基于DSP的馬達(dá)控制系統(tǒng)
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電動(dòng)馬達(dá)――應(yīng)用驅(qū)動(dòng)器
電動(dòng)馬達(dá)的年產(chǎn)量高達(dá)數(shù)千萬(wàn)，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(lái)越多的馬達(dá)開(kāi)始采用控制技術(shù)，以能夠針對(duì)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(dòng)控制(VSD)與位置控制這兩大類型的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(shí)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(huì)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(dòng)技術(shù)針對(duì)三相機(jī)械可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(dòng)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(guò)，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(lái)說(shuō)，磁場(chǎng)定向控制（FOC，有時(shí)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(dòng)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(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)子位置，也可采用無(wú)傳感器的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)算法來(lái)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(cè)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(guò)，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(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(yīng)器的成本，而且還消除了它們?cè)诳煽啃苑矫娴呢?fù)面影響。無(wú)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(wú)傳感器控制采用馬達(dá)的反EMF信號(hào)來(lái)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(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(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(hào)控制器的洗衣機(jī)控制器為例，洗衣機(jī)的主驅(qū)動(dòng)馬達(dá)與輔助泵馬達(dá)以及螺線管均由同一個(gè)DSP控制器控制。變速FOC驅(qū)動(dòng)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(shí)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(guò)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)(pickandplacemachine)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(dòng)以及機(jī)械共振。就這種類型的應(yīng)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(tǒng)實(shí)現(xiàn)32位分辨率，既適應(yīng)對(duì)價(jià)格敏感型驅(qū)動(dòng)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(huì)降低4到10個(gè)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-MIPSTMS320F2812數(shù)字信號(hào)控制器）設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)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(dòng)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(wú)需用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程（這項(xiàng)工作通常需要花費(fèi)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(biāo)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(shè)計(jì)上花費(fèi)大量的時(shí)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(wèn)馬達(dá)專用的軟件配套產(chǎn)品庫(kù)。該軟件庫(kù)可從因特網(wǎng)上免費(fèi)下載，適用于多種電動(dòng)馬達(dá)，并能同時(shí)滿足傳感器控制系統(tǒng)和無(wú)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(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(diào)試等先進(jìn)功能使馬達(dá)控制DSP能全速運(yùn)行，同時(shí)調(diào)試環(huán)境還能通過(guò)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(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(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)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(duì)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(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(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(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(dòng)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(lái)說(shuō)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(lái)了福音。
圖二
評(píng)論