直流調(diào)速系統(tǒng)的SIMULINK仿真

　　簡介

　　汽車設(shè)計(jì)從過去單純的機(jī)械式系統(tǒng)，到如今常常包含多達(dá)100個(gè)微處理器的現(xiàn)代汽車，已經(jīng)走過了很長的歷程。傳統(tǒng)汽車上用到電子器件的部分僅僅是那些娛樂設(shè)施，最常見的是汽車收音機(jī)。直到有關(guān)諸如廢氣排放量和節(jié)油性等汽車各方面性能的政府規(guī)定出臺(tái)以后，對(duì)汽車功能的電子控制才開始變得越來越普遍。最初，某些功能是依靠分立式硬件元件或數(shù)字邏輯執(zhí)行的。隨著單片機(jī)(MCU)等嵌入式處理器解決方案的出現(xiàn)，使用MCU來代替固定硬件的好處正逐步顯現(xiàn)，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)者可以對(duì)MCU進(jìn)行編程以執(zhí)行模塊所要求的特定任務(wù)。汽車設(shè)計(jì)中大量采用了各種MCU，從用在轉(zhuǎn)動(dòng)擋風(fēng)玻璃雨刮器和開門等功能的最簡單的8位MCU到控制引擎的復(fù)雜32位MCU。這個(gè)范圍的中間是大量的16位MCU，它們本身在計(jì)算能力、存儲(chǔ)容量、功耗和外設(shè)特性方面也呈現(xiàn)出相當(dāng)大的多樣性。為每個(gè)獨(dú)立的汽車子系統(tǒng)選擇合適的處理器，并在不同的子系統(tǒng)間合理地分配處理能力，對(duì)汽車產(chǎn)品的性能、可靠性和增強(qiáng)功能起著至關(guān)重要的作用。

　　數(shù)字信號(hào)控制器：單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器領(lǐng)域的佼佼者

　　大多數(shù)汽車控制和監(jiān)視操作都需要大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算。例如，在引擎預(yù)熱階段，空氣流量(MAF)傳感器和引擎轉(zhuǎn)速計(jì)(以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)表示)的輸出數(shù)據(jù)會(huì)被MCU采樣，然后需要根據(jù)測(cè)得的數(shù)值，計(jì)算出要求噴射到每個(gè)汽缸的燃油量，公式如下：

　　F=MAF/(K*N*RPM/120)

　　其中，K是給定潤滑劑溫度下的理想(常數(shù))空氣-燃油比，N是汽缸的數(shù)量。

　　上面的計(jì)算不僅涉及精確的乘法和除法，還必須對(duì)要射入的燃油量進(jìn)行重復(fù)計(jì)算以適應(yīng)快速變化的引擎工作條件。因此，當(dāng)廢氣含氧量(EGO)傳感器已預(yù)熱充分，能夠測(cè)量廢氣的質(zhì)量時(shí)，必須持續(xù)監(jiān)視EGO傳感器的輸出數(shù)據(jù)，以調(diào)節(jié)燃油噴射速率，從而獲得最佳的引擎性能并減少廢氣的排放量。

　　計(jì)算密集型操作的其他實(shí)例還有：

　　a)對(duì)來自各種傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行有限沖激響應(yīng)(FIR)或無限沖激響應(yīng)(IIR)濾波，以消除噪聲。應(yīng)用實(shí)例：引擎爆震檢測(cè)、熄火檢測(cè)或在持續(xù)監(jiān)視燃油液位時(shí)消除油料晃動(dòng)的影響。

　　b)進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以在后續(xù)的處理階段使用頻譜。應(yīng)用實(shí)例：主動(dòng)振動(dòng)控制或排氣噪聲消除。

　　c)根據(jù)傳感器輸入數(shù)據(jù)的數(shù)量級(jí)，對(duì)其進(jìn)行定標(biāo)，以及歸一化和線性化處理。

　　d)比例-積分(PI)或比例-積分-微分(PID)控制算法。應(yīng)用實(shí)例：導(dǎo)航控制。

　　圖1描繪了一個(gè)簡化的引擎控制系統(tǒng)，它本身就是汽車中各種處理器所執(zhí)行任務(wù)的一部分。

　　車廂噪聲消除、引擎爆震檢測(cè)及防翻滾和穩(wěn)定性控制等舒適、診斷和安全功能都需要更強(qiáng)的信號(hào)處理能力，這就要求使用自適應(yīng)濾波等數(shù)學(xué)密集型算法。

　　進(jìn)行這樣的計(jì)算要求所使用的處理器具有非常高速的數(shù)學(xué)運(yùn)算功能。8位的MCU或一般的16位MCU架構(gòu)完全不具備這樣的功能，而對(duì)成本的考慮又常常會(huì)使昂貴的32位MCU無法在這樣的場合得到使用。一個(gè)專門針對(duì)重復(fù)性數(shù)學(xué)處理進(jìn)行優(yōu)化的特殊處理器架構(gòu)——16位數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)可用來執(zhí)行這樣的密集型任務(wù)。

　　但就DSP本身(沒有處理控制任務(wù)的相關(guān)MCU)來說，它并不是非常適合在汽車系統(tǒng)等動(dòng)態(tài)環(huán)境中使用。主要有以下幾個(gè)原因：

　　a)DSP不具有靈活的中斷結(jié)構(gòu)。

　　b)DSP無法對(duì)位(如各個(gè)I/O引腳的狀態(tài))進(jìn)行十分高效的操作。

　　c)DSP在很大程度上需要依賴片外存儲(chǔ)器和外設(shè)。

　　d)很少有低引腳數(shù)的DSP器件，因而不適合在空間受限的模塊中使用。

　　因此，可執(zhí)行大量汽車功能的理想單芯片架構(gòu)平臺(tái)將是16位數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)，比如Microchip的dsPIC30F系列器件。DSC是一款創(chuàng)新的混合型“片上系統(tǒng)”(SoC)架構(gòu)，它無縫地組合了16位MCU的控制特性和大量的DSP功能。

　　一方面，DSC架構(gòu)尤其適合類似于下述的典型控制操作：

　　a)定期提供中斷服務(wù)，例如，獲取對(duì)汽車速度和轉(zhuǎn)向角度的定期采樣以計(jì)算防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)所需的制動(dòng)壓力。

　　b)從多個(gè)傳感器和控制輸入捕捉數(shù)據(jù)，例如，同時(shí)測(cè)量汽車速度、加速度、車身和車輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以及轉(zhuǎn)向角度，從而確定主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)的制動(dòng)水平。

　　c)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送數(shù)據(jù)和控制脈沖，例如，發(fā)送占空比可變的PWM信號(hào)以合適的周期開關(guān)燃油噴射器或點(diǎn)火電路。

　　d)與分布式系統(tǒng)中的其他控制器模塊共享數(shù)據(jù)，例如，各種子系統(tǒng)周期性地發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)到診斷模塊或用戶顯示面板。

　　另一方面，DSC的CPU支持功能強(qiáng)大的一套DSP指令和靈活的尋址模式，因此能快速完成一系列精確的算術(shù)與邏輯運(yùn)算。

　　DSC的主要特性

　　典型的DSC架構(gòu)具備一些CPU和外設(shè)的特性，因而適用于眾多汽車應(yīng)用。在這一部分，我們將探討這些 特性中最具優(yōu)勢(shì)的特性，它們是考慮使用DSC架構(gòu)時(shí)，最令人關(guān)注的特性。

　　增強(qiáng)的CPU功能

　　16位DSC最強(qiáng)有力的功能可能就要屬其強(qiáng)大的數(shù)學(xué)處理能力。一個(gè)真正的DSC包含兩個(gè)40位累加器，可用來存儲(chǔ)兩個(gè)獨(dú)立的16位×16位乘法運(yùn)算的結(jié)果。

　　大多數(shù)信號(hào)處理算法以及許多一般數(shù)學(xué)計(jì)算，都包含有動(dòng)態(tài)乘積和的計(jì)算。諸如MAC(乘-累加)等特殊指令能夠在一個(gè)指令周期內(nèi)，求得兩個(gè)16位數(shù)的乘積，將結(jié)果添加到累加器，然后從RAM預(yù)取一對(duì)數(shù)據(jù)值。因?yàn)橛袃蓚€(gè)累加器，這種架構(gòu)還能在回寫數(shù)據(jù)到一個(gè)累加器的同時(shí)在另一個(gè)累加器中執(zhí)行計(jì)算。

　　40位寬的累加器允許數(shù)據(jù)暫時(shí)溢出(當(dāng)在累加器中累加大量數(shù)值時(shí)，這種情況時(shí)有發(fā)生！)。此外，DSC的CPU還可選擇將值保持在一個(gè)允許的范圍內(nèi)，這個(gè)范圍由一種稱為飽和的機(jī)制確定，在回寫數(shù)據(jù)到RAM時(shí)，這種機(jī)制還將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行舍入和調(diào)整。DSC還擁有MCU通常不具備的特性，那就是DSC有能力解析小數(shù)形式的數(shù)據(jù)而不總是將數(shù)據(jù)看作整數(shù)，這一特性有助于小數(shù)的算術(shù)運(yùn)算。

　　除了上述特性以外，DSC架構(gòu)還具有多種數(shù)據(jù)尋址模式，能夠有效地傳送數(shù)據(jù)、支持循環(huán)緩沖區(qū)和位反轉(zhuǎn)尋址，以及零開銷循環(huán)。很明顯，DSC提供了一款非常有效且用戶友好的CPU架構(gòu)。DSC是處理和分析傳感器數(shù)據(jù)、執(zhí)行與控制各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)相關(guān)的計(jì)算以及監(jiān)視汽車系統(tǒng)性能的理想之選。