DSP和電機(jī)控制芯片簡(jiǎn)化了基于DSP的交流電機(jī)控制硬件

變速電機(jī)控制系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用，從高端工業(yè)機(jī)器人到普通家用電器，如家用洗衣機(jī)。這些系統(tǒng)中的控制環(huán)路首先使用模擬組件實(shí)現(xiàn)。通常，運(yùn)算放大器用于反饋補(bǔ)償電路，比較器用于產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的控制信號(hào)。然而，低成本微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)越來(lái)越多地導(dǎo)致通過(guò)數(shù)字手段實(shí)現(xiàn)控制和用戶界面功能。處理能力成本的不斷降低使得通過(guò)在同一處理器上實(shí)現(xiàn)所有電機(jī)控制功能來(lái)進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件成為可能。

過(guò)去十年來(lái)，ADI運(yùn)動(dòng)控制事業(yè)部一直是交流伺服電機(jī)市場(chǎng)旋轉(zhuǎn)變壓器到數(shù)字轉(zhuǎn)換產(chǎn)品的領(lǐng)先供應(yīng)商。AD2S80和AD2S90 R/D轉(zhuǎn)換器等器件用于處理模擬反饋信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)永磁交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的位置和速度的數(shù)字控制。運(yùn)動(dòng)控制事業(yè)部的最新產(chǎn)品ADMC200和ADMC201運(yùn)動(dòng)協(xié)處理器進(jìn)一步推動(dòng)了這一概念。這些多功能器件在單個(gè)芯片上結(jié)合了為交流電機(jī)控制提供反饋控制電流所需的所有接口和信號(hào)處理功能。

ADMC201提供用于捕獲電機(jī)電流或電壓信號(hào)的模擬采集系統(tǒng)、調(diào)節(jié)這些信號(hào)的矢量處理功能以及控制功率轉(zhuǎn)換器所需的脈寬調(diào)制器。ADMC201與ADSP-2105數(shù)字信號(hào)處理器相結(jié)合，可用作交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高性能控制引擎。以下示例描述了主要器件功能及其在電機(jī)控制應(yīng)用中的使用。

交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)：伺服電機(jī)控制系統(tǒng)通常有兩個(gè)級(jí)聯(lián)控制回路，如圖1所示。外部運(yùn)動(dòng)回路根據(jù)來(lái)自位置或速度傳感器的反饋信號(hào)控制電機(jī)位置和速度。該回路的輸出是對(duì)電機(jī)扭矩增加或減少的需求，該扭矩被饋送到內(nèi)部電流回路。電流環(huán)路為功率轉(zhuǎn)換器生成信號(hào)，功率轉(zhuǎn)換器提供合適的電機(jī)電流以產(chǎn)生所需的輸出扭矩。從直流電源軌到電機(jī)的功率流通過(guò)快速改變功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)（如IGBT或功率MOSFET）的導(dǎo)通和關(guān)通周期來(lái)控制。這些控制信號(hào)通常是固定頻率、可變占空比波形，可以使用定時(shí)電路以數(shù)字方式產(chǎn)生。

圖1

通常，運(yùn)動(dòng)回路設(shè)計(jì)與電機(jī)類(lèi)型（交流或直流）無(wú)關(guān)，而僅與系統(tǒng)的機(jī)械性能（如慣性、動(dòng)態(tài)摩擦等）有關(guān)。然而，電流環(huán)路的復(fù)雜程度因電機(jī)類(lèi)型而異。在直流電機(jī)中，轉(zhuǎn)矩與電樞繞組中的直流電流成正比。但為了控制交流電機(jī)中的轉(zhuǎn)矩，電流必須與旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子場(chǎng)的位置同步。簡(jiǎn)化電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的一種方法是將測(cè)量的定子電流轉(zhuǎn)換為與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)同步的參考系。此過(guò)程（圖2）產(chǎn)生兩個(gè)等效的直流電機(jī)電流量：產(chǎn)生扭矩的組件Iq和一個(gè)字段控制組件 Id.交流電機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算兩個(gè)正交電壓，Vd和 Vq，需要強(qiáng)制 Iq電流直接跟隨轉(zhuǎn)矩需求和Id電流以保持恒定的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。然后使用逆變換來(lái)變換“直流電機(jī)”Vd和 Vq電壓返回到定子參考系，以給出所需的繞組電壓。

圖2

圖3顯示了永磁交流伺服電機(jī)控制方案的全數(shù)字實(shí)現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字 （R/D） 轉(zhuǎn)換器從軸安裝旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號(hào)中獲取數(shù)字角位置反饋信息。外部位置和速度環(huán)計(jì)算所需的電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流，Iq.電機(jī)速度是使用估計(jì)算法從位置測(cè)量值計(jì)算的。場(chǎng)約簡(jiǎn)組件，Id，通常為零，以便最大化電機(jī)扭矩輸出。但是，弱場(chǎng)函數(shù)可以設(shè)置非零Id有效降低轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而增加電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍。

圖3

A/D 轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)電機(jī)的定子電流測(cè)量值，這些測(cè)量值作為矢量變換的輸入傳遞。反向變換取兩個(gè)定子電流信號(hào)和轉(zhuǎn)子電角ρ-并計(jì)算扭矩和磁場(chǎng)分量Iq和我d.推斷第三個(gè)定子電流信號(hào)，因?yàn)樗腥齻€(gè)定子電流的總和為零。有兩個(gè)電流環(huán)路，一個(gè)扭矩環(huán)路和一個(gè)勵(lì)磁環(huán)路，具有比例和積分補(bǔ)償（PI）。這些環(huán)路的響應(yīng)可以通過(guò)前饋估計(jì)的繞組反電動(dòng)勢(shì)和繞組阻抗降來(lái)改善（因此稱(chēng)為“+”注釋?zhuān)?。五世d和 Vq然后將計(jì)算的輸出在矢量變換模塊中轉(zhuǎn)換為三相定子電壓的數(shù)字等效值V一個(gè)/ 5b和 Vc，用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

PWM定時(shí)器模塊將數(shù)字輸入轉(zhuǎn)換為三相逆變器的脈寬調(diào)制定時(shí)信號(hào)。施加到電機(jī)繞組的電壓由每個(gè)逆變器支路中功率晶體管開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間控制。在下面的示例（圖4）中，當(dāng)上部逆變器功率晶體管Q一個(gè)，導(dǎo)通，繞組“a”連接到+V母線電源軌，導(dǎo)致繞組電流，i一個(gè)，以增加。當(dāng) Q一個(gè)通過(guò)下部逆變器二極管D關(guān)閉繞組電流“自由輪”美聯(lián)社，并將繞組“A”連接到 -V 總線電源軌。定子繞組平均電壓，V一個(gè)，與導(dǎo)通周期成正比，t一個(gè)， 功率晶體管， Q一個(gè)，由下式給出：

對(duì)于負(fù)定子電流，繞組電流流過(guò)較低的晶體管Q美聯(lián)社和通過(guò)上二極管D的“自由輪”一個(gè).在這種情況下，繞組電壓是二極管D導(dǎo)通周期的函數(shù)一個(gè).為了使施加的定子電壓獨(dú)立于定子電流檢測(cè)，功率晶體管Q美聯(lián)社，在 Q一個(gè)已關(guān)閉。然而，為了防止這些功率晶體管同時(shí)導(dǎo)通的可能性，在上部和下部器件的導(dǎo)通信號(hào)之間插入了短暫的“死區(qū)時(shí)間”。由此產(chǎn)生的低電平有效PWM信號(hào)（如圖4 （c）所示）是互補(bǔ)的定時(shí)波形式，有源部分之間的“死”時(shí)間很短。

圖4

上述交流伺服系統(tǒng)可以使用三個(gè)主要控制組件構(gòu)建。ADSP-2105 DSP實(shí)現(xiàn)控制環(huán)路，ADMC201與三相逆變器接口，AD2S90與旋變器位置傳感器接口。ADSP-2105定點(diǎn)DSP針對(duì)高速信號(hào)處理應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。它非常適合交流電機(jī)電流控制，因?yàn)榭刂骗h(huán)路周期時(shí)間短，只有50-100μs。AD2S90旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以使用串行端口簡(jiǎn)單地連接到DSP。[如果使用ADSP-2115，它將提供額外的串行端口。配套振蕩器IC AD2S99用于旋變器激勵(lì)，并提供信號(hào)丟失檢測(cè)。

ADMC201在DSP控制器和三相逆變器之間提供所需的接口功能;它適用于控制永磁交流電機(jī)和交流感應(yīng)電機(jī)。ADMC201及其接口的詳細(xì)說(shuō)明如下。

ADMC200運(yùn)動(dòng)協(xié)處理器系列：ADMC200運(yùn)動(dòng)協(xié)處理器具有三個(gè)主要功能模塊：4通道、11位同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、12位零中心PWM定時(shí)器模塊和矢量旋轉(zhuǎn)模塊。此外，ADMC201還提供三個(gè)額外的模擬輸入通道和6位可編程數(shù)字I/O引腳。該器件具有 25 個(gè)內(nèi)部存儲(chǔ)器映射寄存器，用于存儲(chǔ)外設(shè)輸入和輸出數(shù)據(jù)。嵌入式控制序列器解碼片選線、讀寫(xiě)線以及4條地址線，并將這些數(shù)據(jù)寄存器直接映射到DSP存儲(chǔ)器地址空間。這意味著DSP始終可以直接訪問(wèn)所有寄存器。片內(nèi)中斷控制器可以在模數(shù)轉(zhuǎn)換序列結(jié)束時(shí)或矢量變換完成時(shí)中斷DSP。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換開(kāi)始線可由PWM定時(shí)器模塊驅(qū)動(dòng)，以將控制軟件和信號(hào)采樣同步至PWM頻率。

ADMC200采用CMOS工藝設(shè)計(jì)，兼具低成本和低功耗。A/D轉(zhuǎn)換器基于CMOS兼容型開(kāi)關(guān)電容技術(shù)，是一款11位逐次逼近器件，前端為4通道同步采樣采樣保持放大器。這允許在不到14.4μs的時(shí)間內(nèi)采集多達(dá)四個(gè)電機(jī)電流或電壓信號(hào)而不會(huì)“偏斜”。ADMC201內(nèi)置4：1多路復(fù)用器，可為溫度或直流總線電壓等較慢信號(hào)提供額外的三個(gè)異步通道。轉(zhuǎn)換后的值采用二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，以匹配定點(diǎn) DSP 處理器。模擬輸入范圍為 0 至 5V，2.5V 相當(dāng)于數(shù)字零點(diǎn)。板載基準(zhǔn)的絕對(duì)精度在 5% 以?xún)?nèi)（滿載）。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的整體精度為8LSB，而通道間匹配在±2LSB以?xún)?nèi)。高轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖采集所有四個(gè)輸入通道，并根據(jù)控制寄存器設(shè)置啟動(dòng) 2、3 或 4 個(gè)通道的轉(zhuǎn)換序列。轉(zhuǎn)換結(jié)束可以編程為為DSP生成中斷脈沖，DSP可以按任何順序讀取結(jié)果寄存器。

12 位 PWM 模塊為功率轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)產(chǎn)生三對(duì)恒定頻率可變占空比波形，頻率范圍為 1.5kHz 至 25kHz。圖5中描述的信號(hào)是基于中心的低電平有效信號(hào)，因此導(dǎo)通（低電平）周期與定時(shí)脈沖之間的中點(diǎn)對(duì)稱(chēng)。這使得電流采樣與PWM波形同步變得更加容易。波形是互補(bǔ)的，即功率器件成對(duì)切換：一個(gè)器件“開(kāi)”，互補(bǔ)器件“關(guān)”。為了防止逆變器功率器件中同時(shí)導(dǎo)通的可能性，互補(bǔ)PWM波形是死區(qū)時(shí)間調(diào)整（PWMDT）。在每個(gè)PWM周期開(kāi)始時(shí)產(chǎn)生的高電平有效PWMSYNC脈沖使電源逆變器的運(yùn)行與A/D轉(zhuǎn)換器同步。

12 位硬件矢量旋轉(zhuǎn)模塊可以在定子（交流電流和電壓）和轉(zhuǎn)子（直流電機(jī)等效）參考幀之間執(zhí)行正向和反向 Park- 和 Clarke 變換。反向變換轉(zhuǎn)換三相定子電流信號(hào)，I一個(gè)我b和我c，到兩個(gè)正交轉(zhuǎn)子參考電流，Id和我q.變換由三個(gè)階段組成（表1），其中ρ是轉(zhuǎn)子場(chǎng)的角度。

表1

正向變換轉(zhuǎn)換兩個(gè)正交轉(zhuǎn)子參考電壓 Vd和 Vq，到三相定子電壓信號(hào)，I一個(gè)我b和我c.變換由兩個(gè)階段組成（表2），其中ρ是轉(zhuǎn)子場(chǎng)的角度。

ADMC201數(shù)字I/O模塊有六條數(shù)字線，可配置為輸入或輸出。它們還可以配置為系統(tǒng)保護(hù)功能的中斷源。I/O 模塊通過(guò)四個(gè)內(nèi)存映射寄存器訪問(wèn)。

交流伺服電機(jī)控制軟件：使用ADSP-2105控制交流伺服電機(jī)所需的軟件可能需要不到500行DSP代碼。由于篇幅所限，這里無(wú)法對(duì)軟件進(jìn)行全面描述，但我們將介紹一些核心算法和代碼。

電流控制算法通過(guò)中斷信號(hào)與PWM頻率同步。通過(guò)在PWM周期開(kāi)始時(shí)將ADMC201的PWMSYNC引腳（來(lái)自定時(shí)器模塊）連接到ADC的CONVST引腳，對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行采樣。ADMC201的中斷（IRQ）信號(hào)連接到ADSP-2105的IRQ2引腳，在模數(shù)轉(zhuǎn)換周期結(jié)束時(shí)中斷DSP。捕獲的電流信號(hào)表示平均繞組電流值，因?yàn)椴蓸游挥陔娏鞑ㄐ蔚闹悬c(diǎn)。在每個(gè)PWM周期開(kāi)始后，向DSP提供一組電流測(cè)量值;并在下一個(gè)周期之前計(jì)算一組新的定子電壓值和PWM時(shí)間。

圖6中的電流環(huán)路信號(hào)流程圖描述了ADSP-2105 DSP和ADMC201協(xié)處理器之間的信息流。當(dāng)ADMC201的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中斷指示有一組新的電流采樣可用時(shí)，該算法開(kāi)始。DSP從ADMC201的V和W寄存器讀取兩個(gè)相電流值，根據(jù)A/D和電流傳感器偏移進(jìn)行調(diào)整，并將其與轉(zhuǎn)子角度ρ一起寫(xiě)入ADMC201 PHIP2和PHIP3矢量變換模塊。ADMC201啟動(dòng)反向矢量旋轉(zhuǎn)，而DSP可以執(zhí)行保護(hù)功能，例如過(guò)載檢測(cè)或總線電壓監(jiān)控。轉(zhuǎn)換的結(jié)束由中斷發(fā)出信號(hào);然后DSP讀取ID和IQ寄存器并實(shí)現(xiàn)電流環(huán)路控制算法。計(jì)算出的VD和VQ值與轉(zhuǎn)子角度ρ一起寫(xiě)入ADMC201的VD和VQ寄存器。ADMC201開(kāi)始正向矢量旋轉(zhuǎn)，而DSP可以執(zhí)行一些進(jìn)一步的內(nèi)務(wù)保持功能。轉(zhuǎn)換的結(jié)束由另一個(gè)中斷發(fā)出信號(hào);DSP 讀取 PHV1、PHV2 和 PHV3 寄存器，并根據(jù) PWM 周期和總線電壓調(diào)整這些值。然后，DSP將三個(gè)新值寫(xiě)入PWM寄存器：PWMCHA、PWMCHB和PWMCHC，以閉合電流控制環(huán)路。

控制算法由許多控制定律和一些對(duì)ADMC201數(shù)據(jù)寄存器的讀寫(xiě)組成。ADI定點(diǎn)DSP特別適合實(shí)現(xiàn)控制律，如P-I（比例+積分控制）環(huán)路和狀態(tài)空間算法，這方面的例子很多。ADMC201的存儲(chǔ)器映射結(jié)構(gòu)具有訪問(wèn)數(shù)據(jù)寄存器不需要特殊讀取或?qū)懭胄蛄械膬?yōu)點(diǎn)。ADMC201讀寫(xiě)寄存器通過(guò)器件上的片選線映射到DSP外部DM地址空間中的一個(gè)塊。下表顯示了ADMC201 A/D轉(zhuǎn)換器中斷的中斷服務(wù)例程代碼示例，以說(shuō)明這一點(diǎn)。第一條指令是使用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀取指令讀取ADMC201系統(tǒng)狀態(tài)寄存器。然后，AR寄存器加載一個(gè)常數(shù)，該常數(shù)設(shè)置了ADMC201 A/D中斷位。如果未設(shè)置 A/D 中斷，則繼續(xù)檢查其他中斷源，例如 PARK 塊中斷。如果設(shè)置了位，則讀取A/D寄存器并啟動(dòng)電流環(huán)路算法。

結(jié)論：

我們選擇了一個(gè)使用ADSP-2105（或ADSP-2115）、ADMC201和AD2S90芯片組實(shí)現(xiàn)的永磁交流伺服電機(jī)控制方案示例。這些硬件選擇為系統(tǒng)配置提供了很大的靈活性。如果需要更大的處理“馬力”，ADSP-2115可以升級(jí)到ADSP-2101或ADSP-2181。如果不需要額外的模擬通道和數(shù)字I/O，則可以使用成本較低的ADMC200。ADSP-2105和ADMC201還可用于控制交流感應(yīng)電機(jī)，編碼器代替旋轉(zhuǎn)變壓器。

提供使用ADSP-2101 EZLAB和ADMC201板的評(píng)估系統(tǒng)。它附帶軟件，說(shuō)明了ADMC201功能塊的主要特性。該系統(tǒng)可用于構(gòu)建三相電機(jī)控制演示系統(tǒng)的控制元件。

審核編輯：郭婷