孟凡菲

摘 要：在工業(yè)生產(chǎn)中，電機(jī)控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，它的主要作用是對(duì)電機(jī)的位置和速率等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行控制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化發(fā)展是電機(jī)控制系統(tǒng)未來必然的趨勢。DSP在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠快速實(shí)現(xiàn)各類數(shù)字信號(hào)的處理算法，是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)數(shù)字化的重要手段。但是在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)DSP軟件的可靠性造成影響的因素很多，在諸多影響因素中，外界環(huán)境中的靜電場和電磁場對(duì)其影響最明顯。文章從軟件的設(shè)計(jì)角度入手，多方面優(yōu)化軟件的防護(hù)設(shè)計(jì)，有效避免運(yùn)行程序出錯(cuò)，提高了電機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

關(guān)鍵詞：電機(jī)控制系統(tǒng)；可靠性影響；DSP軟件；防護(hù)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM301.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）34-0080-02

Abstract： In the industrial production， the motor control system is widely used， its main function is to control the position and speed of the motor and other operating parameters. With the development of computer technology， digital development is the inevitable trend of motor control system in the future. The application of DSP in motor control system can quickly realize all kinds of digital signal processing algorithms， and it is an important means to realize the digitization of control system. However， in practical application， there are many factors that affect the reliability of DSP software. Among many factors， the electrostatic field and electromagnetic field in the external environment have the most obvious impact on the reliability of the software. This paper starts with the design of software， optimizes the protection design of software in many aspects， effectively avoids the error of running program， and improves the operation reliability of motor control system.

Keywords： motor control system； influence of reliability； DSP software； protection design

電機(jī)控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于電機(jī)位置伺服系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮著重要作用。在數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）廣泛應(yīng)用之前，電機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制主要依靠微控制器（Micro-Control Unit， MCU），但

MCU只能對(duì)相對(duì)簡單的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。然而隨著我國工業(yè)的深入發(fā)展，越來越多的工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)其控制性能提出了更高要求，以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的控制算法，而MCU運(yùn)算速度慢，無法滿足系統(tǒng)的工作需求。因此性能更高、運(yùn)算速度更快的DSP被發(fā)展應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域[1]。DSP在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，其最大優(yōu)勢是將系統(tǒng)的軟件和硬件有效結(jié)合，使得系統(tǒng)的靈活性和統(tǒng)一性提高。然而，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，外部環(huán)境的許多因素都會(huì)對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性造成一定影響，例如外界電磁場和靜電場的作用會(huì)使得電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，甚至可能會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)崩潰，造成嚴(yán)重?fù)p失。為解決這一問題，本文從DSP的軟件部分入手，優(yōu)化其軟件防護(hù)設(shè)計(jì)，以提升系統(tǒng)的可靠性。

1 電機(jī)控制系統(tǒng)可靠性與影響因素

微電子技術(shù)的快速發(fā)展使得電機(jī)控制系統(tǒng)隨著集成度的提高，物理體積越來越小，但同時(shí)構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)元器件的故障率提高，進(jìn)而造成整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性降低。電機(jī)控制系統(tǒng)中的DSP可實(shí)現(xiàn)各類數(shù)字信號(hào)的算法處理，對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測監(jiān)控、輸出和反饋等功能[2]。由此可見對(duì)DSP軟件進(jìn)行相應(yīng)的防護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)加強(qiáng)整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性具有重要的實(shí)際意義。

對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性造成影響的因素主要有：溫度、濕度、電源波動(dòng)、振動(dòng)、靜電場、電磁場等。另外，系統(tǒng)控制軟件本身的設(shè)計(jì)缺陷、以及元件故障和電路短路等也是影響電機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的重要因素。在諸多可靠性影響因素中，外界環(huán)境的電磁場和靜電場作用對(duì)系統(tǒng)元器件的影響最大。

1.1 電磁場的影響

外界電磁場產(chǎn)生電磁干擾會(huì)影響系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性，而當(dāng)電磁干擾增強(qiáng)到一定程度時(shí)，可能會(huì)因?yàn)殡娫吹木薮蟛▌?dòng)而直接造成系統(tǒng)癱瘓?？刂葡到y(tǒng)受到外界電磁干擾可能出現(xiàn)以下問題：（1）侵入系統(tǒng)電路，干擾視頻電路和微處理器的晶振時(shí)鐘信號(hào)，產(chǎn)生噪聲；（2）系統(tǒng)CPU的PC指針發(fā)生故障，使得程序進(jìn)入死循環(huán)或者發(fā)生未知故障；（3）電磁場的干擾可使RAM區(qū)的數(shù)據(jù)被隨機(jī)數(shù)取代，使得系統(tǒng)無法正常進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取；（4）電磁干擾造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入輸出和數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生錯(cuò)

誤，影響過程通道。

DSP的電磁兼容性和信號(hào)完整性都會(huì)受電磁干擾影響，導(dǎo)致定時(shí)故障、數(shù)據(jù)出錯(cuò)、信號(hào)失真等一系列問題。系統(tǒng)的工作條件越復(fù)雜，電磁干擾對(duì)DSP軟件的影響越大，系統(tǒng)故障發(fā)生率越高。

1.2 靜電場的影響

在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中靜電場廣泛存在，而電子元器件的集成度越高，對(duì)靜電場的影響越敏感，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效。當(dāng)系統(tǒng)的電子元器件所帶的靜電達(dá)到一定負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)的電壓、電流、信號(hào)等的穩(wěn)定性會(huì)被降低。而靜電放電過程會(huì)對(duì)DSP芯片造成一定的損害，使DSP的功能失效。

2 電機(jī)控制系統(tǒng)可靠性防護(hù)策略

DSP軟件受到不同因素的影響表現(xiàn)為不同的故障形式，因此需要針對(duì)不同的故障設(shè)計(jì)DSP軟件的防護(hù)設(shè)計(jì)。通過DSP軟件提高電機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性的最大優(yōu)勢就是設(shè)計(jì)成本低，其對(duì)系統(tǒng)可靠性的提高是通過硬件提升可靠性的方式所不能取代的。

2.1 設(shè)置軟件陷阱

DSP程序在受到外界干擾時(shí)可能會(huì)跑飛到存儲(chǔ)器的空白空間而無法跳轉(zhuǎn)，程序因此而陷入死循環(huán)。此時(shí)通過設(shè)置軟件陷阱，即在存儲(chǔ)器的空白空間里填寫NOP指令（機(jī)器碼

00H），當(dāng)程序跑飛到該區(qū)域時(shí)，不會(huì)執(zhí)行任何命令，有效避免了程序在此種情況下陷入死循環(huán)，提高了系統(tǒng)可靠性。

2.2 程序跳轉(zhuǎn)監(jiān)控設(shè)計(jì)

程序跳轉(zhuǎn)監(jiān)控是指程序跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)模塊時(shí)，通過預(yù)先設(shè)置在各個(gè)模塊中的標(biāo)志來檢驗(yàn)程序是否跑飛。具體方法是將立即數(shù)標(biāo)志設(shè)置在各個(gè)系統(tǒng)模塊的出口和入口處，程序進(jìn)入到對(duì)應(yīng)模塊時(shí)，預(yù)先設(shè)置標(biāo)志，然后與立即數(shù)進(jìn)行比對(duì)，如果結(jié)果一致則執(zhí)行下一步，如果不一致則報(bào)錯(cuò)，并返回至程序出錯(cuò)處理模塊。該方法可以有效防止程序跑飛。處理示意圖如圖1所示。

2.3 程序運(yùn)行監(jiān)視

在外界電磁場存在條件下，DSP程序受到干擾，有很大可能引起PC指針錯(cuò)誤，進(jìn)而使得DSP的指令出錯(cuò)，造成程序運(yùn)行發(fā)生異常。因此，針對(duì)這種情況，可以在DSP程序外設(shè)置另一個(gè)獨(dú)立的監(jiān)視程序，即看門狗定時(shí)監(jiān)視器對(duì)DSP程序的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視?？撮T狗監(jiān)視程序作為一個(gè)獨(dú)立的監(jiān)視器，可對(duì)DSP程序執(zhí)行復(fù)位和初始化操作，其內(nèi)置的計(jì)時(shí)器可通過設(shè)定的計(jì)時(shí)自動(dòng)執(zhí)行復(fù)位操作。通過DSP中的定時(shí)器按照一定的周期將喂狗脈沖發(fā)送至看門狗監(jiān)視器，接收到喂狗脈沖的定時(shí)器自動(dòng)清零，不會(huì)執(zhí)行對(duì)DSP程序的初始化，而一旦DSP程序運(yùn)行出錯(cuò)，同時(shí)也無法發(fā)送出喂狗脈沖，此時(shí)監(jiān)視程序的計(jì)時(shí)器達(dá)到設(shè)定時(shí)間，強(qiáng)制執(zhí)行對(duì)DSP程序的復(fù)位。

2.4 程序中斷防護(hù)設(shè)計(jì)

DSP程序在電磁場的干擾下，可能會(huì)引起PC指針錯(cuò)誤，進(jìn)而導(dǎo)致程序跑飛至未使用中斷，誤觸發(fā)中斷而造成程序停止運(yùn)行。對(duì)于這種情況需要對(duì)未使用中斷設(shè)置安全返回出口，使得系統(tǒng)在錯(cuò)誤觸發(fā)中斷之前就能夠通過安全出口跳出，然后從發(fā)生錯(cuò)誤而暫停的位置繼續(xù)執(zhí)行下一步流程。圖2顯示了簡化的程序中斷防護(hù)設(shè)計(jì)，程序通過“B $”命令跳轉(zhuǎn)到當(dāng)前的代碼位置，程序一旦跑飛到未使用中斷，便進(jìn)入死循環(huán)，同時(shí)也不能發(fā)送喂狗脈沖，當(dāng)達(dá)到計(jì)時(shí)門限后，對(duì)DSP執(zhí)行初始化操作，防止由于中斷誤觸所造成的程序停止。

2.5 信號(hào)降噪

DSP程序的輸入信號(hào)中的噪聲對(duì)系統(tǒng)會(huì)造成一定的影響，因此，輸入的信號(hào)必須經(jīng)過降噪處理才能應(yīng)用。采用數(shù)字濾波技術(shù)可有效濾除輸入信號(hào)中的無用頻率信號(hào)。常用的數(shù)字濾波器有經(jīng)典濾波器和現(xiàn)代濾波器。經(jīng)典濾波器工作原理簡單，它利用線性系統(tǒng)可將信號(hào)中分別處于不同頻段內(nèi)的有用與無用信號(hào)濾出。但如果輸入信號(hào)中有用信號(hào)與噪聲處在同一頻段內(nèi)，經(jīng)典濾波器則無法發(fā)揮作用，此時(shí)現(xiàn)代濾波器的優(yōu)勢便體現(xiàn)出來?，F(xiàn)代濾波器的工作原理是利用信號(hào)檢測和估計(jì)的方式，對(duì)信號(hào)中有用與無用成分進(jìn)行估計(jì)，進(jìn)而將兩者濾出。該方法把有用和無用信號(hào)均設(shè)為隨機(jī)信號(hào)，通過自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)、自功率譜、互功率譜等途徑推導(dǎo)出隨機(jī)信號(hào)的估計(jì)算法，最后通過相應(yīng)的數(shù)字設(shè)備實(shí)現(xiàn)信號(hào)過濾。在實(shí)際的信號(hào)降噪處理中，根據(jù)不同的系統(tǒng)信號(hào)特征選擇不同的數(shù)字濾波器，提高控制系統(tǒng)可靠性。

3 結(jié)束語

DSP在電機(jī)控制系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，是未來該類型系統(tǒng)數(shù)字化發(fā)展的必然趨勢。而更高性能的DSP在占據(jù)很大發(fā)展優(yōu)勢的同時(shí)也存在一些不足，針對(duì)這些問題通過軟件防護(hù)設(shè)計(jì)手段在有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)也大大降低了成本。相信在高性能和高穩(wěn)定性的雙重屬性下，DSP將在控制系統(tǒng)領(lǐng)域被更廣泛的應(yīng)用。

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