基于DSP的马达控制系统
时间：2006-11-20 10:37:00
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[导读]先进的马达控制系统可实现马达与硅芯片技术以及软件的高度集成，以便在提升性能的同时显著节约成本。
先进的马达控制系统可实现马达与硅芯片技术以及软件的高度集成，以便在提升性能的同时显著节约成本。先进控制器采用的高级技术可提高性能与马达驱动的工作特性。基于数字信号处理器 (DSP) 的新型可编程数字控制器为马达控制系统工程师提供了必要的工具，能够满足当前不断提高的运动控制系统要求。设计人员可充分发挥 DSP 自身的创新功能，包括可编程性、强大的计算功能以及实时控制功能等。
电动马达——应用驱动器
电动马达的年产量高达数千万，广泛用于诸如电气设备、汽车、办公、仪表以及厂房等各种领域。越来越多的马达开始采用控制技术，以能够针对目标应用实现最佳性能，并尽可能降低功耗。此外，广大消费者与相关政府法规也都要求马达运行比以前更安静、更安全。变速驱动控制 (VSD) 与位置控制这两大类型的运动控制系统都在向更先进的数控方向发展，以便进一步提升性能。
图一
电子控制策略方面的提高
控制电动马达即意味着控制电源输入，即电压或电流，此外还要控制以扭矩形式输出的机械力与运行速度。如果将时间响应与应用机械负载的变化纳入考虑范围，上述四大性能参数还会实现更重要的特性。例如，基于传统微控制器 (MCU) 的驱动技术针对三相机械可实现简单的输入电压梯形控制，尽管该控制相当直接方便，但效率与性能却不高。正弦电流控制能够提高马达的整体扭矩与功率驱动性能，但其在马达速度较高与瞬态负载状态下却有一定的性能局限性。
不过，DSP 的出现为马达控制设计人员提供了实施最佳控制策略的机遇。举例来说，磁场定向控制（FOC，有时也称作矢量控制）的工作模式是调节定子电流，使定子磁通量与转子磁通量之间的相位角保持在 90 电角度左右。FOC 并不是独立控制马达定子的 3 相，而是采用克拉克 (Clark) 与派克 (Park) 变换将各相映射于统一的转子参考矢量。该技术使控制系统能够根据动态应用负载的变化实现最大扭矩。该算法要求了解转子位置，以执行旋转变换。我们可用位置传感器来测量转子位置，也可采用无传感器的转子位置估计算法来模拟转子位置。有关应用要求将决定选择何种技术。
FOC 的其他因素还包括速度估算、控制马达电流与扭矩以及估测转子位置等。这些 FOC 技术能够实现最高的电源效率以及最低的 EMI 噪声。不过，采用这种 FOC 算法要求进行高强度计算，因而需要 DSP 这种功能强大的数字计算处理器。
变速驱动
VSD 通常采用无传感器矢量磁场定向控制，不仅省去了感应器的成本，而且还消除了它们在可靠性方面的负面影响。无传感器算法是实现低成本闭环速度控制的重要组成部分。无传感器控制采用马达的反 EMF 信号来生成转子位置信息，以取代基于较昂贵的传感器的控制法。
目前，电子设备与汽车产业越来越多地采用的 DSP，但这两种行业均奉行以更低成本实现更高性能的理念。近期推出的 DSP 控制器能帮助设计人员满足严格的性能要求与成本目标。以采用德州仪器 (TI) TMS320C24x™ 数字信号控制器的洗衣机控制器为例，洗衣机的主驱动马达与辅助泵马达以及螺线管均由同一个 DSP 控制器控制。变速 FOC 驱动既实现了高效率，又能够严密控制电流与扭矩，从而满足性能要求，同时还能增加功率因数校正功能，并降低功率调节与前端过滤成本，从而可以充分满足严格的规定。
工业伺服系统
伺服定位系统用于机器人、包装机、元件摘嵌机 (pick and place machine) 以及其他精密机械中。这些应用都要求传感器提供精确的高分辨率反馈。伺服应用还应实现讯速加速／减速以及精确定位、速度描述等功能。采用 FOC，就能实现线性扭矩调节、降低扭矩纹波、减少速度抖动以及机械共振。就这种类型的应用来说，通常采用 32 位或更高分辨率实施控制算法。TI TMS320C28x™ 等处理器能够使多种伺服系统实现 32 位分辨率，既适应对价格敏感型驱动设备，又适合高速度的高性能超高精度系统，因而能高效实施 32 位算法。在 16 位机械上采用 32 位算法效率很低，通常会降低 4 到 10 个分值。
系统集成
基于专用马达控制 DSP 的先进控制器（如 TI 的 32 位 150-MIPS TMS320F2812 数字信号控制器）设计时在芯片上集成了关键的马达控制外设，如片上闪存、模数转换器 (ADC)、脉宽调制 (PWM) 输出和 CAN 总线控制器等。上述外设在设计时还加入了马达控制方面的特性，如双通道采样和 ADC 保持等，从而能够使系统设计人员尽可能减少外部组件数。
软件工具
控制软件的设计与实施是马达驱动设计工作中的关键部分。软件技术和硅芯片架构发展到一定的水平后，大多数设计已无需用汇编语言进行编程（这项工作通常需要花费大量时间）。极其有效的 C 编译程序使开发人员能够创建压缩的目标代码，并可让软件工具来完成优化工作，这样他们就能集中精力进行创新工作，而不用在软件设计上花费大量的时间。
为进一步加速软件设计工作，马达控制设计人员现在可访问马达专用的软件配套产品库。该软件库可从因特网上免费下载，适用于多种电动马达，并能同时满足传感器控制系统和无传感器控制系统的需求。在为实施特定系统功能而进行的软件开发过程中，先进的集成开发环境 (IDE) 有助于我们快速而便捷地完成软件编程。实时调试等先进功能使马达控制 DSP 能全速运行，同时调试环境还能通过 JTAG 端口收集数据，从而增强了目标处理器的可视性。
马达控制中的 MCU 与 DSP
图 1 显示了伺服系统的硬件分区功能结构图。高性能伺服系统通常将各种功能分由两个微控制器 (MCU) 来完成：一是核心伺服功能（涉及电流、速度和位置环路），二是负责运动描述和主机通信的 MCU。如果采用单处理器的实施方案，那就需要对控制算法进行一定的折中，以释放出足够的 MCU 带宽来实现所有功能。如果我们采用数字计算功能强大的单个控制器，可将这两种功能轻松集成（如图2），从而减小解决方案的尺寸、成本以及复杂度。系统性能的改善体现为转矩纹波的减少、系统响应的加快、带宽的提高以及 EMI 的降低等。MCU 与 DSP（售价在 2 至 15 美元之间）之间的成本差异不大，这比起减少组件数量、降低马达解决方案和驱动组件的尺寸、改善 EMI 滤波器以及提高系统性能等方面的好处来说是微不足道的。显然，DSP 的集成功能为所有马达控制设计人员带来了福音。
图二
电动马达——应用驱动器
电动马达的年产量高达数千万，广泛用于诸如电气设备、汽车、办公、仪表以及厂房等各种领域。越来越多的马达开始采用控制技术，以能够针对目标应用实现最佳性能，并尽可能降低功耗。此外，广大消费者与相关政府法规也都要求马达运行比以前更安静、更安全。变速驱动控制 (VSD) 与位置控制这两大类型的运动控制系统都在向更先进的数控方向发展，以便进一步提升性能。
图一
电子控制策略方面的提高
控制电动马达即意味着控制电源输入，即电压或电流，此外还要控制以扭矩形式输出的机械力与运行速度。如果将时间响应与应用机械负载的变化纳入考虑范围，上述四大性能参数还会实现更重要的特性。例如，基于传统微控制器 (MCU) 的驱动技术针对三相机械可实现简单的输入电压梯形控制，尽管该控制相当直接方便，但效率与性能却不高。正弦电流控制能够提高马达的整体扭矩与功率驱动性能，但其在马达速度较高与瞬态负载状态下却有一定的性能局限性。
不过，DSP 的出现为马达控制设计人员提供了实施最佳控制策略的机遇。举例来说，磁场定向控制（FOC，有时也称作矢量控制）的工作模式是调节定子电流，使定子磁通量与转子磁通量之间的相位角保持在 90 电角度左右。FOC 并不是独立控制马达定子的 3 相，而是采用克拉克 (Clark) 与派克 (Park) 变换将各相映射于统一的转子参考矢量。该技术使控制系统能够根据动态应用负载的变化实现最大扭矩。该算法要求了解转子位置，以执行旋转变换。我们可用位置传感器来测量转子位置，也可采用无传感器的转子位置估计算法来模拟转子位置。有关应用要求将决定选择何种技术。
FOC 的其他因素还包括速度估算、控制马达电流与扭矩以及估测转子位置等。这些 FOC 技术能够实现最高的电源效率以及最低的 EMI 噪声。不过，采用这种 FOC 算法要求进行高强度计算，因而需要 DSP 这种功能强大的数字计算处理器。
变速驱动
VSD 通常采用无传感器矢量磁场定向控制，不仅省去了感应器的成本，而且还消除了它们在可靠性方面的负面影响。无传感器算法是实现低成本闭环速度控制的重要组成部分。无传感器控制采用马达的反 EMF 信号来生成转子位置信息，以取代基于较昂贵的传感器的控制法。
目前，电子设备与汽车产业越来越多地采用的 DSP，但这两种行业均奉行以更低成本实现更高性能的理念。近期推出的 DSP 控制器能帮助设计人员满足严格的性能要求与成本目标。以采用德州仪器 (TI) TMS320C24x™ 数字信号控制器的洗衣机控制器为例，洗衣机的主驱动马达与辅助泵马达以及螺线管均由同一个 DSP 控制器控制。变速 FOC 驱动既实现了高效率，又能够严密控制电流与扭矩，从而满足性能要求，同时还能增加功率因数校正功能，并降低功率调节与前端过滤成本，从而可以充分满足严格的规定。
工业伺服系统
伺服定位系统用于机器人、包装机、元件摘嵌机 (pick and place machine) 以及其他精密机械中。这些应用都要求传感器提供精确的高分辨率反馈。伺服应用还应实现讯速加速／减速以及精确定位、速度描述等功能。采用 FOC，就能实现线性扭矩调节、降低扭矩纹波、减少速度抖动以及机械共振。就这种类型的应用来说，通常采用 32 位或更高分辨率实施控制算法。TI TMS320C28x™ 等处理器能够使多种伺服系统实现 32 位分辨率，既适应对价格敏感型驱动设备，又适合高速度的高性能超高精度系统，因而能高效实施 32 位算法。在 16 位机械上采用 32 位算法效率很低，通常会降低 4 到 10 个分值。
系统集成
基于专用马达控制 DSP 的先进控制器（如 TI 的 32 位 150-MIPS TMS320F2812 数字信号控制器）设计时在芯片上集成了关键的马达控制外设，如片上闪存、模数转换器 (ADC)、脉宽调制 (PWM) 输出和 CAN 总线控制器等。上述外设在设计时还加入了马达控制方面的特性，如双通道采样和 ADC 保持等，从而能够使系统设计人员尽可能减少外部组件数。
软件工具
控制软件的设计与实施是马达驱动设计工作中的关键部分。软件技术和硅芯片架构发展到一定的水平后，大多数设计已无需用汇编语言进行编程（这项工作通常需要花费大量时间）。极其有效的 C 编译程序使开发人员能够创建压缩的目标代码，并可让软件工具来完成优化工作，这样他们就能集中精力进行创新工作，而不用在软件设计上花费大量的时间。
为进一步加速软件设计工作，马达控制设计人员现在可访问马达专用的软件配套产品库。该软件库可从因特网上免费下载，适用于多种电动马达，并能同时满足传感器控制系统和无传感器控制系统的需求。在为实施特定系统功能而进行的软件开发过程中，先进的集成开发环境 (IDE) 有助于我们快速而便捷地完成软件编程。实时调试等先进功能使马达控制 DSP 能全速运行，同时调试环境还能通过 JTAG 端口收集数据，从而增强了目标处理器的可视性。
马达控制中的 MCU 与 DSP
图 1 显示了伺服系统的硬件分区功能结构图。高性能伺服系统通常将各种功能分由两个微控制器 (MCU) 来完成：一是核心伺服功能（涉及电流、速度和位置环路），二是负责运动描述和主机通信的 MCU。如果采用单处理器的实施方案，那就需要对控制算法进行一定的折中，以释放出足够的 MCU 带宽来实现所有功能。如果我们采用数字计算功能强大的单个控制器，可将这两种功能轻松集成（如图2），从而减小解决方案的尺寸、成本以及复杂度。系统性能的改善体现为转矩纹波的减少、系统响应的加快、带宽的提高以及 EMI 的降低等。MCU 与 DSP（售价在 2 至 15 美元之间）之间的成本差异不大，这比起减少组件数量、降低马达解决方案和驱动组件的尺寸、改善 EMI 滤波器以及提高系统性能等方面的好处来说是微不足道的。显然，DSP 的集成功能为所有马达控制设计人员带来了福音。
图二
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