電機控制的dsp程序設計及can基礎(chǔ)知識ppt課件

1、電機控制的DSP程序設計及CAN基礎(chǔ)知識 姓 名：葉振鋒 時 間：2009年3月26日 公 司：上海電驅(qū)動有限公司,主要內(nèi)容,概述 DSP芯片簡介電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖電機控制系統(tǒng)程序需求分析電機控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖電機控制系統(tǒng)程序流程圖電機控制系統(tǒng)程序設計子程序模塊設計說明軟件設計與調(diào)試注意

2、事項CAN基礎(chǔ)知識,概 述,1.電機控制技術(shù)的實現(xiàn)方案(1).傳統(tǒng)模擬控制(2).微控制器（MCU）控制(3).數(shù)字信號處理器（DSP）控制,概 述,2.DSP實現(xiàn)的PMSM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,概 述,3.DSP實現(xiàn)的電機控制系統(tǒng)特點(1).DSP的高速計算能力，可以完成復雜的信號處理和控制算法，提高采 樣頻率，控制電力電子外圍設備，在此基礎(chǔ)上可實現(xiàn)電機的高性能控 制。(2).電機控制專用DSP豐富的外

3、圍功能模塊，為電機控制帶來了許多的便 利。如PWM模塊，可產(chǎn)生高分辨率的PWM波形，靈活的產(chǎn)生方式可減小 EMI和噪音問題，多路PWM輸出可以進行多電機控制。(3).豐富的第三方軟硬件資源和開發(fā)工具可大大簡化系統(tǒng)開發(fā)過程,概 述,4.DSP技術(shù)在電機控制的應用情況常用交流電機控制系統(tǒng)有如下幾種：(1).異步電機(2).電勵磁同步電機 隱極同步機；凸極同步機(3).永磁電機 永磁無刷直流電動機；

4、永磁同步電動機(4).其他特種電機 開關(guān)磁阻電機；步進電機,概 述,5.主要相關(guān)技術(shù)發(fā)展情況(1).半導體功率器件 小型化、智能化、高頻化、高效化。(2).數(shù)字信號處理器DSP 外圍功能、數(shù)據(jù)處理能力、存儲器容量等發(fā)展迅速，為電機控 制系統(tǒng)的高性能化、智能化提供了基礎(chǔ)。(3).電機控制理論 電機控制策略、狀態(tài)觀測器、濾波器、自適應控制、無傳感器控制、PWM 調(diào)制方法、死區(qū)補償?shù)燃?/p>

5、術(shù)的應用大大提高了電機控制系統(tǒng)的性能和可 靠性。,概 述,6.電機控制理論－控制策略的發(fā)展 張博士的講座中已做了非常詳細的說明了。,概 述,7.先修課程 模擬電路 數(shù)字電路 微機原理 單片機 自動控制原理 電力電子器件 電機拖動,DSP芯片簡介,1.TMS320LF2407A的特征CMOS技術(shù)，3.3V供電，最快指令周期25ns，最大主頻40MHZ。和TMS320系列DSP代

6、碼兼容。片內(nèi)程序存儲器32K Flash、544字的雙口RAM、2K字的單口RAM兩個事件管理模塊EVA、EVB可擴展的外部存儲器：192K字看門狗定時器模塊（WDT）10位 A/D轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時間500ns控制器局域網(wǎng)絡（CAN）2.0B模塊。串行通信接口（SCI）16位串行外設接口模塊（SPI）基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生器40個 I/O口5個外部中斷,DSP芯片簡介,2.DSP的性能DSP性能公式：CPU時間 =

7、 CPI × IC / 時鐘頻率 三個參數(shù)反映了與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的三種技術(shù)。(1).時鐘頻率反映了DSP實現(xiàn)技術(shù)、生產(chǎn)工藝和計算機組織。 (2).CPI是指令時鐘數(shù)，反映了DSP實現(xiàn)技術(shù)、計算機指令集的結(jié)構(gòu)和計 算機組織。 (3).IC是程序執(zhí)行過程中所處理的指令數(shù)，反映了DSP指令集的結(jié)構(gòu)和編 譯術(shù)。 從目前情況來看，提高某一個參數(shù)指標，不會明顯地影響其它兩個指標。這對于綜合運用各種技術(shù)改進計算

8、機系統(tǒng)的性能是非常有益的。,電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,,本電機控制系統(tǒng)采用單DSP系統(tǒng)的架構(gòu)，結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。,控制系統(tǒng)程序需求分析,1.控制對象及輸入輸出量1.1.控制對象永磁電機1.2.輸入量直流母線電流、直流母線電壓、A相電流、C相電流、電機溫度、逆變器溫度、電機轉(zhuǎn)子位置信號1.3.輸出量六路PWM信號、故障信號2.資源需求I/O口、AD采樣端口、芯片存儲器容量等等,電機控制系統(tǒng)程序需求分析,3.時鐘頻率

9、晶振、系統(tǒng)時鐘、外圍時鐘、PWM頻率等 4.AD采樣精度分析 結(jié)合硬件進行分析5.通信說明通信方式、通信目的。還包含波特率、數(shù)據(jù)格式等其它說明,電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,,電機控制系統(tǒng)程序流程圖,,1.主程序 流程圖,電機控制系統(tǒng)程序流程圖,,2.AD中斷程 序流程圖,電機控制系統(tǒng)程序設計,1.程序設計開始的一些約定1.1.電動車電機控制系統(tǒng)程序文件組成 頭文件、CMD文件、表文件、ASM程序文件等等 1.2.

10、程序名及變量名命名 程序名及變量名命名采用通俗易懂的英文組合進行命名。(1).常量命名 常量命名最后加Cnst，例如： UdcMaxCnst 過壓常量值 SpeedOverCnst超速常量值(2).標志量命名 標志量命名最后加Fby，例如： PowerOffFby斷電標志 FaultFby 故障標志,電機控制系統(tǒng)程序設計,(3).變量命名 命名最后加Dby，例如：

11、SpeedSetDby轉(zhuǎn)速給定變量 MotorRunStatusDby電機運行狀態(tài)變量(4).函數(shù)命名 函數(shù)命名最后加Sub，例如： SpeedComputeSub速度計算程序命名 ADCIntSub 中斷程序命名 DSPInitSub 芯片初始化命名1.3.程序注釋 電機控制系統(tǒng)程序名稱、公司名稱、書寫時間、作者、版本號、原 代碼關(guān)鍵注釋。如果程序要更改必須要寫明

12、更改原因、時間、作者 等。,電機控制系統(tǒng)程序設計,本電機控制系統(tǒng)軟件采用模塊化、自頂向下、逐步細化的結(jié)構(gòu)化程序設計方法。2.系統(tǒng)初始化程序設計(1).系統(tǒng)時鐘設置、系統(tǒng)外設時鐘設置、配置RAM塊、設置數(shù)據(jù)頁指針、 AD中斷模式、IO模式、等待狀態(tài)設置、PWM模塊設置、CAN模塊設 置、定時器模塊設置程序。(2).系統(tǒng)程序變量初始化程序。(3).AD采樣偏移量讀取及處理程序。(4).系統(tǒng)程序延時程序。

13、(5).獲取電機轉(zhuǎn)子的初始位置程序。,電機控制系統(tǒng)程序設計,3.CAN通信程序設計3.1.CAN通信協(xié)議確認 (1).標準幀、擴展幀確認。 (2).通信周期確認。 (3).通信波特率確認。 (4).數(shù)據(jù)格式確認，英特格式還是摩托羅拉數(shù)據(jù)格式。,電機控制系統(tǒng)程序設計,3.2.CAN初始化程序設計工作方式的設置、接收濾波方式的設置、 接收屏蔽寄存器和接收代碼寄存器的設置、波特率參數(shù)的設置和中斷允許寄存器的設置等。,電機

14、控制系統(tǒng)程序設計,3.3.CAN通信發(fā)送程序設計在發(fā)送部分軟件設計中，如果根據(jù)狀態(tài)寄存器的發(fā)送狀態(tài)標志來判斷是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)，那么當CAN總線出現(xiàn)斷路，然后又正常，這時即便進行軟件初始化，數(shù)據(jù)也無法正常發(fā)送，原因是該狀態(tài)標志位無法通過軟件進行初始化來進行復位，因此在軟件設計時可以不考慮該狀態(tài)標志位。,電機控制系統(tǒng)程序設計,3.4.CAN通信接收程序設計CAN通訊接收部分軟件設計主要有兩種方式，一種是通過查詢方式來接收數(shù)據(jù)

15、，另外一種是通過中斷方式來接收數(shù)據(jù)，后一種方法對于實時性要求比較高的場合應用較多。,電機控制系統(tǒng)程序設計,3.5.CAN程序設計的難點 (1).根據(jù)CAN外設時鐘、通信波特率計算BTR0、BTR1寄存器值。 (2).當CAN通信故障時如何來恢復通信。 (3).多數(shù)據(jù)幀時如何完成程序設計（4個發(fā)送數(shù)據(jù)幀，8個接收數(shù)據(jù) 幀）。 (4).CAN網(wǎng)絡時鐘同步。,電機控制系統(tǒng)程序設計,4.AD中斷程序設計

16、主要完成系統(tǒng)的功能程序。(1).AD采樣數(shù)據(jù)讀取及處理子程序(2).系統(tǒng)計時子程序(3).旋變信號讀取子程序(4).模塊故障檢測子程序(5).電機轉(zhuǎn)速計算子程序(6).Clark變換子程序(7).正弦余弦值計算子程序(8).Park變換子程序,電機控制系統(tǒng)程序設計,(9).系統(tǒng)故障保護子程序(10).交、直軸電流計算子程序(11).交、直軸電流調(diào)節(jié)子程序(12).系統(tǒng)信號反饋子程序(13).Park逆變換子程序

17、(14).SVPWM子程序,子程序模塊設計說明,1.系統(tǒng)信號反饋子程序 程序名稱：SIGNAL_FEEDBK功 能：根據(jù)檢測電機參數(shù)計算電機實際轉(zhuǎn)矩輸入變量：IQ;ID;Ld;Lq輸出變量：MCTQIS計算公式：,,,,子程序模塊設計說明,2.速度計算程序 程序名稱：SpeedComputeSub 功 能：電機實際轉(zhuǎn)速計算 輸入變量：ResolverNewDby 輸出變量：SpeedDb

18、y,SpeedOverFby 說 明：(1).電機對極數(shù) (2).采用M或T法計算電機轉(zhuǎn)速說明 (3).計算公式，包括參數(shù)值說明 (4).電機達到多高轉(zhuǎn)速時進行超速保護,軟件設計與調(diào)試注意事項,1.流水線沖突 TMS320LF2407A是采用4級流水線操作，為取指、譯碼、取操作數(shù)及執(zhí) 行。發(fā)生流水線沖突時，可以通過調(diào)整程序語句或在相應位置加一些 NOP

19、指令來解決。2.設置等待狀態(tài)寄存器 DSP的讀操作從地址穩(wěn)定到數(shù)據(jù)有效僅需幾十個ns時間。當DSP與低速 外設在速度上沖突時，要設計好等待狀態(tài)寄存器。3.保留區(qū)域 程序設計時不能向保留地址寫數(shù)據(jù)，否則將造成處理器的不可預測操 作。,軟件設計與調(diào)試注意事項,4.中斷資源 中斷程序結(jié)束前要將中斷標志清零，否則無法正常相應中斷。若某一中 斷客觀存在，而程序中無相應的中斷程序，則會導致程序紊亂。5.AD采樣 A

20、D采樣的轉(zhuǎn)換時間需要讀DSP的數(shù)據(jù)手冊確認。TMS320F240芯片的轉(zhuǎn)換 時間約6us，TMS320LF2407A芯片的轉(zhuǎn)換時間約500ns。6.程序調(diào)試步驟 (1).先調(diào)試CAN通信程序 (2).數(shù)據(jù)接收正常后，調(diào)試算法部分。 (3).計算結(jié)果正常后，調(diào)試輸出部分。,軟件設計與調(diào)試注意事項,7.程序語法錯誤7.1.程序設計中的錯誤(1).語法錯誤(2).運行錯誤(3).邏輯錯誤7.2.語法錯誤的分類(1

21、).致命錯誤(2).錯誤(3).警告8.養(yǎng)成良好的編程習慣 (1).文件的注釋(2).語句行與語句塊(3).程序代碼縮進對齊,CAN通信的一個實例,1.CAN總線網(wǎng)絡示意圖,CAN通信的一個實例,2.CAN總線汽車空調(diào)節(jié)點原理圖,CAN通信的一個實例,3.CAN總線的相關(guān)器件CAN總線控制器 SJA1000CAN總線驅(qū)動器 82C250、TJA1050CAN總線控制器集成在DSP芯片 TMS320LF2407ADB

22、9接頭 pin7接CAN_H、pin2接CAN_L、pin5接屏蔽線高速光耦,CAN總線基本概念,CAN（Controller Area Network）是一個先進的串行總線系統(tǒng)。1.CAN總線電平隱性位(1：recessive)是被描述為兩根CAN總線均由大約2.5V的電平驅(qū)動，這樣在CAN_H 與CAN_L 之間的差分電壓為0V左右。顯性位(0：dominant)是被描述為CAN_H上升到大約3.5V， CAN_L降低到大約

23、1.5V。對于一個顯性位差分電壓的結(jié)果為2V左右。,CAN總線基本概念,2.CAN總線線與,CAN總線基本概念,3.CAN總線接口標準 高速CAN（ CAN High Speed ）遵循標準ISO-IS 11898，用于位速率為125kbp到1Mbps之間的高速總線。低速CAN（ CAN Low Speed ）遵循標準ISO-IS 11519-2，用于位速率在125kbps以下的低速總線。,CAN總線基本概念,4.協(xié)議版本 (標

24、準/擴展) V2.0A（標準）—— 11位消息IDV2.0B（擴展）—— 29位消息ID,CAN總線基本概念,5.CAN總線與EMICAN對于電磁干擾（EMI）不敏感。為了進一步減少CAN對于EMI的敏感性，總線外面使用屏蔽層。這樣可以減小總線自身的電磁輻射。,CAN總線技術(shù)特點,CAN總線為多主站總線，各節(jié)點可在任意時刻向網(wǎng)絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息，不分主從，通信靈活。CAN總線采用獨特的非破壞性總線仲裁技術(shù)，優(yōu)先級高的節(jié)點優(yōu)

25、先傳送數(shù)據(jù)，可滿足實時性要求。CAN總線具有點對點、一點對多點及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能。CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8個，數(shù)據(jù)傳輸時間短，并有CRC及其他校驗措施，數(shù)據(jù)出錯率極低。CAN總線上某一節(jié)點出現(xiàn)嚴重錯誤時，可自動脫離總線，而總線上的其他操作不受影響。CAN總線系統(tǒng)擴充時，可直接將新節(jié)點掛在總線上，因而走線少，系統(tǒng)擴充容易，改型靈活。CAN總線最大傳輸速率可達1Mb/s（此時通信距離最長為40m），直接

26、通信距離最遠可達10km（速率5kbps以下）。CAN總線上的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路。在標準幀（11位報文標識符）可達110個，而在擴展幀（29位報文標識符）其個數(shù)幾乎不受限制。,,總線訪問仲裁,,,幀格式,1.數(shù)據(jù)幀,,控制域：CAN2.0A中包括數(shù)據(jù)長度代碼、IDE位（為顯性）和保留為r0。CAN2.0B包括數(shù)據(jù)長度代碼和兩個保留位r1和r0。其保留位必須發(fā)送為顯性。數(shù)據(jù)域：為0～8個字節(jié)，每字節(jié)包含8個位。 CRC域：

27、CRC序列，后跟CRC界定符。 應答域：ACK域為2個位，分別是應答間隙(ACK Slot)和應答界定符(ACK Delimiter)。所有接收到匹配CRC序列的站會在ACK間隙期間用1顯性位寫在發(fā)送器的隱性位置上來作出回應；ACK界定符是應答域的第2個位，必須是一個隱形位。 幀結(jié)束(EOF)：每個數(shù)據(jù)幀和遠程幀都由一標志序列界定，這個標志序列由7個隱性位組成。,幀起始：幀起始標志數(shù)據(jù)幀和遠程幀的起始，它僅由一個顯性位組成。 仲裁

28、域：在CAN2.0A中，11標識符和RTR (Remote Transmission Request)位構(gòu)成；在CAN2.0B中，29位標識符和替代遠程請求SRR(Substitute Remote Request)位、標識符擴展位IDE（Identifier Extension）和RTR組成。,幀格式,2.遠程幀,,遠程幀的RTR位與數(shù)據(jù)幀相反，為“隱性”。它沒有數(shù)據(jù)域，數(shù)據(jù)長度代碼的數(shù)值沒有意義（可以為0～8范圍里的任何數(shù)值）。,3

29、.錯誤幀錯誤幀(Error Frame)由兩個不同域構(gòu)成，第一個域由來自不同節(jié)點的錯誤標志疊加給出，第二個域為錯誤界定符。,4.超載幀過載幀包括兩個位域：過載標志和過載界定符。,幀格式,,5.幀間空間,幀間空間包括“間歇”、“總線空閑”的位域。如果是發(fā)送前一報文的“錯誤認可”節(jié)點，則還包括“掛起傳送”的位域。,,,錯誤檢測,1.循環(huán)冗余碼校驗（CRC）計算出的校驗值與接收到的校驗值必須一致，否則，消息幀沒有被正確接收（CRC E

30、rror）。,錯誤檢測,錯誤檢測,2.應答一個幀必須被一個或幾個節(jié)點應答，否則會出現(xiàn)應答錯誤。3.幀檢測在CRC分隔符、ACK分隔符、幀結(jié)束、幀間隔中不允許出現(xiàn)顯性位。否則出現(xiàn)格式錯誤（Form Error）。4.位監(jiān)測所發(fā)送的位必須從總線上正確回讀。在仲裁域和應答間隙，隱性位可以被顯性位重寫。5.位填充檢查在幀起始位與CRC分隔符之間不允許存在6個連續(xù)的相同極性的位出現(xiàn)。,,錯誤處理,,,,所檢測到的錯誤是通過錯誤幀

31、來對所有節(jié)點公開的。錯誤消息的傳輸會被終止，并盡可能重新發(fā)送。,消息編碼、位填充,,,,,1.消息編碼格式NRZ-Code2.位填充位填充是為了保證有足夠的隱性到顯性的跳變沿。填充位出現(xiàn)在5個連續(xù)的相同極性的位之后，填充位與其前面的位極性相反。,,,同步,硬同步 發(fā)生在幀的起始位。 重新同步 發(fā)生在每一個隱性到顯性的跳變沿。,位構(gòu)建,每個位時間分為4個時間段，包括8～25個時間份額（ Time Quantum

32、）。時間份額來源于對晶振頻率可編程的分頻。CAN波特率可通過編程設置合適的時間份額長度與數(shù)量來確定。,同步段,傳播段,用于補償信號傳播延時。,,,相位緩沖段1,允許通過重新同步對該段時間加長。在這個時間段的末端進行總線狀態(tài)的采樣。長度可編程（1 … 8個時間份額）。,相位緩沖段2,允許通過重新同步對該段時間縮短。長度可編程。,,位延長,主要是為了調(diào)整采樣點，以及位的結(jié)束時間。,,,,位延長,,位縮短、同步跳轉(zhuǎn)寬度,,位縮短原

33、理同位延長。同步跳轉(zhuǎn)寬度在重新同步中，位長度可調(diào)整的時間份額數(shù)量定義為同步跳轉(zhuǎn)寬度。重新同步跳轉(zhuǎn)寬度可以在1到4個時間份額間進行設定，但是它不可以比相位緩沖段2還長。,CAN總線優(yōu)勢,信息共享   減少線束關(guān)聯(lián)控制,CAN總線方案-方案一,CAN總線方案-方案二,,,,,CAN總線方案-方案三,CAN總線技術(shù)在汽車中應用的關(guān)鍵技術(shù),1.總線傳輸信息的速率、容量、優(yōu)先等級、節(jié)點容量等技術(shù)問題2.高電磁干擾環(huán)境下的可