Copter E001系列MCU在感应电机控制应用中的实时基准对比测试

 

电机控制系统是一种典型的实时控制系统，为了提高控制精度，需要尽可能地提高系统的响应速度。实时微控制器（Microcontroller Unit，MCU）是实时控制系统的核心，配合一些外围硬件电路组成了整个实时控制电路。忽略外围硬件电路的响应时间，影响实时控制系统响应速度的主要因素是MCU响应时间。MCU响应时间主要包括内部ADC的采样时间、MCU外设的驱动延时、读写寄存器时间和应用代码运行时间。因此，MCU性能是决定实时控制系统响应速度的最关键因素之一。

本文使用华太电子即将上市发布的Copter E001系列MCU HS32F7D377PTI（主频300M，双核），与具有垄断地位的海外厂商竞品28379（T公司，主频200M，双核）和H563（S公司，主频250M，单核）进行感应电机控制基准对比 (Induction Motor Control， IMC) Benchmark测试。测试过程使用相同的应用代码及外设配置，用以对比三款MCU的软硬件延时对感应电机实时控制系统响应时间的影响。

本次对比测试分别采用华太电子EVB_AllGpio_Production_V1.1评估板以及另外两款MCU对应的官方开发板，无外部输入激励信号，最终控制输出形式为脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM)波。其中被控对象（异步电机）在MCU中使用软件模型进行模拟，通过观测控制精度（即电机速度响应）判断实时控制系统的有效性（本文主要针对响应时间，不做性能评估）。

图2.1 搭载HS32F7D377PTI的EVB_AllGpio_Production_V1.1评估板

如图3.1所示，MCU产生的PWM信号触发ADC采样，采样完成后进入ADC中断程序（上下文保存保护现场），读取ADC结果并执行电机控制算法，计算结束后更新MCU内部的PWM比较寄存器，并退出中断程序（恢复现场）。

图3.1 信号流程图 

如图4.1所示，测试应用程序包括ADC采样，CLARK变换，PARK变换，PID控制，PARK逆变换，感应电机模型，CLARK逆变换及DA输出，磁链及速度观测器，空间矢量变换（Space Vector Generator, SVGEN）、PWM输出。其中，感应电机模型，CLARK逆变换及DA输出部分是为了验证控制效果，并实现电流闭环，不做基准对比测试。

图4.1 应用程序流程图 

5.1  ADC采样及中断响应时间：从ADC触发到完成ADC采样并进入ADC中断的时间。

5.2  应用代码执行时间：读ADC结果寄存器的时间、电机控制算法的执行时间（即图4.1中白色框图代码运行时间）、写PWM寄存器时间。

6.1  ADC采样及中断响应时间测试

如图6.1所示，在固定点T1产生中断触发信号，在完成ADC采样并进入ADC中断后，立即读取计数值T2，则△T=T2-T1就是ADC采样及中断响应时间的总和。

6.2  应用程序执行时间测试

如图6.1所示，在被测的功能模块运行之前读取计数值t1，在功能模块运行后立即再次读取计数值t2，则△t=t2-t1就是这个功能模块实际运行的时间。

注意：

1.T1尽可能取小，计数周期设置尽可能大，避免T2或t2时刻超过当前计数周期。

2.读t1后不执行任何代码，立即读一次t2，△t=t2-t1值为校正值，即测试误差，每次计算需要减此误差。

图6.1 测试方法示意图

表1：一组三角函数运算时间（软件计算）

表2：AD采样及中断响应时间

表3：算法执行时间（计算一组三角函数）

表4：电机控制算法执行总时间（计算一组三角函数）

8.1  三角函数：软件计算一组三角函数，28379的计算周期数具有明显优势，说明对应的三角函数库的执行效率较高。另外28379的三角函数单元（Trigonometric Math Unit，TMU）和HS32F7D377PTI的超越函数计算单元( Transcendental Function Unit，TFU)能够大幅提升三角函数的计算速度，但是由于H563没有此功能，因此本文未做对比。

注：本次测试未对计算精度做对比。

8.2  ADC采样及中断响应时间：在采集一个模拟量并触发中断的情况下，28379需要的周期数具有优势。但是众所周知，ADC采样需要一个合理的采样时间，才能够实现准确采样，28379由于主频低，所以相同的采样周期数对应更长的时间，而H563和HS32F7D377PTI的主频更高，所以需要更多的周期数完成ADC采样。三款MCU对应的采样时间分别为265ns、332ns和310ns，可以看到28379仍然具有一些优势，但是并不十分突出，符合上述分析。

8.3  电机控制算法执行时间：通过测试数据可见，在读写寄存器方面，28379稍优，但是此项操作用时较少，整体影响不大。如前述分析，在三角函数计算方面，28379具有一定优势。在PID等数字计算及逻辑运算方面HS32F7D377PTI具有一定优势。但是由于HS32F7D377PTI在主频方面具有明显优势，因此最终在运行时间上优于28379。

8.4 总时间：总时间从短到长依次为HS32F7D377PTI（2757ns）、28379（2845ns）、H563（3236ns），HS32F7D377PTI在此次IMC Benchmark测试中表现出了最优的性能。

9.1  HS32F7D377PTI的特点：

使用ARM Cortex M7内核，主频300M，有主频高的优势，算力强。

可以使用CMSIS三角函数库，并且具有硬件加速单元TFU。

没有控制率加速器(Control Law Accelerator，CLA)，外设调度响应时间稍逊于28379，但是外设响应时间占总时间的比例较小。

9.2  28379的特点：

主频200M相对于H563及HS32F7D377PTI劣势，导致相近cycles情况下算力偏低。

软件计算三角函数优化效果好，并且具有硬件加速单元TMU，TMU与软件计算相比优势明显。

CLA可以调度外设，执行代码，提高代码整体运行速度（本次测试未应用）。

9.3 H563特点：

使用ARM Cortex M33核，主频250M，算力较强。

没有三角函数硬件加速，可以使用CMSIS三角函数库。

没有CLA，外设调度响应时间稍逊于28379，但是外设响应时间占总时间的比例较小。

 

 

审核编辑：刘清