1. 前言

　　重型電動輪自卸車以其效率高、運(yùn)量大、經(jīng)濟(jì)性好而成為年開采量千萬噸級以上露天礦山、大型水利建設(shè)工程的理想運(yùn)輸工具。目前，分布在我國冶金、煤炭行業(yè)與大型水利建設(shè)工程的正在運(yùn)行的重型電動輪自卸車約有600臺之多，其電傳動控制系統(tǒng)國內(nèi)使用企業(yè)一直依賴進(jìn)口美國通用電氣公司（GE）的Statex系列單片機(jī)控制系統(tǒng)。盡管我國已經(jīng)能生產(chǎn)重型電動輪自卸車,但其輪緣減速器部件完全依靠國外公司提供。針對進(jìn)口電動輪自卸車控制系統(tǒng)的缺點，利用高性能DSP對控制系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計，提高了控制系統(tǒng)的性能并具有自主知識產(chǎn)權(quán)。由于該系統(tǒng)插件板多，致使線路復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，加之電動輪的工作環(huán)境惡劣，使得該類型的車存在故障率高、檢修麻煩、備件昂貴等缺點，嚴(yán)重影響了自卸車的作業(yè)率。以往，有一些廠礦和研究所的技術(shù)研究員對該類產(chǎn)品進(jìn)行分析與改造[1,2]，但未從根本上解決問題。為此，湖南大學(xué)和湘潭電機(jī)股份有限公司聯(lián)合研制了154T電動輪自卸車微機(jī)控制與故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)的車載電控子系統(tǒng)以DSP為處理器進(jìn)行開發(fā)，更新升級原單片機(jī)控制系統(tǒng)，并與原系統(tǒng)兼容，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。

　　2.基于DSP的控制器硬件設(shè)計

　　車載控制系統(tǒng)工作在-30°C ~40°C環(huán)境下，控制≤5%，超調(diào)量σ≤5%，上升時間tS≤3 s~5s，并要求符合IE60077牽引電力設(shè)備規(guī)則。它主要完成電動機(jī)的開關(guān)邏輯控制、電動車牽引與制動過程的發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的自動勵磁調(diào)節(jié)以及故障信號的實時采集。

　　根據(jù)設(shè)計要求，控制器的CPU選用TMS320F2812型芯片[3]。該款芯片是在F24X的基礎(chǔ)上開發(fā)的高性能定點芯片。先進(jìn)的內(nèi)部和外設(shè)結(jié)構(gòu)使得該處理器特別適合電機(jī)及其他運(yùn)動控制應(yīng)用，能夠真正的實現(xiàn)單片控制器。F2812采用32bit操作，150MHZ的主頻。內(nèi)含 16KRAM，128KFLASH，16路12位高速A/D轉(zhuǎn)換，16路PWM，52路數(shù)字I/O，4路定時器和內(nèi)置WATCHDOG。并配有專用的電機(jī)控制外設(shè)（事件管理模塊EVA、EVB），能工作在?40°C 到 85°C的環(huán)境下。采用TMS320F2812無需外部總線擴(kuò)展就能實現(xiàn)控制器的所有功能。

　　DSP硬件設(shè)計包括：硬件方案設(shè)計、DSP及周邊器件選型、原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計及仿真、硬件調(diào)試等。

　　2.1 系統(tǒng)資源規(guī)劃

　　硬件設(shè)計的前提需要做的一件事是對整個系統(tǒng)的資源進(jìn)行規(guī)劃，終得到系統(tǒng)的資源分配表，即Memory Map。通過資源分配表我們可以清晰地看到程序空間、數(shù)據(jù)空間、圖像輸入口等資源的地址。經(jīng)過對系統(tǒng)資源的規(guī)劃，我們的硬件設(shè)計才能夠有整體的規(guī)劃，不然設(shè)計出來的原理圖就是非常盲目的“無源之水”。

　　2.2 硬件原理圖設(shè)計

　　DSP的芯片廠家在設(shè)計出每一種DSP芯片時一般都提供了相應(yīng)的EVM（評估板）參考原理圖設(shè)計，大家可以通過網(wǎng)絡(luò)，或通過購買原裝的EVM板得到。

　　2.3 硬件設(shè)計時，應(yīng)重點注意以下幾點。

　?。?）時鐘電路。DSP時鐘可由外部提供，也可由板上的晶振提供。但一般DSP系統(tǒng)中經(jīng)常使用外部時鐘輸入，因為使用外部時鐘時，時鐘的高、穩(wěn)定性好、使用方便。由于DSP工作是以時鐘為基準(zhǔn)，如果時鐘質(zhì)量不高，那么系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性就很難保證。因此，若采用外部時鐘，選擇晶振時應(yīng)對其穩(wěn)定性、毛刺做全面的檢驗，以便DSP系統(tǒng)可靠地工作。

　?。?）復(fù)位電路。應(yīng)同時設(shè)計上電復(fù)位電路和人工復(fù)位電路，在系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)故障時可方便地人工復(fù)位。對于復(fù)位電路，一方面應(yīng)確保復(fù)位低電平時間足夠長（一般需要20ms以上），保證DSP可靠復(fù)位；另一方面應(yīng)保證穩(wěn)定性良好，防止DSP誤復(fù)位。

　　（3）在DSP電路中，對所有的輸入信號必須有明確的處理，不能懸浮或置之不理。尤其要注意的是：若設(shè)計中沒用到不可屏蔽硬件中斷NMI，則硬件設(shè)計時應(yīng)確保將其相應(yīng)引腳拉高，否則程序運(yùn)行時會出現(xiàn)不可預(yù)料的結(jié)果；若設(shè)計中用到NMI，也應(yīng)在程序正常執(zhí)行階段置其相應(yīng)引腳為高電平。

　　該控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示?？刂破鞯妮斎氩糠钟?路脈沖輸入模塊，34路開關(guān)量經(jīng)輸入光電隔離及電平轉(zhuǎn)換后送入DSP處理，14路模擬量經(jīng)通道切換、放大、濾波和快速A/D轉(zhuǎn)換后輸入。輸出有經(jīng)光電隔離及電平轉(zhuǎn)換后的28路開關(guān)量和2路PWM方式的模擬量輸出模塊。TPS1與TPS2兩路同步信號輸入到同步觸發(fā)模塊，保證了發(fā)電機(jī)和電動輪的同步工作?？刂破髟O(shè)有2個RS485串行通訊口，可保證它與上位機(jī)（故障診斷機(jī)）進(jìn)行可靠通信?？刂破鬟€帶掉電保持的實時日歷時鐘電路和64Kx8位帶掉電保持存取器FM25L256，可實時采集和保存機(jī)車運(yùn)行實時數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)。

　　3. 控制器軟件部分的設(shè)計

　　控制系統(tǒng)軟件具有通信、系統(tǒng)管理、控制和信息處理等功能，能實現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求。系統(tǒng)主程序主要包括系統(tǒng)初始化、邏輯運(yùn)算、牽引/制動控制和故障數(shù)據(jù)分析與處理，其主程序流圖如2所示。由于系統(tǒng)外設(shè)較多，實時性要求高，故對系統(tǒng)中移相觸發(fā)、串口通信、AD采樣與數(shù)字濾波、測速、0.5ms的定時和歷史數(shù)據(jù)保存均采用中斷方式，確保了對電動車的實時監(jiān)控。系統(tǒng)軟件調(diào)試在CCS2.0環(huán)境下進(jìn)行。系統(tǒng)中除了個別初始化程序采用匯編語言編寫外，其他部分均采用標(biāo)準(zhǔn) C編寫，這有利于軟件的修改、維護(hù)和升級[4]。系統(tǒng)程序燒錄在F2812的Flash存儲器中，運(yùn)行時將全部中斷程序加載到F2812的RAM中運(yùn)行。這樣可避免頻繁從慢速的Flash中取指而影響運(yùn)行速度，充分發(fā)揮了F2812的性能。

　　3.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計

　　軟件系統(tǒng)組成包括系統(tǒng)引導(dǎo)程序Bootloader，嵌入式操作系統(tǒng)以及上層應(yīng)用程序。其中Bootloader是運(yùn)行于操作系統(tǒng)之前的引導(dǎo)程序，主要任務(wù)是完成系統(tǒng)啟動之前必要的硬件初始化和操作系統(tǒng)加載；操作系統(tǒng)是整個嵌入式平臺的程序，主要功能是高效地管理和分配底層硬件資源，并為上層應(yīng)用程序提供與硬件細(xì)節(jié)無關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用接口。

　　軟件系統(tǒng)設(shè)計必須與硬件平臺緊密結(jié)合。LPC3180采用NAND Flash作為整個系統(tǒng)的程序存儲區(qū)域，在系統(tǒng)啟動時通過片上ROM的bootstrap程序，從NAND Flash加載并執(zhí)行外部引導(dǎo)程序來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的啟動步驟。

　　上圖中，系統(tǒng)初始化主要完成整個系統(tǒng)硬件部分和參數(shù)的初始化工作。包括CPU工作初始化、 EV模塊初始化、中斷向量及中斷初始化、串口初始化、故障診斷機(jī)（PTU）整定參數(shù)初始化和AD值與實際值的比例系數(shù)初始化。它還完成反饋單元的比例系數(shù)和各個函數(shù)輸入接口參數(shù)的初始值及 PI或PID調(diào)節(jié)器參數(shù)、各特性曲線的轉(zhuǎn)折點參數(shù)和比例（斜率）系數(shù)的設(shè)置。邏輯運(yùn)算是運(yùn)用開關(guān)輸入量和相關(guān)模擬量，根據(jù)湘潭電機(jī)廠所提供的154T邏輯關(guān)系式計算開關(guān)輸出量和中間變量，并輸出所有開關(guān)輸出量。由傳感器送來的車速和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號，經(jīng)EV模塊處理后輸出兩路PWM信號。故障分析與處理部分主要是故障發(fā)生后，采集和保存故障數(shù)據(jù)，提供給上位機(jī)分析用。其主程序如下：

　　#include "Device.h" // DSP2812 HeadeRFile Include File

　　#include "Examples.h" // DSP2812 Examples Include File

　　#include "Global_Variables.h" // Global variables used in this project

　　#include "io.h"

　　#include"PulseIn.h"

　　extern void ReadDin(), OutDout(), LogicFunction(), InitialFramAndCalendar();

 　　extern void WriteReadFramAndCalendar(Uint16*BuffStartAddress,Uint16DataLength,Uint16 FramAndCalendarAddress,Uint16 OperateID);

　　void DigitalInFilter();void Read_PIDPara_FromFRam();

　　extern void Read_PIDPara(),ReadDin();

　　Uint16 DI_Temp[5][3], DI_Counter,i;

　　strRxBuf SciA_RxBuf,SciB_RxBuf;strTxBuf SciA_TxBuf,SciB_TxBuf;

　　Uint16 SCI_Timer;Uint16 RecFlag="0xff";Uint32 ii;Uint16 KPKI[9];

　　void main(void)

　　{

　　 InitSystem(); InitSysCtrl();

　　 EINT;// Enable Global interrupt INTM

　　 ERTM;// Enable Global realtime interrupt DBGM

　　InitialFramAndCalendar();InitPIDPara(); InitAllGlobalPara(); FaultInit(); // 參數(shù)初始化

　　 CloseDo(DO_CNTRL);

　　//…… Init FRAM AND CALENDAR（略）//

　　 for(;;)

　　 {

　　 if (Flag.bit.DI_FLAG==1)

　　 { GetInput(DI_Temp[DI_Counter++]) ;

　　 Flag.bit.DI_FLAG=0;

　　 }

　　 if (DI_Counter>=5) DI_Counter=0;

　　 DigitalInFilter(); // 讀入開關(guān)量并處理

　　 VehicleSpeed_Switch(); //根據(jù)車速輸出開關(guān)量

　　 LogicFunction();//邏輯運(yùn)算

　　 OutDout(); //開關(guān)量輸出

　　 OutPWM();//輸出PWM脈沖

　　 if (Flag.bit.AD_10MS==1)

　　 {Flag.bit.AD_10MS=0; Renew_RTPara();

　　RenewPidIn();//模擬量計算、濾波，更新PID_IN，曲線計算

　　 }

　　if (Flag.bit.DIGITAL_200MS==1)

　　 {Flag.bit.DIGITAL_200MS=0; PushRealTtimePara(); //記錄實時參數(shù)

　　 }

　　if (Flag.bit.DATE==1)

　　 { Flag.bit.DATE=0; ReadDate();

　　 }

　　 FaultMain();

　　 if(RecFlag==1) { WriteReadFramAndCalendar(&(SciA_TxBuf.Data[2].a),SciA_RxBuf.Data[2].a,SciA_RxBuf.Data[1].a, UpperComputerReadFramFlag); //故障分析與處理程序

　　 for(ii=0;ii<60000;ii++);

　　 }

　　 else if(RecFlag==0)

　　 {SciA_TX_Ready();

　　SciA_Start_Tx(); //向上位機(jī)提供故障數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)或其他參數(shù)

　　RecFlag=0xff;

　　}

　　 } //end for

　　}//end main()

　　對電動輪自卸車的控制采用PID調(diào)節(jié)方式，主要由牽引發(fā)電機(jī)、制動發(fā)電機(jī)、牽引電動機(jī)和制動電動機(jī)4個子程序完成。根據(jù)測速傳感器測出的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速V，計算發(fā)電機(jī)的給定功率E_Power。由速度傳感器測出的電動車的左右輪速度V_RIGHT，V_LEFT，計算出主整流柜輸出牽引電流IF_V或制動電流 IM。該程序還要判斷機(jī)車是否超速，如果超速，電動車將自動制動。由柴油機(jī)轉(zhuǎn)速V和反饋回來的主整流柜輸出電流IF，計算移相觸發(fā)角，從而控制發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的勵磁電流，使機(jī)車性能滿足牽引曲線，見圖3（a）。由踏板電位信號、恒速下坡信號、電動車的左右輪速度及反饋回來的制動電流IM，計算出移相觸發(fā)角，從而控制發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的勵磁電流，使機(jī)車性能滿足制動曲線，見圖3（b）。

圖3 （a）牽引恒功曲線圖 （b）制動曲線圖

 　　中斷服務(wù)程序中，移相觸發(fā)服務(wù)程序包含發(fā)電機(jī)移相觸發(fā)、電動機(jī)移相觸發(fā)兩部分，分別由發(fā)電機(jī)勵磁回路同步脈沖TPS1、電動機(jī)勵磁回路同步脈沖TPS2的邊沿（上升沿和下降沿）觸發(fā)。觸發(fā)后，延時t（在PID調(diào)節(jié)部分根據(jù)導(dǎo)通角計算得到）后，發(fā)出寬度為0.5ms的觸發(fā)脈沖。串口通信服務(wù)程序負(fù)責(zé)下位機(jī)和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，包括PTU的整定參數(shù)、實時數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)和PID調(diào)節(jié)器參數(shù)等，其程序設(shè)計可參考文獻(xiàn)【5】。AD采樣中斷服務(wù)程序由DSP中AD 模塊外設(shè)觸發(fā)中斷，啟動系統(tǒng)對14路（1路備用）模擬量的采樣。采樣數(shù)據(jù)經(jīng)0.5ms定時中斷程序觸發(fā)，每10ms對14路（每路包含8個采樣值）數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均濾波。0.5ms定時中斷程序給各PID調(diào)節(jié)器、數(shù)字濾波、串口通信、故障分析和16幀歷史數(shù)據(jù)保存等提供時間基準(zhǔn)。

　　4 DSP控制器

　　dsp控制器是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來，隨著計算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號處理是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來處理現(xiàn)實信號的方法，這些信號由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時間里，數(shù)字信號處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。德州儀器、Freescale等半導(dǎo)體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強(qiáng)的實力。

　　5. 結(jié)束語

　　根據(jù)用戶設(shè)計要求，考慮電動輪自卸車特殊的工作環(huán)境，采用了TI公司推出的專用于數(shù)字控制的TMS32F2812芯片，用一塊電路板實現(xiàn)了國外同類產(chǎn)品至少需要5塊電路板才能實現(xiàn)的全部功能，使得所開發(fā)的控制器集成度高，實時性與抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)了電動輪自卸車復(fù)雜的工作環(huán)境，從而得到廣大用戶的支持。

　　DSP 控制器能完成電動機(jī)的開關(guān)邏輯控制、電動車牽引與制動過程的發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的自動勵磁調(diào)節(jié)以及故障信號的實時采集，樣機(jī)測試表明其性能優(yōu)良，可用于裝備新一代國產(chǎn)108T、154T等系列電動輪自卸車，可實現(xiàn)進(jìn)口設(shè)備備件的國產(chǎn)化。