TMS570處理器NHET功能的直流無刷電機測速設(shè)計

 引言

在直流無刷電機(BLDC)控制系統(tǒng)中，對電機轉(zhuǎn)速的測量是一項重要且關(guān)鍵的問題。目前存在多種測速手段：利用編碼器測速、利用霍爾(HALL)信號測速、利用電機反向電動勢測速等等。其中，利用編碼器測速方法的優(yōu)點可以達到高分辨率的要求，但需增加成本和體積;利用電機反向電動勢測速的優(yōu)點是無需提供額外硬件接口，缺點是測速軟件算法復(fù)雜。本文介紹了一種利用HALL信號、基于TMS570處理器NHET功能的BLDC測速軟件設(shè)計方案，此方案可實現(xiàn)速度測量精度和軟硬件復(fù)雜程度之間的平衡，同時在軟件設(shè)計過程中采用提高可靠性的算法確保速度測量的可靠和準確。

1 TMS570處理器及NHET功能簡介

TMS570系列處理器是TI公司推出的一種面向高性能交通運輸領(lǐng)域的安全MCU，該系列MCU基于ARMCortex—R4F內(nèi)核架構(gòu)，具有較高的性能并滿足IEC61508SIL-3的安全要求，主要應(yīng)用于汽車工業(yè)，如剎車防抱死系統(tǒng)(ABS)、電助力轉(zhuǎn)向(EPS)、HEV/EV逆變器系統(tǒng)。

TMS570系列處理器集成了第4代高端定時器(NHET)，NHET使用高分辨率硬件通道并提供針對實時環(huán)境下的精確周期、脈沖測量功能、輸出比較功能、PWM功能。NHET采用獨立的指令結(jié)構(gòu)和“時序決議循環(huán)”機制使時間分辨率達到ns級別，完全滿足各種高精度時間測量應(yīng)用需要，其內(nèi)部集成可編程的抑制濾波器，確保測量數(shù)據(jù)的可靠性要求。

2 BLDC測速硬件接口設(shè)計

測速硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。BLDC硬件測速接口設(shè)計較為簡單，將HALL信號進行數(shù)字隔離后，直接接入TMS570的NHET引腳即可，將3個HALL信號同時引入NHET進行測速是一種硬件冗余設(shè)計，其目的是提高BLDC速度測量的可靠性，防止由于單通道HALL輸入信號失效導(dǎo)致整個測速功能無法完成的情況發(fā)生。

HALL信號輸入采用DC 12 V電平，經(jīng)數(shù)字隔離后輸出DC 3.3 V電平，直接作為MCU輸入。當(dāng)BLDC轉(zhuǎn)動時，HALL信號的時序與相位關(guān)系如圖2所示。

由圖2可知：BLDC轉(zhuǎn)速可通過測量單個HALL信號的頻率計算得出，BLDC轉(zhuǎn)速(RPM，轉(zhuǎn)/分鐘)與HALL信號頻率(fFO，Hz)、BLDC磁極對數(shù)(Poles)之間的關(guān)系式為：

3 NHET測速軟件設(shè)計

NHET測速軟件的核心測速代碼采用獨立的指令結(jié)構(gòu)和時序決議機制實現(xiàn)，NHET采用精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，包含22條指令，使用NHET匯編器將指令代碼生成C語言結(jié)構(gòu)的代碼，需在運行之前由應(yīng)用程序拷貝到NHET RAM中，NHET匯編器同時生成.h文件，由應(yīng)用程序?qū)y量數(shù)據(jù)進行訪問，時序機制如圖3所示。

NHET時鐘由VCLK2驅(qū)動，每個VCLK2周期稱為一個“時隙”(Time slot)，將VCLK2進行高分辨率分頻(High Res.clock)和循環(huán)分頻(Loop Res.clock)后得到高分頻時鐘、循環(huán)分頻時鐘，這兩個時鐘的周期為：

在此程序循環(huán)中包含1～N條NHET指令。由于不同的指令代碼執(zhí)行時間不同，在設(shè)計時應(yīng)注意程序循環(huán)內(nèi)所有代碼執(zhí)行時間的和不能超過一個循環(huán)分頻時鐘周期。由上文所述，利用BLDC的霍爾信號測量轉(zhuǎn)速，即測量霍爾信號的周期，使用NHET指令集中的PCNT指令實現(xiàn)，PCNT指令捕捉NHET輸入引腳信號的邊沿并使用高分辨率時鐘進行周期計數(shù)，將周期時間數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)部寄存器中供應(yīng)用程序讀取，以PCNT指令捕獲輸入脈沖信號時間為例，指令執(zhí)行邏輯及時序如圖4所示。

圖4中①～③含義如下：

①當(dāng)檢測到輸入引腳的上升沿后，HR計數(shù)器開始由零進行加計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器滿后，向指令數(shù)據(jù)區(qū)加1，并從0重新開始計數(shù);

②當(dāng)檢測到輸入引腳的下降沿后，將HR計數(shù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)存入捕獲寄存器(HR capt.reg);

③PCNT指令在同步輸入信號(Input pin sync’d)由低變高后開始執(zhí)行，在該信號由高變低后，得到數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)(lr_data)和捕獲寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)(hr_data)之和即為脈沖時間。

HALL信號的周期為HALL輸入信號的上升沿到下降沿或下降沿到上升沿的時間，編寫PCNT指令參數(shù)如下：

其中每一條指令對應(yīng)一個通道的HALL輸入信號，當(dāng)指定引腳(pin)測量到一個完整的HALL周期后，產(chǎn)生一個NHET指令中斷(irq=ON)，信號觸發(fā)的類型(type)包括上升沿到上升沿(RISE2 RISE)和下降沿到下降沿(FALL2FALL)兩種，使用不同的信號觸發(fā)類型測量HALL信號周期的目的是通過簡單的軟件代碼異構(gòu)保證測量結(jié)果的可靠性。

當(dāng)VCLK2時鐘為70 MHz時，選取高分頻為7，循環(huán)分頻為8，可得

為防止HALL信號因外界干擾產(chǎn)生的測量結(jié)果誤差，除了使用NHET自身帶有的硬件抑制濾波器外，在軟件的設(shè)計過程中也應(yīng)加入適當(dāng)?shù)臑V波處理，保證測量結(jié)果的準確、可靠，使用一個系數(shù)為0.75的單極性I2R低通濾波器的C語言代碼如下：

new_speed=((old_speed*3U)+new_speed)>>2U;

//新測得的速度占測量結(jié)果的1/4

為提高測速軟件的可靠性，軟件采用結(jié)構(gòu)容錯的設(shè)計思路進行設(shè)計，由于測速硬件采用3通道冗余采集HALL輸入信號，軟件采用N版本程序設(shè)計方案。N版本程序設(shè)計是指對于一個給定的功能，由N(N>2)個不同的設(shè)計組獨立編制出N個不同的程序，然后通過運行N個不同的程序得出結(jié)果并進行比較，輸出正確的數(shù)據(jù)?；赥MS570 NHET功能測速軟件N版本程序設(shè)計基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

結(jié)語

本文提出了一種基于TMS570系列處理器NHET功能的直流無刷電機測速軟件設(shè)計方案，其中包括NHET測速原理介紹和代碼實現(xiàn)、對測量結(jié)果的軟件濾波算法設(shè)計、基于N版本軟件容錯設(shè)計方法提高軟件可靠性。該測速方案已應(yīng)用在采用TMS570LS20216處理器的自動門控制單元硬件之上，實際測試和應(yīng)用的結(jié)果表明該方案切實可行。