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正確地利用電機控制器可為電機控制以及許多相關(guān)系統(tǒng)和產(chǎn)品設(shè)計節(jié)約大量的成本。本文針對低成本、低功耗和程序代碼要求較高的電機控制及其它應(yīng)用,介紹了集成DSP和MCU特性的單片處理器解決方案,可為電機控制領(lǐng)域設(shè)計工程師進行器件選擇提供參考。
Rich Hoefle
應(yīng)用工程經(jīng)理
DSP標準產(chǎn)品部
摩托羅拉公司
電機在人們?nèi)粘Ｉ钪邪缪葜匾巧?從普通的家用電器到復(fù)雜的電子系統(tǒng)和計算機,電機為各種應(yīng)用提供旋轉(zhuǎn)運動或線性運動。隨著大量更為復(fù)雜應(yīng)用的出現(xiàn),電機控制問題變得越來越重要。因此,需要開發(fā)出更為復(fù)雜的技術(shù),以改善其性能、功耗和安全性。小型電機通常用于精度要求極高的應(yīng)用,而大型電機,如用于機器人中的電機,常常需要執(zhí)行非常復(fù)雜的任務(wù),并且強調(diào)實時性。
高性能的電機控制對總的能耗具有重要影響。家庭和辦公室中的電冰箱(與電機緊密相關(guān)的設(shè)備)約消耗世界能源的10%,而用于商業(yè)建筑的取暖、通風(fēng)設(shè)備以及空調(diào)中的電機運行系統(tǒng),其電費約占整個建筑物總電費的50%。通過利用基于DSP的改進型電機控制技術(shù),如某些已接近商業(yè)化的控制器,可總共節(jié)省30%至50%的能耗,如家用電冰箱的能耗可減小25%,而HVAC鼓風(fēng)機可節(jié)省多達80%的能耗。
DSP電機控制器的應(yīng)用
DSP控制器通過提高效率,可以改善許多產(chǎn)品的特性。例如,洗衣機就從中受益匪淺。通過結(jié)合不太昂貴的AC感應(yīng)或磁阻電機的復(fù)雜旋轉(zhuǎn)控制,洗衣機可獲得一些新的功能特性,這些特性以往受成本約束或者根本就不可能實現(xiàn)。目前,一些高檔洗衣機中已具有快速脫水、柔和攪動以及失衡校正等功能,用不了多久,電子控制將使普通洗衣機也具有這些功能。
早期的洗衣機采用一種機械傳動方式,為不同的洗滌周期提供不同的滾桶速度和攪動程度,以及有效脫水所需的高速滾桶速度。傳動方式允許只用單個無電子控制AC電機實現(xiàn)洗衣機的功能,但成本較高且可靠性差。
最新型的洗衣機則沒有采用傳動工作方式,因為采用復(fù)雜DSP或微控制器(MCU)對低成本AC感應(yīng)或開關(guān)磁阻電機進行控制,可提供所有標準的洗滌周期。此外,電氣控制的感應(yīng)或開關(guān)-磁阻電機使攪動周期更為高效和柔和,不僅可以降低能耗,而且減小了衣物的磨損。脫水旋轉(zhuǎn)周期可通過電子控制達到超出以往的高速度,從而脫去更多的水并縮短甩干時間。更為有效的周期意味著洗滌時間更短、用水更少且所需的洗滌劑也更少。
電冰箱也同樣從電子控制中獲益。例如,為了消除冰箱壓縮機周期性地起動和停止(這需要較高的啟動轉(zhuǎn)矩)的現(xiàn)象,一種帶有小型電機的小型壓縮機可連續(xù)低速運行,并調(diào)整其轉(zhuǎn)矩以保持冰箱內(nèi)所需的溫度,而無需重復(fù)地起動和停止。因此,可降低壓縮機的功率要求和整體運行成本。
對電器而言,改進型控制器的成本逐年減少,很容易降低復(fù)雜電子控制的成本。以洗衣機為例,有效的控制估計可節(jié)約高達50%的用電和用水,且不包括洗滌劑及加熱時所節(jié)省的煤氣等能源。
AC感應(yīng)和開關(guān)磁阻電機的速度和轉(zhuǎn)矩控制,在用于諸如磨床、車床和鉆孔機等機械加工應(yīng)用中,可將工具速度控制及靈活性提高到前所未有的水平,同時降低機械的復(fù)雜度和機械成本。
早期的機械加工工具沒有電子控制裝置,需要傳動帶和滑輪、齒輪傳動裝置、機械減速器和其它控制AC電機速度的裝置。這些復(fù)雜的機械設(shè)備不僅增加了加工的成本,降低了可靠性,而且加工速度的精度也不如數(shù)字控制方法高。加工速度與加工方法和材料有關(guān)。
復(fù)雜電機控制無需機械驅(qū)動控制系統(tǒng),可減輕重量,并且降低了加工制造和運輸成本。機械部件越少,可靠性越高,從而減少維護成本。
基于DSP的電機控制使至今為止無法實現(xiàn)的加工變?yōu)楝F(xiàn)實。具有動態(tài)控制切割速率的工具,能夠根據(jù)加工時轉(zhuǎn)矩的反饋進行自動調(diào)節(jié)。
在交通方面,汽車、公交車和卡車已成為DSP應(yīng)用的重要目標,通常用來控制新車型中的各種電子系統(tǒng)。為電機控制而設(shè)計的DSP適用于驅(qū)動火車和電力機車、車體控制及安全系統(tǒng),如反抱死制動系統(tǒng)、牽引和懸架系統(tǒng)以及最新的夜視和防沖撞系統(tǒng)。總的來說,這些應(yīng)用覆蓋了近90%的汽車半導(dǎo)體市場。
系統(tǒng)設(shè)計者目前面臨多種控制器選擇,選用微控制器還是DSP是一個很棘手的問題。兩種控制器都具有廣泛的應(yīng)用靈活性。在控制電機速度或位移的應(yīng)用中,MCU通常仍是開環(huán)(無反饋)系統(tǒng)或電機閉環(huán)反饋系統(tǒng)的最佳選擇,具有很高的性價比。但是,如果受控電機轉(zhuǎn)速很高,并有許多線圈,且用于連續(xù)轉(zhuǎn)矩系統(tǒng),或者需要額外的MCU或微處理器來控制系統(tǒng)運行,那么基于DSP的控制器則是最佳選擇。同樣,在電機轉(zhuǎn)速非常高,或者必須采用閉環(huán)算法對電機進行嚴格控制的情況下,如高速開關(guān)磁阻或低速牽引電機,基于DSP的控制器也是最佳解決方案。
DSP和微控制器相結(jié)合的內(nèi)核架構(gòu)
一般而言,DSP是為有效地執(zhí)行信號處理算法而設(shè)計,在開發(fā)良好的DSP架構(gòu)和良好的微處理器架構(gòu)之間,經(jīng)常需要進行折衷。許多DSP系統(tǒng)既采用了DSP,又采用了微控制器,DSP用于滿足計算要求,微控制器用來滿足功能要求。額外的芯片會大大增加最終產(chǎn)品的材料成本,于是在一塊芯片上集成兩種芯片的功能,在成本和開發(fā)時間上都極具吸引力。
將DSP的性能和微控制器的主要功能結(jié)合起來是一項重大課題。摩托羅拉通過創(chuàng)建一種新的DSP架構(gòu)解決了這一課題。這種新的架構(gòu)采用高效的微控制器代碼和編譯器性能,既適用于通用的DSP算法又能實現(xiàn)高性能控制。如圖所示,這種架構(gòu)將DSP功能和許多微控制器特性集成在一起,可進行電機控制和全面的系統(tǒng)控制。
基于DSP56800內(nèi)核的電機控制產(chǎn)品系列包含以下結(jié)構(gòu)特征:
- 工作于至、時鐘頻率為80MHz時,處理速度為40MIPS；
- 采用哈佛架構(gòu),可處理大量通信數(shù)據(jù)；
- 具有DSP尋址模式的并行指令集；
- 周期16×16位并行乘法器-累加器(MAC)；
- 2×36位累加器,包含擴展位；
- 單周期16位并行移位器；
- 硬件DO和REP循環(huán)；
- 3條16位內(nèi)核數(shù)據(jù)總線和3條16位內(nèi)部地址總線；
- 1條16位外部接口數(shù)據(jù)總線；
- 支持DSP和控制器功能的指令集；
- 控制器類型的尋址模式和可減小代碼規(guī)模的指令；
- C 編譯器和支持局部變量；
- 軟件子程序和無限嵌套深度的中斷堆棧。
DSP56800內(nèi)核是一種可編程的CMOS 16位定點DSP,專為實時數(shù)字信號處理和通用計算而設(shè)計。該內(nèi)核由4個并行工作的功能單元組成,可提高系統(tǒng)的處理能力。這些功能模塊包括程序控制器和硬件循環(huán)單元、地址生成單元(AGU)、數(shù)據(jù)算術(shù)邏輯單元(data ALU)和位操作單元,分別帶有獨立的寄存器集和控制邏輯。每個功能模塊可獨立工作或與其它3個模塊并行工作,并通過內(nèi)核的內(nèi)部地址和數(shù)據(jù)總線,與其它單元、存儲器和存儲器映射的外圍電路進行接口。因此,在同一時刻,程序控制器可取出第一條指令,地址生成單元可為第二條指令生成多達兩個地址,數(shù)據(jù)ALU則在第三條指令執(zhí)行乘法運算。
除了功能模塊以外,該內(nèi)核架構(gòu)還包含3條內(nèi)部地址總線、4條內(nèi)部數(shù)據(jù)總線、一個調(diào)試端口以及時鐘生成電路。
高性能DSP控制器設(shè)計通常需要具有以下4種特性:
- 高寬帶并行存儲器傳輸性能；
- 支持并行存儲器傳輸并提供DSP尋址模式的AGU；
- 可進行快速算法計算、具有足夠寄存器集的計算單元；
- 執(zhí)行循環(huán)時,不降低性能的硬件循環(huán)機制。
摩托羅拉的架構(gòu)可滿足這些要求,它有如下一些特點:
- 并行轉(zhuǎn)移(move)指令:靈活的并行轉(zhuǎn)移指令集允許存儲器存取與計算單元的運行同時進行。實現(xiàn)高帶寬存取計算單元數(shù)據(jù),可保持計算單元始終處于繁忙狀態(tài),消除了數(shù)據(jù)進出計算單元時的傳輸瓶頸效應(yīng)。在目前的情況下,允許兩種類型的并行轉(zhuǎn)移:單向并行轉(zhuǎn)移和雙向并行讀。這兩種轉(zhuǎn)移都在一個指令周期中執(zhí)行,并占據(jù)程序存儲器的1個字長位置。
- 地址生成單元:地址生成單元(AGU)是進行所有地址計算的模塊。在DSP56800內(nèi)核中,AGU包含兩個算術(shù)單元和自己的寄存器集,可為數(shù)據(jù)存儲器提供高達兩個地址,也可在一個指令周期中更新兩個地址。它適應(yīng)兩種類型的算法,包括用于通用地址計算的線性算法以及用于創(chuàng)建存儲器內(nèi)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的求模算法,通過更新地址寄存器對數(shù)據(jù)進行操作,而無需移動大塊的數(shù)據(jù)。
- 數(shù)據(jù)ALU單元的快速計算:處理器計算單元的性能取決于它如何存取操作數(shù)及其計算能力。
許多傳統(tǒng)的DSP設(shè)計基于累加器,即無論操作數(shù)來自哪里,運算的結(jié)果總是存儲在累加器中。除了乘法運算不允許累加器作為一個乘數(shù)輸入以外,運算執(zhí)行后一個操作數(shù)要留在累加器中。
新架構(gòu)的大量寄存器和正交結(jié)構(gòu)提高了計算的效率,其中算術(shù)運算的結(jié)果可寫入數(shù)據(jù)ALU的5個寄存器中的任一個。數(shù)據(jù)ALU輸入也允許是立即數(shù),在任何寄存器進行增量運算的同時,進行其它寄存器的運算,從而大大增強了寄存器集的性能。累加器也能夠用作乘法器的輸入或用來累加。這一技術(shù)還減少了存儲器的存取次數(shù),因為中間結(jié)果無需暫時存儲在存儲器中。該內(nèi)核的設(shè)計不是管線操作,故在一個指令周期之后乘法或乘法-累加的結(jié)果就可獲得,而無需兩個指令周期。
- 循環(huán)機制:DSP和其它數(shù)字計算程序經(jīng)常使許多處理器的執(zhí)行時間浪費在一些與數(shù)字相關(guān)的小型計算循環(huán)中,因為這種循環(huán)需要進行大量存儲器存取。因此,提供一套具有強大寄存器集的靈活并行轉(zhuǎn)移指令十分必要,循環(huán)本身的執(zhí)行時間的最小化也很重要。DSP56800內(nèi)核使用一種靈活的硬件循環(huán)機制,可不附加任何計算時間,自動進行循環(huán),成為“無開銷循環(huán)”。這通過提供一種硬件“DO loop”機制來實現(xiàn),無需額外的執(zhí)行時間就可循環(huán)任意條指令。與早期的無開銷循環(huán)設(shè)計不同,這一循環(huán)機制可中斷并具有可嵌套于“DO loop”機制中的重復(fù)循環(huán)能力。
減小程序規(guī)模的內(nèi)核特性
該內(nèi)核的編程模型分為三組不同的寄存器集,分別對應(yīng)于DSP內(nèi)核中三個功能單元,每一功能單元具有一套完整的寄存器來完成其任務(wù)。
這種架構(gòu)允許對立即數(shù)或存儲器直接進行操作。使用立即數(shù)有助于減少寄存器的使用,因為使用立即數(shù)時,算術(shù)運算可直接完成,從而無需使用寄存器存儲重要變量和中間結(jié)果。
該內(nèi)核的轉(zhuǎn)移指令和尋址模式設(shè)計為通用模式,以簡化編程任務(wù),提高效率。完整的尋址模式指令集支持8種不同的尋址方式,可采用任何轉(zhuǎn)移指令對數(shù)據(jù)存儲器或片上存儲器映射的外圍寄存器進行存取。其它尋址模式也可在經(jīng)常存取DSP內(nèi)核寄存器的一個子集中找到,包括數(shù)據(jù)ALU中的寄存器和ALU中的所有指針。
除了上面描述的硬件循環(huán)外,軟件循環(huán)也是DSP架構(gòu)中的一個重要性能。內(nèi)核可將AGU或數(shù)據(jù)ALU中的寄存器用作循環(huán)計數(shù)器來實現(xiàn)軟件循環(huán)。將存儲器的某一單元用于循環(huán)計數(shù),可使整個寄存器集都用于完成算法計算,這一性能已證明是有用的。
與大多數(shù)DSP架構(gòu)中傳統(tǒng)的硬件堆棧不同,DSP56800內(nèi)核采用位于存儲器中的一個真正堆棧指針實現(xiàn)其堆棧。這一特性允許無限制地嵌套子程序和中斷,也支持通常只能在高級控制器中實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)化編程技術(shù),例如子程序的參數(shù)傳遞和局部變量。軟件堆棧、堆棧指針與尋址模式,既適用于匯編語言編程,又適用于高級語言編譯器。
這種內(nèi)核架構(gòu)減小了DSP編程和控制器編程的代碼規(guī)模。指令可直接作用于存儲器的性能、循環(huán)機制、正交的轉(zhuǎn)移指令集和取址模式以及將立即數(shù)直接裝載到存儲器的能力,均有助于減小通用計算的代碼規(guī)模。通過并行轉(zhuǎn)移指令、完整的寄存器集和將結(jié)果寫回任一數(shù)據(jù)ALU寄存器的能力,減小了DSP算法的代碼規(guī)模。直接對立即數(shù)或存儲器進行算術(shù)運算的特點,也使代碼密度得到提高。最初已有的一些結(jié)果表明,與傳統(tǒng)DSP架構(gòu)的編譯器相比,程序的代碼規(guī)模減小了1/3或1/2。
中斷與外圍電路
DSP56800的中斷單元采用了一種矢量中斷方案,可實現(xiàn)快速中斷服務(wù),也可進行擴展,以支持未來基于內(nèi)核的設(shè)計。目前的設(shè)計支持13個不同的中斷源:用于7個不同的片上外圍器件的7個中斷通道、2個外部中斷以及4個來自DSP內(nèi)核的中斷源。從這些中斷源中,執(zhí)行的指令可量化為多達64種不同的中斷向量中的一種。每個可屏蔽的中斷源均可單獨被屏蔽,也可在狀態(tài)寄存器中屏蔽所有可屏蔽中斷。
內(nèi)核與外圍特性的結(jié)合使產(chǎn)品設(shè)計高度集成化,為電機控制應(yīng)用提供經(jīng)濟的系統(tǒng)解決方案。 DSP56800系列產(chǎn)品在一塊芯片上包含了多通道A/D、PWM、CAN、積分編碼器和電壓調(diào)節(jié)器。這些外圍電路簡化了電機控制系統(tǒng)和軟件設(shè)計,如插入死區(qū)、失真校正和與A/D轉(zhuǎn)換器的同步。積分編碼器提供了抖動、軸位移和速度的測量,將外部電路板器件減至最少。每種產(chǎn)品都使用了程序FLASH存儲器、數(shù)據(jù)存儲器和引導(dǎo)裝載存儲器,可進行遠程編程,縮短了設(shè)計周期,并在保證系統(tǒng)設(shè)計可靈活復(fù)用的同時,避免了對程序ROM進行傳統(tǒng)的掩膜固化,從而節(jié)約了成本。
由于軟件已完成了驅(qū)動程序、算法和應(yīng)用級的優(yōu)化和整體測試,所以也能縮短整個設(shè)計時間。通過提供利用公共API的程序庫,可簡化從8位MCU應(yīng)用中移植代碼的過程,并易于將代碼向未來更高性能DSP內(nèi)核移植。
DSP56800的應(yīng)用范圍
DSP56800系列產(chǎn)品具有軟件和硬件開發(fā)工具,包括集成軟件開發(fā)環(huán)境、用于軟件開發(fā)的EVM目標平臺、標準組件電機控制開發(fā)硬件、實時監(jiān)控和修改電機控制參數(shù)的可視化分析工具以及嵌入式軟件。
總而言之,DSP56800內(nèi)核架構(gòu)適用于強調(diào)控制成本的應(yīng)用,如伺服和AC電機控制等消費領(lǐng)域。DSP56800其它可能的應(yīng)用還包括調(diào)制解調(diào)器、數(shù)字無線信息發(fā)送、數(shù)字應(yīng)答機和數(shù)字相機。高性能的DSP特性和通用指令集使這一架構(gòu)適用于對低成本、低功耗和高效程序代碼要求較高的應(yīng)用。
作者簡介:
Rich Hoefle在摩托羅拉工作了15年,具有豐富的經(jīng)驗,曾擔(dān)任該公司的各種職務(wù),包括應(yīng)用工程師、高級銷售代表、區(qū)域工程經(jīng)理、市場開發(fā)經(jīng)理和區(qū)域技術(shù)經(jīng)理。
