用匯聚式處理器實(shí)現電機控制

　　從電梯、家電到機器人和工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，電機幾乎無(wú)處不在。而作為高能耗設備，數量巨大的電機的電能消耗占全球電能消耗量的比例極高，在美國估計50%的電能由電機消耗。由于許多電機的效率低下，如此巨大的能耗中很大部分被浪費掉。例如，小型交流電機的效率低至 50%。

　　電機的低能效對于工廠(chǎng)等應用環(huán)境來(lái)說(shuō)是禍不單行——既消耗電能還產(chǎn)生了影響設備性能的熱量。解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)辦法是增加智能負載匹配和可變速控制，這種解決辦法可以將能效提高14%~30%。如果這種解決方案得到廣泛的采用，僅美國可以節省15%的總電能，相當于減少3000億千瓦時(shí)的能耗，節約近150億美元的用電成本，每年減少溫室氣體排放量達1.8億噸。

　　低碳經(jīng)濟的壓力讓先進(jìn)的電機控制方案日益得到重視，越來(lái)越多的電機開(kāi)始采用先進(jìn)的控制技術(shù)以實(shí)現目標應用的最佳性能，并盡可能降低功耗。此外，消費者與相關(guān)政府法規也對電機的節能、低噪聲和安全特性提出更加嚴格的要求，而基于DSP的電機控制應用由于其獨特優(yōu)勢正迅速獲得越來(lái)越廣泛的應用。

　　DSP成為高性能電機控制的首選方案

　　電機控制用IC可以分為三大類(lèi)，即電機控制專(zhuān)用芯片、針對電機控制應用的MCU和DSP。

　　隨著(zhù)社會(huì )對環(huán)保理念的深入關(guān)切，低能耗產(chǎn)品設計面臨越來(lái)越苛刻的需求。同樣，近年來(lái)電機控制系統方案也面臨越來(lái)越高的要求，一方面用于無(wú)傳感器矢量控制的復雜算法和高級建模需要出色的處理能力，另一方面需要具有性能、效率、易用性以及成本方面的綜合優(yōu)勢。隨著(zhù)全球市場(chǎng)對節能和產(chǎn)品性能需求的提高，以及價(jià)格的持續走低，DSP的獨特優(yōu)勢使其在電機控制市場(chǎng)獲得越來(lái)越廣泛的認可，由高端工業(yè)電機控制領(lǐng)域向更廣泛的電機控制市場(chǎng)擴張。

　　高性能電機應用系統通常包括核心伺服功能、運動(dòng)描述和主機通信功能。在過(guò)去諸多MCU或專(zhuān)用芯片解決方案中，由于處理器有限的處理能力，系統設計時(shí)必須對控制算法進(jìn)行一定的折中以釋放出足夠的性能余量來(lái)實(shí)現其他功能，或者采用雙處理器方案。隨著(zhù)DSP價(jià)格的快速下調，MCU與DSP的成本差異縮小，而DSP解決方案在減少器件數量和電路尺寸、降低整體BOM成本，以及提高系統性能等方面具有更多的優(yōu)勢。

　　嵌入式DSP電機控制芯片把DSP內核與一系列功能強大的控制外設集成到一個(gè)芯片上，從而以高速DSP內核作為計算引擎，加上內置的模數轉換器模塊提高了電機控制帶寬，并且允許低成本實(shí)現更加復雜的控制和無(wú)傳感器的算法，可以控制交流感應電機、無(wú)刷直流電機和開(kāi)關(guān)磁阻電機。這些計算能力和優(yōu)化的外設使得DSP可以輕松地完成更多的功能，如功率因數校正。在不增加控制器成本的情況下，滿(mǎn)足某些特殊應用的要求，如洗衣機的平衡控制。高運算能力還讓工程師可以采用計算強度更高的算法，從而采用更高效的電機，更進(jìn)一步提高效率與動(dòng)態(tài)性能。

　　BF50x簡(jiǎn)化電機控制設計

　　Blackfin BF50x處理器的推出正是順應了當前電機控制市場(chǎng)對處理器的特性和性能要求，提供了多種特性組合的優(yōu)化解決方案選擇，將進(jìn)一步強化DSP在電機控制市場(chǎng)的競爭地位。BF50x繼續秉承了Blackfin處理器獨有的先進(jìn)的信號處理功能與通用微控制器的易用性，以業(yè)界主頻為150-200MHz的處理器價(jià)格提供了400MHz的處理性能，實(shí)現了突破性的性能和功效。BF50x很好地滿(mǎn)足了電機控制應用的信號處理和控制雙重功能需求，因而可以消除很多應用中必須采用兩種異構處理器的煩惱，從而簡(jiǎn)化軟件和硬件設計。利用BF50x處理器的高處理能力，設計工程師可以通過(guò)利用復雜的算法實(shí)現更強大的系統功能和精度，包括更多數據的實(shí)時(shí)處理、縮短延時(shí)，并實(shí)現更高的設計靈活性以及系統界面和控制功能的優(yōu)化。

　　1. 領(lǐng)先的硬件平臺

　　Blackfin BF50x處理器的卓越性能使電機控制系統設計工程師可以執行更復雜的算法，確保能對系統進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制以適應系統行為的實(shí)時(shí)變化，從而獲得更平穩的性能并降低功耗。通過(guò)采用無(wú)傳感的矢量控制可以實(shí)現更高的電機控制效率，利用先進(jìn)建模技術(shù)來(lái)準確地確定電機位置和/或者速度，設計工程師可以省略掉位置/速度傳感器，從而進(jìn)一步降低成本并提高系統可靠性。

　　BF50x實(shí)現了優(yōu)化的電機控制應用的外設集成，用戶(hù)可以在該系列產(chǎn)品中為其目標應用選擇最具成本、性能、集成度和功效的綜合優(yōu)勢方案：可選的內置雙SAR型 12位ADC（BF506F）可以實(shí)現更精確的數據轉換，提供了對電機狀態(tài)準確建模所需要的精度，因此可以更準確地估計電機的位置/速度；片上4MB可執行并行閃存存儲器可以用于程序存儲，省掉片外存儲器，從而降低系統BOM成本，并提高可靠性；像可去除存儲接口這樣的標準特性以及CAN控制器提供了電機控制應用中的通信接口和存儲支持特性……更詳細的產(chǎn)品特性描述請參見(jiàn)BF50x數據手冊。

　　2. 顯著(zhù)的低成本優(yōu)勢

　　BF50x處理器400MHz的主頻將高性能數字信號處理能力擴展到更廣泛的電機控制應用，包括之前由高端微控制器主導的應用，同時(shí)其價(jià)格再次刷新Blackfin處理器的低價(jià)記錄，萬(wàn)片批量的最低報價(jià)低至4.5美元。與集成ADC和閃存的相近價(jià)格競爭性處理器相比，BF50x性能提高超過(guò)100%。換言之，BF50x是集成ADC和閃存的DSP中最具成本效益的解決方案，因此在相同的成本預算下，設計工程師采用BF50x可以獲得極大的信號轉換和運算精度優(yōu)勢。這種性能裕量讓設計工程師可以通過(guò)應用更復雜的算法獲得更強的系統功能和精度。BF50x處理器還將高性能信號處理內核與業(yè)界標準接口相結合，確保在不需要高成本的外部器件條件下，能快速而經(jīng)濟地完成應用開(kāi)發(fā)。如前所述，BF50x具有可選的內置雙SAR 型12位 ADI ADC，可以實(shí)現更高精度的數據轉換，還有可選的4MB片上可執行閃存存儲器。所有這些特性使片外的器件最少，以降低整體系統硬件成本和設計成本。

　　獨立評估機構BDTI對Blackfin BF50x的性能價(jià)格比所做的基準測試分析證實(shí)了BF50x領(lǐng)先于競爭性器件的獨特優(yōu)勢，按照對定點(diǎn)處理器的每美元速度比（speed-per-dollar ratio）評估，BF50x的BDTIsimMark2000/$得分高達498，遠超過(guò)同類(lèi)處理器。

　　ADI還針對BF50x系列新推出了低成本的(199美元) EZ-KIT Lite評估套件，為處理器評估提供了最經(jīng)濟實(shí)惠的選擇。同期在中國全面上市的最新款超低價(jià)、高性能Blackfin仿真器ADZS-ICE-100B首次將價(jià)格降到150美元的新低，為設計師提供了前所未有的低成本高性能設計工具。高性?xún)r(jià)比的仿真器配合ADI公司其它開(kāi)發(fā)環(huán)境和工具，將幫助用戶(hù)簡(jiǎn)化設計過(guò)程、降低設計成本并顯著(zhù)加快產(chǎn)品上市時(shí)間。

　　基于BF50x處理器的電機驅動(dòng)解決方案信號鏈

　　1. 全面的設計資源支持

　　在電機控制系統的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，先進(jìn)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境有助于設計工程師快速而方便地完成軟件編程、調試。如上文所述，在推出BF50x的同時(shí)，ADI還針對BF50x系列新推出了低成本的EZ-KIT Lite評估套件，包括ADI VisualDSP++集成開(kāi)發(fā)和調試環(huán)境（IDDE）。ADI在中國全面上市最新款超低價(jià)高性能仿真器ADZS-ICE-100B為使用Blackfin的客戶(hù)而定制，除了低至150美元的震撼價(jià)格，ADZS-ICE-100B的諸多創(chuàng )新功能也為JTAG仿真器帶來(lái)更高性能、使用便捷性的全新體念。

　　在選擇電機控制解決方案時(shí)，為降低設計難度加快產(chǎn)品上市，還必須考查方案提供商是否提供強有力的應用支持。為了極大地方便工程師基于BF50x實(shí)現電機控制應用，ADI早在2008年8月就開(kāi)始與上海交通大學(xué)強強合作，基于BF548處理器實(shí)現了BF50x在電機控制應用上的軟硬件仿真設計，已經(jīng)成功完成了針對基于BF50x的三相感應電機、無(wú)刷直流電機、永磁同步電機控制應用的硬件平臺和軟件完整解決方案，可以向用戶(hù)提供軟硬件設計文檔和算法模塊及庫資源。提供的軟件模塊包括通用ADC驅動(dòng)程序、霍爾效應接口驅動(dòng)程序（針對采用傳感器的無(wú)刷直流電機控制應用）、PWM驅動(dòng)程序等在內的全部驅動(dòng)程序，以及各種算法模塊。這些硬件參考設計和可直接使用的完整軟件模塊可極大地加快電機控制系統的設計過(guò)程，并大大地降低設計難度和成本。

小結

在為您的電機控制系統選擇DSP平臺時(shí)，除了性能、特性外，應當選擇具有市場(chǎng)優(yōu)勢和具有可以長(cháng)期穩定供貨能力以及具有長(cháng)期相關(guān)產(chǎn)品發(fā)展策略的供應商，這對于OEM持續的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)非常重要，因為這涉及到研發(fā)成果(包括軟件及硬件)的可重用性。ADI將工業(yè)應用作為其Blackfin處理器系列最重要的目標市場(chǎng)之一，而電機控制是工業(yè)應用的重點(diǎn)領(lǐng)域。在2009年年初，ADI就推出了針對電機控制等應用的低成本DSP——BF51x，而B(niǎo)F50x的推出再次在短時(shí)間內刷新了Blackfin處理器的價(jià)格新低，同時(shí)還實(shí)現了更多性能優(yōu)化。而同期推出的低成本評估套件和仿真器配套產(chǎn)品也再次發(fā)出了ADI加強電機控制應用市場(chǎng)開(kāi)發(fā)力度的強烈信號。