СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 2011-9

временных интервалов, отводимых на математическуюобработку и реализа цию управляющих воздействий, раз нообразие целей таких управляющих воздействий. Если в качестве типового приложе ния рассмотреть управление электро двигателем, то, как поясняется [1], для нормальногофункционирования при вода необходимо ограничивать мо мент и ток двигателя допустимыми значениями в переходных процессах пуска, торможения и приложения на грузки. Далее, в зависимости от облас ти применения электропривода, в ши рочайших пределах могут изменяться требования к диапазону и точности ре гулирования скорости. В механизмах, испытывающих значительные рабо чие перегрузки, необходимо непре рывно регулировать момент двигате ля для ограничения динамических ударных нагрузок, тогда как в элек троприводах металлообрабатываю щих станков и намоточных машин требуется точная регулировка усилия. Для решения задач регулирования скорости и момента в современном электроприводе применяют методы скалярного или векторного управле ния. Первый относительно прост в ре ализации, но управление моментом на его основе инерционно, и, кроме того, при скалярном управлении нельзя ре гулировать одновременно и момент, и скорость [1]. Векторное управление ре ализовано на алгоритмах, которые требуют больших вычислительных ре сурсов процессора для математичес ких расчётов и собственно функций управления. Все эти операции должны выполняться в режиме реального вре мени (характерное время составляет около 50 мкс), для чего требуется до статочно мощный процессор. Иногда дополнительно к непосред ственному управлению двигателем, приходится реализовать идругиефунк ции. Например, для предотвращения проникновения в сеть нежелательных гармоник необходимо производить коррекциюкоэффициента мощности. Высокопроизводительный ЦСМ поз воляет реализовать схему корректора коэффициента мощности как допол нительную функцию, не снижая эф фективность основной функции век торного управления электродвига телем. Это позволяет обойтись без дополнительного контроллера коррек тора коэффициента мощности, что снижает стоимость системы. Вотличие от рекомендуемого [1] под хода к построению системы управле ния электродвигателем на основе двух и более процессоров с умеренными требованиями к каждому, сегодня бо лее предпочтительными оказываются решения на базе однопроцессорных платформ, которые на практике оказы ваются не дороже и не сложнее в про граммировании. При этом в качестве процессора выступает либо СнК мик росхема на основе усовершенствован ного ядра ЦСМ, поддержанного специ ализированными сопроцессорами, ли бо (с появлениеммикросхем LPC4300) многоядерная микросхема с гетероген ными вычислительными ресурсами. Алгоритмы векторного управления (как, впрочем, и ряд других, благодаря которыми появилась концепцияЦСМ) являются сложными с математической точки зрения, поэтому при выборе процессора недостаточно просто оце нить такую характеристику, как про изводительность в MIPS. Требуется бо лее глубокий анализ того, что стоит за объявлённой производительностью. Основным требованием является воз можность выполнять вычисления рав номерно. Даже если микроконтроллер имеет поддержку операции MAC и вы полняет её за один цикл, зачастую узким местом становится шина, кото рая не успевает передать данные, тре буемые для выполнения этой опера ции, за один цикл, что растягивает её выполнение на несколько программ ных циклов. В целом при выборе ЦСМ, наряду с формальнымпоказателями в виде мак симальной тактовой частоты (в МГц) и производительности (в MIPS или Мфлопс), приходится анализировать формат данных (фиксированная запя тая или плавающая запятая), разряд ность представления данных и разряд ность шин передачи данных внутри микросхемы, особенности аппарат ных усовершенствованний ядра ЦСМ и набора специализированных инст рукций, наличие средств аппаратной поддержки/ускорения алгоритмов рас чёта и управления. Все эти показатели приходится рассматривать с учётом сложности программирования, обес печения необходимых погрешностей данных при их сборе, оцифровке и проведении расчётов, ограничений в производительности процессора и допустимой стоимости законченной платформы. Поддержкаформатаданныхсплаваю щей запятойибольшая разрядность (от 32бит)позволяют сократитьчислоцик лов на реализациюалгоритмов и объём кода, а также упростить программиро вание, сократив время отладки. В табли це проиллюстрирована возможность сокращения количества циклов при ре ализации некоторых алгоритмов с ис пользованиемформата данныхсплава ющей запятой, поддерживаемого ЦСМ типа TMS320F2833x корпорации TI. Большая разрядность позволяет ли бо без дополнительных ухищрений обеспечить необходимую точность представления данныхиподдерживать погрешность вычислений на нужном уровне, либо, в дополнение к этому, со кратить количество циклов при реали зациинекоторых алгоритмов. Так, под держка 32 разрядной MAC операции ЦСМ позволяет выполнить две 16 раз рядные MAC операции за один цикл. Использование ЦСМ с большой раз рядностью, поддерживающих формат данных с плавающей запятой, стало естественным путём сокращения тру дозатрат при написании приложения. С развитием технологий микроэлек тронного производства, снижающих стоимость микросхем, стоит уделить пристальное внимание именно 32 раз рядным платформам ЦСМ. Однако и в этом случае следует анализировать конкретные реализации формата с точки зрения обеспечения необходи мой точности представления данных: если в 32 разрядном представлении числа в формате с плавающей запятой под мантиссу отведено 24 разряда, то разрешение окажется меньше, чем в ЭЛЕМЕНТЫ И КОМПОНЕНТЫ 32 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 9 2011 Сокращение количества циклов при реализации некоторых алгоритмов при использовании формата данных с плавающей запятой Операция Число циклов/ядро С28х/ 32 бита/фиксированная запятая Число циклов/ядро F2833х/ 32 бита/плавающая запятая Отношение числа требуемых циклов Деление 70 24 2,92 Извлечение квадратного корня 60 27 2,56 Синус, косинус 92 44 2,09 Арктангенс (Atan2) 118 53 2,33 Комплексное преобразование Фурье (FFT complex (256)) 27 000 11 000 2,45 БИХ фильтр (IIR cascaded) 14 на фильтр 8 на фильтр 1,75 © СТА-ПРЕСС