基于DSP的馬達控制系統
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電動(dòng)馬達――應用驅動(dòng)器
電動(dòng)馬達的年產(chǎn)量高達數千萬(wàn)，廣泛用于諸如電氣設備、汽車(chē)、辦公、儀表以及廠(chǎng)房等各種領(lǐng)域。越來(lái)越多的馬達開(kāi)始采用控制技術(shù)，以能夠針對目標應用實(shí)現最佳性能，并盡可能降低功耗。此外，廣大消費者與相關(guān)政府法規也都要求馬達運行比以前更安靜、更安全。變速驅動(dòng)控制(VSD)與位置控制這兩大類(lèi)型的運動(dòng)控制系統都在向更先進(jìn)的數控方向發(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(dòng)馬達即意味著(zhù)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械力與運行速度。如果將時(shí)間響應與應用機械負載的變化納入考慮范圍，上述四大性能參數還會(huì )實(shí)現更重要的特性。例如，基于傳統微控制器(MCU)的驅動(dòng)技術(shù)針對三相機械可實(shí)現簡(jiǎn)單的輸入電壓梯形控制，盡管該控制相當直接方便，但效率與性能卻不高。正弦電流控制能夠提高馬達的整體扭矩與功率驅動(dòng)性能，但其在馬達速度較高與瞬態(tài)負載狀態(tài)下卻有一定的性能局限性。
不過(guò)，DSP的出現為馬達控制設計人員提供了實(shí)施最佳控制策略的機遇。舉例來(lái)說(shuō)，磁場(chǎng)定向控制（FOC，有時(shí)也稱(chēng)作矢量控制）的工作模式是調節定子電流，使定子磁通量與轉子磁通量之間的相位角保持在90電角度左右。FOC并不是獨立控制馬達定子的3相，而是采用克拉克(Clark)與派克(Park)變換將各相映射于統一的轉子參考矢量。該技術(shù)使控制系統能夠根據動(dòng)態(tài)應用負載的變化實(shí)現最大扭矩。該算法要求了解轉子位置，以執行旋轉變換。我們可用位置傳感器來(lái)測量轉子位置，也可采用無(wú)傳感器的轉子位置估計算法來(lái)模擬轉子位置。有關(guān)應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、控制馬達電流與扭矩以及估測轉子位置等。這些FOC技術(shù)能夠實(shí)現最高的電源效率以及最低的EMI噪聲。不過(guò)，采用這種FOC算法要求進(jìn)行高強度計算，因而需要DSP這種功能強大的數字計算處理器。
變速驅動(dòng)
VSD通常采用無(wú)傳感器矢量磁場(chǎng)定向控制，不僅省去了感應器的成本，而且還消除了它們在可靠性方面的負面影響。無(wú)傳感器算法是實(shí)現低成本閉環(huán)速度控制的重要組成部分。無(wú)傳感器控制采用馬達的反EMF信號來(lái)生成轉子位置信息，以取代基于較昂貴的傳感器的控制法。
目前，電子設備與汽車(chē)產(chǎn)業(yè)越來(lái)越多地采用的DSP，但這兩種行業(yè)均奉行以更低成本實(shí)現更高性能的理念。近期推出的DSP控制器能幫助設計人員滿(mǎn)足嚴格的性能要求與成本目標。以采用德州儀器(TI)TMS320C24x數字信號控制器的洗衣機控制器為例，洗衣機的主驅動(dòng)馬達與輔助泵馬達以及螺線(xiàn)管均由同一個(gè)DSP控制器控制。變速FOC驅動(dòng)既實(shí)現了高效率，又能夠嚴密控制電流與扭矩，從而滿(mǎn)足性能要求，同時(shí)還能增加功率因數校正功能，并降低功率調節與前端過(guò)濾成本，從而可以充分滿(mǎn)足嚴格的規定。
工業(yè)伺服系統
伺服定位系統用于機器人、包裝機、元件摘嵌機(pickandplacemachine)以及其他精密機械中。這些應用都要求傳感器提供精確的高分辨率反饋。伺服應用還應實(shí)現訊速加速／減速以及精確定位、速度描述等功能。采用FOC，就能實(shí)現線(xiàn)性扭矩調節、降低扭矩紋波、減少速度抖動(dòng)以及機械共振。就這種類(lèi)型的應用來(lái)說(shuō)，通常采用32位或更高分辨率實(shí)施控制算法。TITMS320C28x等處理器能夠使多種伺服系統實(shí)現32位分辨率，既適應對價(jià)格敏感型驅動(dòng)設備，又適合高速度的高性能超高精度系統，因而能高效實(shí)施32位算法。在16位機械上采用32位算法效率很低，通常會(huì )降低4到10個(gè)分值。
系統集成
基于專(zhuān)用馬達控制DSP的先進(jìn)控制器（如TI的32位150-MIPSTMS320F2812數字信號控制器）設計時(shí)在芯片上集成了關(guān)鍵的馬達控制外設，如片上閃存、模數轉換器(ADC)、脈寬調制(PWM)輸出和CAN總線(xiàn)控制器等。上述外設在設計時(shí)還加入了馬達控制方面的特性，如雙通道采樣和ADC保持等，從而能夠使系統設計人員盡可能減少外部組件數。
軟件工具
控制軟件的設計與實(shí)施是馬達驅動(dòng)設計工作中的關(guān)鍵部分。軟件技術(shù)和硅芯片架構發(fā)展到一定的水平后，大多數設計已無(wú)需用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程（這項工作通常需要花費大量時(shí)間）。極其有效的C編譯程序使開(kāi)發(fā)人員能夠創(chuàng )建壓縮的目標代碼，并可讓軟件工具來(lái)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，而不用在軟件設計上花費大量的時(shí)間。
為進(jìn)一步加速軟件設計工作，馬達控制設計人員現在可訪(fǎng)問(wèn)馬達專(zhuān)用的軟件配套產(chǎn)品庫。該軟件庫可從因特網(wǎng)上免費下載，適用于多種電動(dòng)馬達，并能同時(shí)滿(mǎn)足傳感器控制系統和無(wú)傳感器控制系統的需求。在為實(shí)施特定系統功能而進(jìn)行的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，先進(jìn)的集成開(kāi)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(shí)調試等先進(jìn)功能使馬達控制DSP能全速運行，同時(shí)調試環(huán)境還能通過(guò)JTAG端口收集數據，從而增強了目標處理器的可視性。
馬達控制中的MCU與DSP
圖1顯示了伺服系統的硬件分區功能結構圖。高性能伺服系統通常將各種功能分由兩個(gè)微控制器(MCU)來(lái)完成：一是核心伺服功能（涉及電流、速度和位置環(huán)路），二是負責運動(dòng)描述和主機通信的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(lái)實(shí)現所有功能。如果我們采用數字計算功能強大的單個(gè)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、成本以及復雜度。系統性能的改善體現為轉矩紋波的減少、系統響應的加快、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，這比起減少組件數量、降低馬達解決方案和驅動(dòng)組件的尺寸、改善EMI濾波器以及提高系統性能等方面的好處來(lái)說(shuō)是微不足道的。顯然，DSP的集成功能為所有馬達控制設計人員帶來(lái)了福音。
圖二
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