专利名称：用于场导向控制系统的模块化的功能部件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于电子控制系统(例如，一种场导向的控制系统)的模块化功能部件(functional block)以及一种为待被控制的设备提供电子控制的方法。
背景信息如图9所示，传统的采样数据反馈控制系统可以使用采样传感器数据来控制驱动器，从而产生所需的系统响应。这种控制系统典型地执行基于应用的控制算法，该算法涉及到对采样数据执行计算从而在下一采样周期到来之前产生输出命令。
在各种传统的电机控制应用中，数字信号处理器(DSP)和/或微控制器被用于执行各种控制功能，例如数字电机控制功能。这些被执行的控制功能包括诸如对感应式电机、永磁同步机、交流逆变驱动器和高性能伺服驱动器的场导向控制。用于控制这些传统应用的软件通常是被中断驱动的，而不是完全根据所期望的输入/输出来确定的，并且被固定在计算结构中。
上述控制功能(例如，电机控制功能)可在一个微控制器里执行，并且由特定用途集成电路(ASIC)来完成高速的计算任务。由ASIC完成的高速计算任务包括，例如，脉宽调制(PWM)波形发生，编码信号接口，坐标转换，比例+积分(PID)控制等。
ASIC在控制应用中是有益的，因为它们的可用性和设计灵活性使各种控制功能(例如电动机控制功能)所需的高计算速度成为可能。然而，由于ASIC的计算速度是有限的，所以ASIC的设计解决方案对于当今需要不断提高性能和灵活性的控制应用不是最佳的。
在DSP和/或ASIC不具有执行所需任务所必需的计算速度的情况下，公知的是将计算任务分配给各种DSP和/或微控制器。例如，一个DSP或微控制器可执行转矩控制，而另一个DSP或微控制器可以执行其它的功能，例如在数字控制应用中控制各种参数。然而，通过在各种DSP和/或微控制器之间分离功能，控制电路设计(例如电动机控制电路设计)可能需要在各种组件之间的复杂的互连性和信号的发送，因此增加了设计时间和费用。
为了各组件之间的复杂的互连性和信号的发送，公知的方法是在软件中提供附加和/或辅助功能模块。然而，可以确信，开发专用软件的时间和费用会导致开发过程较为费时以及资金效率较低。更进一步的说，随着所需软件的复杂度的增加，完成该软件编程所需的人力资源就会成指数级的增长，尤其是对于程序设计工作被分割给多个个体时的设计。通常，特定的技能和技术是需要的，以确保该软件以所需的计算速度执行。当使软件代码运行的速度成流线型的时候，这种特定的技能和技术通常需要代码可维护性的附加成本，并且通常为获得所需的计算速度而必须以本机(native)汇编语言执行。因此，高级语言(例如C)通常是不能用的，从而使得代码缺乏可维护性。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种能够避免上述缺点的电子控制系统(例如一种场导向控制系统)和方法。为了实现该目的，本发明提供了模块化的硬件控制部件，这些模块化的硬件控制部件利用独特的接口握手(即，“结束时握手”(handshake-on-terminate)方法论)的方法被级联(cascade)起来。这种“结束时握手”方法论允许电子控制系统实现极高速度的控制(例如，转矩控制)，其典型地约小于几微秒。例如，典型的控制部件能够在小于两微秒的时间内执行。由于本发明的操作被模块化，因而可以并行地执行大量的计算任务以消除顺序执行程序指令的需要。本发明提供的计算能力的提高消除了采用伴随通讯信号来控制各处理模块之间的信息交换的顺序程序的线性瓶颈。
与传统的控制应用不同，本发明即不使用中央处理机构也不使用状态机，其中寄存器组在循环执行的过程当中被写入或被重写。反之，根据本发明的“结束时握手”方法论，数据从一个模块流到另一个模块地级联通过控制系统，并与“结束时握手”脉冲(即，表示各模块已经完成预定计算的完成脉冲)谐调一致。
按照这种“结束时握手”方法论，就可以用一个单启动脉冲来启动整体级联的电子控制环路，该脉冲可以例如与分配给特定电机控制应用的数字数据采集速率同步。例如，该初始启动脉冲可与电子控制系统的给定参数的采样率同步。
“结束时握手”方法论还允许场导向控制系统排列在N条并行的路径中，N取决于具体应用中的可用门数(例如，在控制IC(集成电路)或FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC上的可用门数)。有效地，本发明允许N个并行的数字硬件控制器同时运行。
而且，由于初始启动脉冲与数字反馈数据的采集同步，并且通过完整的控制系统被级联起来，所以初始启动脉冲能够被随意压缩或扩展，而并不影响该电子控制系统的性能。因此，采样周期的较低边界(也就是脉冲宽度的较低边界)根据具有最长输出等待时间的功能部件而被确定(也就是，根据最慢的功能部件产生一个有效输出所用的时间)。用这种方式，最大的数据吞吐率只由同步的数字硬件决定。
附图简要描述
图1是本发明的示例性电子控制系统的方框图；图2是本发明的示例性的功能部件的方框图；图3是本发明的另一个示例性的功能部件的方框图；图4是本发明的又一个示例性的功能部件的方框图；图5是图4所示的功能部件的操作的时序图；图6是本发明的又一个示例性功能部件的方框图；图7a是本发明的三个功能部件串连的方框图；图7b是本发明的七个功能部件并连的方框图；
图8是本发明包括附加嵌套功能部件的又一个示例性的功能部件的方框图；图9是现有技术的常规控制系统的方框图；图10本发明的用于控制AC电机转矩的电子控制系统的方框图；图11是图10所示电子控制系统的操作时序图。
详细的描述现在参照图1，其中示出了按照本发明的一个示例性电子控制系统100。控制系统100包括主控制器150和应用控制装置155。应用控制装置155通讯地连接到主控制器150，并且被配置成可为待被控制的设备165提供控制信号160a，160b，160c，...，160n。
主控制器150包括这样的电路，该电路被配置成使得应用控制装置155启动一个高速的级联计算以用于通过控制信号160a，160b，160c，...，160n控制待被控制的设备165。为了达到这个目标，主控制器150传递参数输入170(静态和/或动态参数)和初始化数据175到应用控制装置155，而应用控制装置155则根据参数输入170和初始化数据175来执行高速的级联计算。主控制器150还传递一个初始启动脉冲180到应用控制装置155以用于启动级联计算。
主控制器150也可用来监控来自待被控制的设备165的至少一个反馈参数185。例如，如果所述待被控制的设备包括一个电机，则反馈参数185可包括例如电机的感测速度，电机的感测转矩，电机的感测温度等等。按照这种方式，主控制器150可以例如响应反馈参数185的变化来修改初始化数据175和/或参数输入170，从而使得应用控制装置155根据反馈参数185来控制待被控制的设备165。
应用控制装置155包括多个功能部件105a，105b，105c，...，105n(图中未标注)，它们谐调工作以执行高速的级联计算。现在参照图2，从其中可以看到本发明的示例性的功能部件105x的更详细的细节。功能部件105x被配置成执行预定的局部计算以产生输出数据205x和待与控制装置155的其余功能部件105a，105b，105c，...，105n的一个或多个交流的完成脉冲(done pulse)220x。功能部件105x的预定义局部计算根据各种输入来执行，这些输入包括例如参数输入170的至少一部分，初始化数据175的至少一部分，和/或来自至少一个其它功能部件105a，105b，105c...105n的输出数据205a，205b，205c，...，205n和启动脉冲220a，220b，220c...220n。
应该预见到，参数输入170的静态参数(其在功能模块105x的计算期间内不变)不需要锁存到本地存储器(图中未标注)中，并且按照这种方式，它可被直接传递给功能部件105x的计算硬件和/或软件。与此相反，在被提供给功能部件105x的计算硬件和/或软件之前，参数输入170的动态变化参数可被例如适当地锁存到功能部件105x的本地存储器(图中未标注)中。
功能模块105x被配置成一旦它从与功能部件105x的输入连接的各相关的功能部件105a，105b，105c，...，105n收到有效的输出数据205a，205b，205c...，205n时就启动它的预定局部计算并产生输出数据。输出数据205x包括功能部件105x执行局部计算的结果信息。如果功能部件105x是控制装置155的最终下游功能部件，则输出数据205x可被传送到至少一个其它的功能部件105a，105b，105c，...，105n，并且/或者作为用于控制待被控制的设备165的控制信号160a，160b，160c，...，160n中的至少一个被传输。
输出数据205a，205b，205c，...，205n和启动脉冲220a，220b，220c，...，220n通过其它的功能部件105a，105b，105c，...，105n被传送到功能部件205x。输出数据205a，205b，205c，...，205n包括由各功能部件105a，105b，105c，...，105n执行的局部计算得到的结果信息，并且输出数据205a，205b，205c，...，205n可以在各启动脉冲220a，220b，220c，...，220n的延续时间内保持有效和稳定。
完成脉冲220x指出了功能部件105x局部计算的完成，并且用这种方式表示了输出数据205x的有效性。在完成脉冲220x的延续时间内，输出数据205x可保持稳定和有效，完成脉冲220x可充当下游功能部件105a，105b，105c，...，105n的至少一个启动脉冲。
现在参照图4，其中可以看出图2所示的示例性功能部件105x的更详细的细节，该功能部件105x被配置成在收到来自至少一个其它功能部件105a，105b，105c，...，105n的有效输入数据之后启动预定的局部计算。如图4所示，功能部件105x包括(n-1)个锁存存储体(memory banks)405a，405b，405c，...，405n-1，它们用于存储由功能模块105a，105b，105c，...，105n-1传送的输出数据205a，205b，205c，...，205n-1。锁存存储体405a，405b，405c，...，405n-1的锁存输出410a，410b，410c，...，410n-1被传送到计算装置415x，该计算装置415x被配置成执行功能模块105x的预定局部计算，以用于产生输出数据205x和完成脉冲220x。计算装置415x还接收未锁存的输出数据205n、完成脉冲220n以及参数输入210x。
在图4所示的示例性实施方案中，被传送到功能部件105x的第n个输出数据205n被选择为与其它的输出数据205a，205b，205c，...205n-1相比具有最大等待时间的输出数据(也就是，第n个输出数据205n被选择，这样使得它是传送到功能部件105x的最后有效输入)。因此，这样就能确保由功能部件105n传送的完成脉冲220n是在给定计算周期内将要被判断的最后的完成脉冲。用这种方式，就能够确定锁存存储体405a，405b，405c，...，405n-1在完成脉冲220n被判断之前，将有效和稳定的输出数据205a，205b，205c，...，205n-1锁存到锁存输出410a，410b，410c，...，410n-1。
完成脉冲220n能用于完成如下操作，即，它使计算装置415x根据锁存输出数据205a，205b，205c，...，205n-1、未锁存数据205n和参数输入210x来启动预定的局部计算。一旦计算装置415x完成了预定的局部计算，计算装置415x产生输出数据205x和完成脉冲220x，而输出数据205x和完成脉冲220x则可被例如传送给其它下游功能部件105a，105b，105c，...，105n中的至少一个。
现在参照图5，从中可以看出图4所示功能部件105x的示例性计算周期的时序图。如图5所示，锁存存储体405a，405b，405c，...，405n-1将输出数据205a，205b，205c，...，205n-1锁存到锁存输出410a，410b，410c，...，410n-1，以使得计算装置415x在预定的局部计算在时刻505被完成脉冲220n启动时接收有效和稳定的输入数据。一旦预定的局部计算完成，计算装置415在时刻510判断出(assert)完成脉冲220x并产生有效和稳定的输出数据205x。
应该预见到，虽然图5所示的输出数据205a，205b，205c，...，205只在相应的完成脉冲220a，220b，220c，...，220n的持续时间内是有效的，但输出数据205a，205b，205c，...，205n也可在超出相应的完成脉冲220a，220b，220c，...，220n持续时间的期间内保持有效。例如，在利用相应的完成脉冲220a，220b，220c，...，220n计时输出(clocking out)连续的输出数据205a，205b，205c，...，205n的情况下，输出数据205a，205b，205c，...，205n可在连续的完成脉冲220a，220b，220c，...，220n之间的整个持续时间内保持有效和稳定。用这种方式，锁存存储体405a，405b，405c，...，405n-1可被省去，因为输出数据205a，205b，205c，...，205n-1在完成脉冲220n启动功能部件105x的预定局部计算时将是有效的。
还应当预见到，尽管图2到图5中所示出的示例性功能部件105具有分别从功能模块105a，105b，105c，...，105n来的(n个)输入。但如图3所示，功能部件105x也可只从单一的功能部件105n接收输入。在这种情况下，功能部件105x不需要包括锁存存储体405a，405b，405C，...，405n-1以用于锁存输出205a，205b，205c，...，205n-1，并且，计算装置415x可在该单一的完成脉冲220n被判断出来时启动预定的局部计算。
现在参照图6，其中示出了图2的示例性功能部件105x的一个变化形式。在这个示例性实施方案中，功能部件105x包括最后输入检测装置605x，其被配置成用于检测将要被判断出的最后的完成脉冲220a，220b，220c，...，220n，并且能够传送信号610x以使计算装置415x在最后完成脉冲20a，220b，220c，...，220n被检测到时启动预定的局部计算。由于最后输入检测装置605x自动检测将要被判断出的最后完成脉冲220a，220b，220c，...，220n(即，具有最大等待时间的功能部件的完成脉冲)，所以本发明的这个示例性变化形式不需要设计工程师来确定被传送到功能部件105x的第n个输出数据205n，因为计算装置415x在最后完成脉冲220a，220b，220c，...，220n被最后输入检测装置605x检测出来之前不会启动预定的计算。
如上所描述的本发明的示例性功能部件展示了一种“结束时握手”方法论，它允许单个功能部件105a，105b，105c，...，105n以高灵活性的配置而互连，从而实现精细和复杂的计算。功能部件105a，105b，105c，...，105n的每一个都被实现为图形编译器的一部分，并被指派以各种需求和输入/输出标准用以与其它的部件谐调。因此，设计者可以任意组织功能部件105a，105b，105c，...，105n，并且图形编译器(图中未标注)可以使设计者得知特殊的需求是否符合每一部件。
通过适当地组织功能部件105a，105b，105c，...，105n，就可为适当的任务创建、存储和重复使用各种模块结构，由此建立模块结构库以用作场导向组件。为了建立这样的分级模块结构，功能部件105a，105b，105c，...，105n可以被如图7a所示一样以串行方式连接和/或如图7b所示一样以并行的方式连接，从而展现出预定的功能。
各个功能部件105a，105b，105c，...，105n还可以被安排在嵌套式结构中，并且使给定的功能部件105x包括功能部件105a，105b，105c，...，105n中的一个或多个，这些功能部件谐调一致地操作以执行功能部件205x的预定局部计算，从而产生功能部件105x的输出数据205x和完成脉冲220x。
参照图8，其中示出了按照本发明的示例性矢量旋转功能部件105x，它包括安排在嵌套式结构中的子部件。矢量旋转功能部件105x被配置成根据从外部功能部件105a，105b(图中未标注)传送的输出数据205a，205b来执行预定的局部计算。在完成预定的计算后，根据上述的“结束时握手”方法论，矢量旋转功能部件105x产生输出数据205x(例如，电流输出Iq，Id)以及相关的完成脉冲220x。
为了执行预定的计算，矢量旋转功能部件105x包括两个嵌套式的“结束时握手”功能部件正弦/余弦功能部件810；以及通讯地连接到正弦/余弦功能部件810的电流发生(current generation)功能部件820。
正弦/余弦功能部件810接收来自功能部件105a(图中未标注)的输出数据205a和完成脉冲220a，并产生作为输出数据205a的函数的正弦和余弦积分信号810a。按照前述的“结束时握手”方法论，在正弦/余弦功能部件810完成计算正弦和余弦积分信号810a后，正弦/余弦功能部件810还产生相应的完成脉冲815。
电流发生功能部件820被配置成产生矢量旋转功能部件105x的输出数据205x和相关的完成脉冲220x。出于这种目的，电流发生功能部件820接收来自正弦/余弦功能部件810的正弦和余弦积分信号810a和完成脉冲815，以及来自功能部件105b(图中未标出)的输出数据205b和完成脉冲220b。按照本发明所述的“结束时握手”方法论，电流发生功能部件820产生输出数据205x和相关的完成脉冲220x以作为正弦和余弦积分信号810a以及输出数据205b的函数。
为了计算正弦和余弦积分信号810a，正弦/余弦功能部件810包括根据“结束时握手”方法论连接起来的三个嵌套功能部件850a，850b和850c。嵌套功能部件850a，850b都从功能部件105(图中未标注)接收输出数据205a和完成脉冲220a，并分别产生相应的输出数据855a，855b以及相应的完成脉冲860a，860b，用以表示分配给功能部件850a，850b的预定计算的结束。输出数据855a，855b和完成脉冲860a，860b被提供给功能部件850c，功能部件850c则根据“结束时握手”方法论产生输出数据855c和完成脉冲860c。输出数据855c和完成脉冲860c被分别提供以作为正弦/余弦功能部件810的正弦和余弦积分信号810a和完成脉冲815。
尽管图8所示的示例性矢量旋转功能部件105x不会接收参数输入210x，但应当预见到，功能部件105x，包括其嵌套功能部件850a，850b，850c，810和820中的任何一个或全部，也可接收参数输入210x，参数输入210x可以由诸如主控制器150传送的静态信号组成，或者也可以不由其组成。
现在参照图10，从其中可以看到作为场导向控制系统1000的另外一个示例性电子控制系统，该场导向控制系统1000可根据参考电流1035(即，IqRef)、电机相位电流1040(即，Iu，Iv，Iw)、参数输入1030和转子角度1050(即，θ)，通过产生控制输出1055(电机相位电压Vu，Vv和Vw)，以控制AC电机(图中未标注)的转矩。
控制系统1000包括根据本发明的“结束时握手”方法论串接在一起的多个功能部件。具体而言，控制系统1000包括逆变克拉克(Clark)变换功能部件1005、通讯地连接到逆变Clark变换功能部件1005的矢量旋转功能部件1010，通讯地连接到矢量旋转功能部件1010的PI控制器1015、连接到PI控制器1015的逆变矢量旋转功能部件1020以及通讯地连接到逆变矢量旋转功能部件1020的Clark变换功能部件1025。
PI控制器1015被配置成在同步或旋转的框架内控制Q轴电流，以便于跟踪输入参考电流。PI控制器1015在采样周期开始时对参考电流1035，电机电流1040和电机角度1050同时进行采样，执行电机电压的计算，并在采样周期结束时输出新的电机电压命令。
为了启动采样周期，开始/采样脉冲1045被控制系统1000被判断(assert)出来，由此使得待由系统功能模块1000的功能部件执行的级联计算按照本发明的“结束时握手”方法论执行。图11示出了在判断出开始/采样脉冲1045之后场导向控制系统1000的时序图。
尽管本发明的描述与其具体实施方案有关，但是许多其它的变化和修改和其它应用对本领域的技术人员来说也是很清楚的。因此，本发明不应由本文的特定公开来限定，而仅仅由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种电子控制系统，包括待被控制的设备；应用控制装置，其包括被配置用于执行级联计算的多个功能部件，所述应用控制装置被配置成根据所述级联计算而产生控制信号以控制所述设备；以及主控制装置，其被通讯地连接到所述应用控制装置，并被配置成传输参数输入和初始启动脉冲给所述应用控制装置，所述初始启动脉冲可操作用于启动所述级联计算；其中每个所述功能部件被配置成根据预定的局部计算而产生输出数据和完成脉冲，所述输出数据至少在所述完成脉冲的持续期间是有效和稳定的，各个所述功能部件的预定的局部计算作为由至少一个输入功能部件传输的输入数据和输入完成脉冲的函数而被执行，所述预定的局部计算由所述输入完成脉冲启动。
2.根据权利要求1所述的电子控制系统，其特征在于，所述待被控制的设备包括交流电机和直流电机中的一个。
3.根据权利要求2所述的电子控制系统，其特征在于，所述控制信号包括电流信号和电压信号中的至少一个，速度和转矩中的至少一个根据所述控制信号受到控制。
4.根据权利要求1所述的电子控制系统，其特征在于，至少一个所述功能部件的预定的计算作为所述参数输入的至少一部分的函数而被执行。
5.根据权利要求1所述的电子控制系统，其特征在于，所述功能部件中的至少一个包括至少一个锁存存储体，所述锁存存储体被相应地分配给由所述至少一个输入功能部件传输的所述输入数据和所述完成脉冲，并且所述至少一个功能部件还包括通讯地连接到所述锁存存储体的计算装置，所述锁存存储体被配置成产生锁存的输入数据并将所述锁存的输入数据传输到所述计算装置，所述计算装置被配置成根据所述锁存的输入数据来执行所述预定的局部计算。
6.根据权利要求5所述的电子控制系统，其特征在于，所述至少一个功能部件还包括脉冲检测装置，所述脉冲检测装置被配置成用于检测最后一个输入完成脉冲，所述最后一个完成脉冲可操作用于启动所述预定的局部计算。
7.根据权利要求1所述的电子控制系统，其特征在于，至少一些所述功能部件是串行连接的。
8.根据权利要求1所述的电子控制系统，其特征在于，至少一些所述功能部件是并行连接的。
9.根据权利要求1所述的电子控制系统，其特征在于，所述功能部件的至少一个包括被配置成执行所述预定的局部计算的多个嵌套功能部件。
10.一种电子控制系统的应用控制装置的功能部件，所述功能部件产生输出数据和完成脉冲，所述功能部件包括计算装置，其被配置成根据由至少一个输入功能部件传输的输入数据和输入完成脉冲来执行预定的局部计算；其中所述计算装置被进一步配置成根据所述预定的局部计算而产生所述输出数据和所述完成脉冲，所述输出数据至少在所述完成脉冲的延续期间是有效和稳定的，所述预定的局部计算由所述输入完成脉冲启动。
11.根据权利要求10所述的功能部件，还包括至少一个锁存存储体，其被相应地分配给由所述至少一个输入功能部件传输的所述输入数据和所述输入完成脉冲；其中所述计算装置被通讯地连接到所述锁存存储体，所述锁存存储体被配置成产生锁存的输入数据并将所述锁存的输入数据传输给所述计算装置，所述算装置被配置成根据所述锁存的输入数据执行所述预定的局部计算。
12.根据权利要求11所述的功能部件，进一步包括脉冲检测装置，其被配置成检测最后一个输入完成脉冲，所述最后一个完成脉冲可操作用于启动所述预定的局部计算。
13.根据权利要求10所述的功能部件，其特征在于，所述计算装置包括被配置成执行所述预定的局部计算的多个嵌套功能部件。
14.一种用于为待被控制的设备提供电子控制的方法，所述方法包括提供待被控制的设备；提供应用控制装置，其包括被配置用于执行级联计算的多个功能部件，所述应用控制装置被配置成根据所述级联计算而产生控制信号以控制所述设备；以及提供主控制装置，其被通讯地连接到所述应用控制装置，并被配置成传输参数输入和初始启动脉冲给所述应用控制装置，所述初始启动脉冲可操作用于启动所述级联计算；其中每个所述功能部件被配置成根据预定的局部计算而产生输出数据和完成脉冲，所述输出数据至少在所述完成脉冲的持续期间是有效和稳定的，各个所述功能部件的预定的局部计算作为由至少一个输入功能部件传输的输入数据和输入完成脉冲的函数而被执行，所述预定的局部计算由所述输入完成脉冲启动。
全文摘要
提供了一种诸如场导向控制系统的电子控制系统，包括待被控制的设备；应用控制装置，其包括被配置用于执行级联计算的多个功能部件，该应用控制装置被配置成根据级联计算而产生控制信号以控制所述设备；以及主控制装置，其被通讯地连接到应用控制装置，并被配置成传输参数输入和初始启动脉冲给应用控制装置，该初始启动脉冲可操作用于启动所述级联计算；其中，每个功能部件被配置成根据预定的局部计算而产生输出数据和完成脉冲，该输出数据至少在所述完成脉冲的持续期间是有效和稳定的，各个功能部件的预定的局部计算作为由至少一个输入功能部件传输的输入数据和输入完成脉冲的函数而被执行，所述预定的局部计算由所述输入完成脉冲启动。
文档编号H02P29/00GK1745348SQ03804474
公开日2006年3月8日 申请日期2003年3月21日 优先权日2002年3月22日
发明者罗伯特F·柯尔斯坦 申请人:国际整流器公司