電機(jī)控制系統(tǒng)是一種典型的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，為了提高控制精度，需要盡可能地提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。實(shí)時(shí)微控制器（Microcontroller Unit，MCU）是實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的核心，配合一些外圍硬件電路組成了整個(gè)實(shí)時(shí)控制電路。忽略外圍硬件電路的響應(yīng)時(shí)間，影響實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)響應(yīng)速度的主要因素是MCU響應(yīng)時(shí)間。MCU響應(yīng)時(shí)間主要包括內(nèi)部ADC的采樣時(shí)間、MCU外設(shè)的驅(qū)動(dòng)延時(shí)、讀寫(xiě)寄存器時(shí)間和應(yīng)用代碼運(yùn)行時(shí)間。因此，MCU性能是決定實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)響應(yīng)速度的最關(guān)鍵因素之一。

本文使用華太電子即將上市發(fā)布的Copter E001系列MCU HS32F7D377PTI（主頻300M，雙核），與具有壟斷地位的海外廠商競(jìng)品28379（T公司，主頻200M，雙核）和H563（S公司，主頻250M，單核）進(jìn)行感應(yīng)電機(jī)控制基準(zhǔn)對(duì)比 (Induction Motor Control， IMC) Benchmark測(cè)試。測(cè)試過(guò)程使用相同的應(yīng)用代碼及外設(shè)配置，用以對(duì)比三款MCU的軟硬件延時(shí)對(duì)感應(yīng)電機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的影響。

本次對(duì)比測(cè)試分別采用華太電子EVB_AllGpio_Production_V1.1評(píng)估板以及另外兩款MCU對(duì)應(yīng)的官方開(kāi)發(fā)板，無(wú)外部輸入激勵(lì)信號(hào)，最終控制輸出形式為脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM)波。其中被控對(duì)象（異步電機(jī)）在MCU中使用軟件模型進(jìn)行模擬，通過(guò)觀測(cè)控制精度（即電機(jī)速度響應(yīng)）判斷實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的有效性（本文主要針對(duì)響應(yīng)時(shí)間，不做性能評(píng)估）。

圖2.1 搭載HS32F7D377PTI的EVB_AllGpio_Production_V1.1評(píng)估板

如圖3.1所示，MCU產(chǎn)生的PWM信號(hào)觸發(fā)ADC采樣，采樣完成后進(jìn)入ADC中斷程序（上下文保存保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)），讀取ADC結(jié)果并執(zhí)行電機(jī)控制算法，計(jì)算結(jié)束后更新MCU內(nèi)部的PWM比較寄存器，并退出中斷程序（恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)）。

圖3.1 信號(hào)流程圖

如圖4.1所示，測(cè)試應(yīng)用程序包括ADC采樣，CLARK變換，PARK變換，PID控制，PARK逆變換，感應(yīng)電機(jī)模型，CLARK逆變換及DA輸出，磁鏈及速度觀測(cè)器，空間矢量變換（Space Vector Generator, SVGEN）、PWM輸出。其中，感應(yīng)電機(jī)模型，CLARK逆變換及DA輸出部分是為了驗(yàn)證控制效果，并實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)，不做基準(zhǔn)對(duì)比測(cè)試。

圖4.1 應(yīng)用程序流程圖

5.1 ADC采樣及中斷響應(yīng)時(shí)間：從ADC觸發(fā)到完成ADC采樣并進(jìn)入ADC中斷的時(shí)間。

5.2 應(yīng)用代碼執(zhí)行時(shí)間：讀ADC結(jié)果寄存器的時(shí)間、電機(jī)控制算法的執(zhí)行時(shí)間（即圖4.1中白色框圖代碼運(yùn)行時(shí)間）、寫(xiě)PWM寄存器時(shí)間。

6.1 ADC采樣及中斷響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

如圖6.1所示，在固定點(diǎn)T1產(chǎn)生中斷觸發(fā)信號(hào)，在完成ADC采樣并進(jìn)入ADC中斷后，立即讀取計(jì)數(shù)值T2，則△T=T2-T1就是ADC采樣及中斷響應(yīng)時(shí)間的總和。

6.2 應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)間測(cè)試

如圖6.1所示，在被測(cè)的功能模塊運(yùn)行之前讀取計(jì)數(shù)值t1，在功能模塊運(yùn)行后立即再次讀取計(jì)數(shù)值t2，則△t=t2-t1就是這個(gè)功能模塊實(shí)際運(yùn)行的時(shí)間。

注意：

1.T1盡可能取小，計(jì)數(shù)周期設(shè)置盡可能大，避免T2或t2時(shí)刻超過(guò)當(dāng)前計(jì)數(shù)周期。

2.讀t1后不執(zhí)行任何代碼，立即讀一次t2，△t=t2-t1值為校正值，即測(cè)試誤差，每次計(jì)算需要減此誤差。

圖6.1 測(cè)試方法示意圖

表1：一組三角函數(shù)運(yùn)算時(shí)間（軟件計(jì)算）

表2：AD采樣及中斷響應(yīng)時(shí)間

表3：算法執(zhí)行時(shí)間（計(jì)算一組三角函數(shù)）

表4：電機(jī)控制算法執(zhí)行總時(shí)間（計(jì)算一組三角函數(shù)）

8.1 三角函數(shù)：軟件計(jì)算一組三角函數(shù)，28379的計(jì)算周期數(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明對(duì)應(yīng)的三角函數(shù)庫(kù)的執(zhí)行效率較高。另外28379的三角函數(shù)單元（Trigonometric Math Unit，TMU）和HS32F7D377PTI的超越函數(shù)計(jì)算單元( Transcendental Function Unit，TFU)能夠大幅提升三角函數(shù)的計(jì)算速度，但是由于H563沒(méi)有此功能，因此本文未做對(duì)比。

注：本次測(cè)試未對(duì)計(jì)算精度做對(duì)比。

8.2 ADC采樣及中斷響應(yīng)時(shí)間：在采集一個(gè)模擬量并觸發(fā)中斷的情況下，28379需要的周期數(shù)具有優(yōu)勢(shì)。但是眾所周知，ADC采樣需要一個(gè)合理的采樣時(shí)間，才能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確采樣，28379由于主頻低，所以相同的采樣周期數(shù)對(duì)應(yīng)更長(zhǎng)的時(shí)間，而H563和HS32F7D377PTI的主頻更高，所以需要更多的周期數(shù)完成ADC采樣。三款MCU對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)間分別為265ns、332ns和310ns，可以看到28379仍然具有一些優(yōu)勢(shì)，但是并不十分突出，符合上述分析。

8.3 電機(jī)控制算法執(zhí)行時(shí)間：通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在讀寫(xiě)寄存器方面，28379稍?xún)?yōu)，但是此項(xiàng)操作用時(shí)較少，整體影響不大。如前述分析，在三角函數(shù)計(jì)算方面，28379具有一定優(yōu)勢(shì)。在PID等數(shù)字計(jì)算及邏輯運(yùn)算方面HS32F7D377PTI具有一定優(yōu)勢(shì)。但是由于HS32F7D377PTI在主頻方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此最終在運(yùn)行時(shí)間上優(yōu)于28379。

8.4 總時(shí)間：總時(shí)間從短到長(zhǎng)依次為HS32F7D377PTI（2757ns）、28379（2845ns）、H563（3236ns），HS32F7D377PTI在此次IMC Benchmark測(cè)試中表現(xiàn)出了最優(yōu)的性能。

9.1 HS32F7D377PTI的特點(diǎn)：

使用ARM Cortex M7內(nèi)核，主頻300M，有主頻高的優(yōu)勢(shì)，算力強(qiáng)。

可以使用CMSIS三角函數(shù)庫(kù)，并且具有硬件加速單元TFU。

沒(méi)有控制率加速器(Control Law Accelerator，CLA)，外設(shè)調(diào)度響應(yīng)時(shí)間稍遜于28379，但是外設(shè)響應(yīng)時(shí)間占總時(shí)間的比例較小。

9.2 28379的特點(diǎn)：

主頻200M相對(duì)于H563及HS32F7D377PTI劣勢(shì)，導(dǎo)致相近c(diǎn)ycles情況下算力偏低。

軟件計(jì)算三角函數(shù)優(yōu)化效果好，并且具有硬件加速單元TMU，TMU與軟件計(jì)算相比優(yōu)勢(shì)明顯。

CLA可以調(diào)度外設(shè)，執(zhí)行代碼，提高代碼整體運(yùn)行速度（本次測(cè)試未應(yīng)用）。

9.3 H563特點(diǎn)：

使用ARM Cortex M33核，主頻250M，算力較強(qiáng)。

沒(méi)有三角函數(shù)硬件加速，可以使用CMSIS三角函數(shù)庫(kù)。

沒(méi)有CLA，外設(shè)調(diào)度響應(yīng)時(shí)間稍遜于28379，但是外設(shè)響應(yīng)時(shí)間占總時(shí)間的比例較小。

審核編輯：劉清