適用于運動控制應(yīng)用的基于DSP的單芯片電機控制解決方案

簡介

消費者，家電，工業(yè)和汽車市場對電機控制的復(fù)雜解決方案的需求不斷增加。根據(jù)應(yīng)用的不同，有多種電機正在使用中;最常見的包括交流感應(yīng)電動機，永磁同步電動機，無刷直流電動機和開關(guān)磁阻電動機等較新的設(shè)計。實際上，許多以前由恒速主電源感應(yīng)電機主導(dǎo)的應(yīng)用現(xiàn)在需要變速控制的復(fù)雜性。在某些應(yīng)用中，例如壓縮機，風(fēng)扇和泵，這種對復(fù)雜性的需求是由立法和消費者對更高運行效率的需求所驅(qū)動的。在其他地方，過程控制，機器人和機床中的高性能應(yīng)用需要變速和提高精度，只有通過使用復(fù)雜的控制算法才能實現(xiàn)。

實時實施復(fù)雜控制算法的關(guān)鍵這些運動控制系統(tǒng)已經(jīng)成為功能強大的數(shù)字信號處理器（DSP）的出現(xiàn)。*即使在要求較低但成本敏感的應(yīng)用中，例如家用冰箱壓縮機驅(qū)動器，也可以利用DSP的功能來實現(xiàn)無傳感器控制算法，可降低系統(tǒng)成本并提高驅(qū)動器的整體穩(wěn)健性。在高性能伺服驅(qū)動器中，DSP的強大計算能力允許通過矢量控制，紋波轉(zhuǎn)矩降低，預(yù)測控制結(jié)構(gòu)以及對非理想系統(tǒng)行為的補償進行更精確的控制。

除了強大的DSP核心，所有電機控制系統(tǒng)都需要大量附加電路才能正常工作，包括以下功能：

電流或電壓反饋的模數(shù)轉(zhuǎn)換

用于生成逆變器切換命令的脈沖寬度調(diào)制（PWM）模塊

用于更高性能應(yīng)用的位置傳感器接口

用于主機通信的串行端口

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)核和所需內(nèi)存集成在一起。這里介紹兩種器件：ADMC330?，專為滿足中低性能動態(tài)要求而設(shè)計，以及ADMC300?，它擴展了單芯片功能，可控制高性能伺服驅(qū)動器。

ADMC330單芯片基于DSP的電機控制器（見圖1）：ADMC330集成了一個20 MIPS DSP內(nèi)核，2Kword程序存儲器RAM，2Kword程序存儲器ROM，1Kword數(shù)據(jù)存儲器RAM，2個串行端口和各種電機控制外圍設(shè)備在一個芯片上。 DSP內(nèi)核類似于16位定點ADSP-2171中使用的內(nèi)核。電機控制外設(shè)包括7個模擬輸入和一個基于比較器的ADC子系統(tǒng)，每個PWM周期允許4次轉(zhuǎn)換。此外，精密的3相12位PWM系統(tǒng)可以生成所有必要的逆變器開關(guān)信號，時間在100 ns以內(nèi)，并且處理器開銷最小?？梢栽谔幚砥髦姓{(diào)整這些PWM信號的死區(qū)時間，從而不需要外部邏輯。 PWM單元包括無刷直流電機或電子換向電機的特殊模式，其中三個電機相中只有兩個同時導(dǎo)通。此外，ADMC330還包括8條數(shù)字I / O線，一個看門狗定時器，一個通用的16位定時器和兩個輔助PWM輸出。

基于ADMC300單芯片DSP伺服電機控制器（圖2）：用于機器人和機床的高性能伺服驅(qū)動器需要高分辨率ADC和位置傳感器接口，以滿足苛刻的性能要求。 ADMC300針對這些應(yīng)用，在基于DSP的單芯片解決方案中滿足了這些需求。 ADMC300的額外功能適用于要求更高的應(yīng)用，包括增強的DSP內(nèi)核，可實現(xiàn)25 MIPS的性能。此外，程序存儲器RAM已翻倍至4K字。通過包括五個提供12位分辨率的獨立sigma-delta ADC，滿足了對多通道，高分辨率ADC的需求。通過提供三個外部多路復(fù)用器控制線，可以實現(xiàn)模擬信號擴展。此外，ADMC300通過編碼器接口實現(xiàn)位置檢測，可輕松連接增量編碼器。

開發(fā)工具：由于軟件是使用的關(guān)鍵對于數(shù)字設(shè)備而言，強大的處理能力需要同樣強大的開發(fā)系統(tǒng)，以便在實際應(yīng)用中使用這些復(fù)雜的電機控制器。兩款處理器都配備了全套硬件和軟件開發(fā)工具，可實現(xiàn)快速原型開發(fā)和實際系統(tǒng)評估。在ADMC300和ADMC330中，程序存儲器ROM模塊都預(yù)編程了監(jiān)視器/調(diào)試器功能，可以訪問處理器的內(nèi)部寄存器和存儲器。為了加快程序開發(fā)速度，ROM代碼還包含一個有用的數(shù)學(xué)和電機控制實用程序庫，可以從用戶代碼中調(diào)用。

每種類型都有一個單獨的代碼開發(fā)評估板。這些評估板包含與處理器的許多外圍功能的簡單接口，因此可以將電路板輕松集成到最終目標(biāo)開發(fā)系統(tǒng)中。每個評估板都包含一個UART接口，可用于將DSP控制器連接到基于Windows的運動控制調(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)視或修改程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器，DSP寄存器和外設(shè)寄存器的內(nèi)容。此外，可以從Windows菜單中選擇一系列調(diào)試工具，包括斷點，單步和連續(xù)運行操作。圖3中顯示的ADMC330調(diào)試器的示例屏幕說明了調(diào)試器的許多功能。還包括其他軟件工具，如匯編程序，鏈接程序和PROM程序員。對于獨立操作，評估板也可以使用外部存儲器來加載引導(dǎo)程序。

ADvanced Pow IR train ?：為了開發(fā)真正的電機控制解決方案，DSP的計算能力必須與合適的電源相結(jié)合 - 電子轉(zhuǎn)換器，其響應(yīng)于控制命令產(chǎn)生驅(qū)動電動機所需的電壓（并且可以提供必要的電流）。 ADvanced Pow IR 列車板代表了現(xiàn)實世界電機控制系統(tǒng)開發(fā)系統(tǒng)的新發(fā)展。該板將ADI公司基于DSP的高性能電機控制器與適當(dāng)?shù)膰H整流器[www.irf.com] Pow IR 列車*集成電源模塊集成在一起;它提供了所有必要的電路，可以為各種應(yīng)用開發(fā)電機控制算法。使用插入式可互換處理器模塊，用戶可以選擇適合應(yīng)用的控制級別。

使用ADMC330處理器模塊，該板可用于為應(yīng)用開發(fā)無刷直流電機的無傳感器控制算法如壓縮機和洗衣機。此外，可以為泵或風(fēng)扇應(yīng)用編程用于交流感應(yīng)電動機的簡單矢量控制策略。如果需要更高的性能水平，可以安裝ADMC300處理器模塊，以實現(xiàn)感應(yīng)電機的開環(huán)和閉環(huán)矢量控制，適用于通用變速驅(qū)動器，紙張和紡織機器以及輸送機等應(yīng)用。使用ADMC300處理器模塊，ADvanced Pow IR 系列適用于使用感應(yīng)電機，無刷直流電機或永磁同步電機開發(fā)高性能伺服控制器。

ADvanced Pow IR 列車板集成了以下功能：

International Rectifier的集成電源模塊。 ADvanced Pow IR 列車板包括一個能夠驅(qū)動1馬力三相電機的電源模塊。該模塊集成了一個三相二極管橋，可用于整流50/60 Hz三相電源。電源模塊還包括一個三相IGBT逆變器，可以直接連接到三相電機。

可互換處理器模塊，以便相應(yīng)的基于DSP的電機控制器可用于您的應(yīng)用程序。

UART接口到基于Windows的程序開發(fā)環(huán)境，運動控制調(diào)試器

所有必需的柵極驅(qū)動電路。電路板接收處理器模塊產(chǎn)生的PWM信號，并將它們直接饋送到國際整流器IR2132門驅(qū)動電路，該電路為逆變器中的三個低側(cè)和三側(cè)開關(guān)提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動信號。

保護電路。 ADvanced Pow IR 系列可在發(fā)生過壓，過流，過熱或接地故障時自動關(guān)閉功率級。傳遞給基于DSP的控制器的故障信號也可用于合適的中斷服務(wù)程序。

傳感器電路。 ADvanced Pow IR 列車板包括所有必要的電壓和電流檢測，以實現(xiàn)各種控制結(jié)構(gòu)。