基于Blackfin BF50x處理器的電機(jī)控制

摘要： 介紹了ADI公司Blackfin BF50x處理器的主要特點(diǎn)， 給出了基于Blackfin BF50x處理器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案， 同時(shí)給出了選用ADP5020芯片來(lái)為基于Blackfin BF50x處理器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)提供電源的具體電路。

0 引言

隨著社會(huì)對(duì)環(huán)保理念的深入關(guān)切， 低能耗的電機(jī)控制產(chǎn)品設(shè)計(jì)面臨著越來(lái)越苛刻的需求。同時(shí)， 電機(jī)控制系統(tǒng)方案也面臨越來(lái)越高的要求，這一方面是用于無(wú)傳感器矢量控制的復(fù)雜算法和高級(jí)建模需要出色的處理能力的需要； 另一方面， 電機(jī)控制也需要具有性能、效率、易用性以及成本方面的綜合優(yōu)勢(shì)。

高性能電機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)通常包括核心伺服功能、運(yùn)動(dòng)描述和主機(jī)通信功能。在過(guò)去諸多的MCU或電機(jī)控制專用芯片解決方案中， 由于這些處理器的處理能力有限， 在電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)， 往往必須對(duì)控制算法進(jìn)行一定的折中， 以釋放出足夠的性能余量來(lái)實(shí)現(xiàn)其他功能， 或者采用雙處理器方案。然而， 隨著DSP器件價(jià)格的快速下調(diào)， MCU與DSP的成本差異大大縮小， 同時(shí)，DSP解決方案在減少器件數(shù)量和電路尺寸、降低整體成本以及提高系統(tǒng)性能等方面， 也具有更多的優(yōu)勢(shì)。

目前， 電機(jī)控制所用IC可以分為電機(jī)控制專用芯片、針對(duì)電機(jī)控制應(yīng)用的MCU和DSP等三大類。而隨著全球市場(chǎng)對(duì)節(jié)能和產(chǎn)品性能需求的提高， 以及價(jià)格的持續(xù)走低， DSP的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其在電機(jī)控制市場(chǎng)獲得了越來(lái)越廣泛的認(rèn)可， 并由高端工業(yè)電機(jī)控制領(lǐng)域向更廣泛的電機(jī)控制市場(chǎng)擴(kuò)張。

本文介紹的嵌入式DSP電機(jī)控制芯片BlackfinBF50x就是把DSP內(nèi)核與一系列功能強(qiáng)大的控制外設(shè)集成到一個(gè)芯片上的一種新型處理器， 因此， 它能以高速DSP內(nèi)核作為計(jì)算引擎， 同時(shí)加上內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)提高電機(jī)的控制帶寬， 并允許低成本地實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的控制和無(wú)傳感器算法， 也可以控制交流感應(yīng)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。這些計(jì)算能力和優(yōu)化的外設(shè)可以通過(guò)該DSP處理器輕松地完成更多的功能(如功率因數(shù)校正等)。同時(shí)， 也可以在不增加控制器成本的情況下， 滿足某些特殊應(yīng)用要求(如洗衣機(jī)的平衡控制)。此外， 嵌入式DSP電機(jī)控制芯片的高運(yùn)算能力還可讓工程師采用計(jì)算強(qiáng)度更高的算法， 從而采用更高效的電機(jī)來(lái)更進(jìn)一步提高效率與動(dòng)態(tài)性能。

1 BF50x處理器的主要特點(diǎn)

Blackfin BF50x是ADI公司為適應(yīng)當(dāng)前電機(jī)控制市場(chǎng)對(duì)處理器的特性和性能要求而推出的一種嵌入式DSP芯片， 該芯片提供有多種特性組合的優(yōu)化解決方案， 可進(jìn)一步強(qiáng)化DSP在電機(jī)控制設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。BF50x控制芯片繼續(xù)秉承了Blackfin處理器獨(dú)有的先進(jìn)信號(hào)處理功能與通用微控制器的易用性， 它以主頻150～200 MHz的處理器價(jià)格來(lái)提供400 MHz的處理性能， 故可實(shí)現(xiàn)突破性的性能和功效。此外， BF50x也可以很好地滿足電機(jī)控制設(shè)計(jì)中的信號(hào)處理和控制雙重功能需求，因而可以消除很多應(yīng)用中必須采用兩種異構(gòu)處理器的煩惱， 以簡(jiǎn)化軟件和硬件設(shè)計(jì)。利用BF50x 處理器的高處理能力， 并通過(guò)利用復(fù)雜的算法，來(lái)實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的系統(tǒng)功能和精度， 其中包括更多的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、縮短延時(shí)， 并可實(shí)現(xiàn)更高的設(shè)計(jì)靈活性以及系統(tǒng)界面和控制功能的優(yōu)化。

借助Blackfin BF50x處理器的出色性能可以執(zhí)行更加復(fù)雜的電機(jī)控制算法， 以確保根據(jù)系統(tǒng)行為的實(shí)時(shí)變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制， 從而獲得更加平穩(wěn)的工作性能并降低功耗。也可以運(yùn)用無(wú)傳感器矢量控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的電機(jī)控制效率， 而利用高級(jí)建模技術(shù)則可精確判定轉(zhuǎn)軸位置和/或轉(zhuǎn)速， 因而無(wú)需使用位置/速度傳感器， 且其系統(tǒng)尺寸更小， 成本更低， 可靠性則更高。BlackfinBF50x內(nèi)部集成的12 位ADC 可以提供電機(jī)狀態(tài)精確建模所需的精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換， 因而能夠精確估計(jì)電機(jī)的相應(yīng)位置/轉(zhuǎn)速。Blackfin BF50x 芯片的主要特性如下：

◇ 可以進(jìn)行400 MHz 的高頻低功耗處理；

◇ 內(nèi)部帶有4 MB 閃存， 可用于指令和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；

◇ 帶有雙通道SAR 型12 通道12 位ADC， 最高速率可達(dá)2 MSPS；

◇ 內(nèi)含2 個(gè)帶流量控制的UART， 以及2 個(gè)SPORT 、2 個(gè)SPI 和1 個(gè)兼容I2C接口的TWI；

◇ 具有8 個(gè)32 位通用定時(shí)器和1 個(gè)CAN總線控制接口， 另外有6對(duì)PWM單元(另有8個(gè)定時(shí)器PWM) 以及35 個(gè)GPIO (可與接口復(fù)用)；

◇ 器件中的2 個(gè)32 位升/降計(jì)數(shù)器可支持旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)；

◇ 具有移動(dòng)式存儲(chǔ)器接口和1 個(gè)PPI (最高16 位)。

Blackfin采用12×12 mm的88引腳LFCSP封裝(單裸露焊盤) 和14×14 mm的120引腳LQFP封裝(雙裸露焊盤)， 器件的工作溫度為-40℃至+85℃。

2 基于BF50x的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制

2.1 處理器電源電路

設(shè)計(jì)時(shí)， 應(yīng)當(dāng)為BF50X處理器提供幾種不同的電源電壓， 以分別為BF50X處理器核、各種接口以及整個(gè)芯片提供動(dòng)力。本設(shè)計(jì)選用ADP5020來(lái)組成基于BF50X處理器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的電源電路。該芯片可輸出1.5 V、2.5 V和3.3 V電壓。圖1所示是用于BF50X處理器系統(tǒng)的電源電路。

Blackfin BF50x處理器系統(tǒng)的電源電路

圖1 Blackfin BF50x處理器系統(tǒng)的電源電路

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方案

通過(guò)Blackfin BF50x處理器能在電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中執(zhí)行更復(fù)雜的算法， 從而確保對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制， 以適應(yīng)系統(tǒng)行為的實(shí)時(shí)變化， 并最終獲得更平穩(wěn)的性能和較低的功耗。通過(guò)采用無(wú)傳感的矢量控制可以實(shí)現(xiàn)更高的電機(jī)控制效率，而利用先進(jìn)建模技術(shù)則可準(zhǔn)確地確定電機(jī)位置和/或者速度， 以省略掉位置/速度傳感器， 進(jìn)一步降低成本并提高系統(tǒng)可靠性。

由于BF50x已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化的電機(jī)控制應(yīng)用外設(shè)的集成， 因此， 用戶可以在該系列產(chǎn)品中為其電機(jī)控制應(yīng)用選擇內(nèi)置雙SAR 型12 位ADC(BF506F) 來(lái)實(shí)現(xiàn)更精確的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換， 從而提供對(duì)電機(jī)狀態(tài)準(zhǔn)確建模所需要的精度， 同時(shí)也可以更準(zhǔn)確地估計(jì)電機(jī)的位置/速度； 由于BF50x的片上4MB并行閃存存儲(chǔ)器可以用于程序存儲(chǔ)， 故可省掉片外存儲(chǔ)器， 從而降低系統(tǒng)成本， 提高可靠性； 而存儲(chǔ)接口的標(biāo)準(zhǔn)特性以及片內(nèi)CAN控制器則可提供電機(jī)控制應(yīng)用中的通信接口和存儲(chǔ)支持。圖2所示是基于BF50x處理器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件解決方案的信號(hào)連接圖。

基于BF50x處理器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件方案

 圖2 基于BF50x處理器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件方案

3 軟件設(shè)計(jì)

在電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中， 先進(jìn)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)于快速而方便地完成軟件編程和調(diào)試是十分重要的。為此， ADI 公司在推出BF50x的同時(shí)， 也針對(duì)BF50x系列器件新推出了低成本的EZ-KIT Lite*估套件， 包括ADI VisualD-SP++集成開(kāi)發(fā)和調(diào)試環(huán)境(IDDE)。事實(shí)上， 為表1 算術(shù)庫(kù)函數(shù)列表了方便基于BF50x實(shí)現(xiàn)的電機(jī)控制應(yīng)用， ADI早在2008年 8月就開(kāi)始與上海交通大學(xué)合作推出了基于BF548處理器實(shí)現(xiàn)BF50x在電機(jī)控制應(yīng)用上的軟硬件仿真設(shè)計(jì)， 并已成功完成了針對(duì)基于BF50x的三相感應(yīng)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)控制應(yīng)用的硬件平臺(tái)和軟件完整解決方案， 也可以向用戶提供軟硬件設(shè)計(jì)文檔、算法模塊及庫(kù)資源。表1所列為該資源庫(kù)的函數(shù)列表。

表1 算術(shù)庫(kù)函數(shù)列表

算術(shù)庫(kù)函數(shù)列表

該方案所提供的軟件模塊包括通用ADC驅(qū)動(dòng)程序、霍爾效應(yīng)接口驅(qū)動(dòng)程序(針對(duì)采用傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)控制應(yīng)用)、PWM驅(qū)動(dòng)程序等在內(nèi)的全部驅(qū)動(dòng)程序以及各種算法模塊。許多硬件參考設(shè)計(jì)都可直接使用該方案的完整軟件模塊，因而可極大地加快電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程， 并大大地降低設(shè)計(jì)難度和成本。

目前， ADI在中國(guó)全面上市的最新款超低價(jià)高性能仿真器ADZS-ICE-100B就是為使用Blackfin的客戶而定制的。該ADZS-ICE-100B仿真器除了價(jià)格十分低廉以外， 其諸多的創(chuàng)新功能也為JTAG仿真器帶來(lái)了性能更高、使用更加便捷的全新體念。

4 結(jié)束語(yǔ)

在為電機(jī)控制系統(tǒng)選擇DSP平臺(tái)時(shí)， 除了性能和特性外， 選擇具有市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)以及可長(zhǎng)期穩(wěn)定供貨的產(chǎn)品， 對(duì)于OEM持續(xù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和今后的升級(jí)非常重要， 因?yàn)檫@涉及到研發(fā)成果(包括軟件及硬件) 的可重用性。本設(shè)計(jì)選用ADI的Blackfin處理器來(lái)進(jìn)行電機(jī)控制設(shè)計(jì)， 這種方法具有成本低， 開(kāi)發(fā)時(shí)間短， 控制精確， 仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)和軟件可選且性能優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)， 因而是電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想方案。