用匯聚式處理器實現(xiàn)電機控制

　　從電梯、家電到機器人和工業(yè)自動化生產(chǎn)線，電機幾乎無處不在。而作為高能耗設(shè)備，數(shù)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等應用環(huán)境來說是禍不單行——既消耗電能還產(chǎn)生了影響設(shè)備性能的熱量。解決這個問題的一個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(jié)省15%的總電能，相當于減少3000億千瓦時的能耗，節(jié)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)濟的壓力讓先進的電機控制方案日益得到重視，越來越多的電機開始采用先進的控制技術(shù)以實現(xiàn)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(guī)也對電機的節(jié)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，即電機控制專用芯片、針對電機控制應用的MCU和DSP。

　　隨著社會對環(huán)保理念的深入關(guān)切，低能耗產(chǎn)品設(shè)計面臨越來越苛刻的需求。同樣，近年來電機控制系統(tǒng)方案也面臨越來越高的要求，一方面用于無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。隨著全球市場對節(jié)能和產(chǎn)品性能需求的提高，以及價格的持續(xù)走低，DSP的獨特優(yōu)勢使其在電機控制市場獲得越來越廣泛的認可，由高端工業(yè)電機控制領(lǐng)域向更廣泛的電機控制市場擴張。

　　高性能電機應用系統(tǒng)通常包括核心伺服功能、運動描述和主機通信功能。在過去諸多MCU或?qū)Ｓ眯酒鉀Q方案中，由于處理器有限的處理能力，系統(tǒng)設(shè)計時必須對控制算法進行一定的折中以釋放出足夠的性能余量來實現(xiàn)其他功能，或者采用雙處理器方案。隨著DSP價格的快速下調(diào)，MCU與DSP的成本差異縮小，而DSP解決方案在減少器件數(shù)量和電路尺寸、降低整體BOM成本，以及提高系統(tǒng)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(nèi)核與一系列功能強大的控制外設(shè)集成到一個芯片上，從而以高速DSP內(nèi)核作為計算引擎，加上內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊提高了電機控制帶寬，并且允許低成本實現(xiàn)更加復雜的控制和無傳感器的算法，可以控制交流感應電機、無刷直流電機和開關(guān)磁阻電機。這些計算能力和優(yōu)化的外設(shè)使得DSP可以輕松地完成更多的功能，如功率因數(shù)校正。在不增加控制器成本的情況下，滿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，更進一步提高效率與動態(tài)性能。

　　BF50x簡化電機控制設(shè)計

　　Blackfin BF50x處理器的推出正是順應了當前電機控制市場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，將進一步強化DSP在電機控制市場的競爭地位。BF50x繼續(xù)秉承了Blackfin處理器獨有的先進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的處理器價格提供了400MHz的處理性能，實現(xiàn)了突破性的性能和功效。BF50x很好地滿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(gòu)處理器的煩惱，從而簡化軟件和硬件設(shè)計。利用BF50x處理器的高處理能力，設(shè)計工程師可以通過利用復雜的算法實現(xiàn)更強大的系統(tǒng)功能和精度，包括更多數(shù)據(jù)的實時處理、縮短延時，并實現(xiàn)更高的設(shè)計靈活性以及系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計工程師可以執(zhí)行更復雜的算法，確保能對系統(tǒng)進行動態(tài)控制以適應系統(tǒng)行為的實時變化，從而獲得更平穩(wěn)的性能并降低功耗。通過采用無傳感的矢量控制可以實現(xiàn)更高的電機控制效率，利用先進建模技術(shù)來準確地確定電機位置和/或者速度，設(shè)計工程師可以省略掉位置/速度傳感器，從而進一步降低成本并提高系統(tǒng)可靠性。

　　BF50x實現(xiàn)了優(yōu)化的電機控制應用的外設(shè)集成，用戶可以在該系列產(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(nèi)置雙SAR型 12位ADC（BF506F）可以實現(xiàn)更精確的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(zhí)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(tǒng)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BF50x數(shù)據(jù)手冊。

　　2. 顯著的低成本優(yōu)勢

　　BF50x處理器400MHz的主頻將高性能數(shù)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，同時其價格再次刷新Blackfin處理器的低價記錄，萬片批量的最低報價低至4.5美元。與集成ADC和閃存的相近價格競爭性處理器相比，BF50x性能提高超過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(shè)計工程師采用BF50x可以獲得極大的信號轉(zhuǎn)換和運算精度優(yōu)勢。這種性能裕量讓設(shè)計工程師可以通過應用更復雜的算法獲得更強的系統(tǒng)功能和精度。BF50x處理器還將高性能信號處理內(nèi)核與業(yè)界標準接口相結(jié)合，確保在不需要高成本的外部器件條件下，能快速而經(jīng)濟地完成應用開發(fā)。如前所述，BF50x具有可選的內(nèi)置雙SAR 型12位 ADI ADC，可以實現(xiàn)更高精度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，還有可選的4MB片上可執(zhí)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(tǒng)硬件成本和設(shè)計成本。

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

　　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)濟實惠的選擇。同期在中國全面上市的最新款超低價、高性能Blackfin仿真器ADZS-ICE-100B首次將價格降到150美元的新低，為設(shè)計師提供了前所未有的低成本高性能設(shè)計工具。高性價比的仿真器配合ADI公司其它開發(fā)環(huán)境和工具，將幫助用戶簡化設(shè)計過程、降低設(shè)計成本并顯著加快產(chǎn)品上市時間。

　　基于BF50x處理器的電機驅(qū)動解決方案信號鏈

　　1. 全面的設(shè)計資源支持

　　在電機控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)過程中，先進的集成開發(fā)環(huán)境有助于設(shè)計工程師快速而方便地完成軟件編程、調(diào)試。如上文所述，在推出BF50x的同時，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++集成開發(fā)和調(diào)試環(huán)境（IDDE）。ADI在中國全面上市最新款超低價高性能仿真器ADZS-ICE-100B為使用Blackfin的客戶而定制，除了低至150美元的震撼價格，ADZS-ICE-100B的諸多創(chuàng)新功能也為JTAG仿真器帶來更高性能、使用便捷性的全新體念。

　　在選擇電機控制解決方案時，為降低設(shè)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實現(xiàn)電機控制應用，ADI早在2008年8月就開始與上海交通大學強強合作，基于BF548處理器實現(xiàn)了BF50x在電機控制應用上的軟硬件仿真設(shè)計，已經(jīng)成功完成了針對基于BF50x的三相感應電機、無刷直流電機、永磁同步電機控制應用的硬件平臺和軟件完整解決方案，可以向用戶提供軟硬件設(shè)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(qū)動程序、霍爾效應接口驅(qū)動程序（針對采用傳感器的無刷直流電機控制應用）、PWM驅(qū)動程序等在內(nèi)的全部驅(qū)動程序，以及各種算法模塊。這些硬件參考設(shè)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(tǒng)的設(shè)計過程，并大大地降低設(shè)計難度和成本。

小結(jié)

在為您的電機控制系統(tǒng)選擇DSP平臺時，除了性能、特性外，應當選擇具有市場優(yōu)勢和具有可以長期穩(wěn)定供貨能力以及具有長期相關(guān)產(chǎn)品發(fā)展策略的供應商，這對于OEM持續(xù)的產(chǎn)品開發(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之一，而電機控制是工業(yè)應用的重點領(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BF50x的推出再次在短時間內(nèi)刷新了Blackfin處理器的價格新低，同時還實現(xiàn)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開發(fā)力度的強烈信號。