0    引言

    直接轉(zhuǎn)矩控制[1]是目前廣為研究的電機(jī)控制理論之一，已在異步機(jī)上取得了成功,，而在同步機(jī)方面的應(yīng)用也已有了一定發(fā)展[2],。由于該理論直接對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，故瞬態(tài)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(zhǎng)會(huì)使電流過大,；同時(shí)大周期會(huì)使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)加大,。為了解決這個(gè)問題可以從控制策略上加以改進(jìn)，比如采用SVM-DTC[3]來取代傳統(tǒng)DTC方案,；也可以在控制平臺(tái)上加以考慮,，提高處理器速度，縮短控制周期,。以單個(gè)DSP為核心的控制平臺(tái)（常見的芯片如TI公司的2000系列）,，由于既要完成復(fù)雜的算法，還要執(zhí)行數(shù)據(jù)采集,、控制信號(hào)輸出,、系統(tǒng)保護(hù)以及人機(jī)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(shù)字信號(hào)處理器的性能之后,，決定采用雙DSP并行工作的體系結(jié)構(gòu)；并同時(shí)考慮到該控制系統(tǒng)的特點(diǎn),，即在每個(gè)控制周期內(nèi)兩個(gè)DSP之間交換的信息很少，不同于諸如圖像采集系統(tǒng)[4]那樣,，需要大流量的數(shù)據(jù)交換,。由此采取了一系列特殊的設(shè)計(jì)思想。首先,，在芯片的選型上兼顧了各自不同的特點(diǎn),，即專用于電機(jī)控制領(lǐng)域的芯片TMS320LF2407A專注于控制；高速通用數(shù)據(jù)處理芯片TMS320VC33則著眼于復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn),，從而充分利用了各自的特點(diǎn),。其次，針對(duì)電機(jī)控制這一特定領(lǐng)域,，需要采集的數(shù)據(jù)相對(duì)較少,，同時(shí)反饋的也只是計(jì)算結(jié)果，即PWM波發(fā)送策略,，并無大量中間結(jié)果,，因此，需要考慮的重點(diǎn)是控制方法的實(shí)現(xiàn)，和數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)必須占用盡可能少的資源,。同時(shí)由于數(shù)據(jù)量較少,，可以用較小的代價(jià)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的冗余，使得數(shù)據(jù)處理時(shí)更加靈活和方便,，DSP之間并不一定保持同步工作狀態(tài),。為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)DSP之間的數(shù)據(jù)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(chǔ)空間爭(zhēng)用[5]的同時(shí)，使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程盡量少耗費(fèi)各種資源,。

1    硬件系統(tǒng)構(gòu)成

    TMS320LF2407A最突出的特點(diǎn)在于其事件管理器模塊：共有兩個(gè)事件管理器EVA及EVB,，提供了8個(gè)16位脈寬調(diào)制（PWM）通道。這些都是針對(duì)電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的,，在PWM波的產(chǎn)生上相當(dāng)方便可靠,；可編程的PWM死區(qū)控制可以防止上下橋臂同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖而導(dǎo)致直通。同時(shí)每個(gè)模塊還提供了兩個(gè)外部引腳PDPINT_A和PDPINT_B,，當(dāng)該引腳上出現(xiàn)低電平時(shí)事件管理器模塊將快速關(guān)閉相應(yīng)的PWM通道,，起到保護(hù)作用。片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊為數(shù)據(jù)采集提供了高性能的A/D轉(zhuǎn)換器,，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間只有500ns,。由于轉(zhuǎn)換時(shí)間是整個(gè)控制周期的組成部分之一，快速A/D對(duì)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(jià)格比很好的浮點(diǎn)處理芯片,，具有很高的數(shù)據(jù)處理速度。片內(nèi)部分擁有34K×32位的RAM,，在程序運(yùn)行期間,，所有的數(shù)據(jù)都位于其中，從而能夠充分發(fā)揮哈佛總線結(jié)構(gòu)所帶來的數(shù)據(jù)吞吐量大,、運(yùn)算快的優(yōu)點(diǎn),。在算法實(shí)現(xiàn)上，由于采用了浮點(diǎn)計(jì)算格式,，將使計(jì)算精度得到提高,；采用編程語言C會(huì)使程序編寫效率大大改善，這對(duì)于需要用復(fù)雜算法實(shí)現(xiàn)的控制策略來說是很重要的,。

    雙口RAM的特點(diǎn)在于具有兩組相互獨(dú)立的地址線,、數(shù)據(jù)線和控制線，片內(nèi)包含的控制邏輯解決了三個(gè)重要的問題：處理器之間的信號(hào)關(guān)系（中斷邏輯）,；兩個(gè)CPU正在使用同一地址時(shí)的時(shí)間關(guān)系（仲裁邏輯）和把一塊存儲(chǔ)器臨時(shí)分配到某一邊的硬件支持（旗語邏輯）,，從而保證雙機(jī)之間數(shù)據(jù),、信號(hào)交流的正確進(jìn)行。

    仲裁邏輯（忙邏輯）    每塊CY7C025允許兩個(gè)CPU同時(shí)讀取任何存儲(chǔ)單元（包括同時(shí)讀同一地址單元）,，但是不允許同時(shí)寫或者一讀一寫同一地址單元,，否則就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。雙口RAM中已經(jīng)有相應(yīng)的仲裁邏輯電路來解決這一問題：先行穩(wěn)定的地址端口通過仲裁邏輯電路優(yōu)先讀寫,，同時(shí)內(nèi)部電路使另一個(gè)端口的BUSY信號(hào)有效,，并在內(nèi)部禁止對(duì)方訪問，直到本端口的操作結(jié)束,。BUSY信號(hào)可以作為CPURDY信號(hào)的來源,，從而使得CPU處于等待狀態(tài)。

    當(dāng)雙口RAM單片使用的時(shí)候,，問題相對(duì)簡(jiǎn)單,，但是，在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)中,，由于數(shù)據(jù)總線的寬度往往可以達(dá)到32位甚至更寬,，這就需要多片雙口RAM來進(jìn)行位擴(kuò)展。此時(shí)如果出現(xiàn)同時(shí)訪問,，將有多塊雙口RAM處于工作狀態(tài),，如果依然象單片工作時(shí)那樣，每塊雙口RAM都使用自己的仲裁邏輯,，則很可能出現(xiàn)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(huì)處于等待狀態(tài),。為了避免這種情況的發(fā)生（BUSY信號(hào)死鎖），可以使用主從模式,，使得當(dāng)多塊芯片一起工作時(shí),，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(hào)接上拉電阻作為輸出,，從芯片的BUSY信號(hào)作為寫禁止輸入,，當(dāng)主芯片處于BUSY狀態(tài)時(shí)，從芯片接收這個(gè)狀態(tài),，同樣處于忙狀態(tài),，從而避免了死鎖的發(fā)生。

    中斷邏輯    另一個(gè)重要的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu),，它允許雙CPU通過端口直接進(jìn)行通信,。CY7C025最高位的存儲(chǔ)單元1FFF作為右邊端口的中斷信箱,，

    次高位存儲(chǔ)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(duì)方的中斷信箱,。當(dāng)一端寫入對(duì)方的中斷信箱時(shí)，對(duì)方就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào),；讀自己的中斷信箱則清除自己的中斷信號(hào),，讀對(duì)方的中斷信箱不會(huì)清除中斷信號(hào)。

    旗語通信邏輯    可以使雙口RAM暫時(shí)指定一塊存儲(chǔ)區(qū),，只供一端的CPU使用,，稱之為獨(dú)占模式。CY7C025配置了獨(dú)立于RAM陣列的8個(gè)旗語鎖存器,，用于標(biāo)志雙口RAM是否處于獨(dú)占模式,。獨(dú)占模式也可以用來避免地址仲裁問題，因?yàn)?，它是一種使兩邊不同時(shí)使用同一地址的方法,，通常也叫做軟件仲裁。

    控制平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,。

圖2    雙DSP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

    電機(jī)由IPM來驅(qū)動(dòng),，霍爾元件檢測(cè)相關(guān)物理量，通過信號(hào)調(diào)理電路給A/D轉(zhuǎn)換器,，轉(zhuǎn)換結(jié)果由LF2407A存儲(chǔ)于雙口RAM中,，并由VC33讀取用于計(jì)算。調(diào)理的同時(shí)保護(hù)電路也進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè),，在意外狀況發(fā)生時(shí)隨時(shí)切斷觸發(fā)信號(hào),。VC33將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，所有的數(shù)據(jù)處理都由VC33完成,，只將計(jì)算結(jié)果反饋給LF2407A,，并由此產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，通過接口電路來控制IPM工作,。同時(shí)預(yù)留了D/A及串口輸出等相關(guān)外圍電路,，用于實(shí)現(xiàn)顯示、檢測(cè),、與其它系統(tǒng)通信等各項(xiàng)功能,。LF2407A和VC33優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，并行工作,，控制周期的長(zhǎng)短主要取決于算法實(shí)現(xiàn)時(shí)間,。原有的控制軟件（以C32為控制平臺(tái)）需要100μs左右，在采用了新的控制平臺(tái)后,，整個(gè)控制周期減小到20μs左右,。

2    雙端口RAM存儲(chǔ)爭(zhēng)用解決方案

    在雙機(jī)的數(shù)據(jù)交流過程中,，存在存儲(chǔ)空間爭(zhēng)用問題，常見的解決方案有如下幾種,。

    ——硬件方案    最簡(jiǎn)單的方法就是上面提到的使用雙口RAM內(nèi)部的仲裁邏輯,，要求兩邊的CPU都具有RDY引腳，從而插入相應(yīng)的等待周期,。對(duì)于8098單片機(jī),，DSP都具有這樣的資源，而且只需要硬件支持,，相對(duì)簡(jiǎn)單,。如果不具備RDY引腳，如8031單片機(jī),，則不能采用此種方法,。

    ——中斷方案    需要硬件和軟件的同時(shí)支持。將雙口RAM的左右中斷信號(hào)輸出引腳和CPU的外部中斷輸入引腳相連,，并編寫相應(yīng)的中斷子程序,。

    ——旗語方案    同樣需要硬件和軟件的同時(shí)支持，我們也稱之為軟件仲裁,。其步驟為申請(qǐng)獨(dú)占區(qū)域,、判斷申請(qǐng)是否成功、釋放獨(dú)占區(qū)域,。由于兩邊不同時(shí)使用同一地址,，所以也可以避免爭(zhēng)用的發(fā)生。

    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)綜合了各種情況最后選用了硬件方案,。這是因?yàn)槭褂弥袛喾桨杠浖帉憦?fù)雜,，頻繁中斷跳轉(zhuǎn)在算法和控制都較復(fù)雜的情況下，對(duì)于軟件的可靠性和穩(wěn)定性是不利的,；采用旗語方案則控制相對(duì)復(fù)雜一些,；硬件方案具有簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn)，存儲(chǔ)空間的爭(zhēng)用完全由硬件解決,，即當(dāng)發(fā)生存儲(chǔ)空間爭(zhēng)用的時(shí)候,，決定先行穩(wěn)定的端口優(yōu)先進(jìn)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(jī)將產(chǎn)生很長(zhǎng)的等待周期。針對(duì)本系統(tǒng)考慮,，即使是最壞的情況：每個(gè)控制周期內(nèi)傳遞數(shù)據(jù)8個(gè)，LF2407A一次讀/寫周期50ns記,，共需要0.4μs,。當(dāng)然這完全由硬件來實(shí)現(xiàn),，若考慮軟件上共同配合，則可以更有效地減少等待時(shí)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(huì)給系統(tǒng)性能帶來顯著影響,，系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性也能夠得到保證,。這也正是本系統(tǒng)的特點(diǎn)所在。

3    TMS320C2407A/TMS320VC33與CY7C025之間通信的實(shí)現(xiàn)

    LF2407A的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)總線寬度是32位，可以采用兩片CY7C025以主從模式進(jìn)行寬度擴(kuò)展（見圖3）,，這樣每次VC33讀取數(shù)據(jù)時(shí)就能一次讀入兩個(gè)LF2407A的采樣數(shù)據(jù),。也可以采用單片CY7C025，雖然沒有完全利用VC33的數(shù)據(jù)寬度,，但是,，從電路設(shè)計(jì)上來講相對(duì)簡(jiǎn)潔。由于本系統(tǒng)雙口RAM的作用主要是起到數(shù)據(jù)傳遞的作用,，不需要保存大量的中間結(jié)果以及已經(jīng)使用過的數(shù)據(jù),，因此，需要的存儲(chǔ)空間不是很大,，單片雙口RAM就已經(jīng)足夠,。具體的接口電路見圖3，片選等控制信號(hào)由譯碼電路產(chǎn)生,。

圖3    接口電路實(shí)現(xiàn)

    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(shí)現(xiàn)

    雙DSP協(xié)同工作的關(guān)鍵是相互通信和數(shù)據(jù)交流上的密切配合,，可通過硬件仲裁電路來完成這一任務(wù),。但是如果僅僅用硬件完成，如上分析,，畢竟等待時(shí)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(chǎn)生的情況,。

    首先,，沖突可能發(fā)生在同時(shí)寫同一個(gè)存儲(chǔ)單元。在數(shù)據(jù)寫的時(shí)候采用如下措施可以避免這種情況的發(fā)生：如圖4所示,，將讀/寫的存儲(chǔ)空間獨(dú)立開來,，顯然LF2407A和VC33在寫的時(shí)候就不可能產(chǎn)生沖突，避免了等待的發(fā)生,。

圖4    讀/寫存儲(chǔ)空間分開

    其次,，沖突可能發(fā)生在一讀一寫同一存儲(chǔ)單元的情況下,。以LF2407A寫數(shù)據(jù)，VC33讀數(shù)據(jù)為例,，上面分析的產(chǎn)生0.4μs等待時(shí)間的情況是基于如下假設(shè)：將8個(gè)數(shù)據(jù)依順序存儲(chǔ)于同一地址單元,。即LF2407A存第一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生沖突，VC33產(chǎn)生等待時(shí)間50ns,，等待結(jié)束VC33讀數(shù)據(jù),，此后LF2407A將第二個(gè)數(shù)據(jù)覆蓋前一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，依次類推得出的結(jié)果就是8×50ns=400ns,。事實(shí)是我們有足夠的地址空間用來存儲(chǔ)每批數(shù)據(jù),，將8個(gè)數(shù)據(jù)按順序存放在不同的地址空間，此時(shí)的情況如下：LF2407A存第一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生沖突,，VC33產(chǎn)生等待時(shí)間50ns,，等待結(jié)束VC33讀數(shù)據(jù)，與此同時(shí)LF2407A也開始寫第二個(gè)數(shù)據(jù)于下一個(gè)存儲(chǔ)單元中,。兩者同時(shí)進(jìn)行,，我們只要保證VC33讀完的時(shí)候，LF2407A第二個(gè)數(shù)據(jù)已經(jīng)寫完,，則不會(huì)有沖突發(fā)生,。針對(duì)本例，由于兩者時(shí)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(huán),，就能保證如上的要求,。當(dāng)讀/寫反過來的時(shí)候，則不存在這樣的情況而能順利配合,。這樣,，最終的結(jié)果是只增加50ns的等待周期，對(duì)于本系統(tǒng)完全可以接受,。

    由于兩個(gè)DSP并不同步工作,，所以，LF2407A可以采樣盡可能多的數(shù)據(jù)并保存,，VC33只選用最新的數(shù)據(jù)用于計(jì)算,，這樣就能保證數(shù)據(jù)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(jìn)行雙機(jī)通信流程圖

5    結(jié)語

    雙DSP控制系統(tǒng)綜合利用了TMS320LF2407A和TMS320VC33芯片的優(yōu)勢(shì)和特長(zhǎng),，兩者在控制和計(jì)算上分工明確，并行工作。利用雙口RAM實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的交流的時(shí)候,，針對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)相對(duì)較少的特點(diǎn),，從硬件和軟件上相互配合，在解決存儲(chǔ)空間爭(zhēng)用的同時(shí),，很好地解決了等待時(shí)間等資源的浪費(fèi)，也避免了數(shù)據(jù)交換時(shí)利用中斷造成的軟件不穩(wěn)定,。實(shí)現(xiàn)了兩者之間的協(xié)調(diào)工作,，大大縮短了控制周期，提高了控制平臺(tái)的性能,。對(duì)于低電感同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制時(shí),，由于控制周期過長(zhǎng)而引起電流上升過大的問題能很好地加以解決，同時(shí)也使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)明顯減小,。