孟凡菲

摘 要：在工業(yè)生產中，電機控制系統(tǒng)被廣泛應用，它的主要作用是對電機的位置和速率等運行參數進行控制。隨著計算機技術的發(fā)展，數字化發(fā)展是電機控制系統(tǒng)未來必然的趨勢。DSP在電機控制系統(tǒng)中的應用，能夠快速實現(xiàn)各類數字信號的處理算法，是實現(xiàn)控制系統(tǒng)數字化的重要手段。但是在實際應用中，對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其影響最明顯。文章從軟件的設計角度入手，多方面優(yōu)化軟件的防護設計，有效避免運行程序出錯，提高了電機控制系統(tǒng)的運行可靠性。

關鍵詞：電機控制系統(tǒng)；可靠性影響；DSP軟件；防護設計

中圖分類號：TM301.2 文獻標志碼：A 文章編號：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

電機控制系統(tǒng)被廣泛應用于電機位置伺服系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)，在工業(yè)生產過程中發(fā)揮著重要作用。在數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）廣泛應用之前，電機實現(xiàn)數字化控制主要依靠微控制器（Micro-Control Unit， MCU），但

MCU只能對相對簡單的數字信號進行處理。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)對其控制性能提出了更高要求，以實現(xiàn)更復雜的控制算法，而MCU運算速度慢，無法滿足系統(tǒng)的工作需求。因此性能更高、運算速度更快的DSP被發(fā)展應用于工業(yè)控制系統(tǒng)領域[1]。DSP在電機控制系統(tǒng)中的應用，其最大優(yōu)勢是將系統(tǒng)的軟件和硬件有效結合，使得系統(tǒng)的靈活性和統(tǒng)一性提高。然而，在實際生產過程中，外部環(huán)境的許多因素都會對電機控制系統(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使得電機運行不穩(wěn)定，甚至可能會使整個系統(tǒng)崩潰，造成嚴重損失。為解決這一問題，本文從DSP的軟件部分入手，優(yōu)化其軟件防護設計，以提升系統(tǒng)的可靠性。

1 電機控制系統(tǒng)可靠性與影響因素

微電子技術的快速發(fā)展使得電機控制系統(tǒng)隨著集成度的提高，物理體積越來越小，但同時構成系統(tǒng)的各個元器件的故障率提高，進而造成整個控制系統(tǒng)的可靠性降低。電機控制系統(tǒng)中的DSP可實現(xiàn)各類數字信號的算法處理，對信號進行實時檢測監(jiān)控、輸出和反饋等功能[2]。由此可見對DSP軟件進行相應的防護設計對加強整個電機控制系統(tǒng)的可靠性具有重要的實際意義。

對電機控制系統(tǒng)的可靠性造成影響的因素主要有：溫度、濕度、電源波動、振動、靜電場、電磁場等。另外，系統(tǒng)控制軟件本身的設計缺陷、以及元件故障和電路短路等也是影響電機控制系統(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

外界電磁場產生電磁干擾會影響系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性，而當電磁干擾增強到一定程度時，可能會因為電源的巨大波動而直接造成系統(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鐘信號，產生噪聲；（2）系統(tǒng)CPU的PC指針發(fā)生故障，使得程序進入死循環(huán)或者發(fā)生未知故障；（3）電磁場的干擾可使RAM區(qū)的數據被隨機數取代，使得系統(tǒng)無法正常進行數據讀?。唬?）電磁干擾造成系統(tǒng)數據輸入輸出和數據傳輸發(fā)生錯

誤，影響過程通道。

DSP的電磁兼容性和信號完整性都會受電磁干擾影響，導致定時故障、數據出錯、信號失真等一系列問題。系統(tǒng)的工作條件越復雜，電磁干擾對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)生產環(huán)境中靜電場廣泛存在，而電子元器件的集成度越高，對靜電場的影響越敏感，嚴重時會導致整個系統(tǒng)失效。當系統(tǒng)的電子元器件所帶的靜電達到一定負荷時，系統(tǒng)的電壓、電流、信號等的穩(wěn)定性會被降低。而靜電放電過程會對DSP芯片造成一定的損害，使DSP的功能失效。

2 電機控制系統(tǒng)可靠性防護策略

DSP軟件受到不同因素的影響表現(xiàn)為不同的故障形式，因此需要針對不同的故障設計DSP軟件的防護設計。通過DSP軟件提高電機控制系統(tǒng)的可靠性的最大優(yōu)勢就是設計成本低，其對系統(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 設置軟件陷阱

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

00H），當程序跑飛到該區(qū)域時，不會執(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 程序跳轉監(jiān)控設計

程序跳轉監(jiān)控是指程序跳轉至相應模塊時，通過預先設置在各個模塊中的標志來檢驗程序是否跑飛。具體方法是將立即數標志設置在各個系統(tǒng)模塊的出口和入口處，程序進入到對應模塊時，預先設置標志，然后與立即數進行比對，如果結果一致則執(zhí)行下一步，如果不一致則報錯，并返回至程序出錯處理模塊。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指針錯誤，進而使得DSP的指令出錯，造成程序運行發(fā)生異常。因此，針對這種情況，可以在DSP程序外設置另一個獨立的監(jiān)視程序，即看門狗定時監(jiān)視器對DSP程序的運行狀況進行實時監(jiān)視?？撮T狗監(jiān)視程序作為一個獨立的監(jiān)視器，可對DSP程序執(zhí)行復位和初始化操作，其內置的計時器可通過設定的計時自動執(zhí)行復位操作。通過DSP中的定時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器自動清零，不會執(zhí)行對DSP程序的初始化，而一旦DSP程序運行出錯，同時也無法發(fā)送出喂狗脈沖，此時監(jiān)視程序的計時器達到設定時間，強制執(zhí)行對DSP程序的復位。

2.4 程序中斷防護設計

DSP程序在電磁場的干擾下，可能會引起PC指針錯誤，進而導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行。對于這種情況需要對未使用中斷設置安全返回出口，使得系統(tǒng)在錯誤觸發(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設計，程序通過“B $”命令跳轉到當前的代碼位置，程序一旦跑飛到未使用中斷，便進入死循環(huán)，同時也不能發(fā)送喂狗脈沖，當達到計時門限后，對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 信號降噪

DSP程序的輸入信號中的噪聲對系統(tǒng)會造成一定的影響，因此，輸入的信號必須經過降噪處理才能應用。采用數字濾波技術可有效濾除輸入信號中的無用頻率信號。常用的數字濾波器有經典濾波器和現(xiàn)代濾波器。經典濾波器工作原理簡單，它利用線性系統(tǒng)可將信號中分別處于不同頻段內的有用與無用信號濾出。但如果輸入信號中有用信號與噪聲處在同一頻段內，經典濾波器則無法發(fā)揮作用，此時現(xiàn)代濾波器的優(yōu)勢便體現(xiàn)出來。現(xiàn)代濾波器的工作原理是利用信號檢測和估計的方式，對信號中有用與無用成分進行估計，進而將兩者濾出。該方法把有用和無用信號均設為隨機信號，通過自相關和互相關函數、自功率譜、互功率譜等途徑推導出隨機信號的估計算法，最后通過相應的數字設備實現(xiàn)信號過濾。在實際的信號降噪處理中，根據不同的系統(tǒng)信號特征選擇不同的數字濾波器，提高控制系統(tǒng)可靠性。

3 結束語

DSP在電機控制系統(tǒng)中的廣泛應用，是未來該類型系統(tǒng)數字化發(fā)展的必然趨勢。而更高性能的DSP在占據很大發(fā)展優(yōu)勢的同時也存在一些不足，針對這些問題通過軟件防護設計手段在有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時也大大降低了成本。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)領域被更廣泛的應用。

參考文獻：

[1]劉曉輝.多電機控制系統(tǒng)的研發(fā)及其可靠性研究[D].河北工業(yè)大學，2012.

[2]周鵬，許鋼，查君君，等.無刷直流電機控制中DSP系統(tǒng)電源可靠性設計[J].電源技術，2013，37（7）：1210-1212.