前 言

以目前电子信息科技的发展趋势来看，未来电源系统将朝向两极化的方向发展，一是以可携式消费性电子产品为导向的模块化微型电源，另一则是具有多功能用途的大型电源设备。大型电源设备的发展将趋向大型化、模块化、智能化、网络化，例如应用于通讯中心的通讯电源系统、复合电动车的动力引擎与电源管理系统、精密半导体设备的不断电系统、三相高功率主动滤波器等等。由于这些大型电源设备组成复杂，同时又需要以模块化方式满足不同的应用需求，因此应用数字控制技术于电源控制与管理，将是未来发展的趋势。随着高性能单芯片DSP控制器的发展，应用高性能单芯片DSP于电源控制，将成为电源技术的重要发展的趋势。

关键词: DSP控制, DSP数字电源控制, DSP嵌入回路仿真, 窗口为基础的数字控制发展环境

1. 简介

近年来，由于电力电子与电机控制技术的进步，电机控制在自动化与信息家电的应用领域也更为广泛，电机控制的应用也愈为多样化，以单芯片DSP为核心的电机控制技术已成为解决此一问题的重要平台。建立整合电机设计、电力电子、控制理论、与DSP数字控制的设计环境，成为设计DSP数字电源与马达控制的重要关键。

图1是一个包含功率因子控制与回生控制的马达驱动系统的方块图。系统整合是设计一个高性能机电系统的主要关键。单芯片DSP控制器由于具备强大的计算能力、完整的控制接口、与便宜的价格，因此成为整合机电系统的利器，藉由软件控制技术，系统工程师几乎可以将所有的控制功能均已软件的方式实现，不仅具有灵活性的优点，也可将先进的控制理论、讯号处理、估计理论、智能型系统诊断等方法应用于实际系统。

图1  包含功率因子控制与回生控制的马达驱动系统的方块图

图2是一个复合式电动车(HEV)的系统组成的示意图，其中包含了多样的电机与电源控制，例如由马达所带动的传动系统控制、回生煞车控制，电池的充电控制与放电升压控制，发电机的控制，此外如行车效率控制、能源分配管理等等。这些控制功能往往同时发生，也需要彼此间的协调与同步控制，因此可以算的上是一个相当复杂的控制系统。一个复合式电动车需要良好的系统整合控制，以高性能DSP为基础的控制系统提供了一种以软件控制为手段的解决方案，但在系统发展过程中，发展工具成为重要的考虑因子。

图2  复合式电动车的系统组成

图3说明一个以PC为发展平台的DSP数字电源控制系统的设计流程，由图中可看出，此系统的演进发展过程是循环的，且藉由PC与DSP贯穿整个系统间，PC提供设计者与系统之间的人机接口，DSP则用来实现控制功能，实现所谓的嵌入式系统(DSP embedded system)，建立这样的发展环境，是设计一个以韧体发展为主的嵌入式系统的重要前提。在这样一个必须结合韧体发展的软件控制(software control)发展环境，设计者通常需要经由不断反复的程序设计、侦错、修改、EPROM烧录等过程，此过程不仅繁琐，有时往往难以找出问题所在。因此，应用适当的发展工具建立一个整合性的设计环境，是发展高性能机电整合系统非常重要的一个关键。忽略此一过程，而直接跳入系统实现的阶段，不论其短期成效如何，终将在未来的产品维护与改善阶段，付出惨痛的代价。

为了避免上述情况的发生，就必须了解数字电源系统的设计流程，同时建立相关的发展工具。图4说明一个微电脑数字控制系统的设计流程，缺乏经验的设计者往往会直接进入硬件实现阶段，然后再发展软件，但是因为缺乏对系统整体的了解，在随后的发展过程中，往往旷日费时的不断在方法评估、参数调整、程序修改、程序编译、连结、烧录、测试等过程打转，丧失了产品开发的契机。造成这种现象的原因，一方面固然是因为设计者本身未能建立有效的设计流程，另一方面则是因为缺乏良好的微电脑数字控制发展系统所致。

以设计全数字控制的UPS系统为例，首先应建立UPS功率转换器与负载的数学模型，其次必须决定控制架构与控制器的设计方法，再经由计算机辅助设计与仿真软件(如MATLAB、Simulink、SPICE等)决定控制器的参数。如果设计能符合规格的要求，那么就可进一步的来实现控制器。在以微电脑为基础的控制系统，此阶段的设计包含了硬件与软件设计两部份。硬件设计首先须决定适当的CPU，一般考虑主要在于价格、简单性、界面、与计算能力，单芯片微控器由于符合这些条件，通常是工业控制器主要的选择。软件设计则较为复杂，这其中包含了整数化、汇编程序设计、中断处理、信号处理等。

图3  以PC为发展平台的DSP数字马达控制设计流程

图4  控制系统的设计步骤流程图

由于在控制系统的仿真与设计过程中，并不易将系统的非线性与不确定性部份纳入设计过程，因此通常只能得到控制器大略的参数值，实际数值仍须经由实验来调整，这就必须经由一个"具有知识性的尝试错误调整法则"来得到良好的响应。由于这些过程繁复，因此研制一个微电脑数字控制系统时，往往要花费许多时间。若能将这些步骤整合在一个具有良好界面的单一环境，不仅可提供设计者建立标准的设计流程，也可大幅缩短系统开发的时间。

本文介绍一个以DSP为控制核心的交互式数字电源控制实验系统：DSP-PowerLab。DSP-PowerLab是一套以单芯片DSP为核心的模块化数字电源控制实验与教学系统，以德州仪器公司所生产的单芯片数字信号处理器(TMS320F240)为控制核心，结合特殊设计的功率转换模块，可进行以DSP为基础的数字电源控制的教学、研究、与产品研发。

DSP-PowerLab包含一套以窗口为基础的监控软件(WinDSP)以及多个以DSP为核心的功率转换模块，使用者利用一个具有RS-232接口的个人计算机，利用系统所提供的工具箱(Tool Box)即可进行以DSP为基础的数字电源控制，亦可自行以高阶C-语言或汇编语言发展控制程序。

2. DSP数字电源控制

2.1 为何选择DSP？

选择一个数字控制系统的的核心微处理器应考虑五个要素：价格、计算能力、周边设计、支持工具、与取得性。选用不适当的微处理器不仅提高成本，更可能降低整体的性能，所以选用合宜的微处理器是相当重要的。由图5微控器与DSP芯片的效能成本比较图得知，采用DSP可有效降低成本与提高系统之性能，况且以往DSP最让人诟病的周边功能的缺乏与设计较为困难等缺点，也因高性能的单芯片DSP控制器(TMS320X240)出现而改观。

图5  微控器vs. DSP实现之效能成本比较图

目前DSP的旋风正袭卷着整个单芯片的市场，许多原先使用微处理器或微控器的应用场合，正尝试使用DSP取代原先的微处理器或微控器，其原因是DSP芯片的优势在于执行速度快，整体效能佳，可达成多功能的实时控制(real-time control)；特殊的硬件及指令设计，适用于高等控制算法，容易增加附属功能；芯片内部设计适用于数字信号处理，单一指令周期、多条内部总线、特殊之地址译码模式、零负担之循环运算、可程序化之闪存、整数乘法的硬件计算、多样的I/O周边功能、其它特殊内建功能等。这些优点都说明了为何选择DSP应用于数字马达与电力电子控制等相关领域。

德州仪器所制造的DSP TMS320系列的硬件架构是以16位为基本数据处理单元，采用16位的数据与地址总线与32位的缓存器，其核心为32位的算数运算逻辑单元(ALU)与累积器(ACC)，并以硬件方式来实现不同的功能，如乘法器、位移器等，以提升其计算速度。在整数计算方面，为了减少数值计算所衍生的问题如溢位(overflow)与标尺划(scaling)等，采用硬件式的位移缓存器来提高软件执行的精确度，这些位移缓存器可以同时配合其它指令一起使用，并不需要耗费额外的执行时间。

图6是以数字式UPS为例，应用一般微控器与高性能DSP于UPS控制所做的CPU计算效能分析，由图中可看出，如采用一般的微控器，则80%的CPU时间将用于基本的正弦波脉宽调变、频率控制、与过程控制等，但如采用DSP，则包含交流稳压回路控制的数学运算，仅占用了20%的CPU时间。剩下的CPU时间可用于实现另外的控制法则，例如功率因子控制、前级直流电源稳压控制、随机式脉宽调变、电流涟波补偿、开机启动、错误诊断、参数估计、在线参数自动调整等种种功能。当然，这些高级的控制功能必须视应用情况来发展，但由此当可了解，DSP实际上开启了控制理论实用化的一扇大门，对自动控制技术未来的发展影响深远。

图6  应用数字信号处理器于UPS控制的效能分析

2.2 DSP数字控制系统

将DSP应用于生产自动化与民生家电用品的技术发展与产品开发，不论在初期研究或产品开发阶段，发展工具都是十分重要的关键。目前市面上的一些应用于高性能马达与电源控制的微控器或数字信号处理器，如TMS320x24x、DSP56000、ADMC401、SH7045等，其功能与价格虽然各有千秋，但在发展工具的支持方面，差异却相当大，这其中德州仪器与模拟组件(Analog Devices)提供了较佳的发展工具与技术支持。此外，这两家公司的DSP也均有为数众多的第三类公司(third party)提供相关之发展工具与产品开发设计服务，在市场上形成了两个竞争激烈的集团。

2.3 硬件嵌入回路仿真系统

在发展嵌入式控制系统的过程中，评估其可行性是相当关键的一个步骤，在进行系统的软硬件设计之前，应先确认(verify)控制策略的可行性。设计一个复杂机电控制系统的主要困难，往往在于无法事先确定是否能达到系统在整合后的一些关键性能指针。因此，经由硬件回路仿真(hardware-in-the-loop)系统，可快速完成系统的可行性评估。

近年来，由于PC与DSP的进步，所谓的硬件回路仿真多藉由PC或DSP实现，因此出现了所谓的PC-in-the-loop、DSP-in-the-loop。藉由PC所提供的人机接口环境与充分的接口控制卡，设计者能在充分的支持下完成硬件回路仿真系统的设计，并以此为基础进行系统的可行性评估。

例如美国的国际应用动力 (Applied Dynamics International)、Stable Systems、德国的dSPACE等公司均提出了hardware-in-the-loop的系统解决方案，这其中dSPACE提供了最完整的解决方案，dSPACE同时也提供了MATLAB/SIMULAINK的控制通讯接口，使用者可以在MATLAB/SIMULAINK的环境下发展控制法则与进行系统仿真，之后再将发展的控制程序加载目标处理器进行硬件回路仿真。

3. 模块化数字电源控制发展系统：DSP-PowerLab

3.1 系统架构

近年来数字信号处理器(DSP)由于其快速的计算能力，不仅广泛应用于通讯与视讯信号处理，也逐渐应用各种高级的控制系统如引擎控制、振动控制、噪音控制、磁盘驱动器控制、马达控制、电源控制等。由于电源系统的频宽一般均较伺服系统高，因此必须以更高的取样频率来完成，DSP正可发挥其高速运算的优点，但相对而言，设计一个电源系统的数字控制器其困难度也就愈高。为了利用先进的单芯片DSP于数字电源控制，建立一个以PC为工作平台的发展环境是相当重要的，本文介绍一个一个以DSP为控制核心的交互式模块化数字电源控制发展系统：DSP-PowerLab。

DSP-PowerLab是一个以PC为基础，在 Microsoft Windows 窗口环境使用的「交互式」「模块化」数字电源控制发展系统，如图7所示。DSP-PowerLab的系统架构如图8所示，包含一个窗口接口监控软件(WinDSP)、一个采用DSP控制的功率驱动模块、以及一个电源负载，例如电池、功率电阻、或其它电源负载。

DSP-PowerLab采用RS-232作为与PC间的通讯接口(RS-485可选)，因此无论在系统安装与程序发展方面均相当方便，经由RS-232通讯接口，使用者可直接下载控制程序、调整控制参数、与观察控制变量，藉由此一系统，使用者可以很方便的实现先进的数字控制法则，完成控制方法的可行性评估。

图7  DSP-PowerLab 模块化数字电源实验系统

图8  DSP-PowerLab 数字控制发展系统的系统架构

3.2 WinDSP监控软件

WinDSP的软件开发采用对象导向设计，所发展之软件具有良好的模块扩充性，具有软件 IC 的特性。此系统具有下列特点：

1.     以PC Windows为发展环境，以单芯片DSP控制器(TMS 320F240)为目标控制器 (target controller)，可配合DSP的商品化产业发展趋势。

2.     提供RS-232 (RS-485可选)作为PC与DSP间的计算机接口。

3.     可用高阶C语言或汇编语言发展控制程序，并直接将程序烧录于目标控制器进行实验测试。

4.     可自建链接库(library)，以模块化方式发展控制程序。

5.     经由PC可对控制器内的任一参数或变量进行在线式调整(on line tuning)。

6.     内建多功能多频道的数字示波器，提供多种方法显示实验之变量，可任意选择四个控制器的变进行纪录、观测、与分析。

7.     多重图形输出界面：示波器量测之波形数据，可输出到下列设备：

w Matlab Working Platform (ASCII file、Binary file、Mata-file)

w Printer

w Windows 剪贴簿

8.     具有自动播放功能(auto-play mode)，可供实验展示。

9.     提供HTML接口，可自行编写实验讲义与技术数据并与发展系统整合。

在设计一个数字控制器的过程当中，藉由计算机辅助设计工具进行控制器的分析、设计、与模拟是不可或缺的步骤，无论从教育或研究的角度而言，将计算机辅助设计与实验测试整合都是非常重要的。为了解决此一问题，针对目前应用最普遍的MATLAB，设计了一个RS-232通讯模块RS-232.m呼叫程序，使用者在MATLAB的应用环境，可读取DSP控制器的控制变量，或是设定控制参数。为了整合MATLAB，WinDSP同时提供了与MATLAB的软件接口，如图9所示。经由此接口，实验中记录的数据，可直接传递给MATLAB，进行例如系统判别、频率响应分析等研究工作。

图9  WinDSP与MATLAB的系统接口

3.3 操作画面

图10是WinDSP监控软件的操作画面，图11是DSP程序的发展流程。在WinDSP的操作环境下，控制系统设计者可以高阶的C语言或低阶的汇编语言撰写控制法则(control law)，再经由编译、下载、执行等过程，迅速进入实际测试与调整。WinDSP的程序发展工具整合了TI所提供的C语言编译器与组译器(assembler)，让使用者可以快速的发展程序，建立链接库(library)，以模块化方式发展控制程序。

图10  WinDSP监控软件的操作画面

图11  WinDSP的程序发展流程

3.4 数位示波器

WinDSP内含数字示波器功能，图12是示波器显示画面的一些例子，此示波器具有四个频道，使用者可选择程序中所定义的任意四个变量进行观察。当DSP程序执行时，其系统程序会自动记录所选择的观察变量，纪录完成后，由RS-232回传到PC，WinDSP再将这些变量的波形显示在示波器上。

图12  WinDSP的示波器显示画面

WinDSP的示波器工具『PROBE』提供多种讯号显示方式，例如可以X-Y模式显示电流向量的变化轨迹，这对以磁场导向控制为主的交流马达控制是非常重要的。此外，PROBE也提供了类似影片播放的『慢放』『滚动』『停格』『局部放大』等功能，使用者因此可仔细的观察实验结果的细部变化，例如感应马达转子磁通向量(rotor flux vector)与定子电流向量的相对运动关系，藉由PROBE可观察两者间相位的变化，如此，可调整解耦控制器的转子时间常数观察其对稳态响应的影响。

PROBE也提供类似储存示波器的轨迹记忆(trace)功能，实验量测之信号可累积显示在示波器的荧光幕，如此，在调整参数时，使用者可观察到参数调整所产生的效果。

3.5 参数调整

WinDSP提供了一个参数调整窗口，DSP控制程序中的参数与变数，使用者均可直接的调整其数值。由于TMS320x24x是一个定点运算(fixed-point arithmetic)的数字信号处理器，因此其数值无法直接反应实际物理量的数值与单位，WinDSP提供的参数调整窗口可让使用者定义这些参数与变量的单位与转换因子(scaling factor)，经由此间接的单位转换，使用者不仅可容易的理解这些参数的数值与物理意义，同样的，在示波器所显示的信号，也经过了这些转换计算，因此也能更容易的解读其物理意义。

在控制器的设计与实现过程中，经由尝试错误 (try and error)的过程反复的修正控制参数以得到更加的结果，是不可省略的步骤。调整到满意的参数之后，WinDSP可直接将新的参数烧录在DSP的闪存(flash memory)，下次进行实验时，可以新的参数继续进行控制器的设计改良。

3.6 互动窗口

WinDSP提供了一个互动窗口(interactive window)，此窗口以文字模式(text mode)提供使用者与WinDSP、DSP一个对话管道，使用者可直接下达命令给DSP或WinDSP，这些命令称之为互动命令(interactive commands)。例如：set Kp=10, Ki=2; 可直接将控制程序中一个名为Kp的参数设为10、Ki设为2。例如：xyplot (Wm, Te); 可将记录的量测变量Wm, Te以x-y模式在示波器显示。

3.7 实例说明

图13是应用DSP-PowerLab于48V电源供应器之功率因子控制的实例。藉由线电压与线电流的回授，可以数字方式完成功率因子控制与直流稳压控制，由图中PC的屏幕可观察到输入电源的线电流波形，经由WinDSP可直接调整数字式功因控制器的控制参数，以互动的方式完成DSP控制程序的发展。

DSP-PowerLab是一个结合WinDSP与DSP控制电源模块所形成的一个以PC Windows为发展平台的交互式DSP数字电源控制实验系统，此系统以PC为人机接口之控制平台，经由RS-232监控一个内含DSP的数字电源控制系统，达到以PC监控DSP-in-the-loop的目的。经由特别设计的软件通讯协议，使用者可藉由高阶C语言或汇编语言撰写控制程序，经过编译后可直接加载DSP，进行实时数字控制。DSP-PowerLab也允许使用者在在线实时观测变数或调整参数，提供了类似示波器的变量观测工具，可以数值或图形方式观察系统的变量。

图13  应用DSP-PowerLab于48V电源供应器之功率因子控制

图14  电池供电之无刷直流马达实验系统

图14是WinDSP应用于一个电池供电的无刷直流马达实验系统的示意图。由于DSP-PowerLab可直接控制一个多功能的功率驱动模块，因此藉由使用者所发展的控制程序，可呈现出多种不同的应用。此外，DSP-PowerLab也提供了与MATLAB/SIMULINK的计算机接口，经由MATLAB的.M file使用者可直接读取实验结果，进行分析或设计，并将结果直接传递给DSP控制器，形成一个整合的控制环境。藉由此一功能，使用者可在MATLAB的环境下发展适应型或智能型控制方法。

4. 结 语

DSP嵌入芯片应用于数字马达与运动控制将成为未来发展的趋势，PC-BASED控制器适用于需要网络接口、人机整合的系统层次控制器，而DSP Embedded控制器更适合于终端应用需要大量计算与I/O处理的实时控制应用，因此两者将可相辅相成扩展以软件控制为主的自动控制应用，将自动控制技术与日常生活与消费性电子娱乐设备结合，创造广大的市场机会。DSP-PowerLab这一个以窗口为基础的交互式模块化DSP数字马达控制发展系统，建立了一个以窗口为基础的DSP数字马达控制发展环境，提供设计者一个整合、互动的图形接口，让使用者可以高级语言或汇编语言学习或发展先进的数字马达与运动控制方法。

DSP-PowerLab的软件设计采用了对象导向程序设计方法，因此不仅可有效率的设计出可靠、高质量的软件，也利于未来进一步的维护与发展。本系统发展出以低价格高性能DSP (TMS320F240)为核心的数字控制发展系统，可以很方便的将一些高等信号处理与控制方法如software servo control algorithms、sensorless control algorithms、optimal space vector PWM algorithms、robust control algorithms、adaptive servo control algorithms、fault tolerant algorithms等移转至以DSP (TMS320x24x)为核心的工业产品。此系统不仅建立了计算机辅助控制系统设计(如MATLAB)与DSP数字控制的桥梁，同时也是一个学术研究工具，此系统在各种高性能的电源控制、马达驱动、电力电子与工业控制应用领域，均能发挥其系统整合设计的性能。

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