一种形成高速脉宽调制波的快速数据处理系统.pdf

本发明属于计算机数据处理技术领域。尤其是属于一种形成高速脉宽调制波的快速数据处理系统。
    以PWM方式（脉宽调制）控制的交流变频调速，以其精度高，功率因数高，易于控制，机械特性硬，调速性能好，节能省电，安装简单，不污染电网等优点，广泛进入电气调速控制的各个领域。目前，交流变频调速在风机、泵类负载方面的应用已取得显著的节能效果，在普通工频异步电机的控制中也得到广泛的推广应用。然而，对于采用中频电源的高速机床和航空、船舶等领域，由于受到计算机运行速度和功率输出模块开关频率的限制，普通交流变频调速器无法以PWM方式工作，只能以PAM方式（脉幅调制）输出方波，谐波严重，致使电机发热严重，转矩下降，难以满足实际要求。现在，随着电力电子技术的发展，功率器件已开发出开关频率达20KHZ的绝缘栅极复合晶体管（IGBT），可以满足PWM方式工作的高速交流变频调速器的要求，但一般应用于实时控制的单片微机却满足不了PWM快速数据处理要求。譬如，设计变频调速器的输出基波为1600HZ，每周载波数为10，那么载波频率为16KHZ，载波周期只有62us，在这么短的时间内要及时地计算出输出端三相电流波形的开关时间，并同时要管理整个系统的监控和输入输出功能，用一般的8位或16位单片机（时钟12M）均满足不了要求。使用更高速度的32位单片机，不但价格昂贵，应用于高速变频调速器的控制，同样存在输入输出速度慢，严重影响计算机实时处理速度的问题。中国发明专利CN1041464A公开了“一种微机数字信号处理板”，提出由多个处理器采用星形加流水的联接方式组成多机系统，以有效地提高数据处理速度，但结构过于复杂，不适用于变频调速器这类自成体系的单台设备，而且，其主要采用价格贵地单个双端口专用存储器作为CPU之间交换数据的公共存贮器，存储器两端的CPU均可同时访问公共存贮区，为确保多机之间的高速并行，又不出现同时访问同一单元的情况，需将双端口存储器分成若干区，严格规定存贮器两端的CPU必须访问不同的区，这样既影响了变频调速器PWM数据表的连续性，又使得存贮器两端的CPU互相牵制，不能最大限度的发挥各自的运算处理速度。

    本发明旨在克服上述不足之处提出一种形成高速脉宽调制波的快速数据处理系统。能够同时满足高速交流变频调速器的实时数据快速处理和PWM开关点高速输出的要求。

    本发明的目的通过下述技术方案予以实现，它实质上是提出一种双CPU快速数据处理的新方案。该快速数据处理系统由承担数据的运算生成的主单片机及配用的程序存贮器，完成数据的输出的从单片机及配用的程序存贮器，传递主从单片机之间数据的分时交换共享存贮区，和换表逻辑控制电路组成。其中分时交换共享存贮区由上、下表区组成，上表区由一独立的共享存贮器和分别承担其地址线与数据线选通及方向的地址选择器、数据选通器组成，下表区由另一独立的共享存贮器和分别承担其地址线与数据线选通及方向的地址选择器、数据选通器组成。换表逻辑控制电路根据上、下表区的状态和程序运行需要由从单片机控制向上、下表区内的地址选择器和数据选通器发出换表控制信号。

    本发明的主从单片机各自成体系，分别全速运行完成各自的任务。而换表主动权由承担PWM波开关点输出的从单片机掌握。如果主单片机的实时数据运算滞后于从单片机波形输出时，从单片机能够在现占有的表区内重新取出数据执行一遍PWM波形输出，保持波形输出的完整和连续性，待主单片机备妥下周新的PWM波形开关点数据时，再换表输出新周期的PWM波形。因此，系统处理生成及输出PWM波形的速度取决于从单片机全速输出的能力，以最大限度地发挥出系统的潜力，从而显著地提高了系统实时处理的运算能力和输入输出的速度。而且，本发明的共享存贮区对主从单片机均为单向访问，对主单片机为只写存贮器，对从单片机为只读存贮器，可以提高系统数据的安全性。此外，本发明采用通用存贮器芯片，成本低廉，利于实施。按照本发明采用普通MCS系列8位或16位单片机组成数据处理系统，不仅能满足高速交流变频调速器中的数据快速处理要求，而且解决了一般计算机实时控制系统中输入输出速度慢，影响实时处理速度的难题。

    附图是本发明系统组成方框图。

    下面对照附图并结合实施例对本发明作出进一步说明。

    实施例是一高速交流变频调速控制系统。该形成高速PWM波的快速数据处理系统由主单片机1及配用的程序存贮器9，从单片机2及配用的程序存贮器10，分时交换共享存贮区和换表逻辑控制电路11组成。其中分时交换共享存贮区又由上、下表区组成，上表区由一独立的共享存贮器3，地址选择器5和数据选通器7组成，下表区由另一独立的共享存贮器4、地址选择器6和数据选通器8组成。主、从单片机1、2均采用美国INTEL公司的产品MCS8098，共享存贮器3、4采用通用静态RAM6116，程序存贮器9、10采用一般EPROM存贮器芯片，换表逻辑控制电路11为一般常规控制电路，系统中其它电路也为单片机常规电路。

    主单片机1承担PWM波形开关点计算及系统的监控，从单片机2承担PWM波开关点的输出。系统开始运行时，从单片机2将上表区控制权交给主单片机1并等待，主单片机1根据设置参数进行运算，生成当前设置频率下一周内的所有PWM波的开关点数据，按时序先后依次装入上表区存贮器，然后通知从单片机2上表区内数据已备妥，可以运行。从单片机2此时取得上表区控制权，依次取出表中的数据向外输出PWM波，与此同时将下表区控制权交给主单片机1，主单片机1继续计算下一周内的所有PWM波的开关数据装入下表区。当下周PWM波的所有开关点数据备妥装入下表区后，主单片机1通知从单片机2可以换表。此时，从单片机2取得下表区控制权，并将上表区空出交给主单片机1，从单片机2从下表区取出数据继续向外输出PWM波，主单片机1继续进行下一周期PWM波的开关点数据的计算并装入上表区。如此周而复始使PWM波形开关点的实时运行与波形输出并行进行。

    由于单片机MCS8098的高速输出口输出一个PWM波的最高速度为42us，所以该系统能处理并输出高达20KHZ开关频率的PWM波，这是一般单片机系统难以实现的。本实施例表明，采用这种双CPU分时交换共享存贮区快速数据传递设计的变频调速控制系统，能在采用一般8位或16位单片机的基础上，实现输出基波为2KHZ的PWM波形的快速处理能力。