DSP-PowerLab: DSP模組化數位電源控制發展系統

 

陳建國   智電科技有限公司
鄒應嶼   國立交通大學 機與控制工程研究所


以目前電子資訊科技的發展趨勢來看,未來電源系統將朝向兩極化的方向發展,一是以可攜式消費性電子產品為導向的模組化微型電源,另一則是具有多功能用途的大型電源設備。大型電源設備的發展將趨向大型化、模組化、智慧化、網路化,例如應用於通訊中心的通訊電源系統、複合電動車的動力引擎與電源管理系統、精密半導體設備的不斷電系統、三相高功率主動濾波器等等。由於這些大型電源設備組成複雜,同時又需要以模組化方式滿足不同的應用需求,因此應用數位控制技術於電源控制與管理,將是未來發展的趨勢。隨著高性能單晶片DSP控制器的發展,應用高性能單晶片DSP於電源控制,將成為電源技術的重要發展的趨勢。

關鍵字: DSP控制, DSP數位電源控制, DSP嵌入迴路模擬, 視窗為基礎的數位控制發展環境

1. 簡介

近年來,由於電力電子與電機控制技術的進步,電機控制在自動化與資訊家電的應用領域也更為廣泛,電機控制的應用也愈為多樣化,以單晶片DSP為核心的電機控制技術已成為解決此一問題的重要平台。建立整合電機設計、電力電子、控制理論、與DSP數位控制的設計環境,成為設計DSP數位電源與馬達控制的重要關鍵。

1是一個包含功率因數控制與回生控制的馬達驅動系統的方塊圖。系統整合是設計一個高性能機電系統的主要關鍵。單晶片DSP控制器由於具備強大的計算能力、完整的控制介面、與便宜的價格,因此成為整合機電系統的利器,藉由軟體控制技術,系統工程師幾乎可以將所有的控制功能均已軟體的方式實現,不僅具有靈活性的優點,也可將先進的控制理論、訊號處理、估計理論、智慧型系統診斷等方法應用於實際系統。

1  包含功率因數控制與回生控制的馬達驅動系統的方塊圖

2是一個複合式電動車(HEV)的系統組成的示意圖,其中包含了多樣的電機與電源控制,例如由馬達所帶動的傳動系統控制、回生煞車控制,電池的充電控制與放電升壓控制,發電機的控制,此外如行車效率控制、能源分配管理等等。這些控制功能往往同時發生,也需要彼此間的協調與同步控制,因此可以算的上是一個相當複雜的控制系統。一個複合式電動車需要良好的系統整合控制,以高性能DSP為基礎的控制系統提供了一種以軟體控制為手段的解決方案,但在系統發展過程中,發展工具成為重要的考慮因數。

2  複合式電動車的系統組成

3說明一個以PC為發展平台的DSP數位電源控制系統的設計流程,由圖中可看出,此系統的演進發展過程是循環的,且藉由PCDSP貫穿整個系統間,PC提供設計者與系統之間的人機介面,DSP則用來實現控制功能,實現所謂的嵌入式系統(DSP embedded system),建立這樣的發展環境,是設計一個以韌體發展為主的嵌入式系統的重要前提。在這樣一個必須結合韌體發展的軟體控制(software control)發展環境,設計者通常需要經由不斷反覆的程式設計、偵錯、修改、EPROM燒錄等過程,此過程不僅繁瑣,有時往往難以找出問題所在。因此,應用適當的發展工具建立一個整合性的設計環境,是發展高性能機電整合系統非常重要的一個關鍵。忽略此一過程,而直接跳入系統實現的階段,不論其短期成效如何,終將在未來的產品維護與改善階段,付出慘痛的代價。

為了避免上述情況的發生,就必須瞭解數位電源系統的設計流程,同時建立相關的發展工具。圖4說明一個微電腦數位控制系統的設計流程,缺乏經驗的設計者往往會直接進入硬體實現階段,然後再發展軟體,但是因為缺乏對系統整體的瞭解,在隨後的發展過程中,往往曠日費時的不斷在方法評估、參數調整、程式修改、程式編譯、連結、燒錄、測試等過程打轉,喪失了產品開發的契機。造成這種現象的原因,一方面固然是因為設計者本身未能建立有效的設計流程,另一方面則是因為缺乏良好的微電腦數位控制發展系統所致。

以設計全數位控制的UPS系統為例,首先應建立UPS功率轉換器與負載的數學模型,其次必須決定控制架構與控制器的設計方法,再經由電腦輔助設計與模擬軟體(MATLABSimulinkSPICE)決定控制器的參數。如果設計能符合規格的要求,那麼就可進一步的來實現控制器。在以微電腦為基礎的控制系統,此階段的設計包含了硬體與軟體設計兩部份。硬體設計首先須決定適當的CPU一般考慮主要在於價格、簡單性、界面、與計算能力,單晶片微控器由於符合這些條件,通常是工業控制器主要的選擇。軟體設計則較為複雜,這其中包含了整數化、組合語言程式設計、中斷處理、信號處理等。

3  PC為發展平台的DSP數位馬達控制設計流程

4  控制系統的設計步驟流程圖

由於在控制系統的模擬與設計過程中,並不易將系統的非線性與不確定性部份納入設計過程,因此通常只能得到控制器大略的參數值,實際數值仍須經由實驗來調整,這就必須經由一個"具有知識性的嘗試錯誤調整法則"來得到良好的響應。由於這些過程繁複,因此研製一個微電腦數位控制系統時,往往要花費許多時間。若能將這些步驟整合在一個具有良好界面的單一環境,不僅可提供設計者建立標準的設計流程,也可大幅縮短系統開發的時間。

本文介紹一個以DSP為控制核心的互動式數位電源控制實驗系統:DSP-PowerLabDSP-PowerLab一套以單晶片DSP為核心的模組化數位電源控制實驗與教學系統,以德州儀器公司所生產的單晶片數位信號處理器(TMS320F240)為控制核心,結合特殊設計的功率轉換模組,可進行以DSP為基礎的數位電源控制的教學、研究、與產品研發。

DSP-PowerLab包含一套以視窗為基礎的監控軟體(WinDSP)以及多個以DSP為核心的功率轉換模組,使用者利用一個具有RS-232介面的個人電腦,利用系統所提供的工具箱(Tool Box)即可進行以DSP為基礎的數位電源控制,亦可自行以高階C-語言或組合語言發展控制程式。

2. DSP數位電源控制

2.1 為何選擇DSP

選擇一個數位控制系統的的核心微處理器應考慮五個要素:價格、計算能力、周邊設計、支援工具、與取得性。選用不適當的微處理器不僅提高成本,更可能降低整體的性能,所以選用合宜的微處理器是相當重要的。由圖5微控器與DSP晶片的效能成本比較圖得知,採用DSP可有效降低成本與提高系統之性能,況且以往DSP最讓人詬病的周邊功能的缺乏與設計較為困難等缺點,也因高性能的單晶片DSP控制器(TMS320X240)出現而改觀。

5  微控器vs. DSP實現之效能成本比較圖

目前DSP的旋風正襲捲著整個單晶片的市場,許多原先使用微處理器或微控器的應用場合,正嘗試使用DSP取代原先的微處理器或微控器,其原因是DSP晶片的優勢在於執行速度快,整體效能佳,可達成多功能的即時控制(real-time control);特殊的硬體及指令設計,適用於高等控制演算法,容易增加附屬功能;晶片內部設計適用於數位信號處理,單一指令週期、多條內部匯流排、特殊之位址解碼模式、零負擔之迴圈運算、可程式化之快閃記憶體、整數乘法的硬體計算、多樣的I/O周邊功能、其他特殊內建功能等。這些優點都說明了為何選擇DSP應用於數位馬達與電力電子控制等相關領域。

德州儀器所製造的DSP TMS320系列的硬體架構是以16位元為基本資料處理單元,採用16位元的資料與位址匯流排與32位元的暫存器,其核心為32位元的算數運算邏輯單元(ALU)與累積器(ACC),並以硬體方式來實現不同的功能,如乘法器、位移器等,以提升其計算速度。在整數計算方面,為了減少數值計算所衍生的問題如溢位(overflow)與尺規劃(scaling)等,採用硬體式的位移暫存器來提高軟體執行的精確度,這些位移暫存器可以同時配合其他指令一起使用,並不需要耗費額外的執行時間。

6是以數位式UPS為例,應用一般微控器與高性能DSPUPS控制所做的CPU計算效能分析,由圖中可看出,如採用一般的微控器,則80%CPU時間將用於基本的正弦波脈寬調變、頻率控制、與程序控制等,但如採用DSP,則包含交流穩壓迴路控制的數學運算,僅佔用了20%CPU時間。剩下的CPU時間可用於實現另外的控制法則,例如功率因數控制、前級直流電源穩壓控制、隨機式脈寬調變、電流漣波補償、開機啟動、錯誤診斷、參數估計、線上參數自動調整等種種功能。當然,這些高級的控制功能必須視應用情況來發展,但由此當可瞭解,DSP實際上開啟了控制理論實用化的一扇大門,對自動控制技術未來的發展影響深遠。

6  應用數位信號處理器於UPS控制的效能分析

2.2 DSP數位控制系統

DSP應用於生產自動化與民生家電用品的技術發展與產品開發,不論在初期研究或產品開發階段,發展工具都是十分重要的關鍵。目前市面上的一些應用於高性能馬達與電源控制的微控器或數位信號處理器,如TMS320x24xDSP56000ADMC401SH7045等,其功能與價格雖然各有千秋,但在發展工具的支援方面,差異卻相當大,這其中德州儀器與類比元件(Analog Devices)提供了較佳的發展工具與技術支援。此外,這兩家公司的DSP也均有為數眾多的第三類公司(third party)提供相關之發展工具與產品開發設計服務,在市場上形成了兩個競爭激烈的集團。

2.3 硬體嵌入迴路模擬系統

在發展嵌入式控制系統的過程中,評估其可行性是相當關鍵的一個步驟,在進行系統的軟硬體設計之前,應先確認(verify)控制策略的可行性。設計一個複雜機電控制系統的主要困難,往往在於無法事先確定是否能達到系統在整合後的一些關鍵性能指標。因此,經由硬體迴路模擬(hardware-in-the-loop)系統,可快速完成系統的可行性評估。

近年來,由於PCDSP的進步,所謂的硬體迴路模擬多藉由PCDSP實現,因此出現了所謂的PC-in-the-loopDSP-in-the-loop。藉由PC所提供的人機介面環境與充分的介面控制卡,設計者能在充分的支援下完成硬體迴路模擬系統的設計,並以此為基礎進行系統的可行性評估。

例如美國的國際應用動力 (Applied Dynamics International)Stable Systems、德國的dSPACE等公司均提出了hardware-in-the-loop的系統解決方案,這其中dSPACE提供了最完整的解決方案,dSPACE同時也提供了MATLAB/SIMULAINK的控制通訊介面,使用者可以在MATLAB/SIMULAINK的環境下發展控制法則與進行系統模擬,之後再將發展的控制程式載入目標處理器進行硬體迴路模擬。

3. 模組化數位電源控制發展系統:DSP-PowerLab

3.1 系統架構

近年來數位信號處理器(DSP)由於其快速的計算能力,不僅廣泛應用於通訊與視訊信號處理,也逐漸應用各種高級的控制系統如引擎控制、振動控制、噪音控制、磁碟機控制、馬達控制、電源控制等。由於電源系統的頻寬一般均較伺服系統高,因此必須以更高的取樣頻率來完成,DSP正可發揮其高速運算的優點,但相對而言,設計一個電源系統的數位控制器其困難度也就愈高。為了利用先進的單晶片DSP於數位電源控制,建立一個以PC為工作平台的發展環境是相當重要的,本文介紹一個一個以DSP為控制核心的互動式模組化數位電源控制發展系統:DSP-PowerLab

DSP-PowerLab是一個以PC為基礎,在 Microsoft Windows 視窗環境使用的「互動式」「模組化」數位電源控制發展系統,如圖7所示。DSP-PowerLab的系統架構如圖8所示,包含一個視窗介面監控軟體(WinDSP)、一個採用DSP控制的功率驅動模組、以及一個電源負載,例如電池、功率電阻、或其他電源負載。

DSP-PowerLab採用RS-232作為與PC間的通訊介面(RS-485可選),因此無論在系統安裝與程式發展方面均相當方便,經由RS-232通訊介面,使用者可直接下載控制程式、調整控制參數、與觀察控制變數,藉由此一系統,使用者可以很方便的實現先進的數位控制法則,完成控制方法的可行性評估。

7  DSP-PowerLab 模組化數位電源實驗系統

8  DSP-PowerLab 數位控制發展系統的系統架構

3.2 WinDSP監控軟體

WinDSP的軟體發展採用物件導向設計,所發展之軟體具有良好的模組擴充性,具有軟體 IC 的特性。此系統具有下列特點:

1.     PC Windows為發展環境,以單晶片DSP控制器(TMS 320F240)為目標控制器 (target controller),可配合DSP的商品化產業發展趨勢。

2.     提供RS-232 (RS-485可選)作為PCDSP間的電腦介面。

3.     可用高階C語言或組合語言發展控制程式,並直接將程式燒錄於目標控制器進行實驗測試。

4.     可自建程式庫(library),以模組化方式發展控制程式。

5.     經由PC可對控制器內的任一參數或變數進行在線式調整(on line tuning)

6.     內建多功能多頻道的數位示波器,提供多種方法顯示實驗之變數,可任意選擇四個控制器的變進行紀錄、觀測、與分析。

7.     多重圖形輸出界面:示波器量測之波形資料,可輸出到下列設備:

w Matlab Working Platform (ASCII fileBinary fileMata-file)

w Printer

w Windows 剪貼簿

8.     具有自動播放功能(auto-play mode),可供實驗展示。

9.     提供HTML介面,可自行編寫實驗講義與技術資料並與發展系統整合。

在設計一個數位控制器的過程當中,藉由電腦輔助設計工具進行控制器的分析、設計、與模擬是不可或缺的步驟,無論從教育或研究的角度而言,將電腦輔助設計與實驗測試整合都是非常重要的。為了解決此一問題,針對目前應用最普遍的MATLAB,設計了一個RS-232通訊模組RS-232.m呼叫程式,使用者在MATLAB的應用環境,可讀取DSP控制器的控制變數,或是設定控制參數。為了整合MATLABWinDSP同時提供了與MATLAB的軟體介面,如圖9所示。經由此介面,實驗中記錄的數據,可直接傳遞給MATLAB,進行例如系統判別、頻率響應分析等研究工作。

9  WinDSPMATLAB的系統介面

3.3 操作畫面

10WinDSP監控軟體的操作畫面,圖11DSP程式的發展流程。在WinDSP的操作環境下,控制系統設計者可以高階的C語言或低階的組合語言撰寫控制法則(control law),再經由編譯、下載、執行等過程,迅速進入實際測試與調整。WinDSP的程式發展工具整合了TI所提供的C語言編譯器與組譯器(assembler),讓使用者可以快速的發展程式,建立程式庫(library),以模組化方式發展控制程式。

10  WinDSP監控軟體的操作畫面

11  WinDSP的程式發展流程

3.4 數位示波器

WinDSP內含數位示波器功能,圖12是示波器顯示畫面的一些例子,此示波器具有四個頻道,使用者可選擇程式中所定義的任意四個變數進行觀察。當DSP程式執行時,其系統程式會自動記錄所選擇的觀察變數,紀錄完成後,由RS-232回傳到PCWinDSP再將這些變數的波形顯示在示波器上。

12  WinDSP的示波器顯示畫面

WinDSP的示波器工具『PROBE』提供多種訊號顯示方式,例如可以X-Y模式顯示電流向量的變化軌跡,這對以磁場導向控制為主的交流馬達控制是非常重要的。此外,PROBE也提供了類似影片播放的『慢放』『滾動』『停格』『局部放大』等功能,使用者因此可仔細的觀察實驗結果的細部變化,例如感應馬達轉子磁通向量(rotor flux vector)與定子電流向量的相對運動關係,藉由PROBE可觀察兩者間相位的變化,如此,可調整解耦控制器的轉子時間常數觀察其對穩態響應的影響。

PROBE也提供類似儲存示波器的軌跡記憶(trace)功能,實驗量測之信號可累積顯示在示波器的螢光幕,如此,在調整參數時,使用者可觀察到參數調整所產生的效果。

3.5 參數調整

WinDSP提供了一個參數調整視窗,DSP控制程式中的參數與變數,使用者均可直接的調整其數值。由於TMS320x24x是一個定點運算(fixed-point arithmetic)的數位信號處理器,因此其數值無法直接反應實際物理量的數值與單位,WinDSP提供的參數調整視窗可讓使用者定義這些參數與變數的單位與轉換因數(scaling factor),經由此間接的單位轉換,使用者不僅可容易的理解這些參數的數值與物理意義,同樣的,在示波器所顯示的信號,也經過了這些轉換計算,因此也能更容易的解讀其物理意義。

在控制器的設計與實現過程中,經由嘗試錯誤 (try and error)的過程反覆的修正控制參數以得到更加的結果,是不可省略的步驟。調整到滿意的參數之後,WinDSP可直接將新的參數燒錄在DSP的快閃記憶體(flash memory),下次進行實驗時,可以新的參數繼續進行控制器的設計改良。

3.6 互動視窗

WinDSP提供了一個互動視窗(interactive window),此視窗以文字模式(text mode)提供使用者與WinDSPDSP一個對話管道,使用者可直接下達命令給DSPWinDSP,這些命令稱之為互動命令(interactive commands)。例如:set Kp=10, Ki=2; 可直接將控制程式中一個名為Kp的參數設為10Ki設為2。例如:xyplot (Wm, Te); 可將記錄的量測變數Wm, Tex-y模式在示波器顯示。

3.7 實例說明

13是應用DSP-PowerLab48V電源供應器之功率因數控制的實例。藉由線電壓與線電流的回授,可以數位方式完成功率因數控制與直流穩壓控制,由圖中PC的螢幕可觀察到輸入電源的線電流波形,經由WinDSP可直接調整數位式功因控制器的控制參數,以互動的方式完成DSP控制程式的發展。

DSP-PowerLab是一個結合WinDSPDSP控制電源模組所形成的一個以PC Windows為發展平台的互動式DSP數位電源控制實驗系統,此系統以PC為人機介面之控制平台,經由RS-232監控一個內含DSP的數位電源控制系統,達到以PC監控DSP-in-the-loop的目的。經由特別設計的軟體通訊協定,使用者可藉由高階C語言或組合語言撰寫控制程式,經過編譯後可直接載入DSP,進行即時數位控制。DSP-PowerLab也允許使用者在線上即時觀測變數或調整參數,提供了類似示波器的變數觀測工具,可以數值或圖形方式觀察系統的變數。

13  應用DSP-PowerLab48V電源供應器之功率因數控制

14  電池供電之無刷直流馬達實驗系統

14WinDSP應用於一個電池供電的無刷直流馬達實驗系統的示意圖。由於DSP-PowerLab可直接控制一個多功能的功率驅動模組,因此藉由使用者所發展的控制程式,可呈現出多種不同的應用。此外,DSP-PowerLab也提供了與MATLAB/SIMULINK的電腦介面,經由MATLAB.M file使用者可直接讀取實驗結果,進行分析或設計,並將結果直接傳遞給DSP控制器,形成一個整合的控制環境。藉由此一功能,使用者可在MATLAB的環境下發展適應型或智慧型控制方法。

4.

DSP嵌入晶片應用於數位馬達與運動控制將成為未來發展的趨勢,PC-BASED控制器適用於需要網路介面、人機整合的系統層次控制器,而DSP Embedded控制器更適合於終端應用需要大量計算與I/O處理的即時控制應用,因此兩者將可相輔相成擴展以軟體控制為主的自動控制應用,將自動控制技術與日常生活與消費性電子娛樂設備結合,創造廣大的市場機會。DSP-PowerLab這一個以視窗為基礎的互動式模組化DSP數位馬達控制發展系統,建立了一個以視窗為基礎的DSP數位馬達控制發展環境,提供設計者一個整合、互動的圖形介面,讓使用者可以高階語言或組合語言學習或發展先進的數位馬達與運動控制方法。

DSP-PowerLab的軟體設計採用了物件導向程式設計方法,因此不僅可有效率的設計出可靠、高品質的軟體,也利於未來進一步的維護與發展。本系統發展出以低價格高性能DSP (TMS320F240)為核心的數位控制發展系統,可以很方便的將一些高等信號處理與控制方法如software servo control algorithmssensorless control algorithmsoptimal space vector PWM algorithmsrobust control algorithmsadaptive servo control algorithmsfault tolerant algorithms等移轉至以DSP (TMS320x24x)為核心的工業產品。此系統不僅建立了電腦輔助控制系統設計(MATLAB)DSP數位控制的橋樑,同時也是一個學術研究工具,此系統在各種高性能的電源控制、馬達驅動、電力電子與工業控制應用領域,均能發揮其系統整合設計的性能。

 

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