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

消費電子、家電、工業(yè)和汽車市場對電機控制復(fù)雜解決方案的需求不斷增加。根據(jù)應(yīng)用的不同，使用多種電機類型;最常見的包括交流感應(yīng)電機、永磁同步電機、無刷直流電機和開關(guān)磁阻電機等較新的設(shè)計。事實上，許多以前由恒速、電源供電感應(yīng)電機主導(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、風扇和泵，立法和消費者對更高運行效率的需求推動了這種對復(fù)雜性的提高需求。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現(xiàn)。

為這些運動控制系統(tǒng)實時實施復(fù)雜控制算法的關(guān)鍵是功能強大的數(shù)字信號處理器 （DSP） 的出現(xiàn)。 即使在要求不高但對成本敏感的應(yīng)用中，例如家用冰箱壓縮機驅(qū)動器，也可以利用 DSP 的強大功能來實現(xiàn)無傳感器控制算法，從而降低系統(tǒng)成本并提高驅(qū)動器的整體魯棒性。在高性能伺服驅(qū)動器中，DSP 強大的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)和對非理想系統(tǒng)行為的補償實現(xiàn)更精確的控制。

除了強大的DSP內(nèi)核外，所有電機控制系統(tǒng)都需要大量附加電路才能正確運行，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)核和所需存儲器集成在一起。本文介紹兩種器件：ADMC330?，專為滿足中低性能動態(tài)要求而設(shè)計，ADMC300?擴展了單芯片功能以控制高性能伺服驅(qū)動器。

ADMC330 基于 DSP 的單芯片電機控制器（見圖 1）：ADMC330 在單個芯片上集成了 20 MIPS DSP 內(nèi)核、2K 字程序存儲器 RAM、2K 字程序存儲器 ROM、1K字數(shù)據(jù)存儲器 RAM、2 個串行端口和各種電機控制外設(shè)。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，先進的 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，定時在 100 ns 以內(nèi)。這些PWM信號的死區(qū)時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或電子換向電機的特殊模式，其中三個電機相位中只有兩個同時導(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16位定時器和兩個輔助PWM輸出。

圖1.ADMC330是基于DSP的單芯片電機控制器。

ADMC300 基于 DSP 的單芯片伺服電機控制器（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25 MIPS性能增強的DSP內(nèi)核。此外，程序內(nèi)存RAM已翻倍至4K字。通過包括五個獨立的Σ-Δ型ADC，提供12位分辨率，可以滿足對多通道、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，可以擴展模擬信號。此外，ADMC300還通過編碼器接口實現(xiàn)位置檢測，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。兩款處理器均配備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模塊通過監(jiān)控器/調(diào)試器功能進行預(yù)編程，允許訪問處理器的內(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，可以從用戶代碼調(diào)用這些實用程序。

每種類型都有單獨的代碼開發(fā)評估板。這些評估板包含與處理器許多外設(shè)功能的簡單接口，因此該板可以輕松集成到最終目標開發(fā)系統(tǒng)中。每個評估板包含一個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，還可以從 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。對于獨立操作，評估板還可以使用外部存儲器加載引導(dǎo)程序。

圖3.ADMC330運動控制調(diào)試器的示例輸出屏幕。

先進的戰(zhàn)俘紅外列車?：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)動電機以響應(yīng)控制命令（并且可以提供必要的電流）。先進的PowIR列車板代表了現(xiàn)實世界電機控制系統(tǒng)開發(fā)系統(tǒng)的新起點。該板將ADI公司基于DSP的高性能電機控制器與適當?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。

借助ADMC330處理器模塊，該板可用于開發(fā)無刷直流電機的無傳感器控制算法，適用于壓縮機和洗衣機等應(yīng)用。此外，交流感應(yīng)電機的簡單矢量控制策略可以針對泵或風扇應(yīng)用進行編程。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、造紙和紡織機械以及輸送機等應(yīng)用。借助ADMC300處理器模塊，AD先進的PowIR系列適用于開發(fā)使用感應(yīng)電機、無刷直流電機或永磁同步電機的高性能伺服控制器。

先進的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。先進的 PowIR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基于IGBT的三相逆變器，可以直接連接到三相電機。

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

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

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

保護電路。先進的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關(guān)閉功率級。傳遞到基于DSP的控制器的故障信號也可以用于合適的中斷服務(wù)例程。

傳感器電路。先進的PowIR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)。

審核編輯：郭婷