Перспективная серия микроконтроллеров фирмы Texas Instruments ‘240x

   
для систем цифрового управления двигателями

В. Козаченко, С. ГрибачевПерспективная серия микроконтроллеров фирмы Texas Instruments ‘240x для систем цифрового управления двигателями

Мы уже неоднократно писали о новых сериях микроконтроллеров с функциями цифровой обработки сигналов ведущих фирм мира, в том числе, о микроконтроллерах серии ‘24x фирмы Texas Instruments [1,2]. Микроконтроллеры этой фирмы отличаются высокой производительностью, наличием встроенной флэш-памяти программ с возможностью перепрограммирования непосредственно в изделии по последовательному каналу связи, а также мощным набором периферийных устройств и интерфейсов, ориентированных на эффективную работу в распределённых системах управления: встроенным контроллером локальной промышленной сети (CAN-контроллером), встроенными коммуникационным (SCI) и периферийным (SPI) интерфейсами. Эти преимущества, а также высокий рейтинг фирмы Texas Instruments, владеющей примерно половиной мирового рынка сигнальных процессоров и микроконтроллеров, заставляют разработчиков постоянно следить за новинками, предлагаемыми этой фирмой. Эта статья предоставляет читателю информацию о только что анонсированных изделиях, которые будут доступны разработчикам в начале нового тысячелетия. Мы уверены, что содержащиеся в статье материалы будут интересны тем, кто занят разработкой высокопроизводительных систем цифрового управления различными электрическими двигателями со статическими преобразователями, и помогут им правильно сориентироваться в выборе элементной базы для реализации своих проектов.
Назначение

Рост требований к системам привода заставляет разработчиков микроконтроллеров не только увеличивать производительность центрального процессора и объёмы имеющейся в распоряжении пользователя памяти программ и данных, но и существенно расширять возможности встроенной периферии, адаптируя её к решению новых задач. Имеющиеся сегодня на рынке специализированные DSP-микроконтроллеры TMS320’24x (семейство ‘24x) ориентированы прежде всего на создание приводов по классической схеме — “неуправляемый выпрямитель – инвертор – двигатель”. Новое поколение микроконтроллеров TMS320L’240x (семейство ‘240x) существенно расширяет сферы применения и допускает управление двухдвигательными (двухинверторными) приводами, а также приводами, построенными по схеме “управляемый выпрямитель – инвертор – двигатель”. Эффект достигается как за счёт интеграции на кристалл микроконтроллера сразу двух, работающих независимо друг от друга, менеджеров событий, так и за счёт существенного повышения производительности центрального процессора (до 30 млн.оп./с) и увеличения объёма встроенной памяти программ (до 32 Кслов). Новые микроконтроллеры перспективны для построения приводов с активными цифровыми фильтрами, а также могут быть рекомендованы для управления преобразователями частоты с непосредственной связью и матричными преобразователями.

Новое семейство ‘240x несомненно заинтересует разработчиков тяговых приводов с векторным управлением (электомобили, локомотивы, малые транспортные средства), а также приводов, работающих на активную нагрузку (краны, подъёмники, канатные дороги, лифты), прежде всего из-за более высокой (на 50%) произво-дительности центрального процессора, увеличенного вдвое объёма памяти программ (до 32 Кслов), а также возможности эффективного прямого цифрового управления одновременно всеми ключами входного и выходного силового преобразователя, что решает проблему эффективной рекуперации энергии в тормозных режимах работы привода.

Семейство привлекательно для специалистов, занятых разработкой приводов изделий массового спроса (бытовой и офисной техники), из-за предельно низких потребления энергии и стоимости микроконтроллеров с масочно-программируемым ПЗУ — в перспективе до $2,5–3 за шт. в партии от 10000 шт. При этом сохраняется высокая производительность и широкий набор функцио-нальных возможностей, что позволяет решать задачи создания дешёвых бездатчиковых систем с управлением в реальном времени по математической модели привода.

Особый интерес представляют микроконтроллеры нового семейства для прямого цифрового управления новейшими изделиями силовой электроники, в частности, так называемыми полностью самозащищёнными (интеллектуальными) клюами, стойками и мостами, допускающими непосредственное подключение к выводам микроконтроллера без каких-либо дополнительных драйверов (например, Siemens BТS 770, 771, 780). При этом открываются возможности проектирования инверторов со сложными энергосберегающими алгоритмами управления, рекорд-ными значениями КПД, предельно малыми массо-габаритными показателями. В частности, появляется возможность программной реализации алгоритмов управления инверторами тока в режиме “токового коридора” с автоматическим выбором оптимального закона коммутации ключей: первого (0, +U), второго (-U, +U) или третьего импульсного режимов (0, +U; 0-U). Кроме того, минимизация мощности, рассеиваемой в инверторе, даёт возможность размещения силовых модулей непо-средственно на плате управления без радиатора (пока только до мощностей 1–2 кВт), то есть интеграции силовой и управляющей части в единое целое. Это направление перспективно в робототехнике и станкостроении при проектировании “мехатронных” модулей движения с полной конструктивной интеграцией силового преобразователя в двигатель, а также при создании систем привода малых транспортных средств (электровелосипедов, инвалидных колясок и пр.)
Технические характеристики семейства микроконтроллеров ‘24x

В табл. 1 приведены основные технические характеристики доступного в настоящее время семейства микроконтроллеров ‘24x, а на рис. 1 показаны основные области их применения.
Таблица 1. Технические характеристики сеиейства микроконтроллеров '24x Возможности F240 C240 F241 C241 C242 F243 'C2xx DSP-ядро Да Да Да Да Да Да Цикл выполнения команды 50 нс 50 нс 50 нс 50 нс 50 нс 50 нс Производительность (при 20 МГц) 20 млн.оп./с 20 млн.оп./с 20 млн.оп./с/td> 20 млн.оп./с 20 млн.оп./с 20 млн.оп./с ОЗУ двойного доступа DARAM (16-разрядных слов) 544 544 544 544 544 544 Встроенная секторная флэш-память (16-разрядных слов) 16 К - 8 К - - 8 К Встроенное ПЗУ (16-разрядных слов) - 16 К - 8 К 4 К - Интерфейс внешней памяти Есть Есть - - - Есть Менеджер событий Есть Есть Есть Есть Есть Есть

  • Число таймеров общего назначения
3 2 2 2 2
  • Число каналов сравнения/ШИМ
9/12 9/12 5/8 5/8 5/8 5/8
  • Число каналов захвата/ввода "квадратурных" сигналов
4/2 4/2 3/2 3/2 3/2 3/2 Сторожевой таймер Есть Есть Есть Есть Есть Есть Аналого-цифровой преобразователь (10-разрядный) Есть Есть Есть Есть Есть Есть
  • Число каналов
16 16 8 8 8 8
  • Время преобразования (минимальное)
6,6 мкс 6,6 мкс 850 нс 850 нс 850 нс 850 нс Последовательный периферийный интерфейс (SPI) Есть Есть Есть Есть - Есть Последовательный коммуникационный интерфейс (SCI) Есть Есть Есть Есть Есть Есть CAN-интерфейс локальной сети - - Есть Есть - Есть Число линий дискретного ввода/вывода 28 28 26 26 26 32 Число внешних прерываний 6 6 6 6 6 6 Напряжение питания 5 В 5 В 5 В 5 В 5 В 5 В Тип корпуса 132 PQFP 132 PQFP 68 PLCC
64 PQFP 68 PLCC
64 PQFP 68 PLCC
64 PQFP 144 TQFP

Микроконтроллеры ‘F240 имеют 16 Кслов встроенной на кристалл флэш-памяти программ, полный набор периферийных устройств, адаптированных для целей управления двигателями, последовательный коммуникационный интерфейс (SCI), последовательный периферийный интерфейс (SPI), а также интерфейс с внешней памятью и внешними периферийными устройствами (EMIF) [1]. Это базовые модели, предназначенные, в том числе, для начального макетирования и отладки задач, решение которых планируется на других микроконтроллерах серии. Для них имеется наиболее полная техническая поддержка со стороны фирмы-производителя и третьих фирм, занятых разработкой контроллеров-прототипов в области систем встроенного управления двигателями. Дополнительным преимуществом микроконтроллеров ‘F240 является наличие интерфейса с внешней памятью и внешними периферийными устройствами, что позволяет проектировать сложные системы управления, обеспечивающие дружественный интерфейс с оператором и дополнительным технологическим оборудованием (возможность подключения пультов оперативного управления любой сложности, карт ввода/вывода и так далее).

Микроконтроллеры ‘241 и ‘243 имеют дополнительное, интегрированное на кристалл периферийное устройство — встроенный контроллер CAN-интерфейса, что позволяет объединять несколько систем управления в локальную промышленную сеть. Локальная сеть конт-роллеров представляет собой последовательную двухпроводную шину с произвольным числом ведущих контроллеров (контроллеров-мастеров), каждый из которых может обмениваться данными с ведомыми конт-роллерами (узлами сети). CAN-протокол реализован в ‘241 и ‘243 аппаратно, что существенно уменьшает затраты времени на разработку драйверов обмена и уско-ряет процесс проектирования распределенных систем управления реального времени. На сегодняшний день CAN-интерфейс является одним из наиболее перспективных интерфейсов локальных промышленных сетей, так как имеет прекрасные показатели по критерию производительность/цена. Он обеспечивает пересылку данных с высокой скоростью (до 1 Мбит/с при длине шины до 40 м), надёжный контроль достоверности передаваемой информации за счёт быстродействующей интеллектуальной системы обнаружения ошибок. Дополнительным преимуществом СAN-интерфейса является гибкость, то есть возможность переконфигурирования на ходу — так называемого “горячего переконфигурирования”. Аппаратная реализация протокола обмена даёт возможность программисту работать с содержимым “почтовых ящиков”, не задумываясь о деталях прохождения информации по физическим каналам связи.

Применение микроконтроллеров ‘241 и ‘243 наиболее эффективно в современных системах комплексной автоматизации производства, в станкостроении, робототехнике и автомобилестроении и позволяет простыми средствами создавать распределённые системы управления оборудованием на базе локальных промышленных сетей. При этом можно отказаться от дорогостоящих систем числового управления оборудованием (ЧПУ), решая те же задачи с помощью распределённых систем позиционного и контурного управления на базе микроконтроллеров с CAN-интерфейсами. Преимущество такого подхода состоит в резком удешевлении системы управления и снятии ограничений на число одновременно работающих осей привода. Кроме того, возможны любые сочетания осей, работающих в режимах позиционного и контурного управления.

Обратите внимание на то, что микроконтроллеры, ориентированные на использование в распределённых системах управления, имеют встроенный последовательный периферийный интерфейс (SPI). Он допускает подключение к микроконтроллеру широкого спектра как активных (процессорных), так и пассивных устройств. К ним могут относиться пульты оперативного управления, платы ввода/вывода дискретных и импульсных сигналов, индикаторы, платы сопряжения с различными датчиками, внешние ЦАП и АЦП, часы реального времени и так далее. Например, для сопряжения с датчиками положения типа “резольвер” (вращающийся трансформатор) может использоваться интерфейсная плата с установленным на ней R/D-конвертором, имеющим выход на синхронный периферийный интерфейс.

Рис. 1. Основные области применения DSP-микроконтроллеров TMS320x24x

Как видно из рис. 1, производители серии ‘24x позаботились также о потребителях, занятых разработкой и производством приводов изделий массового спроса — холодильников, стиральных машин, кондиционеров, вентиляторов, принтеров, плоттеров и так далее. Их вниманию предлагается предельно дешёвая версия DSP-микроконтроллера с встроенным масочным ПЗУ объёмом 4 Кслов. Казалось бы, использование мощных сигнальных процессоров в изделиях массового спроса экономически неоправданно, но при сегодняшнем уровне развития микропроцессорной техники это не так. Дело в том, что высокая производительность и наличие всех необходимых для управления двигателями встроенных периферийных устройств, позволяет отказаться от традиционных систем привода с датчиками и перейти к бездатчиковым системам привода с теми же потребительскими свойствами (быстродействием, диапазоном регулирования скорости и момента). При этом именно мощные вычислительные ресурсы DSP-микроконтроллера позволяют реализовать наблюдатель механических переменных привода, работающий исключительно на основе информации, получаемой от датчиков электрических переменных (токов, напряжений). Бурное развитие микроэлектроники привело к тому, что цена специализированного DSP-микроконтроллера достигла уровня цены обычного микроконтроллера. Поэтому, с системной точки зрения, выгодно использовать микроконтроллеры, позволяющие обойтись без дополнительного оборудования, в частности, без датчиков механических переменных.

Технология проектирования систем на базе микроконтроллеров ‘C242 следующая:

  • Разрабатывается контроллер-прототип на базе микроконтроллера ‘F241 с встроенной флэш-памятью и отлаживается аппаратная и программная часть системы управления. Контроллер-прототип должен иметь интерфейс для программирования флэш-памяти — либо JTEG для связи с внутрисхемным эмулятором, либо последовательный коммуникационный интерфейс (RS-232) для связи с персональным компьютером.
  • Отлаженная версия программного обеспечения записывается во флэш-память ‘F241 на контроллере-прототипе.
  • Разрабатывается и изготавливается опытно-промышленная партия “боевых” систем управления с предельно минимизированной аппаратной частью и центральным процессором на базе ‘F241 или ‘C242 (совместимы по выводам).
  • В изделиях опытно-промышленной партии устанавливаются микроконтроллеры ‘F241 с рабочей программой, расположенной во флэш-памяти. Выполняется полномасштабное тестирование изделий как в лабораторных условиях, так и в условиях эксплуатации.
  • На заводе-изготовителе заказывается маска для “прожига” ПЗУ в соответствии с кодами рабочей программы пользователя и партия микроконтроллеров ‘C242, ориентированная на серийное производство. Стоимость изготовления маски оплачивается заказчиком только для первой партии.
Технические характеристики семейства микроконтроллеров ‘240x

Ожидаемые технические характеристики нового семейства специализированных DSP-микроконтроллеров для управления двигателями представлены в табл. 2. Первые опытные образцы изделий должны появиться к концу текущего года, а со следующего 2000-го года ожидается начало массового производства. Микроконтроллеры имеют различные объём встроенной памяти и набор периферийных устройств, что позволяет разрабатывать системы управления, оптимизированные по критерию максимума производительности и функциональных возможностей за минимум цены.
Таблица 2. Технические характеристики семейства микроконтроллеров '240x Возможности 'LF2407 'LF2406 'LF2402 'LC2406 'LC2404 'LC2402 'C2xx DSP-ядро Да Да Да Да Да Да Цикл выполнения команды 33 нс 33 нс 33 нс 33 нс 33 нс 33 нс Производительность (при 30 МГц) 30 млн.оп./с 30 млн.оп./с 30 млн.оп./с 30 млн.оп./с 30 млн.оп./с 30 млн.оп./с ОЗУ (16-разрядных слов) Двойного доступа DARAM
Однократного доступа SARAM 544

2 K
544

2 K 544

- 544

2 K 544

1 K 544

- Встроенная секторная флэш-память (16-разрядных слов) 32 K 32 K 8 K - - - Встроенное ПЗУ (16-разрядных слов) - - 32 K 16 K 4 K Загрузочное ПЗУ (16-разрядных слов) 256 256 256 - - - Интерфейс внешней памяти Есть - - - - - Менеджеры событий А и В (EVA, EVB) EVA, EVB EVA, EVB EVA EVA, EVB EVA, EVB EVA

  • Число таймеров общего назначения
4 4 2 4 4 2
  • Число каналов сравнения/ШИМ
10/16 10/16 5/8 10/16 10/16 5/8
  • Число каналов захвата/ввода "квадратурных" сигналов
6/4 6/4 3/2 6/4 6/4 3/2 Сторожевой таймер Есть Есть Есть Есть Есть Есть Аналого-цифровой преобразователь (10-разрядный) Есть Есть Есть Есть Есть Есть
  • Число каналов
16 16 8 16 16 8
  • Время преобразования (минимальное)
500 нс 500 нс 500 нс 500 нс 500 нс 500 нс Последовательный периферийный интерфейс (SPI) Есть Есть - Есть Есть - Последовательный коммуникационный интерфейс (SCI) Есть Есть Есть Есть Есть Есть CAN-интерфейс локальной сети Есть Есть - Есть Есть - Число линий дискретного ввода/вывода 41 41 21 41 41 21 Число внешних прерываний 5 5 3 5 5 3 Напряжение питания 3,3 В 3,3 В 3,3 В 3,3 В 3,3 В 3,3 В Тип корпуса 144 TQFP 100 TQFP 64 TQFP 100 TQFP 100 TQFP 64 TQFPХарактерные особенности

Высокопроизводительная 0,25-микронная статическая КМОП-технология:

  • цикл выполнения команды — 33 нс (при тактовой частоте 30 МГц);
  • производительность центрального процессора — 30 млн.оп./с;
  • специальное исполнение с низким потреблением энергии, источник питания — 3,3 В.

Ядро центрального процессора — на основе ядра серии сигнальных процессоров T320C2xx:

  • полная совместимость по кодам с микроконтроллерами ‘F243/’F241/’C242;
  • модульная совместимость и совместимость по системе команд с ‘F240/’C240;
  • совместимость по исходным кодам с семейством TMS320C1x/2x.

Версии микроконтроллеров со встроенными флэш-памятью (LF) и ПЗУ (LC):

  • ‘LF240x: LF2407, LF2406, LF2402;
  • ‘LC240x: LC2406, LC2404, LC2402.

Встроенная память:

  • секторная флэш-память с электрическим стиранием информации или ПЗУ объёмом до 32 К 16-разрядных слов (объёмом сектора 2 Кслов);
  • ОЗУ программ/данных объёмом до 2,5 К 16-разрядных слов, в том числе:
  • 544 слова ОЗУ двойного доступа (DARAM);
  • 2 Кслов ОЗУ однократного доступа (SARAM).

Встроенное загрузочное ПЗУ (только для микроконт-роллеров ‘LF240x): программа-загрузчик флэш-памяти по последовательному коммуникационному интерфейсу (SCI) или по последовательному периферийному интерфейсу (SPI).

Интерфейс с внешней памятью (только ‘LF2407): общий объем внешней памяти — 192 К 16-разрядных слов, в том числе 64 Кслов памяти программ, 64 Кслов памяти данных, 64 К портов ввода/вывода.

Два независимых модуля менеджера событий (EVA и EVB), каждый из которых включает в себя:

  • два 16-разрядных таймера общего назначения;
  • 8-канальный генератор широтно-импульсных сигналов (ШИМ), обеспечивающий:
  • прямое цифровое управление по 6 каналам трёхфазными инверторами напряжения в режимах асимметричной, центрированной или векторной ШИМ-модуляции;
  • управление дополнительными ключами по двум каналам в режимах стандартной фронтовой или центрированной ШИМ-модуляции;
  • быстродействующую аварийную блокировку выходов ШИМ-генератора по внешнему активному сигналу на выводе PDPINT# микроконтроллера (по сигналу аварии в силовой части преобразователя);
  • защиту силовых ключей в стойке инвертора от сквозного тока на базе программируемого генератора “мертвого времени”;
  • 3-канальный модуль захвата внешних событий для ввода и временной “оцифровки” импульсных сигналов: встроенный “квадратурный” декодер для интерфейса с импульсным датчиком положения в системах цифрового измерения положения и скорости;
  • блок синхронизации запуска аналого-цифрового преобразования по периоду ШИМ.

Оптимизированная архитектура блока менеджеров событий предназначена для:

  • прямого цифрового управления приводами всех типов на базе асинхронных, синхронных, шаговых, вентильно-индукторных двигателей, коллекторных и бесколлекторных двигателей постоянного тока;
  • построения двух- и многодвигательных систем привода, двух- и многоинверторных систем, четырёх-квадрантных полностью управляемых силовых преобразователей, преобразователей с активными входными цифровыми фильтрами, преобразователей частоты с непосредственной связью, матричных преобразователей.

Модуль сторожевого таймера и прерываний реального времени.

10-разрядный аналого-цифровой преобразователь:

  • 16 мультиплицированных входов (‘LF2407, ‘LF2406, ‘LC2406, ‘LC2404) или 8 мультиплицированных входов (‘LF2402, ‘LC2402);
  • минимальное время преобразования — 500 нс на один канал;
  • режим автоматического сканирования 8-ми аналоговых входов с синхронизацией по периоду ШИМ, оптимизированный для использования в системах векторного управления приводами переменного тока.

Встроенный CAN-контроллер с поддержкой протокола 2.0В для реализации локальных промышленных сетей микроконтроллеров по двухпроводной линии связи.

Последовательный коммуникационный интерфейс (SCI).

Последовательный 16-разрядный периферийный интерфейс (SPI) (за исключением ‘x2402).

Встроенный тактовый генератор с возможностью умножения входной частоты.

Вплоть до 40 индивидуально программируемых 1-бит портов ввода/вывода, реализующих либо специальные функции, либо функции ввода/вывода общего назначения по выбору пользователя.

Пять входов внешних запросов прерываний (блокировка силового преобразователя, немаскируемое прерывание, сброс, два внешних прерывания общего назначения).

Встроенная система мониторинга питания:

  • три режима пониженного потребления энергии;
  • возможность независимого программного отключения питания любого встроенного периферийного устройства.

Режим отладки в реальном времени с помощью внутрисхемного эмулятора, подключённого к микроконтроллеру через интерфейс JTEG (IEEE Standard 1149.1).

Полный набор кросс-средств и эффективных средств отладки программного обеспечения:

  • ассемблеры, компоновщики, Си-компиляторы, отладчики в исходных кодах фирмы Texas Instruments;
  • программно-логические модели (симуляторы);
  • внутрисхемные эмуляторы XDS510д;
  • комплекс программно-аппаратных средств по изучению, проектированию и отладке современных систем цифрового управления двигателями третьих фирм (например, комплект MCK240 фирмы Technosoft);
  • интегрированные среды разработки программного обеспечения (Code Composer).

Корпуса с планарными выводами для автоматизированного монтажа на поверхность:

  • 144-выводной TQFP PGE (‘LF2407);
  • 100-выводной TQFP PZ (‘LF2406, ‘LC2406, ‘LC2404);
  • 64-выводной TQFP PAG (‘LF2402, ‘LC2402).

Опции поставки для расширенного температурного диапазона:

  • A: от -40° до +85°C;
  • B: от -40° до +125°C.

Ядро центрального процессора микроконтроллеров серии ‘240x имеет модифицированную многошинную гарвардскую архитектуру с раздельным доступом к памяти программ и памяти данных, что позволяет одновременно считывать команды и данные, ускоряя вычисления. Команды выполняются параллельно на 4-уровневом конвейере. Поддерживается обмен данными между различными областями памяти, размещение коэффициентов цифровых регуляторов и цифровых фильтров как в па-мяти программ, так и в памяти данных. Система команд оптимизирована для эффективного решения задач управления реального времени и цифровой фильтрации, в частности, легко реализуются кольцевые буферы на основе использования специального метода адресации операндов с реверсированием направления распространения бита переноса.Хорошая альтернатива ПЗУ — встроенная флэш-память. Она является энергонезависимой и допускает перепрограммирование непосредственно “в изделии” по последовательному каналу связи от персонального компьютера, либо через JTEG-порт от внутрисхемного эмулятора. При этом не требуется никаких специальных программаторов, так как алгоритм стирания и “прожига” реализуется собственно DSP-процессором. Микроконтроллеры этой серии, имеющие встроенную флэш-память, поставляются с интегрированным на кристалл загрузочным ПЗУ. При использовании внутрисхемного эмулятора программные модули, необходимые для реализации процедуры стирания или записи данных во флэш-память, предварительно загружаются во встроенное кодовое ОЗУ микроконтроллера, где и выполняются.

Для программирования флэш-памяти на вывод Vccp должно быть подано напряжение +5 В (кроме обычного цифрового питания 3,3 В). Выбор необходимого режима работы (выполнение программы пользователя или программирование флэш-памяти) обеспечивается подачей соответствующего потенциала на вывод BIO# микроконт-роллера. Флэш-память секционирована, причем каждая секция может быть индивидуально очищена и запро-граммирована, либо защищена от стирания и записи. Наличие флэш-памяти удобно при разработке контроллеров-прототипов, а также для гибких и часто перенастраиваемых однокристальных систем управления, так как допускает перепрограммирование от обычного портативного компьютера. Имеется возможность удалённой модификации программного обеспечения через сеть Интернет.Все микроконтроллеры серии имеют быстродействующее встроенное ОЗУ двойного доступа (DARAM) объёмом 544 слова. Его главная особенность состоит в том, что запись и чтение из ОЗУ производятся в течение одного машинного цикла. С учётом раздельного доступа к памяти программ и памяти данных за один машинный цикл возможно сразу 3 обращения к памяти. Эта память используется главным образом для хранения выборок и переменных. Один из банков DARAM объёмом 256 слов в процессе выполнения программы может динамически переконфигурироваться для использования либо в качестве памяти данных, либо в качестве памяти программ. Последняя возможность обеспечивает подзагрузку фрагментов программного кода из внешней медленной памяти для ускоренного выполнения во встроенном кодовом ОЗУ (для ‘LF2407).

Микроконтроллеры семейства ‘240x, в отличие от микроконтроллеров ‘24x, имеют дополнительное ОЗУ однократного доступа (SARAM) объёмом 1 или 2 Кслов. Чтение или запись в память типа SARAM производится за один машинный цикл. За счёт программной установки флагов PON и DON память может быть сконфигурирована как память данных, память программ, либо память данных и память программ одновременно. Общий объём кодового ОЗУ может достигать в микроконтроллерах ‘240x 2,25 Кслов, а ОЗУ данных — 2,5 Кслов.

Микроконтроллеры ‘240x имеют гибкую 32-уровневую систему прерываний, являющуюся расширением системы прерываний микроконтроллеров ‘24x. Запросы прерываний поступают как от встроенных на кристалл периферийных устройств, так и от внешних источников. Особо отметим, что каждый из двух менеджеров событий EVA и EVB вырабатывает свои собственные запросы прерываний.
Области применения

На рис. 2. приведена блок-схема базовой модели серии — микроконтроллера ‘LF2407 с встроенной флэш-памятью программ объёмом 32 Кслов, встроенным ОЗУ данных однократного доступа объемом 2 Кслов, сдвоенным менеджером событий и полным набором интерфейсов (SCI, SPI, CAN, EMIF). Тёмным фоном выделены блоки, общие для всех микроконтроллеров серии, а серым — блоки, имеющиеся в составе только некоторых изделий серии.

Рис. 2. Блок-схема DSP-микроконтроллера '2407

Микроконтроллер ‘LF2407 предназначен для использования в самых сложных системах привода, включая двухдвигательные и двухинверторные привода транспортных средств, где на принципиально новом уровне могут быть решены вопросы синхронизации вращения колес, разворота на месте, защиты от “юза” и другие специфические вопросы, присущие современным тяговым приводам.

Сдвоенный менеджер событий предоставляет в распоряжение пользователя уникальные возможности по управлению инверторами сразу двух преобразователей частоты. Причём имеется возможность одновременного ввода в “квадратурном” режиме сигналов положения сразу с двух импульсных датчиков. Используя таймеры, программист может программно идентифицировать скорость каждой оси и по разности скоростей организовывать эффективное управление, например, демпфирование упругих колебаний в механической части привода, безударную выборку зазоров и т. п. Указанные выше возможности несомненно оценят разработчики механизмов поворота и передвижения кранов, экскаваторов, приводов радиотелескопов и других сложных систем, где успешная борьба с упругими связями и зазорами в передачах является решающим фактором успеха проекта.

Наличие значительного числа каналов формирования ШИМ-сигналов (16) открывает новые перспективы перед разработчиками систем управления приводами, способными рекуперировать энергию торможения в сеть — приводами подъемных механизмов кранов, лифтов, шахтных механизмов и так далее. В этом случае микроконтроллер может одновременно в реальном времени управлять входным и выходным преобразователями, обеспечивая эффективную работу привода во всех четырёх квадрантах.Предварительные оценки имеющихся ресурсов встроенной памяти и требуемого быстродействия микроконтроллеров серии ‘240x показывают, что перечисленные выше задачи могут быть успешно решены с коэффициентом запаса не менее 1,5 для всех известных на сегодня структур векторного управления приводами переменного тока. В значительной степени это связано с возросшей производительностью 16-канального по-следовательного 10-разрядного АЦП с встроенным УВХ. Время преобразования существенно уменьшилось и составляет 500 нс на канал, включая время выборки данных.

АЦП может работать в режиме автоматического сканирования, когда выполняется последовательный запуск аналого-цифрового преобразования по заранее заданным пользователем каналам, то есть реализуется так называемая “измерительная сессия”. Причём, в отличие от микроконтроллеров серии ‘24x, где результаты преобразования размещались в двухуровневом стеке, в новых микроконтроллерах ‘240x для каждого из 16 каналов предусмотрены свои индивидуальные регистры результата. Такой подход позволяет полностью отделить процесс получения данных от процесса их анализа, упрощая и ускоряя программирование. В течение одной сессии можно выполнить до 16 преобразований.

Аналоговые входы АЦП могут рассматриваться как 16 независимых каналов или как две группы каналов по 8 входов в каждой. В последнем случае имеется возможность управлять процессом преобразования данных в каждой группе входов от своего менеджера событий EVA или EVB. Таким образом, можно запустить по-следовательность преобразований (сессию) следующим образом: немедленно (программный запуск); по событию в одном из менеджеров событий EVA или EVB, например, по началу периода ШИМ; по внешнему сигналу запуска процесса преобразования ADCSOC. Гибкая система прерываний позволяет формировать запрос прерывания по готовности данных в конце каждого отдельного преобразования или по завершении сессии преобразований. Имеются режимы автоматической калибровки и тестирования АЦП.

Уникальные возможности АЦП позволяют ставить и эффективно решать сложные задачи прямого цифрового управления током и моментом в современных приводах переменного тока. Прежде всего речь идет о возможности реализации нескольких “псевдоодновременных” выборок данных, а также о возможности получения множественных выборок по одним и тем же каналам с целью увеличения разрешения или эффективной цифровой фильтрации.

Рис. 3. Основные области применения DSP-микроконтроллеров TMS320Lx240x

На рис. 3 показаны основные области применения микроконтроллеров серии ‘240x.

Микроконтроллеры ‘LF2406 и ‘LC2406 отличаются от базовой модели ‘LF2407 только тем, что не имеют интерфейса с внешней памятью и будут выпускаться в 100-выводных TQFP-корпусах. Главная область их применения — сложные системы приводов переменного тока со статическими преобразователями частоты для робототехники, станкостроения и гибкого автоматизированного производства, локальные промышленные сети, распределённые системы управления приводами и дополнительным технологическим оборудованием, например, автоматизированные линии в автомобильной и пищевой промышленности, кабельном производстве.

Микроконтроллеры ‘LC2404, ‘LF2402 и ‘LC2402 оптимизированы по критерию максимума производительности и функциональных возможностей за минимум цены и предназначены для использования в составе приводов изделий массового спроса, в первую очередь, для бытовой техники: пылесосов, холодильников, стиральных машин. Эти микроконтроллеры не имеют CAN-интерфейса, а модели ‘LF2402 и ‘LC2402 — и периферийного синхронного интерфейса (SPI). Обратите внимание на то, что микроконтроллер ‘LF2402 с встроенной флэш-памятью объёмом 8 Кслов может использоваться для разработки контроллера-прототипа, предназначенного как для тестирования и отладки программного и аппаратного обеспечения, так и для выпуска промышленных партий изделий в объёмах, не превышающих нескольких тысяч штук в год. Для больших объёмов производства целесообразно использовать микроконтроллеры ‘LC2402 с масочно-программируемым ПЗУ.
Заключение

Недавно в Московском энергетическом институте был открыт Учебно-научно-консультационный центр фирмы Texas Instruments для обучения специалистов промышленности и студентов современным DSP-технологиям в области систем прямого цифрового управления двигателями. Читатели, желающие ознакомиться с оборудованием центра, программами обучения специалистов и направлениями научной работы центра, могут обратиться к страничке в Internet по адресу: , либо позвонить по тел. 362-7151, 362-7165.

Литература

  • Козаченко В.Ф. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам // CHIP NEWS. — 1999. — № 1. — С. 2–9.
  • Козаченко В.Ф., Грибачев С.Я. Новые микроконтроллеры фирмы Texas Instruments TMS32x24x для высокопроизводительных встроенных систем управления электроприводами // CHIP NEWS. — 1998. — № 11-12. — С. 2–6.





  • Рекомендуемый контент




    Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.