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使用实时数字信号控制器实现电机控制设计

日期:2019-03-14 22:23

  工业化通过在生活,商业或休闲等所有生活领域实现更高水平的自动化,继续塑造现代世界。赋予这些节省劳动力的设备的功能是过多的电动工具:电机。虽然它们都利用和利用相同的电磁现象,但电动机有多种形式。然而,最近的趋势是使用低成本拓扑结构,例如同步AC和无刷(通常无传感器)DC电动机。电机设计的多样性创造了效率权衡;他们需要生产的能量是根据他们消耗的能量来衡量的。随着工业化的扩展,不可避免的环境影响意味着这种权衡正在引起更多关注。对于家用,商用和轻工业应用,可以说在电机使用增长最快的地方,趋势是使用最低成本选项来平衡这种权衡,而不会影响环境立法和社会问题。

  许多已建立的电机设计,如异步交流电机或有刷直流电,只需要基本的控制(图1)。然而,通常,电动机的成本与其整体效率成反比。因此,虽然自动电机可能不需要外部控制电路,但它们通常仅返回适度的电源效率。通过引入“智能控制”,可以进一步降低构建成本,同时仍然提高整体电源效率。为了充分利用这一优势,制造商正在使用功能越来越强大的微控制器来实现控制电路,使其能够从最简单且最具成本效益的电机拓扑中获得最佳性能。将成本从电机设计转向控制电子设备,使微控制器制造商有机会开发满足该应用领域特定需求的整个系列:数字信号控制器。

  图1:Microchip专注于支持绿色电机,这需要智能控制。黄色显示的电机无需智能控制即可运行。 (来源:Microchip)

  数字信号控制器(或称DSC)本质上是传统微控制器架构的扩展,包括专门针对电机控制的外围设备,以及最近的数字信号处理(DSP)级别。虽然微控制器(MCU)通常非常擅长控制功能,但它们相对适中的处理速度使它们不太适用于电机控制的“实时”需求,特别是在负责其他功能的情况下。这导致许多制造商实施双芯片解决方案;使用MCU进行控制功能(例如检查安全开关,驱动用户显示和监控耗材),同时DSP运行优化算法来控制电机。

  虽然这种方法在选择MCU和DSP时具有一定的灵活性,但它可能不是最佳的。许多低成本电机 - 例如无刷直流电机,特别是在不使用传感器时 - 要求DSP通过电机线圈监控瞬时电流或反电动势(电动势),使用此信息确定定子位置并计算所需的驱动电流在随后的阶段。在实际应用中,电机负载可能会发生显着且快速的变化,这意味着DSP必须尽可能紧密地耦合到高速模数转换器(ADC),以及快速灵活的脉冲宽度调制器(PWM) ),以最大限度地提高效率。实际上,ADC和/或PWM将在MCU上,因为很少有DSP集成这些外设。这种紧密但离散的耦合不仅需要高性能MCU,还需要快速的芯片间通信。由于MCU通常是“最薄弱的环节”,因此可能会对DSP的性能产生人为限制,从而影响整体控制解决方案。

  通过将DSP与MCU集成,可以避免这种限制,并且正是这种情况下许多MCU制造商现在都青睐这种情况。与一般的MCU一样,可能的解决方案数量很多,而且随着MCU制造商在不断增长的市场中占据重要份额,他们将继续加大力度来区分他们的产品。

  尽管ARM架构越来越多地渗透到MCU市场,但它仍然高度分散。这意味着专有架构仍有空间,具有独特的功能,即使在新兴应用领域(如实时电机控制),也能确保它们保持竞争力。

  更成熟的数字信号控制器(DSC)供应商之一是Microchip的dsPIC系列。它将功能强大的MCU内核与DSP功能集成在一个16位处理器中,与电机控制外设紧密耦合,在某些选项中还兼容电容式触摸控制和图形驱动器。 dsPIC器件提供的性能范围为16至60 MIPS(每秒百万条指令 - DSP性能的默认指标),所有这些都由Digi-Key提供。 Microchip最近还宣布推出其DSC系列的最新产品,将性能提升至70 MIPS。

  英飞凌的另一个例子是如何调整专有架构以实现目标应用的最大性能。 2011年3月,英飞凌宣布其系列实时信号控制器的最新产品,增加了XE16xU和XE16xL变体,分别针对低端和超低端电机控制应用。他们加入了已有库存并可从Digi-Key获得的更广泛的产品组合,整个系列针对电机控制应用进行了紧密优化(图2)。采用英飞凌专有的16位处理引擎和高效的MAC单元(乘法和累加 - DSP的定义功能),最新增加的目标是迄今为止可能需要高端8位MCU的应用或者是低端DSP,例如三相无刷直流(BLDC)电机控制器。

  证明ARM架构正在继续推进以前由专有架构主导的应用程序,Atmel最近宣布以SAM4系列的形式进入基于ARM Cortex-M4的DSC领域。它将加入已经从Digi-Key获得的SAM3系列。

  Atmel声称,SAM4系列的许多成员将使用具有浮点DSP扩展的ARM Cortex-M4内核版本,这一功能使其能够瞄准DSC市场。此举证实了Atmel对DSC市场的承诺,该市场首次采用2010年发布的AVR UC3C MCU系列。

  强大而优化的硬件架构只是开发电机控制应用时的一部分。同样重要的是软件。优化的DSC允许更高效和更强大的算法,但它们的开发绝非易事。因此,供应商必须以软件库的形式进行进一步投资。使用行业标准架构(如Cortex-M4)意味着SAM4系列可以使用ARM自己的DSP库,Atmel表示,与SAM3系列相比,浮点指令的执行速度将提高10倍。 Cortex-M3的。

  虽然SAM4系列预计要到2012年才能上市,但英飞凌XE16xU和xL系列的批量生产现已开始,并将在不久的将来广泛推出。英飞凌选择的软件解决方案基于其现有的工具链,该工具链包含一个名为开发应用程序虚拟工程师(或DAvE)的自动代码生成器,它是与EDA专家Altium合作开发的集成开发环境的一部分。 Digi-Key为Altium开发平台提供了一系列子板(图3)。

  同样,Microchip拥有广泛且免费使用的电机控制应用软件库,该软件库提供了一系列针对其dsPIC(和PIC24)系列优化的专业算法(图4)。它也得到开发套件的支持,开发套件利用支持其开发平台的子板,dsPICDEM,也可从Digi-Key获得。

  电机类型算法步进电机全程和微步进,位置控制开环和电流控制闭环BLDC和PMSM梯形驱动,霍尔效应传感器换向正弦驱动,霍尔效应传感器换向梯形驱动,无传感器BEMF换向磁场定向控制,无传感器换向ACIM开环电压/赫兹磁场定向控制,带轴编码器磁场定向控制,无传感器功率因数校正(PFC)

  现在可用的各种MCU变体反映了它们所处理的各种应用,但几乎是唯一的,它是16位器件继续主导市场的电机控制部分,提供性能和成本的正确组合。虽然ARM的Cortex-M4毫无疑问会产生波动,但毫无疑问,现在几乎每一种电机控制解决方案都有优化的解决方案,无论是步进电机,BLDC还是同步AC。

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