適用于運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用的強(qiáng)大設(shè)計(jì)工具

Finbarr Moynihan， Paul Kettle， Aengus Murray， and Tom Howe

消費(fèi)電子、家電、工業(yè)和汽車市場(chǎng)對(duì)電機(jī)控制復(fù)雜解決方案的需求不斷增加。根據(jù)應(yīng)用的不同，使用多種電機(jī)類型;最常見的包括交流感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)、無刷直流電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)等較新的設(shè)計(jì)。事實(shí)上，許多以前由恒速、電源供電感應(yīng)電機(jī)主導(dǎo)的應(yīng)用，現(xiàn)在需要復(fù)雜的變速控制。在某些應(yīng)用中，例如壓縮機(jī)、風(fēng)扇和泵，立法和消費(fèi)者對(duì)更高運(yùn)行效率的需求推動(dòng)了這種對(duì)復(fù)雜性的提高需求。在其他地方，過程控制、機(jī)器人和機(jī)床中的高性能應(yīng)用需要可變速度和更高的精度，只有通過使用復(fù)雜的控制算法才能實(shí)現(xiàn)。

為這些運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)實(shí)施復(fù)雜控制算法的關(guān)鍵是功能強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理器 （DSP） 的出現(xiàn)。 即使在要求不高但對(duì)成本敏感的應(yīng)用中，例如家用冰箱壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器，也可以利用 DSP 的強(qiáng)大功能來實(shí)現(xiàn)無傳感器控制算法，從而降低系統(tǒng)成本并提高驅(qū)動(dòng)器的整體魯棒性。在高性能伺服驅(qū)動(dòng)器中，DSP 強(qiáng)大的計(jì)算能力允許通過矢量控制、紋波轉(zhuǎn)矩降低、預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)和對(duì)非理想系統(tǒng)行為的補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)更精確的控制。

除了強(qiáng)大的DSP內(nèi)核外，所有電機(jī)控制系統(tǒng)都需要大量附加電路才能正確運(yùn)行，包括以下功能：

電流或電壓反饋的模數(shù)轉(zhuǎn)換

脈寬調(diào)制 （PWM） 模塊，用于生成逆變器開關(guān)命令

用于更高性能應(yīng)用的位置傳感器接口

用于主機(jī)通信的串行端口

通用數(shù)字輸入/輸出端口。

ADI公司現(xiàn)在提供一系列基于DSP的單芯片電機(jī)控制解決方案，將這些外設(shè)功能與高性能DSP內(nèi)核和所需存儲(chǔ)器集成在一起。本文介紹兩種器件：ADMC330?，專為滿足中低性能動(dòng)態(tài)要求而設(shè)計(jì)，ADMC300?擴(kuò)展了單芯片功能以控制高性能伺服驅(qū)動(dòng)器。

ADMC330 基于 DSP 的單芯片電機(jī)控制器（見圖 1）：ADMC330 在單個(gè)芯片上集成了 20 MIPS DSP 內(nèi)核、2K 字程序存儲(chǔ)器 RAM、2K 字程序存儲(chǔ)器 ROM、1K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM、2 個(gè)串行端口和各種電機(jī)控制外設(shè)。DSP內(nèi)核類似于16位定點(diǎn)ADSP-2171中使用的內(nèi)核。電機(jī)控制外設(shè)包括 7 個(gè)模擬輸入和一個(gè)基于比較器的 ADC 子系統(tǒng)，每個(gè) PWM 周期允許 4 次轉(zhuǎn)換。此外，先進(jìn)的 3 相 12 位 PWM 系統(tǒng)能夠以最小的處理器開銷生成所有必要的逆變器開關(guān)信號(hào)，定時(shí)在 100 ns 以內(nèi)。這些PWM信號(hào)的死區(qū)時(shí)間可以在處理器中調(diào)整，因此不需要外部邏輯。PWM 單元包括用于無刷直流電機(jī)或電子換向電機(jī)的特殊模式，其中三個(gè)電機(jī)相位中只有兩個(gè)同時(shí)導(dǎo)通。此外，ADMC330還包括8條數(shù)字I/O線、一個(gè)看門狗定時(shí)器、一個(gè)通用16位定時(shí)器和兩個(gè)輔助PWM輸出。

圖1.ADMC330是基于DSP的單芯片電機(jī)控制器。

ADMC300 基于 DSP 的單芯片伺服電機(jī)控制器（圖 2）：用于機(jī)器人和機(jī)床的高性能伺服驅(qū)動(dòng)器需要高分辨率 ADC 和位置傳感器接口來滿足苛刻的性能要求。ADMC300通過基于單芯片DSP的解決方案滿足了這些應(yīng)用的需求。ADMC300的附加功能適用于要求更高的應(yīng)用，包括針對(duì)25 MIPS性能增強(qiáng)的DSP內(nèi)核。此外，程序內(nèi)存RAM已翻倍至4K字。通過包括五個(gè)獨(dú)立的Σ-Δ型ADC，提供12位分辨率，可以滿足對(duì)多通道、高分辨率ADC的需求。通過提供三條外部多路復(fù)用器控制線，可以擴(kuò)展模擬信號(hào)。此外，ADMC300還通過編碼器接口實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)，可輕松連接到增量編碼器。

圖2.ADMC300 基于 DSP 的單芯片伺服電機(jī)控制器。

開發(fā)工具：由于軟件是使用數(shù)字設(shè)備的關(guān)鍵，因此強(qiáng)大的處理能力需要同樣強(qiáng)大的開發(fā)系統(tǒng)，以便在實(shí)際應(yīng)用中使用這些復(fù)雜的電機(jī)控制器。兩款處理器均配備全套硬件和軟件開發(fā)工具，可實(shí)現(xiàn)快速原型開發(fā)和實(shí)際系統(tǒng)評(píng)估。在ADMC300和ADMC330中，程序存儲(chǔ)器ROM模塊通過監(jiān)控器/調(diào)試器功能進(jìn)行預(yù)編程，允許訪問處理器的內(nèi)部寄存器和存儲(chǔ)器。為了加快程序開發(fā)速度，ROM代碼還包含一個(gè)有用的數(shù)學(xué)和電機(jī)控制實(shí)用程序庫，可以從用戶代碼調(diào)用這些實(shí)用程序。

每種類型都有單獨(dú)的代碼開發(fā)評(píng)估板。這些評(píng)估板包含與處理器許多外設(shè)功能的簡(jiǎn)單接口，因此該板可以輕松集成到最終目標(biāo)開發(fā)系統(tǒng)中。每個(gè)評(píng)估板包含一個(gè)UART接口，可用于將DSP控制器連接到基于Windows的運(yùn)動(dòng)控制調(diào)試器程序。調(diào)試器程序允許開發(fā)人員將代碼下載到 DSP，并監(jiān)視或修改程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、DSP 寄存器和外設(shè)寄存器的內(nèi)容。此外，還可以從 Windows 菜單中選擇一系列調(diào)試工具（包括斷點(diǎn)、單步和連續(xù)運(yùn)行操作）。圖330所示的ADMC3調(diào)試器示例屏幕說明了調(diào)試器的許多特性。還包括其他軟件工具，例如匯編程序、鏈接器和 PROM 編程器。對(duì)于獨(dú)立操作，評(píng)估板還可以使用外部存儲(chǔ)器加載引導(dǎo)程序。

圖3.ADMC330運(yùn)動(dòng)控制調(diào)試器的示例輸出屏幕。

先進(jìn)的戰(zhàn)俘紅外列車?：為了開發(fā)真正的電機(jī)控制解決方案，DSP的計(jì)算能力必須與合適的電力電子轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，該轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生所需的電壓來驅(qū)動(dòng)電機(jī)以響應(yīng)控制命令（并且可以提供必要的電流）。先進(jìn)的PowIR列車板代表了現(xiàn)實(shí)世界電機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)系統(tǒng)的新起點(diǎn)。該板將ADI公司基于DSP的高性能電機(jī)控制器與適當(dāng)?shù)膰H整流器[www.irf.com] PowIR列車*集成電源模塊集成;它提供了所有必要的電路，允許為各種應(yīng)用開發(fā)電機(jī)控制算法。使用插入式可互換處理器模塊，用戶可以選擇適合應(yīng)用的控制級(jí)別。

借助ADMC330處理器模塊，該板可用于開發(fā)無刷直流電機(jī)的無傳感器控制算法，適用于壓縮機(jī)和洗衣機(jī)等應(yīng)用。此外，交流感應(yīng)電機(jī)的簡(jiǎn)單矢量控制策略可以針對(duì)泵或風(fēng)扇應(yīng)用進(jìn)行編程。如果需要更高的性能水平，可以改為安裝ADMC300處理器模塊，以實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電機(jī)的開環(huán)和閉環(huán)矢量控制，適用于通用變速驅(qū)動(dòng)器、造紙和紡織機(jī)械以及輸送機(jī)等應(yīng)用。借助ADMC300處理器模塊，AD先進(jìn)的PowIR系列適用于開發(fā)使用感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)或永磁同步電機(jī)的高性能伺服控制器。

先進(jìn)的PowIR列車板集成了以下功能：

來自國際整流器的集成電源模塊。先進(jìn)的 PowIR列車板包括一個(gè)能夠驅(qū)動(dòng) 1 馬力三相電機(jī)的電源模塊。該模塊集成了一個(gè)三相二極管橋，可用于整流 50/60 Hz 三相電源。電源模塊還包括一個(gè)基于IGBT的三相逆變器，可以直接連接到三相電機(jī)。

可互換的處理器模塊，以便為您的應(yīng)用使用適當(dāng)?shù)幕贒SP的電機(jī)控制器。

基于 Windows 的程序開發(fā)環(huán)境（運(yùn)動(dòng)控制調(diào)試器）的 UART 接口

所有必需的柵極驅(qū)動(dòng)電路。該板獲取處理器模塊產(chǎn)生的PWM信號(hào)，并將其直接饋送到國際整流器IR2132柵極驅(qū)動(dòng)電路，該電路為逆變器中的三個(gè)低邊和三高邊開關(guān)提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)信號(hào)。

保護(hù)電路。先進(jìn)的PowIR系列可在發(fā)生過壓、過流、過熱或接地故障的情況下自動(dòng)關(guān)閉功率級(jí)。傳遞到基于DSP的控制器的故障信號(hào)也可以用于合適的中斷服務(wù)例程。

傳感器電路。先進(jìn)的PowIR列車板包括所有必要的電壓和電流檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)各種控制結(jié)構(gòu)。

審核編輯：郭婷