蔣文斌

（西安鐵路信號有限責(zé)任公司，西安710048）

引 言

在直流無刷電機(jī)（BLDC）控制系統(tǒng)中，對電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量是一項(xiàng)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(jī)反向電動勢測速等等。其中，利用編碼器測速方法的優(yōu)點(diǎn)可以達(dá)到高分辨率的要求，但需增加成本和體積；利用電機(jī)反向電動勢測速的優(yōu)點(diǎn)是無需提供額外硬件接口，缺點(diǎn)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(jì)方案，此方案可實(shí)現(xiàn)速度測量精度和軟硬件復(fù)雜程度之間的平衡，同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)過程中采用提高可靠性的算法確保速度測量的可靠和準(zhǔn)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(yùn)輸領(lǐng)域的安全MCU，該系列MCU 基于ARM Cortex－R4F內(nèi)核架構(gòu)，具有較高的性能并滿足IEC61508 SIL－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(shí)器（NHET），NHET 使用高分辨率硬件通道并提供針對實(shí)時(shí)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(dú)立的指令結(jié)構(gòu)和“時(shí)序決議循環(huán)”機(jī)制使時(shí)間分辨率達(dá)到ns級別，完全滿足各種高精度時(shí)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(jì)

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(jì)較為簡單，將HALL信號進(jìn)行數(shù)字隔離后，直接接入TMS570的NHET 引腳即可，將3個(gè)HALL信號同時(shí)引入NHET 進(jìn)行測速是一種硬件冗余設(shè)計(jì)，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(gè)測速功能無法完成的情況發(fā)生。

圖1 測速硬件結(jié)構(gòu)示意圖

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

圖2 BLDC順時(shí)針轉(zhuǎn)動HALL信號時(shí)序相位圖

由圖2可知：BLDC轉(zhuǎn)速可通過測量單個(gè)HALL信號的頻率計(jì)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(jì)

NHET 測速軟件的核心測速代碼采用獨(dú)立的指令結(jié)構(gòu)和時(shí)序決議機(jī)制實(shí)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(yùn)行之前由應(yīng)用程序拷貝到NHET RAM 中，NHET 匯編器同時(shí)生成.h文件，由應(yīng)用程序?qū)y量數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，時(shí)序機(jī)制如圖3所示。

圖3 NHET指令執(zhí)行時(shí)序圖

NHET 時(shí)鐘由VCLK2驅(qū)動，每個(gè)VCLK2周期稱為一個(gè)“時(shí)隙”（Time slot），將VCLK2 進(jìn)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(shí)鐘、循環(huán)分頻時(shí)鐘，這兩個(gè)時(shí)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(shí)間不同，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意程序循環(huán)內(nèi)所有代碼執(zhí)行時(shí)間的和不能超過一個(gè)循環(huán)分頻時(shí)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(shí)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(shí)鐘進(jìn)行周期計(jì)數(shù)，將周期時(shí)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(shí)間為例，指令執(zhí)行邏輯及時(shí)序如圖4所示。

圖4 PCNT指令邏輯及時(shí)序圖

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(jì)數(shù)器開始由零進(jìn)行加計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器滿后，向指令數(shù)據(jù)區(qū)加1，并從0重新開始計(jì)數(shù)；

②當(dāng)檢測到輸入引腳的下降沿后，將HR 計(jì)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(shí)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(shí)間，編寫PCNT指令參數(shù)如下：L01：PCNT｛next＝L02，irq＝ON，type＝RISE2RISE，pin＝18｝；

L02：PCNT｛next＝L03，irq＝ON，type＝FALL2FALL，pin＝20｝；

L03：PCNT｛next＝L01，irq＝ON，type＝RISE2RISE，pin＝21｝；

其中每一條指令對應(yīng)一個(gè)通道的HALL 輸入信號，當(dāng)指定引腳（pin）測量到一個(gè)完整的HALL周期后，產(chǎn)生一個(gè)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（RISE2RISE）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(shí)鐘為70 MHz時(shí)，選取高分頻為7，循環(huán)分頻為8，可得

因此，經(jīng)由NHET 測得的HALL信號周期為：

當(dāng)選取BLDC磁極對數(shù)為10時(shí)，將（4）帶入式（1），得出BLDC轉(zhuǎn)速（RPM）與NHET 測量數(shù)據(jù)之間的關(guān)系式為：

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(jì)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(zhǔn)確、可靠，使用一個(gè)系數(shù)為0.75的單極性I2R 低通濾波器的C語言代碼如下：

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(jì)思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(jì)方案。N 版本程序設(shè)計(jì)是指對于一個(gè)給定的功能，由N（N＞2）個(gè)不同的設(shè)計(jì)組獨(dú)立編制出N 個(gè)不同的程序，然后通過運(yùn)行N 個(gè)不同的程序得出結(jié)果并進(jìn)行比較，輸出正確的數(shù)據(jù)?；赥MS570NHET 功能測速軟件N 版本程序設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 測速軟件N版本程序設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)

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(jī)測速軟件設(shè)計(jì)方案，其中包括NHET測速原理介紹和代碼實(shí)現(xiàn)、對測量結(jié)果的軟件濾波算法設(shè)計(jì)、基于N 版本軟件容錯設(shè)計(jì)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(shí)際測試和應(yīng)用的結(jié)果表明該方案切實(shí)可行。

［1］TI.TMS570LS Series Microcontroller Technical Reference Manual（TRM），2011.

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［5］EN 50126－Railway applications－The specification and demonstration of Reliability，Availability，Maintainability and Safety（RAMS），1999.

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