淺議電梯變頻器控制軟件的設(shè)計

21ic電源：電梯專用變頻器是中小功率變頻器中的高端產(chǎn)品,盡管我國是世界第一電梯制造大國,但電梯的核心部件電梯專用變頻器卻被國外品牌所壟斷,針對電梯特性的專門控制算法需要在長期生產(chǎn)實(shí)踐中積累完善;電梯變頻器軟件系統(tǒng)是一個龐大的復(fù)雜實(shí)時混雜型(Hybrid)軟件系統(tǒng),開發(fā)穩(wěn)定成熟的電梯變頻器軟件是一個嚴(yán)峻的工程挑戰(zhàn)，本文主要介紹在該DSP的C/C++集成開發(fā)環(huán)境CCS(Code Composer Studio)下,如何基于面向?qū)ο蠹夹g(shù),開發(fā)電梯變頻器實(shí)時多任務(wù)軟件系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)開發(fā)的核心理念是軟件層次化和基于虛擬設(shè)備的

1.電梯變頻器的功能需求與軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

用層次化意見研究電梯變頻器的功能需求，電梯變頻器軟件系統(tǒng)采用四層遞階層次結(jié)構(gòu)，即某一層只能被其上層調(diào)用，而每一層中的大模塊組是平行的，同一層模塊之間無耦合關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)軟件功能的并行擴(kuò)展。設(shè)計軟件模塊的基本準(zhǔn)則是模塊間盡大概無耦合關(guān)系。

電梯變頻器軟件是實(shí)時多任務(wù)軟件，本設(shè)計直接對于DSP的硬件中斷機(jī)制，采用有優(yōu)先級別的中斷任務(wù)機(jī)制實(shí)實(shí)際時多任務(wù)調(diào)度與辦理。這種方法的好處是能精確確定每個任務(wù)的執(zhí)行時間，這對任務(wù)實(shí)時性一定精確到微秒級的電機(jī)控制軟件是絕對必要的。

2.DSP硬件外設(shè)管理層面

由于TMS320F2811的外設(shè)編程十分復(fù)雜，并且保持軟件對硬件平臺的兼容性在軟件的整個生命周期至關(guān)重要，因此DSP硬件外設(shè)管理層面設(shè)計的首要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)分割軟件模塊的硬件相關(guān)性，使上層軟件模塊獨(dú)立于硬件。

2.1定義對象結(jié)構(gòu)體

通過面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，把DSP的每種外設(shè)用相應(yīng)的軟件結(jié)構(gòu)體定義，同一類對象僅定義一種結(jié)構(gòu)體，然后經(jīng)過對象實(shí)例指向具體的外設(shè)。比如：DSP中有多個定時器，定義定時器結(jié)構(gòu)體structCPUTIMER_REGS描述定時器的控制寄存器，該結(jié)構(gòu)體如下所示：structCPUTIMER_REGS{

Uint32 TIM; //定時器計數(shù)寄存器

Uint32 PRD; //周期寄存器

Uint32 TCR;//定時器控制寄存器

Uint32 rsvd1;//保留

Uint32 TPR;//定時器預(yù)定值寄存器低位

Uint32 TPRH;//定時器預(yù)定值寄存器高位};

定義了結(jié)構(gòu)體后，再定義三個以上結(jié)構(gòu)體的變量，就能分別描述DSP中的三個定時器。

2.2控制寄存器位域訪問功能

曾經(jīng)的控制寄存器訪問直接操縱寄存器的某個位，這種程序閱讀性較差，特別在寄存器數(shù)量非常多時很容易出錯，且不便于查錯。應(yīng)用訪問C語言聯(lián)合結(jié)構(gòu)體的方法直接操縱外設(shè)簡單易用。

2.3統(tǒng)一的外設(shè)與上層軟件數(shù)據(jù)交換方法

每一個外設(shè)都定義為一個標(biāo)準(zhǔn)對象，上層軟件經(jīng)過訪問這些對象的數(shù)據(jù)成員獲取外設(shè)信息或操控外設(shè)，而實(shí)時中斷任務(wù)經(jīng)過調(diào)用外設(shè)對象的方法函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對外設(shè)的更新操縱或外設(shè)事件響應(yīng)處理。經(jīng)過ADC_DRV對象獲得ADC外設(shè)的轉(zhuǎn)換結(jié)果，徹底分割了軟件功能模塊的硬件相關(guān)性，并且實(shí)現(xiàn)外設(shè)接口辦理的標(biāo)準(zhǔn)化，大大提升軟件的可移植性。對象的不一樣的方法函數(shù)在不一樣進(jìn)程中執(zhí)行，這是面向?qū)ο缶幊膛c傳統(tǒng)瀑布式結(jié)構(gòu)化編程的顯著不一樣點(diǎn)。

3.功能算法模塊層

功能算法模塊層分為兩相當(dāng)多。

第一部分：基本運(yùn)算和信號處理功能庫。針對32位的TMS320F281x系列DSP，TI公司提供了基礎(chǔ)虛擬浮點(diǎn)運(yùn)算庫和較豐富的數(shù)字信號處理庫。

第二部分：電機(jī)參數(shù)辨識和矢量控制模塊庫，這部分是電機(jī)控制的核心算法。開發(fā)的關(guān)鍵是控制系統(tǒng)信號流程圖與軟件模塊結(jié)構(gòu)圖之間的一一對應(yīng)關(guān)系。采用可視化的信號流程圖是表現(xiàn)復(fù)雜控制策略的基本方法。

由于是采用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方法，可以針對以上控制算法采用軟件對象逐一實(shí)現(xiàn)具體的控制模塊，并經(jīng)過對象成員變量直接表現(xiàn)控制信號的傳遞整個過程。

采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)使控制算法與軟件模塊一一對應(yīng)，有以下幾個好處：①控制算法調(diào)試方便。②控制算法擴(kuò)展方便。③極大降低軟件開發(fā)難度，大大減少軟件出錯概率。

4.用戶接口管理層面

從外表看，電梯變頻器的復(fù)雜性體現(xiàn)了繁雜的用戶接口功能上。

按具體接口方式劃分有三種，分別是：數(shù)字式操縱器、異步串行通信接口、CAN總線功能擴(kuò)展。按通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)層次劃分，用戶接口管理層面大抵分為通信子層和參數(shù)傳遞解析層。通信子層中異步串行通信采用Mod bus協(xié)議，這是在PLC、變頻器中普遍采用的通信協(xié)議，保持了與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的一致性。

參數(shù)傳遞子層用于面向不一樣軟件應(yīng)用層的參數(shù)傳遞與修改。在電梯控制整個過程中，一定能修改軟件各層中有關(guān)模塊的參數(shù)，有的時候用戶對一個應(yīng)用參數(shù)的修改在軟件系統(tǒng)內(nèi)部大概有關(guān)到許多個不一樣層模塊。為了確保參數(shù)修改的一致性，設(shè)立多種參數(shù)解析傳遞對象，以包管參數(shù)修改的正確性，并濾除各種非法操縱和錯誤的參數(shù)輸出。經(jīng)過調(diào)用不一樣操縱對象，就可以實(shí)現(xiàn)特定接口辦理功能。

5.設(shè)備運(yùn)行邏輯管理層面

電梯變頻器是一個混雜系統(tǒng)，既有連續(xù)控制，也有復(fù)雜時序邏輯控制，一定有恰當(dāng)?shù)姆椒枋鲞@種復(fù)雜系統(tǒng)。在電梯運(yùn)行整個過程中，有許多差別很大的工作情形，不大概用單一控制策略涵蓋所有工況，并且一定有完善的故障控制策略，這增加了軟件開發(fā)的復(fù)雜性。避免由于控制的復(fù)雜性使得軟件模塊間的相互偶合是設(shè)備運(yùn)行邏輯管理層面設(shè)計的關(guān)鍵，為此引入“虛擬設(shè)備”概念。這里的設(shè)備是表現(xiàn)混雜對象的工具，而不是工業(yè)中的具體設(shè)備。

設(shè)備運(yùn)行邏輯管理層面由不一樣虛擬設(shè)備對象構(gòu)成，主要有變頻器設(shè)備、可編程邏輯設(shè)備等。虛擬設(shè)備邏輯具體定義如下：

5.1模式邏輯

描述虛擬設(shè)備怎么樣從一種模式轉(zhuǎn)化為另一種模式。一個虛擬設(shè)備可定義多個模式組，比如變頻器設(shè)備可定義“運(yùn)行模式組”、“操控模式組”等。

5.2狀態(tài)邏輯

描述能觀(observable)能控(controllable)的虛擬設(shè)備狀態(tài)成立條件，原因是經(jīng)過判斷外部命令、模式、故障、給定值等決定現(xiàn)在的設(shè)備狀態(tài)。

5.3控制邏輯

描述在所處狀態(tài)中怎么樣根據(jù)內(nèi)部變量值決定系統(tǒng)的物理輸出值。