基于DSP的馬達(dá)控制系統(tǒng)
[導(dǎo)讀]先進(jìn)的馬達(dá)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)馬達(dá)與硅芯片技術(shù)以及軟件的高度集成，以便在提升性能的同時顯著節(jié)約成本。
先進(jìn)的馬達(dá)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)馬達(dá)與硅芯片技術(shù)以及軟件的高度集成，以便在提升性能的同時顯著節(jié)約成本。先進(jìn)控制器采用的高級技術(shù)可提高性能與馬達(dá)驅(qū)動的工作特性?；跀?shù)字信號處理器 (DSP) 的新型可編程數(shù)字控制器為馬達(dá)控制系統(tǒng)工程師提供了必要的工具，能夠滿足當(dāng)前不斷提高的運(yùn)動控制系統(tǒng)要求。設(shè)計(jì)人員可充分發(fā)揮 DSP 自身的創(chuàng)新功能，包括可編程性、強(qiáng)大的計(jì)算功能以及實(shí)時控制功能等。
電動馬達(dá)——應(yīng)用驅(qū)動器
電動馬達(dá)的年產(chǎn)量高達(dá)數(shù)千萬，廣泛用于諸如電氣設(shè)備、汽車、辦公、儀表以及廠房等各種領(lǐng)域。越來越多的馬達(dá)開始采用控制技術(shù)，以能夠針對目標(biāo)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)最佳性能，并盡可能降低功耗。此外，廣大消費(fèi)者與相關(guān)政府法規(guī)也都要求馬達(dá)運(yùn)行比以前更安靜、更安全。變速驅(qū)動控制 (VSD) 與位置控制這兩大類型的運(yùn)動控制系統(tǒng)都在向更先進(jìn)的數(shù)控方向發(fā)展，以便進(jìn)一步提升性能。
圖一
電子控制策略方面的提高
控制電動馬達(dá)即意味著控制電源輸入，即電壓或電流，此外還要控制以扭矩形式輸出的機(jī)械力與運(yùn)行速度。如果將時間響應(yīng)與應(yīng)用機(jī)械負(fù)載的變化納入考慮范圍，上述四大性能參數(shù)還會實(shí)現(xiàn)更重要的特性。例如，基于傳統(tǒng)微控制器 (MCU) 的驅(qū)動技術(shù)針對三相機(jī)械可實(shí)現(xiàn)簡單的輸入電壓梯形控制，盡管該控制相當(dāng)直接方便，但效率與性能卻不高。正弦電流控制能夠提高馬達(dá)的整體扭矩與功率驅(qū)動性能，但其在馬達(dá)速度較高與瞬態(tài)負(fù)載狀態(tài)下卻有一定的性能局限性。
不過，DSP 的出現(xiàn)為馬達(dá)控制設(shè)計(jì)人員提供了實(shí)施最佳控制策略的機(jī)遇。舉例來說，磁場定向控制（FOC，有時也稱作矢量控制）的工作模式是調(diào)節(jié)定子電流，使定子磁通量與轉(zhuǎn)子磁通量之間的相位角保持在 90 電角度左右。FOC 并不是獨(dú)立控制馬達(dá)定子的 3 相，而是采用克拉克 (Clark) 與派克 (Park) 變換將各相映射于統(tǒng)一的轉(zhuǎn)子參考矢量。該技術(shù)使控制系統(tǒng)能夠根據(jù)動態(tài)應(yīng)用負(fù)載的變化實(shí)現(xiàn)最大扭矩。該算法要求了解轉(zhuǎn)子位置，以執(zhí)行旋轉(zhuǎn)變換。我們可用位置傳感器來測量轉(zhuǎn)子位置，也可采用無傳感器的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)算法來模擬轉(zhuǎn)子位置。有關(guān)應(yīng)用要求將決定選擇何種技術(shù)。
FOC 的其他因素還包括速度估算、控制馬達(dá)電流與扭矩以及估測轉(zhuǎn)子位置等。這些 FOC 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)最高的電源效率以及最低的 EMI 噪聲。不過，采用這種 FOC 算法要求進(jìn)行高強(qiáng)度計(jì)算，因而需要 DSP 這種功能強(qiáng)大的數(shù)字計(jì)算處理器。
變速驅(qū)動
VSD 通常采用無傳感器矢量磁場定向控制，不僅省去了感應(yīng)器的成本，而且還消除了它們在可靠性方面的負(fù)面影響。無傳感器算法是實(shí)現(xiàn)低成本閉環(huán)速度控制的重要組成部分。無傳感器控制采用馬達(dá)的反 EMF 信號來生成轉(zhuǎn)子位置信息，以取代基于較昂貴的傳感器的控制法。
目前，電子設(shè)備與汽車產(chǎn)業(yè)越來越多地采用的 DSP，但這兩種行業(yè)均奉行以更低成本實(shí)現(xiàn)更高性能的理念。近期推出的 DSP 控制器能幫助設(shè)計(jì)人員滿足嚴(yán)格的性能要求與成本目標(biāo)。以采用德州儀器 (TI) TMS320C24x™ 數(shù)字信號控制器的洗衣機(jī)控制器為例，洗衣機(jī)的主驅(qū)動馬達(dá)與輔助泵馬達(dá)以及螺線管均由同一個 DSP 控制器控制。變速 FOC 驅(qū)動既實(shí)現(xiàn)了高效率，又能夠嚴(yán)密控制電流與扭矩，從而滿足性能要求，同時還能增加功率因數(shù)校正功能，并降低功率調(diào)節(jié)與前端過濾成本，從而可以充分滿足嚴(yán)格的規(guī)定。
工業(yè)伺服系統(tǒng)
伺服定位系統(tǒng)用于機(jī)器人、包裝機(jī)、元件摘嵌機(jī) (pick and place machine) 以及其他精密機(jī)械中。這些應(yīng)用都要求傳感器提供精確的高分辨率反饋。伺服應(yīng)用還應(yīng)實(shí)現(xiàn)訊速加速／減速以及精確定位、速度描述等功能。采用 FOC，就能實(shí)現(xiàn)線性扭矩調(diào)節(jié)、降低扭矩紋波、減少速度抖動以及機(jī)械共振。就這種類型的應(yīng)用來說，通常采用 32 位或更高分辨率實(shí)施控制算法。TI TMS320C28x™ 等處理器能夠使多種伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 32 位分辨率，既適應(yīng)對價(jià)格敏感型驅(qū)動設(shè)備，又適合高速度的高性能超高精度系統(tǒng)，因而能高效實(shí)施 32 位算法。在 16 位機(jī)械上采用 32 位算法效率很低，通常會降低 4 到 10 個分值。
系統(tǒng)集成
基于專用馬達(dá)控制 DSP 的先進(jìn)控制器（如 TI 的 32 位 150-MIPS TMS320F2812 數(shù)字信號控制器）設(shè)計(jì)時在芯片上集成了關(guān)鍵的馬達(dá)控制外設(shè)，如片上閃存、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、脈寬調(diào)制 (PWM) 輸出和 CAN 總線控制器等。上述外設(shè)在設(shè)計(jì)時還加入了馬達(dá)控制方面的特性，如雙通道采樣和 ADC 保持等，從而能夠使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員盡可能減少外部組件數(shù)。
軟件工具
控制軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)施是馬達(dá)驅(qū)動設(shè)計(jì)工作中的關(guān)鍵部分。軟件技術(shù)和硅芯片架構(gòu)發(fā)展到一定的水平后，大多數(shù)設(shè)計(jì)已無需用匯編語言進(jìn)行編程（這項(xiàng)工作通常需要花費(fèi)大量時間）。極其有效的 C 編譯程序使開發(fā)人員能夠創(chuàng)建壓縮的目標(biāo)代碼，并可讓軟件工具來完成優(yōu)化工作，這樣他們就能集中精力進(jìn)行創(chuàng)新工作，而不用在軟件設(shè)計(jì)上花費(fèi)大量的時間。
為進(jìn)一步加速軟件設(shè)計(jì)工作，馬達(dá)控制設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可訪問馬達(dá)專用的軟件配套產(chǎn)品庫。該軟件庫可從因特網(wǎng)上免費(fèi)下載，適用于多種電動馬達(dá)，并能同時滿足傳感器控制系統(tǒng)和無傳感器控制系統(tǒng)的需求。在為實(shí)施特定系統(tǒng)功能而進(jìn)行的軟件開發(fā)過程中，先進(jìn)的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 有助于我們快速而便捷地完成軟件編程。實(shí)時調(diào)試等先進(jìn)功能使馬達(dá)控制 DSP 能全速運(yùn)行，同時調(diào)試環(huán)境還能通過 JTAG 端口收集數(shù)據(jù)，從而增強(qiáng)了目標(biāo)處理器的可視性。
馬達(dá)控制中的 MCU 與 DSP
圖 1 顯示了伺服系統(tǒng)的硬件分區(qū)功能結(jié)構(gòu)圖。高性能伺服系統(tǒng)通常將各種功能分由兩個微控制器 (MCU) 來完成：一是核心伺服功能（涉及電流、速度和位置環(huán)路），二是負(fù)責(zé)運(yùn)動描述和主機(jī)通信的 MCU。如果采用單處理器的實(shí)施方案，那就需要對控制算法進(jìn)行一定的折中，以釋放出足夠的 MCU 帶寬來實(shí)現(xiàn)所有功能。如果我們采用數(shù)字計(jì)算功能強(qiáng)大的單個控制器，可將這兩種功能輕松集成（如圖2），從而減小解決方案的尺寸、成本以及復(fù)雜度。系統(tǒng)性能的改善體現(xiàn)為轉(zhuǎn)矩紋波的減少、系統(tǒng)響應(yīng)的加快、帶寬的提高以及 EMI 的降低等。MCU 與 DSP（售價(jià)在 2 至 15 美元之間）之間的成本差異不大，這比起減少組件數(shù)量、降低馬達(dá)解決方案和驅(qū)動組件的尺寸、改善 EMI 濾波器以及提高系統(tǒng)性能等方面的好處來說是微不足道的。顯然，DSP 的集成功能為所有馬達(dá)控制設(shè)計(jì)人員帶來了福音。
圖二
電動馬達(dá)——應(yīng)用驅(qū)動器
電動馬達(dá)的年產(chǎn)量高達(dá)數(shù)千萬，廣泛用于諸如電氣設(shè)備、汽車、辦公、儀表以及廠房等各種領(lǐng)域。越來越多的馬達(dá)開始采用控制技術(shù)，以能夠針對目標(biāo)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)最佳性能，并盡可能降低功耗。此外，廣大消費(fèi)者與相關(guān)政府法規(guī)也都要求馬達(dá)運(yùn)行比以前更安靜、更安全。變速驅(qū)動控制 (VSD) 與位置控制這兩大類型的運(yùn)動控制系統(tǒng)都在向更先進(jìn)的數(shù)控方向發(fā)展，以便進(jìn)一步提升性能。
圖一
電子控制策略方面的提高
控制電動馬達(dá)即意味著控制電源輸入，即電壓或電流，此外還要控制以扭矩形式輸出的機(jī)械力與運(yùn)行速度。如果將時間響應(yīng)與應(yīng)用機(jī)械負(fù)載的變化納入考慮范圍，上述四大性能參數(shù)還會實(shí)現(xiàn)更重要的特性。例如，基于傳統(tǒng)微控制器 (MCU) 的驅(qū)動技術(shù)針對三相機(jī)械可實(shí)現(xiàn)簡單的輸入電壓梯形控制，盡管該控制相當(dāng)直接方便，但效率與性能卻不高。正弦電流控制能夠提高馬達(dá)的整體扭矩與功率驅(qū)動性能，但其在馬達(dá)速度較高與瞬態(tài)負(fù)載狀態(tài)下卻有一定的性能局限性。
不過，DSP 的出現(xiàn)為馬達(dá)控制設(shè)計(jì)人員提供了實(shí)施最佳控制策略的機(jī)遇。舉例來說，磁場定向控制（FOC，有時也稱作矢量控制）的工作模式是調(diào)節(jié)定子電流，使定子磁通量與轉(zhuǎn)子磁通量之間的相位角保持在 90 電角度左右。FOC 并不是獨(dú)立控制馬達(dá)定子的 3 相，而是采用克拉克 (Clark) 與派克 (Park) 變換將各相映射于統(tǒng)一的轉(zhuǎn)子參考矢量。該技術(shù)使控制系統(tǒng)能夠根據(jù)動態(tài)應(yīng)用負(fù)載的變化實(shí)現(xiàn)最大扭矩。該算法要求了解轉(zhuǎn)子位置，以執(zhí)行旋轉(zhuǎn)變換。我們可用位置傳感器來測量轉(zhuǎn)子位置，也可采用無傳感器的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)算法來模擬轉(zhuǎn)子位置。有關(guān)應(yīng)用要求將決定選擇何種技術(shù)。
FOC 的其他因素還包括速度估算、控制馬達(dá)電流與扭矩以及估測轉(zhuǎn)子位置等。這些 FOC 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)最高的電源效率以及最低的 EMI 噪聲。不過，采用這種 FOC 算法要求進(jìn)行高強(qiáng)度計(jì)算，因而需要 DSP 這種功能強(qiáng)大的數(shù)字計(jì)算處理器。
變速驅(qū)動
VSD 通常采用無傳感器矢量磁場定向控制，不僅省去了感應(yīng)器的成本，而且還消除了它們在可靠性方面的負(fù)面影響。無傳感器算法是實(shí)現(xiàn)低成本閉環(huán)速度控制的重要組成部分。無傳感器控制采用馬達(dá)的反 EMF 信號來生成轉(zhuǎn)子位置信息，以取代基于較昂貴的傳感器的控制法。
目前，電子設(shè)備與汽車產(chǎn)業(yè)越來越多地采用的 DSP，但這兩種行業(yè)均奉行以更低成本實(shí)現(xiàn)更高性能的理念。近期推出的 DSP 控制器能幫助設(shè)計(jì)人員滿足嚴(yán)格的性能要求與成本目標(biāo)。以采用德州儀器 (TI) TMS320C24x™ 數(shù)字信號控制器的洗衣機(jī)控制器為例，洗衣機(jī)的主驅(qū)動馬達(dá)與輔助泵馬達(dá)以及螺線管均由同一個 DSP 控制器控制。變速 FOC 驅(qū)動既實(shí)現(xiàn)了高效率，又能夠嚴(yán)密控制電流與扭矩，從而滿足性能要求，同時還能增加功率因數(shù)校正功能，并降低功率調(diào)節(jié)與前端過濾成本，從而可以充分滿足嚴(yán)格的規(guī)定。
工業(yè)伺服系統(tǒng)
伺服定位系統(tǒng)用于機(jī)器人、包裝機(jī)、元件摘嵌機(jī) (pick and place machine) 以及其他精密機(jī)械中。這些應(yīng)用都要求傳感器提供精確的高分辨率反饋。伺服應(yīng)用還應(yīng)實(shí)現(xiàn)訊速加速／減速以及精確定位、速度描述等功能。采用 FOC，就能實(shí)現(xiàn)線性扭矩調(diào)節(jié)、降低扭矩紋波、減少速度抖動以及機(jī)械共振。就這種類型的應(yīng)用來說，通常采用 32 位或更高分辨率實(shí)施控制算法。TI TMS320C28x™ 等處理器能夠使多種伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 32 位分辨率，既適應(yīng)對價(jià)格敏感型驅(qū)動設(shè)備，又適合高速度的高性能超高精度系統(tǒng)，因而能高效實(shí)施 32 位算法。在 16 位機(jī)械上采用 32 位算法效率很低，通常會降低 4 到 10 個分值。
系統(tǒng)集成
基于專用馬達(dá)控制 DSP 的先進(jìn)控制器（如 TI 的 32 位 150-MIPS TMS320F2812 數(shù)字信號控制器）設(shè)計(jì)時在芯片上集成了關(guān)鍵的馬達(dá)控制外設(shè)，如片上閃存、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、脈寬調(diào)制 (PWM) 輸出和 CAN 總線控制器等。上述外設(shè)在設(shè)計(jì)時還加入了馬達(dá)控制方面的特性，如雙通道采樣和 ADC 保持等，從而能夠使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員盡可能減少外部組件數(shù)。
軟件工具
控制軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)施是馬達(dá)驅(qū)動設(shè)計(jì)工作中的關(guān)鍵部分。軟件技術(shù)和硅芯片架構(gòu)發(fā)展到一定的水平后，大多數(shù)設(shè)計(jì)已無需用匯編語言進(jìn)行編程（這項(xiàng)工作通常需要花費(fèi)大量時間）。極其有效的 C 編譯程序使開發(fā)人員能夠創(chuàng)建壓縮的目標(biāo)代碼，并可讓軟件工具來完成優(yōu)化工作，這樣他們就能集中精力進(jìn)行創(chuàng)新工作，而不用在軟件設(shè)計(jì)上花費(fèi)大量的時間。
為進(jìn)一步加速軟件設(shè)計(jì)工作，馬達(dá)控制設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可訪問馬達(dá)專用的軟件配套產(chǎn)品庫。該軟件庫可從因特網(wǎng)上免費(fèi)下載，適用于多種電動馬達(dá)，并能同時滿足傳感器控制系統(tǒng)和無傳感器控制系統(tǒng)的需求。在為實(shí)施特定系統(tǒng)功能而進(jìn)行的軟件開發(fā)過程中，先進(jìn)的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 有助于我們快速而便捷地完成軟件編程。實(shí)時調(diào)試等先進(jìn)功能使馬達(dá)控制 DSP 能全速運(yùn)行，同時調(diào)試環(huán)境還能通過 JTAG 端口收集數(shù)據(jù)，從而增強(qiáng)了目標(biāo)處理器的可視性。
馬達(dá)控制中的 MCU 與 DSP
圖 1 顯示了伺服系統(tǒng)的硬件分區(qū)功能結(jié)構(gòu)圖。高性能伺服系統(tǒng)通常將各種功能分由兩個微控制器 (MCU) 來完成：一是核心伺服功能（涉及電流、速度和位置環(huán)路），二是負(fù)責(zé)運(yùn)動描述和主機(jī)通信的 MCU。如果采用單處理器的實(shí)施方案，那就需要對控制算法進(jìn)行一定的折中，以釋放出足夠的 MCU 帶寬來實(shí)現(xiàn)所有功能。如果我們采用數(shù)字計(jì)算功能強(qiáng)大的單個控制器，可將這兩種功能輕松集成（如圖2），從而減小解決方案的尺寸、成本以及復(fù)雜度。系統(tǒng)性能的改善體現(xiàn)為轉(zhuǎn)矩紋波的減少、系統(tǒng)響應(yīng)的加快、帶寬的提高以及 EMI 的降低等。MCU 與 DSP（售價(jià)在 2 至 15 美元之間）之間的成本差異不大，這比起減少組件數(shù)量、降低馬達(dá)解決方案和驅(qū)動組件的尺寸、改善 EMI 濾波器以及提高系統(tǒng)性能等方面的好處來說是微不足道的。顯然，DSP 的集成功能為所有馬達(dá)控制設(shè)計(jì)人員帶來了福音。
圖二
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