电机控制系统中使用DSP的优势

电子设计 2018-10-08 12650

描述

从电梯、家电到机器人和工业自动化生产线，电机几乎无处不在。而作为高能耗设备，数量巨大的电机的电能消耗占全球电能消耗量的比例极高，在美国估计50%的电能由电机消耗。由于许多电机的效率低下，如此巨大的能耗中很大部分被浪费掉。例如，小型交流电机的效率低至 50%。

电机的低能效对于工厂等应用环境来说是祸不单行——既消耗电能还产生了影响设备性能的热量。解决这个问题的一个办法是增加智能负载匹配和可变速控制，这种解决办法可以将能效提高14%~30%。如果这种解决方案得到广泛的采用，仅美国可以节省15%的总电能，相当于减少3000亿千瓦时的能耗，节约近150亿美元的用电成本，每年减少温室气体排放量达1.8亿吨。

低碳经济的压力让先进的电机控制方案日益得到重视，越来越多的电机开始采用先进的控制技术以实现目标应用的最佳性能，并尽可能降低功耗。此外，消费者与相关政府法规也对电机的节能、低噪声和安全特性提出更加严格的要求，而基于DSP的电机控制应用由于其独特优势正迅速获得越来越广泛的应用。

DSP成为高性能电机控制的首选方案

电机控制用IC可以分为三大类，即电机控制专用芯片、针对电机控制应用的MCU和DSP。

随着社会对环保理念的深入关切，低能耗产品设计面临越来越苛刻的需求。同样，近年来电机控制系统方案也面临越来越高的要求，一方面用于无传感器矢量控制的复杂算法和高级建模需要出色的处理能力，另一方面需要具有性能、效率、易用性以及成本方面的综合优势。随着全球市场对节能和产品性能需求的提高，以及价格的持续走低，DSP的独特优势使其在电机控制市场获得越来越广泛的认可，由高端工业电机控制领域向更广泛的电机控制市场扩张。

高性能电机应用系统通常包括核心伺服功能、运动描述和主机通信功能。在过去诸多MCU或专用芯片解决方案中，由于处理器有限的处理能力，系统设计时必须对控制算法进行一定的折中以释放出足够的性能余量来实现其他功能，或者采用双处理器方案。随着DSP价格的快速下调，MCU与DSP的成本差异缩小，而DSP解决方案在减少器件数量和电路尺寸、降低整体BOM成本，以及提高系统性能等方面具有更多的优势。

嵌入式DSP电机控制芯片把DSP内核与一系列功能强大的控制外设集成到一个芯片上，从而以高速DSP内核作为计算引擎，加上内置的模数转换器模块提高了电机控制带宽，并且允许低成本实现更加复杂的控制和无传感器的算法，可以控制交流感应电机、无刷直流电机和开关磁阻电机。这些计算能力和优化的外设使得DSP可以轻松地完成更多的功能，如功率因数校正。在不增加控制器成本的情况下，满足某些特殊应用的要求，如洗衣机的平衡控制。高运算能力还让工程师可以采用计算强度更高的算法，从而采用更高效的电机，更进一步提高效率与动态性能。

BF50x简化电机控制设计

Blackfin BF50x处理器的推出正是顺应了当前电机控制市场对处理器的特性和性能要求，提供了多种特性组合的优化解决方案选择，将进一步强化DSP在电机控制市场的竞争地位。BF50x继续秉承了Blackfin处理器独有的先进的信号处理功能与通用微控制器的易用性，以业界主频为150-200MHz的处理器价格提供了400MHz的处理性能，实现了突破性的性能和功效。BF50x很好地满足了电机控制应用的信号处理和控制双重功能需求，因而可以消除很多应用中必须采用两种异构处理器的烦恼，从而简化软件和硬件设计。利用BF50x处理器的高处理能力，设计工程师可以通过利用复杂的算法实现更强大的系统功能和精度，包括更多数据的实时处理、缩短延时，并实现更高的设计灵活性以及系统界面和控制功能的优化。

1. 领先的硬件平台

Blackfin BF50x处理器的卓越性能使电机控制系统设计工程师可以执行更复杂的算法，确保能对系统进行动态控制以适应系统行为的实时变化，从而获得更平稳的性能并降低功耗。通过采用无传感的矢量控制可以实现更高的电机控制效率，利用先进建模技术来准确地确定电机位置和/或者速度，设计工程师可以省略掉位置/速度传感器，从而进一步降低成本并提高系统可靠性。

BF50x实现了优化的电机控制应用的外设集成，用户可以在该系列产品中为其目标应用选择最具成本、性能、集成度和功效的综合优势方案：可选的内置双SAR型 12位ADC（BF506F）可以实现更精确的数据转换，提供了对电机状态准确建模所需要的精度，因此可以更准确地估计电机的位置/速度；片上4MB可执行并行闪存存储器可以用于程序存储，省掉片外存储器，从而降低系统BOM成本，并提高可靠性；像可去除存储接口这样的标准特性以及CAN控制器提供了电机控制应用中的通信接口和存储支持特性……更详细的产品特性描述请参见BF50x数据手册。

2. 显着的低成本优势

BF50x处理器400MHz的主频将高性能数字信号处理能力扩展到更广泛的电机控制应用，包括之前由高端微控制器主导的应用，同时其价格再次刷新Blackfin处理器的低价记录，万片批量的最低报价低至4.5美元。与集成ADC和闪存的相近价格竞争性处理器相比，BF50x性能提高超过100%。换言之，BF50x是集成ADC和闪存的DSP中最具成本效益的解决方案，因此在相同的成本预算下，设计工程师采用BF50x可以获得极大的信号转换和运算精度优势。这种性能裕量让设计工程师可以通过应用更复杂的算法获得更强的系统功能和精度。BF50x处理器还将高性能信号处理内核与业界标准接口相结合，确保在不需要高成本的外部器件条件下，能快速而经济地完成应用开发。如前所述，BF50x具有可选的内置双SAR 型12位 ADI ADC，可以实现更高精度的数据转换，还有可选的4MB片上可执行闪存存储器。所有这些特性使片外的器件最少，以降低整体系统硬件成本和设计成本。

独立*估机构BDTI对Blackfin BF50x的性能价格比所做的基准测试分析证实了BF50x领先于竞争性器件的独特优势，按照对定点处理器的每美元速度比（speed-per-dollar ratio）*估，BF50x的BDTIsimMark2000/$得分高达498，远超过同类处理器。

ADI还针对BF50x系列新推出了低成本的（199美元） EZ-KIT Lite*估套件，为处理器*估提供了最经济实惠的选择。同期在中国全面上市的最新款超低价、高性能Blackfin仿真器ADZS-ICE-100B首次将价格降到150美元的新低，为设计师提供了前所未有的低成本高性能设计工具。高性价比的仿真器配合ADI公司其它开发环境和工具，将帮助用户简化设计过程、降低设计成本并显着加快产品上市时间。

3. 全面的设计资源支持

在电机控制系统的软件开发过程中，先进的集成开发环境有助于设计工程师快速而方便地完成软件编程、调试。如上文所述，在推出BF50x的同时，ADI还针对BF50x系列新推出了低成本的EZ-KIT Lite*估套件，包括ADI VisualDSP++集成开发和调试环境（IDDE）。ADI在中国全面上市最新款超低价高性能仿真器ADZS-ICE-100B为使用Blackfin的客户而定制，除了低至150美元的震撼价格，ADZS-ICE-100B的诸多创新功能也为JTAG仿真器带来更高性能、使用便捷性的全新体念。

DSP技术

在选择电机控制解决方案时，为降低设计难度加快产品上市，还必须考查方案提供商是否提供强有力的应用支持。为了极大地方便工程师基于BF50x实现电机控制应用，ADI早在2008年8月就开始与上海交通大学强强合作，基于BF548处理器实现了BF50x在电机控制应用上的软硬件仿真设计，已经成功完成了针对基于BF50x的三相感应电机、无刷直流电机、永磁同步电机控制应用的硬件平台和软件完整解决方案，可以向用户提供软硬件设计文档和算法模块及库资源。提供的软件模块包括通用ADC驱动程序、霍尔效应接口驱动程序（针对采用传感器的无刷直流电机控制应用）、PWM驱动程序等在内的全部驱动程序，以及各种算法模块。这些硬件参考设计和可直接使用的完整软件模块可极大地加快电机控制系统的设计过程，并大大地降低设计难度和成本。

算术库函数列表

Function name Function Description

ADC_DRV General Purpose ADC Driver （bipolar/unipolar）

BLDC_3PWM_DRV 3-Phase BLDC PWM Driver

CAP_EVENT_DRV Capture Input Event Driver

V_HZ_PROFILE Volts/Hertz Profile for AC Induction Motor

SVGEN_DQ Space Vector with Quadrature Control

SPEED_ CALC Speed Calculator Based on Period Measurement

QEP_THETA_DRV Quadrature Encoder Pulse Interface Driver

PID_REG Proportional and Integral Regulator

ILEG_DCBUS_DRV Line Currents/DC-Bus Voltage Measurements ADC Driver

PARK Park Transform. Module

I_PARK Inverse Park Transform. Module

CLARKE Clarke Transform. Module

I_CLARKE Inverse Clarke Transform. Module

HALL3_DRV Hall Effect Interface Driver for Sensored BLDC Control

DAC_VIEW_DRV DAC Driver

FC_PWM_DRV Full Compare PWM Driver

SINCOSPH 2-Phase Sine Generator with Variable Phase Control

RAMP_CNTL Ramp Control Module

在为您的电机控制系统选择DSP平台时，除了性能、特性外，应当选择具有市场优势和具有可以长期稳定供货能力以及具有长期相关产品发展策略的供应商，这对于OEM持续的产品开发非常重要，因为这涉及到研发成果（包括软件及硬件）的可重用性。ADI将工业应用作为其Blackfin处理器系列最重要的目标市场之一，而电机控制是工业应用的重点领域。近期，ADI就推出了针对电机控制等应用的低成本DSP——BF51x，而BF50x的推出再次在短时间内刷新了Blackfin处理器的价格新低，同时还实现了更多性能优化。而同期推出的低成本*估套件和仿真器配套产品也再次发出了ADI加强电机控制应用市场开发力度的强烈信号。

打开APP阅读更多精彩内容