林利華，胡育文
(南京航空航天大學航空電源重點實驗室，江蘇南京 210016）
摘要：直接轉矩控制目前已經應用到同步機和非同步機的各種控制系統中，由於其採用bang bang控制，長控制週期將導致大電流和大的轉矩脈動這兩個突出問題，要使控制效能更為優越必然對控制週期提出更高的要求。提高控制平台效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晶元，針對電機控制設計的事件管理器具有突出優點。3x系列dsp則是價效比很好的通用晶元，浮點運算，資料處理速度快。為此採用雙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於控制方面的工作；tms320vc33浮點運算能力強，則進行資料的分析和處理。
使用雙口ramcy7c025實現雙機之間的高速資料交流和通訊，使得不同mdsp優勢充分體現，協同工作，大大提高控制平台的效能。
關鍵詞：電機控制；直接轉矩控制；雙dsp；雙埠ram；通訊
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，已在非同步機上取得了成功，而在同步機方面的應用也已有了一定發展[2]。由於該理論直接對轉矩進行控制，故瞬態效能得到了顯著的改善。但是，由於其採用的是bang-bang控制，控制週期過長會使電流過大；同時大週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，比如採用svm-dtc[3]來取代傳統dtc方案；也可以在控制平台上加以考慮，提高處理器速度，縮短控制週期。以單個dsp為核心的控制平台（常見的晶元如ti公司的2000系列），由於既要完成複雜的演算法，還要執行資料採集、控制訊號輸出、系統保護以及人機互動等一系列操作，無法有效地縮短控制週期。在綜合考慮了各種數字訊號處理器的效能之後，決定採用雙dsp並行工作的體系結構；並同時考慮到該控制系統的特點，即在每個控制週期內兩個dsp之間交換的資訊很少，不同於諸如影象採集系統[4]那樣，需要大流量的資料交換。
由此採取了一系列特殊的設計思想。首先，在晶元的選型上兼顧了各自不同的特點，即專用於電機控制領域的晶元tms320lf2407a專注於控制；高速通用資料處理晶元tms320vc33則著眼於複雜演算法的實現，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，需要採集的資料相對較少，同時反饋的也只是計算結果，即pwm波傳送策略，並無大量中間結果，因此，需要考慮的重點是控制方法的實現，和資料採集的實現必須占用盡可能少的資源。
同時由於資料量較少，可以用較小的代價來實現資料的冗餘，使得資料處理時更加靈活和方便，dsp之間並不一定保持同步工作狀態。為了實現兩個dsp之間的資料交換和通訊，選擇了雙口ram作為兩者之間的媒介。並從硬體和軟體上相互配合，避免儲存空間爭用[5]的同時，使得資料儲存過程盡量少耗費各種資源。
1 硬體系統構成
tms320lf2407a最突出的特點在於其事件管理器模組：共有兩個事件管理器eva及evb，提供了8個16位脈寬調變（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；可程式設計的pwm死區控制可以防止上下橋臂同時輸出觸發脈衝而導致直通。
同時每個模組還提供了兩個外部引腳pdpinta和pdpintb，當該引腳上出現低電平時事件管理器模組將快速關閉相應的pwm通道，起到保護作用。片內模數轉換模組為資料採集提供了高效能的a/d轉換器，最小轉換時間只有500ns。由於轉換時間是整個控制週期的組成部分之一，快速a/d對於縮短控制週期是非常有利的。
tms320c3x系列dsp晶元是一種效能**比很好的浮點處理晶元，具有很高的資料處理速度。片內部分擁有34k×32位的ram，在程式執行期間，所有的資料都位於其中，從而能夠充分發揮哈佛匯流排結構所帶來的資料吞吐量大、運算快的優點。在演算法實現上，由於採用了浮點計算格式，將使計算精度得到提高；採用程式語言c會使程式編寫效率大大改善，這對於需要用複雜演算法實現的控制策略來說是很重要的。
雙口ram的特點在於具有兩組相互獨立的位址線、資料線和控制線，片內包含的控制邏輯解決了三個重要的問題：處理器之間的訊號關係（中斷邏輯）；兩個cpu正在使用同一位址時的時間關係（仲裁邏輯）和把一塊儲存器臨時分配到某一邊的硬體支援（旗語邏輯），從而保證雙機之間資料、訊號交流的正確進行。
仲裁邏輯（忙邏輯） 每塊cy7c025允許兩個cpu同時讀取任何儲存單元（包括同時讀同一位址單元），但是不允許同時寫或者一讀一寫同一位址單元，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：先行穩定的位址埠通過仲裁邏輯電路優先讀寫，同時內部電路使另乙個埠的busy訊號有效，並在內部禁止對方訪問，直到本埠的操作結束。
busy訊號可以作為cpurdy訊號的**，從而使得cpu處於等待狀態。
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，由於資料匯流排的寬度往往可以達到32位甚至更寬，這就需要多片雙口ram來進行位擴充套件。此時如果出現同時訪問，將有多塊雙口ram處於工作狀態，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busyl變低，而第二片仲裁使busyr變低，這樣兩邊的cpu都會處於等待狀態。為了避免這種情況的發生（busy訊號死鎖），可以使用主從模式，使得當多塊晶元一起工作時，只使用主片的仲裁邏輯，並迫使從片跟隨主片。
主從模式的電路連線如圖1所示。
圖1 主從連線電路
主晶元的busy訊號接上拉電阻作為輸出，從晶元的busy訊號作為寫禁止輸入，當主晶元處於busy狀態時，從晶元接收這個狀態，同樣處於忙狀態，從而避免了死鎖的發生。
中斷邏輯另乙個重要的內部電路結構，它允許雙cpu通過埠直接進行通訊。cy7c025最高位的儲存單元1fff作為右邊埠的中斷信箱，
次高位儲存單元1ffe作為左邊埠的中斷信箱。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，對方就會產生乙個中斷訊號；讀自己的中斷信箱則清除自己的中斷訊號，讀對方的中斷信箱不會清除中斷訊號。
旗語通訊邏輯可以使雙口ram暫時指定一塊儲存區，只供一端的cpu使用，稱之為獨佔模式。cy7c025配置了獨立於ram陣列的8個旗語鎖存器，用於標誌雙口ram是否處於獨佔模式。獨佔模式也可以用來避免位址仲裁問題，因為，它是一種使兩邊不同時使用同一位址的方法，通常也叫做軟體仲裁。
控制平台結構框圖如圖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，通過訊號調理電路給a/d轉換器，轉換結果由lf2407a儲存於雙口ram中，並由vc33讀取用於計算。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訊號。vc33將獲取的資料進行分析和計算，所有的資料處理都由vc33完成，只將計算結果反饋給lf2407a，並由此產生相應的控制訊號，通過介面電路來控制ipm工作。
同時預留了d/a及串列埠輸出等相關外圍電路，用於實現顯示、檢測、與其它系統通訊等各項功能。lf2407a和vc33優勢互補，並行工作，控制週期的長短主要取決於演算法實現時間。原有的控制軟體（以c32為控制平台）需要100μs左右，在採用了新的控制平台後，整個控制週期減小到20μs左右。
2 雙埠ram儲存爭用解決方案
在雙機的資料交流過程中，存在儲存空間爭用問題，常見的解決方案有如下幾種。
——硬體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週期。對於8098微控制器，dsp都具有這樣的資源，而且只需要硬體支援，相對簡單。如果不具備rdy引腳，如8031微控制器，則不能採用此種方法。
——中斷方案需要硬體和軟體的同時支援。將雙口ram的左右中斷訊號輸出引腳和cpu的外部中斷輸入引腳相連，並編寫相應的中斷子程式。
——旗語方案同樣需要硬體和軟體的同時支援，我們也稱之為軟體仲裁。其步驟為申請獨佔區域、判斷申請是否成功、釋放獨佔區域。由於兩邊不同時使用同一位址，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後選用了硬體方案。這是因為使用中斷方案軟體編寫複雜，頻繁中斷跳轉在演算法和控制都較複雜的情況下，對於軟體的可靠性和穩定性是不利的；採用旗語方案則控制相對複雜一些；硬體方案具有簡單可靠的特點，儲存空間的爭用完全由硬體解決，即當發生儲存空間爭用的時候，決定先行穩定的埠優先進行訪問，另一端口則插入等待週期。由於dsp的快速性，不同於以往的微控制器將產生很長的等待週期。
針對本系統考慮，即使是最壞的情況：每個控制週期內傳遞資料8個，lf2407a一次讀/寫週期50ns記，共需要0.4μs。
當然這完全由硬體來實現，若考慮軟體上共同配合，則可以更有效地減少等待時間。而且0.4μs和20μs的控制週期相比，所佔的比重非常小，並不會給系統效能帶來顯著影響，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之間通訊的實現
lf2407a的資料匯流排寬度和位址匯流排寬度都是16位，單片cy7c025就足夠了。vc33的資料匯流排寬度是32位，可以採用兩片cy7c025以主從模式進行寬度擴充套件（見圖3），這樣每次vc33讀取資料時就能一次讀入兩個lf2407a的取樣資料。也可以採用單片cy7c025，雖然沒有完全利用vc33的資料寬度，但是，從電路設計上來講相對簡潔。
由於本系統雙口ram的作用主要是起到資料傳遞的作用，不需要儲存大量的中間結果以及已經使用過的資料，因此，需要的儲存空間不是很大，單片雙口ram就已經足夠。具體的介面電路見圖3，片選等控制訊號由解碼電路產生。
圖3 介面電路實現
位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 位址空間分配表
4 軟體功能實現
雙dsp協同工作的關鍵是相互通訊和資料交流上的密切配合，可通過硬體仲裁電路來完成這一任務。但是如果僅僅用硬體完成，如上分析，畢竟等待時間還要0.4μs左右。
如果輔以軟體配合，則可以有效地減少等待產生的情況。
首先，衝突可能發生在同時寫同乙個儲存單元。在資料寫的時候採用如下措施可以避免這種情況的發生：如圖4所示，將讀/寫的儲存空間獨立開來，顯然lf2407a和vc33在寫的時候就不可能產生衝突，避免了等待的發生。
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