a r l d e s c e n dt h ec o n 廿o l p e r i o do b v i o u s l y t h ed u a l p o r t r a mi su s e dt or e a l i z et h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h et w od s p s h o wt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ff l u xo b s e r v e ri sv e r yi m p o r t a n ti nh i g h p e r f o r m a n c e m o t o rs y s t e m ，e s p e c i a l l ya t l o w s p e e d o r z e r o s p e e ds i t u a t i o n h i g h f r e q u e n c ys i g n a l i n j e c t i o ni sb e l i e v e dt h ee m c i e n tm e t h o d t os o l v et h e s ed i m c u i l t i e s w h e nh i g h f r e q u e n c y s i g n a li si n j e c t e di n t ot h em a c h i n e t h e r ew i l lb ei m p e d a n c e sd i f i e r e n c e sb e t w e e nt h ef l u x a x i s ( d ) a n dt h eq u a d r a t u r ea x i s ( q ) i nr e l e a s e dp a p e r s ，w ec a no n l y s e et h er e a li m e x p e r i m e n t a t i o nb u t n o ta n ys i m u l a t i o nr e s u l t s p e r h a p st h ed i m c u l t yi sh o wt ob u i l dai m m o d e lw h i c hn o to n l yc a nw o r ka tc o m m o ns t a t eb u ta l s oc a ne m b o d yt h eh i g h f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c i nt h i st h e s i s ，w eb u i l dt w od i f f e r e n tp a r t ss e p a r a t e l yt or e a l i z et w od i f i e r e n t s t a t a s ，b u tw eu s es p e e d a n g l eo ff l u xa n ds o no nt oc o n n e c tt h e mi n t oo n em o d e l w ji u s t c a l li ta s “m o d e ls u p e r p o s i t i o n ”an e wf l u xo b s e r v e ri s b r i n g e do u tb a s e do nt h i si m m o d e l s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a t i o ni n d i c a t e st h a te s t i m a t e df l u xa n g l ec o i n c i d e sw i t ht h e a c t u a la n g l e t h i sp r o j e c ti ss u p p o r t e db y n s f c ( n o 5 0 17 7 0 1 4 ) a n d t h et e n t h - f i v ey e a r p r e r e s e a r c h p r o g r a m ( n o 4 0 2 0 6 0 2 0 1 ) k e y w o r d s ：d u a l d s pd u a l - p o r tr a m l o w s p e e d z e r o - s p e e d f l u xo b s e r v e r h i g h - f r e q u e n c y i n j e c t i o n m o d e ls u p e r p o s i t i o n 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 从1 9 廿纪9 0 年代初第一条- - ， h 输电线路建成到2 0i h ：纪6 0 年代未，交流电机由 于其结构简单，制造方便，价格低廉等一系列优点而广泛应用于各行子业中。这一时 期由于电力电子技术1 i 发达以及电机控制技术低下，异步电机一般都t 作在恒速状 态，造成了电能的人量浪赞。20 _ f h = 纪70 年代以后，出于世界能源消耗量的持续扩 大，节能成为每个国家必须面对和重视的现实性问题。此时在一砦调迷性能要求不高 的场合，经济型交流调速装置得到了用户的青睐，应用于原来恒造运行系统后，取得 了良好的节能效果。但是在高性能控制场合，直流电机一直以其控制简单、调速半涓、 性能良好而占据重要地化。小过直流电机也肯其自身所存在的小足之处：牛甘刈来说结 构复杂，维护麻烦，寿命短；由于换十甘器的存在，单机容量和转速都无法做人，相对 于火容量的交流电机而言，相差还是非常明最的，而且电刷需要周期性更换；为了改 善换相性能，要求电枢漏感小必然导致转子短粗，影响动态反应性能等。这砦缺点都 决定了直流电机在一些环境恶劣或者高速场合4 i 能胖仟下作。 随着人们研究的逐步深入，现代交流电机控制已经进入了集电机、电力电子、自 动化、计算机控制、数字仿真于一体n 勺综合芑t 研究领域。交流电机数字化控制系统成 为高性能电机控制的发展方向，是电力电子、控制理沦和计算机技术柏宝吉合的产物。 微处理机参与整个丌环或者闭环系统的t 作，通常具有精度高、速度快、存储量人等 特点，同时还具有逻辑判断能力，因此何可能：丈现更高绂更复杂的控制方法，获得快 速精密的控制效果。 从研究交流电机的数学模型入手，我们可以看到它是一个高阶、非线性、强祸合 的多变量复杂系统这正是我们无法采用直流电机那种简f 占控制方式的原因所在。经 过各国学者和研究人员的多年努力，针埘交流电机的各种控制理沦逐步提出，其中最 具有影响力，而且已经应用于实际系统的有1 9 7 1 年德国的r b 1 a s c h k e 提出的矢量控 制理论：1 9 8 6 年| f 本学者商桥熏“1 ( t a k a h a s h i ) 和德国教授d e p e n b r o c k ”1 提出的直 接转矩控制理沦。 欠量控制从本质上柬讲是模拟直流i 【l 机的控制办式，常见的是将三相绕组通过坐 标叟换成为相互垂自且以同步角频率“雠转的等效绕组m ，t 。如柴在m ，t 绕组l i 分 别通入直流电，则0 在m 绕组方向产q t 励磁磁场通过调一竹，的人小就可以 改变磁场的大小；同时通过调节f ，的大小就可以改变输出l u 磁转矩的大小。因此经过 坐标变换以后，异步电机的励磁电流和转矩电漉大小分别独立可调。实现了励磁分量 和转矩分量之m 的解福。矢量控制的关键在于静i r 举标轴系和旋转举标轴系之m 的变 换。在异步电机中，磁场定向控制是常见办式“1 ，因此磁场位置的准确观测也就相应 成为矢最控制理论的关键所在。戍仟i 矢品控制原理实现的控制方式，在实际应用小获 l 零速极低速磁链位置观测仿真及高性能数字控制平台设计 得了令人满意的静、动态特性，但是当应用于极低速甚至零速的时候，由于磁链位置 观测不准确，性能出现了较大幅度的下降，甚至出现不能正常工作的情况，因此如何 准确观测磁链位置成为重点和难点所在。 直接转矩控制理论不沿用矢量控制中电流解耦的思想，去掉了系统中p w m 脉宽调 制器和电流反馈环节。而是通过检测母线电压和定子电流直接计算出电机的磁链和转 矩，并利用两个滞环比较器：磁链滞环比较器和转矩滞环比较器，直接实现了对定子 磁链和转矩的解耦控制。高桥熏对异步电机提出了直接转矩控制理论“j ，并推导出 了在定子磁链幅值保持恒定的条件下，转矩增长率的公式如下： m ， ；k = 三争 2 ，o l r e ( i 儿：o ) 1 0 。一心i m ( i ：o ) ) ( 卜1 ) 早，= ( 巧一r l ) d t + c e 。o ( 卜2 ) 公式( 卜1 ) 表明，要使电机转矩迅速变化，必须迅速调整转差角0 。的大小，从图 1 一l 及公式( 卜2 ) 可以分析，0 ，角度的变化又和所选择的空间电压矢量有关。因此 必须首先观测到目前磁链所处的扇区位置，才能施加合适的空间电压矢量，使电机转 矩以所需要的方式快速变化。实际实现的控制系统，在控制性能要求不高的场合，同 样具有系统实现简单，动、静态性能良好的特点。但是在极低速情况下，由于磁链位 置观测不准确，所施加的空间电压矢量就会出现偏差或者错误，达不到预期的控制目 的，甚至无法正常工作，因此磁链位景观测准确性依然是直接转矩控制领域的关键。 图1 - 1 直接转矩控制 如上分析知道，无论是矢量控制还是直接转矩控制，在较高的转速场合，例如高 于l 、2 h z 情况下，其控制性能是令人满意的。但是随着人们对控制性能要求的逐步提 高，尤其是对低速性能要求的提高，如何解决极低速甚至零速状态下磁链位置的准确 观测，就成为高性能电机控制领域的关键性课题。 南京航空航天大学硕士学位论文 1 2 磁链观测技术的现状和发展 磁链观测从技术上来分有无位置传感器和有位置传感器两种。由于位置传感器的 存在将增加系统成本，提高维护的复杂性，所以人们一直试图采用更简洁的方法来取 代该装置，即只利用电机输出端的电压、电流信号来观测实际磁链大小和位置。无位 置传感器技术的发展已经经过了近2 0 年时间，经过各国学者的努力探索，其中的许 多技术已经应用到实际的工程领域当中，发挥了重要的作用。所提出的磁链观测理论 也愈渐成熟，但是到目前为止，他们的性能和有位置传感器的系统相比在某些方面依 然存在着一定的差距。在1 2 h z 以上的速度范围，已有观测方法的准确性还是令人 满意的，但是在此速度以下的极低速或者零速情况一直存在差距。 无位置磁链观测器技术总体又可分为两类：一类是利用电机数学模型即从理想的 电机方程组出发，来寻求相应的解决方案。根据所建立的模型是否闭环可进步分为 开环模型和闭环模型。开环情况常见的有反电动势积分法，电流法等；闭环的则有全 阶磁链闭环观测器。等。他们的共同点在于或多或少依赖于电机相关参数，而实际情 况是这些参数在电机的不同运行过程以及不同运行环境中都是不断变化的。这必然会 给磁链观测的准确性带来影响。虽然提出了一系列改进方案比如改进型积分器5 1 、电 阻在线辨识”。1 、低通滤波器“、卡尔曼滤波器。6 。7 1 等方法来尽量减少这些影响，但毕 竟该类方案的出发点是基于参数的准确性的，因此不能从根本上解决问题。 另外一类则和上述方法完全不同，不需要电机参数的参与，从源头保证了磁链观 测对于参数的鲁棒性。这类方法很多都是利用了高频激励信号注入的方法，但是在具 体的实现上却又有不同的思路。常见的有凸极跟踪法“”3 ，图1 - 2 、漏感脉动检测法、 d - q 阻抗差异定位法“。1 等。 “二 ( a )控制框图 皇 呻 础、 咽一u 0 已 同 r e r 删 i _ 厂一 鬯 一圳l 辄擒一掣 j广l r 控制器 外差法实现 ( b ) 磁链观测器 图卜2 凸极跟踪法 凸极跟踪法首先需要对电机的齿槽进行特殊加工，这样在高频信号注入以后，就 能表现出类似于同步电机转子是凸极的特点，实现对磁链位置的准确观测，这正是“凸 极跟踪法”名称的由来。具体的控制框图如图1 - 2 ( a ) 所示，其中的l p f 为低通滤 零速极低速磁链位置观测仿真及高性能数字控制平台设计 波器，实现基波量的闭环控制，b p f 为带通滤波器，分离出来的较高频率信号作为磁 链位置观测使用。从文献”可以得到如下推导公式： 定子电流矩阵i 品= 意 z 0 塞：；：z 。s i 。n 。( 。2 ：0 以7 - - 一c - 缈o i 力1 ) c ，一。， 且可以看出定子电流是由包含位置信息及不包含位置信息的两部分组成的 二部分中含有有效的磁链位置债息。利用外差法可【妄【得到公式： s = l s q 。c o s ( 2 0 ，一( - 0 ，f ) 一f 二s i n ( 2 0 ，一0 9 ，f ) ( 此处的0 ，是所估计的转子磁链位置) 。进一步化简得： s = i i os i n 2 ( c o ，t 一0 ，) + ，ls i n 2 ( 8 ，一p ，) 从公式( 卜5 ) 知道：其中的第一项不包含有用且可以提取的位置信息 频率为2 ( 出，一，) ，属于高频信号。只要第二项当0 ，哼0 ，时，值趋向于零 得到需要的磁链位置信息! 用低通滤波器( l p f ) 将第一项滤去有： 5 ，z i j 1s i n 2 够，一8 ，) 2 i 。l 侈，一毋，) 呻。护，一0 ， 图卜2 ( b ) 给出的是具体磁链观测器内部实现方法。 图卜3 所示为d - q 阻抗差异法： 其中的第 ( 1 4 ) ( 1 5 ) ，而且其 ，就可以 ( 1 - 6 ) ( a )控制框图( b )磁链观测器 图1 - 3d - q 阻抗差异法 d - q 阻抗差异法是本文需要详细介绍和实现的方法，具体在后续章节介绍。 由于这类方法的实现中加入了高频信号来辅助检测磁链位置，所需要的观测信号 也仅是高频信号，而必须滤去基波信号，所以这就涉及到数字滤波技术。同时从所处 理的信号角度来讲，谐波信号的频率较高，信号幅值较小，同时夹杂较为明显的噪声 干扰。此时的处理方法就需要更加专业的数字信号处理理论和技术的配合，而不仅仅 局限于原来的电机控制理论。更多的需要利用诸如滤波技术，f f t 技术，现代谱估计 技术等。随着d s p 芯片、硬件快速傅立叶变换( f f t ) 芯片的出现，以及数字信号处 理技术的不断完善和应用，为解决这些问题提供了必要的保证，但是显然将增加系统 计算和处理的复杂性，对系统平台必须进行必要的升级。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 1 3 新型数字平台方案 正如上一节所讨论的那样，由于对电机新的更高控制性能的追求，控制理论的研 究才逐步深入，许多学者和研究人员提出了新的控制算法和控制策略，在数字化实现 上对硬件平台的要求必然越来越高，从早期的单片机到9 0 年代初的d s p ，微处理器 芯片的发展给电机控制领域的发展做出了重大贡献。t i 公司开发了针对电机控制的 2 4 x 系列d s p 芯片，常见的有t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，该芯片属于定点系列，最高工作频率只 有4 0 m h z ；此外通用浮点处理芯片t m s 3 2 0 v c 3 3 具有较强的计算能力，数据处理能力 达到1 5 0 m o p s ，软件编程效率较高，可用常见的c 语言进行编程。但由于它是一种通 用芯片，并不是针对电机控制而设计，因此在很多模块上需要外加扩展，这给整个平 台设计带来了一定的复杂性。从以上的分析可以看到，两者各有缺点和强项。如果能 结合两者的优势部分，充分利用现有的资源，则可以大大提高新平台的整体性能。 因此在设计主控制电路的时候决定采用双d s p 的体系结构。首先，在芯片的选型 上兼顾了不同的特点：专用于电机控制领域的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 专注于控制。 它在p w m 控制波的产生、保护的实现上都具有较为完善的功能，原有系统的成功应用 证明了其使用的方便性和设计上的简洁性。内部集成的a d 转换模块具有良好的精 度。快速的转换时间( 5 0 0 n s ) 及总数达到1 6 的输入通道，在高性能的电机控制中 为完成采样量多，转换速度快、精度高起到了必要的保证，内部的保护模块可以在发 生故障时迅速切断输出信号，避免造成不必要的损失，而且可靠性较高；高速通用数 据处理芯片t m s 3 2 0 v c 3 3 则着眼于复杂算法的实现。作为浮点处理芯片，在编程上可 以采用更加简洁直观的高级编程语言c ，提高编程效率，必要的时候还可以采用汇编 和c 混合编程的方式，使得问题解决更加有效。片内有较为充足的r a m ，在运行期间， 所有的数据都位于其中，从而充分发挥了d s p 芯片中哈佛总线结构所带来的数据吞吐 量大、运算快的优点。 其次，针对电机控制这一特定领域，不同于图像处理等系统，需要采集的数据相 对较少，同时反馈的也只是计算结果既p w m 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，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，我们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，d s p 之间并不一定保持同步工作状态。为了实现两个d s p 之间的数据交换和 通讯，我们选择了双口r a m “”作为两者之间的媒介。并从硬件和软件上相互配合，避 免存储空间争用的同时，使得数据存储过程尽量少耗费各种资源。 以如此方案构建的控制平台，在整合了不同d s p 芯片各自具有的优点以后，扬长 避短，在性能上有了很大的提高。 1 4 本文的主要研究内容 本文的主要研究内容包括两个部分：高性能数字控制平台的完整设计以及零速及 极低转速下磁链位置观测仿真模型实现。 5 零速极低速磁链位置观测仿真及高性能数字控制平台设计 主控制平台的设计基于双d s p 结构，设计时兼顾不同芯片的优点：强于控制的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 专注于控制实现；t m s 3 2 0 v c 3 3 由于计算能力突出进行复杂的数据计 算，两者分工明确，优势互补。双口r a m 具有完善的片内硬件逻辑功能，用来实现两 个d s p 之间数据和信息的交流。从而使新平台的性能有一个显著的提高。 零速及极低转速下磁链位置观测属于高性能电机控制的重要组成部分，甚至可以 说是必须解决的部分。作为起动发电系统研究课题的一部分“，考虑到异步机起动 时作为原动机用，必须具有足够的起动转矩带动内燃机到怠速才能使其自行点火工 作，因此它在低速时转矩的大小是很重要的，如果转矩蓝线达不到内燃机的起动特性 要求，内燃机就无法正常工作。以前通常用直流电机作为原动机使用，从转矩控制角 度讲很容易满足如上的要求。但是用异步电机就要困难的多。因此如何解决异步电机 起动时输出足够的转矩就成为一个十分重要的环节。 本文希望通过解决极低速情况下的磁链位置观测这一难点，从控制角度出发解决 以上问题。传统的磁链观测器很多都是建立在理想电机模型基础上的，因此从本质上 来讲不可避免的存在对电机参数的依赖。在较高转速时，这种参数的变化对控制性能 的影响不是很明显，但是在零速或者极低转速时，传统磁链观测方法的精度受到了很 大的影响，因此低速时如何实现准确观测是一个很关键的课题。 在介绍和分析了各种磁链观测方法以后，综合实际条件和实现的可能性出发，本 文采用了高频信号注入的方法，利用高频信号注入时d 、q 轴阻抗不对称的特性来实 现对磁链位置的观测，称之为d - q 阻抗差异定位法。由于该方法从本质上摆脱了对电 机参数的依赖，从理论上来讲是能够准确观测磁链位置的。 从已有的论文来看，发表的都是实际电机试验方面的工作“”1 ，尚未见到系统仿 真方案，这种反常规( 常规实现一般是先做仿真试验再做实际试验) 做法的原因在于： 该方法所需的异步电机模型相当复杂。首先该模型能在基波条件下工作，实现基本的 机电能量转换，其次该模型还要对高频信号进行响应，体现出高频激励下d - q 轴阻抗 差异特性。这两种特点迥异的状态要同时实现显然是相当困难的。因此建立该异步电 机模型就不能仅仅使用传统的电机方程，而应该建立电机的磁路方程或者有限元方 程。虽然目前有诸如a n s y s 等软件可以用来进行有限元分析方面的工作，建立完整的 电机模型，从而真实反映不同工作条件下电机的瞬时磁场分布状况。但是即使这样， 如何同m a t l a b 仿真软件中s i m u l i n k 模块或者s a b a r 软件实现接口配合：以及如何利 用有限元分析得出的瞬时磁场结果实时校正电机的各项参数，都是必须解决的问题， 同时这也将导致运算量呈现几何级数的增长，使仿真过程变的非常复杂。以上困难可 能就是目前一直没有仿真研究的原因之一。因此做这方面的工作是有一定意义的，将 为进一步算法实现和实际试验打下初步基础。 南_ i 航空航天人学顾十学位论艾 第二章主控制电路设计 2 1 总体结构设计 随管技术的不断发展，d s p 的设计和制造工艺不断得到提高，更新换代产品不断 的涌现。不仅存运算能力上越来越强，而且针对电机领域没计了专h j 的控制芯片，原 来需要自己设计的很多外围功能电路已绎集成往芯片中，使得设计过程更加简单，外 围电路更加简洁，从而也桐应提高了电路的川靠性。现存常见的电机控制专j 丰j 芯片有 t m s 3 2 0 c 2 4 x ，其后有t m s 3 2 0 f 2 4 0 x ，他们都属丁定点系列的d s p 芯片。由丁_ 要进行诸 如数抛定标转换等过程，往程序编写上效率相对浮点系列的要低，而日最高工作频率 在4 0 m h z 左右，往控制算法不太复杂，运算量较小的情况下，具有突出的优点，发挥 了不小的作用。另外一种常见的d s p ，卷片系列是t m s 3 2 0 c 3 x ，该系列的的特j 矗是浮点 运算，具有较强的计算能力，软件编程效率较高，可用常见的c 语占进行编程。但它 并不是电机控制的专用芯片，许多控制模块需要自已扩展，给电路系统的设计带来了 一定的复杂性。 随着新控制理论的研究不断深入，新方法不断提出，控制算法相应变得复杂，依 然采用原有的控制系统时，控制周期将会明显变长。比如对丁直接转矩控制，控制周 期是一个非常重要的指标时间的变长必然影响到控制系统性能的下降，使转矩脉动 变大；对丁低定子电感的同步机而苦则存存起动时电流上升过快的问题。而目随着磁 链观测技术，无速度传感器技术的发展，越来越多的控制系统已经卸下了原来安装维 护复杂，州时又使成本居高不下的各种传感器。现存普遍采用的技术是通过检测电机 端的电流和电压数值来计算磁链的幅值和位置，以及电机的速度大小等关键性数据。 目j i 这些方面的工作已经取得了阶段性的成果，各种新的理论提出并应用丁实际系统 当中，使得原奉控制性能桐对较差的异步电机红不i j 领域的应用已经逐步取代了传统 的直流电机。但是如何进一步提高控制性能。除了理论研究提供软件支撑能力以外， 还需! 要硬件水平的同步改进。针对这些问题，必然要求新的控制系统存运算上具有更 强大的处理能力，从而保证软件算法复杂性提高的时，有效地减少系统控制周期， 使得新的控制理论体现出新的优势所存。 本系统往设计的时候并不足针对某个特定的对象而苦，而足作为一个具有一定扩 展能力的通崩平台柬外发的，使得该系统只有良好的n j 移植性，仵改进或者更换了外 围的辅助电路并配合桐应的软件就n j 以胜任新的工作，而不必对主控制电路进行重新 设计，从而能使我们更加关注控制策略的研究，不必频繁改动硬件基础。奉系统硬件 的特包足采用两片d s p 进行控制，定点d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 和浮点d s p ( t m s 3 2 0 v c 3 3 ) 通过双口r a m 进行有机的结合。利用电机控制的专用芯片，定点的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 来控制电机，利用通用浮点t m s 3 2 0 v c 3 3 来进行复杂的控制运算。这样既能快速完成 零速极低速磁链位置观测仿真及高性能数字控制平台设计 高精度的复杂运算，又能快速进行电机控制，成为一个高性能的电机控制开发系统。 该系统的总体设计框图如图2 - 1 所示。该框图显示了主控制电路以及外围一系列辅助 电路之间的相互联系。 s c i l 卜厂甄r 总线 i 接口l c a n ，l j 几i 五丽 总线v 1 7 茔里i 示l _ 面订 波器厂_ 一模块 l f 2 4 o 7 a 控制台， 7 卜 电源模块i l 一) 1 。，一l 7 图2 1总体设计框图 控制台用来决定该系统的运行方式：单独调速、单独发电、或者是起动发电联 合运行：i p m 模块中则集成了所有智能功率器件的隔离保护和驱动功能：继电器部分 用来控制高压直流主电路中开关的开合动作；d a 模块是试验调试阶段中必不可少的 观测点，用来显示实际电流电压等波形。作为一个完善的试验平台，良好的故障保护 和反应机制是不可缺少的，这样才能迅速切断主电路上的电源，避免事故的进一步扩 大。同时有必要提供直观的故障提示信号，告知故障可能的原因和位置，有利于迅速 找到解决问题的办法。 如果把所有功能作在一块板子上会使面积过大，而且考虑到在新的条件下系统的 扩展和更新的需要，我们考虑总共分为四块电路板，主控制电路( 包括d s p 、相应存 储器、d a 转换电路、板内电源、控制台电路等) ；采样保护电路( 完成采样保护工 作) ；系统电源电路( 提供i p m 驱动电源，板内电源的供电电源等) ：i p m 驱动电路( 完 成i p m 的光耦驱动以及保护信号的处理) 。实际的电路原理图可见附录。 其中的d s p 控制器是核心所在，就如第一章所讨论的那样，我们采用的是双d s p 的体系结构“”2 ：t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 专注于控制，完成数据的采集后即把数据交给 t m s 3 2 0 v c 3 3 处理，同时执行别的诸如p w m 控制信号输出，d a 输出等工作；v c 3 3 只 对取到的数据进行分析和计算，给出一个合理的控制策略结果给2 4 0 7 a ，不传递中间 结果和数据，同时由于该芯片采用的是浮点运算形式，计算的效率要远远大于定点芯 片，对于复杂的计算来说刚好一展身手，充分发挥优势所在。当然如何实现两者之间 的数据和信息交流是关键所在，双端口r a m 无论在数据交流的快速性还是在实现的方 便性上都具有不错的优势，同时在数据宽度的扩展等方面也相当灵活。以此作为两个 d s p 之间的接口应该是不错的选择。图2 2 显示的是用双口r a m 来实现双c p u 之间的 r 专 曰巨 圈蜀圈 仁 冈一 南京航空航天大学硕士学位论文 信息和数据交流。由于具有两套完全独立的数据、地址和控制总线，因此在实现上非 常方便，内部的逻辑电路也保证了数据交换时不会发生紊乱。 图2 - 2 双d s p 之间的通讯接口实现 2 2 主要芯片选择和介绍 2 2 1 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片的简要介绍 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片是在原有t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列芯片的基础上推出的，使得数字电 机控制系统的设计有了新的发展，指令执行速度达到了3 0 m i p s ，但是总体性价比更 加出色。它的应用范围很广，诸如工业电机驱动；功率转换器和控制器：汽车电子动 力转向装置：打印机办公产品等。从整体的结构和各组成部分的情况看，可以分为以 下几个主要模块： 夺存储器模块：可分为片内资源和片外资源两部分。片内部分包括3 2 k 字的f l a s h 程序存储器：1 5 k 字的数据程序r a m ；5 4 4 字的双口r a m 和2 k 字的单口r a m 。 片外部分可以通过1 6 位的地址总线来扩展，可获得6 4 k 字的程序存储器、数据 存储器、i o 寻址空间，即扩展空间地址是相互独立的。 事件管理器模块：共有两个事件管理器模块e v a 、e v b ，每个包括两个1 6 位通用 定时器；8 个1 6 位脉宽调制( p w m ) 通道。这些模块是针对电机控制而设计的， 能够实现三相反向器控制；p w m 的对称和非对称波形输出。当外部引脚p d p i n t x 出现低电平时能快速关闭p w m 通道，起到保护电机的作用，同时可编程的p w m 死 区控制可以防止上下桥臂直通情况的发生。片内具有光电编码器接口电路，实现 速度检测。 夺d s p 内核模块：采用3 3 v 的工作电源，大大降低了芯片的工作损耗。内核具有 1 6 位定点数据处理能力。 夺模数转换模块：1 0 位精度的a d 转换器最小转换时间为5 0 0 n s ，可选择由两个 事件管理器来触发的两个通道输入a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器。 零速极低速磁链位置观测仿真及高性能数字控制平台设计 夺串行外设接口模块( s p i ) ：s p i 是一个高速、同步1 6 位的串行外设接口，它允 许酴度可编程的串行位流( 1 1 6 位) 以可编程的位传输速度移入或移出部件。广 泛用于显示驱动、d a c 等器件的扩展接口。 夺串行通信接口模块( s c i ) ：s c i 模块支持c p u 与其它使用标准格式的异步外设之 间的数字通信。s c i 接收器和发送器是双缓冲的，每一个都有自己单独的使能和 中断标志位。两者都可以独立工作，或者在全双工的方式下同时工作。常作为与 上位机进行通讯的接口。 夺c a n 控制器模块：又称控制器区域网， 具有良好的功能特性和极高的可靠性， 2 2 2 t m s 3 2 0 v c 3 3 芯片的简要介绍 主要用于工业领域各种设备监测及控制。 现场抗干扰能力强。 t m s 3 2 0 c 3 x 系列d s p 芯片是一种性能价格比很好的浮点处理芯片，v c 3 3 型号是 在原有( 3 0 、3 l 、3 2 ) 基础上新推出的，具有更高的数据处理速度1 5 0 m f l o p s 。 片内部分拥有高达3 4 k x 3 2 位的r a m ，因此在程序运行期间就可以将所有的数据都 位于其中，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。此外v c 3 3 还继承了该系列芯片的一个突出功能：b o o tl o a d e r 功能，即可以在d s p 复位以后， 根据外部中断引脚所处的状态，将存储于e 2 p r o m 等慢速存储器中的程序整体“搬移” 到快速存储器件中，充分发挥d s p 器件快速数据处理能力。 夺存储器模块：分为片内资源和片外资源两部分。但是程序存储空间、数据存储空 间、i o 空间是统一编址的，这点和2 4 0 7 a 有很大的不同。片内部分包括3 4 k 字 的r a m ，片外部分通过2 4 位地址总线来扩展，共有寻址空间1 6 m 。 夺d s p 内核模块：采用1 8 v 的工作电源，相对于3 3 v 的2 4 0 7 a 来说进一步降低了 芯片损耗。内核具有3 2 位的浮点数据处理能力，数据处理精度将更高。i o 管脚 电源还是采用3 3 v 。 夺串行端口模块：用于串口通信，每个字可以设置为8 ，1 6 ，2 4 或者3 2 位长度， 其时钟可以来自外部或者内部信号。 夺通用定时器模块：共有两个3 2 位通用定时记数器。每个时钟都有一个i 0 管脚， 可以作为时钟输入来源，也可以作为定时器信号输出。 可见，t m s 3 2 0 v c 3 3 是一种通用浮点处理芯片，不象2 4 0 7 a 那样集成有多种控制功 能，但是它的突出特点在于高速的数据处理能力，较高的编程效率，这正是高性能控 制平台必须的几个条件之一。 2 2 3 c y 7 c 0 2 5 芯片的简要介绍 双d s p 协同工作的关键点在于两者之间的通信，只有协调一致工作才能发挥系统 的功能，并达到预期的设计目的。最终我们选择了c y p r e s s 公司生产的c y 7 c 0 2 5 双 口r a m 作为两者之间联系的桥梁，完成数据的交换和信息的交流。 南京航空航天大学硕士学位论文 双口r a m 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c p u 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，从而能很好的解决双机之间的数据和信息交流问题“”。 夺仲裁逻辑：我们知道，为了保证数据的准确性，两个c p u 可以同时读取任何存储 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 ( 即方的c p u 正改变该地址单元的数据时，另一方的c p u 不能试图对该单元的 数据进行任何形式的操作) ，否则就会发生错误。这个问题在双口r a m 中已经通 过硬件仲裁逻辑电路得到完善解决：当左右两个端口同时写入或一读一写同一地 址单元时，先行稳定的地址端1 ：3 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b u s y 信号有效，并在内部禁止对方访问，直到本端口的操作结束。 b u s y 信号同时可以作为中断源指明本次操作非法，从而使得c p u 处于等待状态。 夺中断逻辑：是另一个重要的内部电路结构，它允许双c p u 通过端口直接进行通信。 c y 7 c 0 2 5 最高位的存储单元1 f f f 作为右边端口的中断信箱，次高位存储单元1 f f e 作为左边端口的中断信箱。各c p u 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。而且可 以根据信箱内容的不同方便地在不同处理子程序之间实现切换，这样就可以实现 双d s p 之间的协调工作。中断逻辑真值表见表 表2 1 中断逻辑真值表 左端口右端口 一 功能 尉嘎c e l o f t a o l 一4 m i n 罩 刷删c 耳鸲a 月一4 2 n i n 夏 置位右端中断 llx1 f f fxxxxxl 复位右端中断 xxxxxxl ll f f fh 置位左端中断 xxxxxllx1 f f ex 复位左端中断 xll1 f f ehxxxxx 夺旗语通信逻辑：可以使双口r a m 暂时指定一块存储区，只供一端的c p u 使用，称 之为独占模式。c y 7 c 0 2 5 配置了独立于r a m 阵列的8 个旗语锁存器，用于标志双 口r a m 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，因为两边的软件决 定和同意哪边使用给定的存储器。 正是基于以上的一系列特点，双口r a m 成为一种很好的多c p u 接口实现芯片。它 具有完善的逻辑功能，提供了灵活多变的控制信号传递方式。使得设计难度大大降低， 可靠性提高。 零速极低速磁链侮簧观测仿真发高性能数字控制平台殴i 2 3 主控制电路 2 3 1 双d s p 接口电路 一股来说，解决多个c p u 的出同t 作方案包括以下几种：d s p 出l j 通讯、d m a 通 道传输，也可以通过双ur a m 、f i f o 、甚尔是公共内存来完成。 串u 是很多d s p 的标准配置模块之一，这种通讯方式丰要应用于d s p 与上位机 之间的通讯。其特点在于传输数据较少，传输速率较慢。在本系统中，设计考虑的控 制周期为2 0 u s ，则每秒需要传输的字节数为6 1 2 0 1 0 6 = 3 0 k ( 标准的三柑电机控 制系统) 。考虑到系统的扩展和更新，则传输的数据可能会更多，这样的数锯吞吐量 刈中口来说显然是无能为力的。标准的串l j 传输速率最人也就几十k ，同时考虑到通 信过程是中行方式，为了保证数据的完整性，s c i 刈接收到的数据进行问断检测、奇 偶性校验、超时和帧出错的检查，即使以最快的速度进行传输也h 能勉强满足要求。 但是从系统设计的角度来讲，没有一定余量的设计总是小合理的。 d m a 方式也是d s p 常见的通讯办式之。其工作过程是：利用两条信号线h o l d 、 h o l d a 当外部信号将h o l d 信号置低的时候，d s p 响应外部d m a 清求，一旦h o l d 信 弓变低，d m a 就将, g b 爿i 总线置为高阻念，交出外音l j 总线的控制权；当h o l d 变高的时 候，d s p 重新获得对外部总线的控制权。这种通讯设计力式比较适合于1 6 位d s p 与 m p u 之f u j 的双权系统。但是在木系统所选择的d s p 中，v c 3 3 具有浚功能i f i fl f 2 4 0 7 a 却小具备d m a 功能。 n f o 方式( f i r s li nf ir slo ul ) 即先入先出方式。从一般隋况下来说，双口 r a m 基本上能满足任何双机及多机通讯的场合，尤其是双机通讯。但是在一些高速、 超高速通讯的情况下，往往会采用f i f o 器件作为d s p 之间进行通讯的手段。r i r o 器 什是一种先进先出的存储器，即先读入的数据先读出，一般访问时m 为l o n s 疋右， 而且随着技术的进步，速度会史高。其工作原理是：从c p u 或者外设先将数据送行 f i f o 存储器，一甘f i f o 满了， 句c p u 申请中断，这样可以省去花在等待与查询上朐 时间，减少中断次数，从而提高传输速度。但是这种存储器比较少见价格也比较昂贵。 双口r a m 的特点和优势在上节中已经有了详细的分析，关键是如何解决与d s p 的 接u 题。仲裁逻辑电路的存在解决了d s p 对同一个存储单元进行操作时引起的错 误，使我们f i 必关- c , x , j 数据的操作是台会因为同时进行而引起错误，使得设讣简单。 争t - x , l 本系统，2 4 0 7 和v c 3 3 可以随时对双ur a m 进行读写操作，他们的冲突则由仲裁 逻辑电路加以控制，当冲突发，+ 的时候，先行稳定的端u 优先进行读写操作，另外一 端l j 则被斗甘应封锁，并发出一定的等待周期，使得十甘应的d s p 处于等待状态，直节前 一端l j 操作完成。浚设讣在完成数据交换时会增加一定的等待周期，传递的控制信息 也牛日埘较少。在本系统的设计过样中，由于考虑到中断将使程序设计复杂，f i 容易检 查和控制，因此没有使用它的中断功能，这样有利于程序运行的稳定陆和可靠件。 南l i 航空航天人学硕十学能论文 l f 2 4 0 7 a 的数据总线宽度和地址总线宽度都是1 6 位，单片c y 7 c 0 2 5 就足够了。v c 3 3 的数掘总线宽度是3 2 位，我们可以采用两片c y 7 c 0 2 5 以主从模式进行宽度扩展，这 样何次v c 3 3 读墩数据时就能一次读入两个l f 2 4 0 7 a 的采样数据，刈提高数据采集速 度是有利的。当然我们也可以采用单块c y 7 c 0 2 5 ，虽然没有完全利用v c 3 3 的数掘宽 度但是从电路设计上来讲相对简洁。由于本系统双口r a m 的作用丰要是起到数据传 递的作用，不需要保存犬量的中间结果以及已经使用过的数据，因此需要的存储审问 不是很人，单片双口r a m 就已经足够。具体的接u 电路见图2 - 3 ，片选等控制信号由 译码f 宦，路产牛。 2 4 0 73 3 读一 2 4 0 73 3 读写 图2 - 3接u 电路框图图2 - 4读写存储审问分丌 地址审间分配综合了小同d s p 的空间资源分配要求，具体见表2 - 2 表2 2地址审问分配表 f 起盘f i 地址终i h 地址 ll f 2 4 0 7 ao x 8 0 0 0 i io x 9 f f f i i f v c 3 30 1 0 0 0 0 1 10 1 l f f f i i 等待周期的产生不足我们所希望看到的，针对奉系统考虑，即使足最坏的情况， 每个拄制周期内传递8 个数据，l f 2 4 0 7 a 一次读写周期5 0 n s 记，j 需要0 4 u s 。相 对2 0 u s 的控制周期来讲并不足很长，但足如果能减小这个时j 当然性能会更加突出。 凼此软件设计配合也是必要的手段，n j 以做到有效地减少等待产生的情况。 首先，冲突n j 能发生件i j 时写州一