模擬與數(shù)字的智能集成解決棘手的嵌入式系統(tǒng)問題

高速逐次逼近型寄存器(SAR) ADC非常適合這種應(yīng)用，因?yàn)椋祟怉DC擁有適當(dāng)?shù)木?13 ENOB)，其超快的轉(zhuǎn)換速率可支持較高頻率的控制環(huán)路，能對(duì)多個(gè)輸入通道進(jìn)行多路復(fù)用，還具有低延遲( 1μS)的特性。該系統(tǒng)有兩個(gè)ADC，用于對(duì)電網(wǎng)電流和電壓進(jìn)行同步采樣。需要大量輸入通道來連接ADC，以便對(duì)系統(tǒng)中的多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控——有時(shí)最多需要24個(gè)通道。為滿足該要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了帶緩沖功能的特殊多路復(fù)用通道，并與ADC接口。

為了支持多級(jí)轉(zhuǎn)換和高速控制環(huán)路，需要選擇架構(gòu)性能適當(dāng)且具備高速運(yùn)行能力的處理器內(nèi)核。在本例中，設(shè)計(jì)溫度范圍運(yùn)行速率大于200 MHz的ARM Cortex-M4即可滿足該需求。

正弦濾波器(如圖2所示)與隔離式ADC結(jié)合使用。這樣可對(duì)電網(wǎng)中的電流以及直流注入進(jìn)行測(cè)量，以防止變壓器飽和。傳統(tǒng)方法是用一個(gè)霍爾效應(yīng)電流傳感器，但與隔離式ADC相比，這種方法成本較高。該方法假定，正弦濾波器集成于混合信號(hào)控制處理器之中，從而消除了物料清單中表現(xiàn)為可編程邏輯的額外芯片的必要性。另外，相對(duì)于霍爾效應(yīng)傳感器，ADC正弦濾波器組合的隔離還具有線性度更佳的額外優(yōu)勢(shì)，有利于減少諧波失真。

隨著電網(wǎng)智能化步伐的加快，太陽能光伏逆變器將需要具備更多智能，以幫助解決電網(wǎng)不平衡問題。這是指來自多個(gè)源的電力超過需求的情況。為此，業(yè)界十分重視光伏系統(tǒng)智能，以電網(wǎng)整合為目標(biāo)，電網(wǎng)的每個(gè)供電商必須相互合作以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的穩(wěn)定。電網(wǎng)整合要求更好地對(duì)饋入電網(wǎng)的電能進(jìn)行測(cè)量、控制和質(zhì)量分析。一種專門為電網(wǎng)電力質(zhì)量監(jiān)控而設(shè)計(jì)的諧波分析引擎有助于滿足該需求。通過計(jì)算幾個(gè)變量(包括諧波失真、功率、rms電壓、rms電流、VAR、VA和功率系數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力質(zhì)量的監(jiān)控。用于執(zhí)行這些計(jì)算的專用引擎不但可以帶來超高的精度，同時(shí)還能減輕ARM Cortex-M4內(nèi)核的負(fù)擔(dān)，使其無需執(zhí)行該任務(wù)。

利用在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了這種最終應(yīng)用的混合信號(hào)控制處理器，太陽能逆變器可以在系統(tǒng)層面獲得極大的優(yōu)勢(shì)?；趯?duì)市場(chǎng)趨勢(shì)的了解以及堅(jiān)實(shí)的系統(tǒng)知識(shí)，可以打造出智能化集成芯片，這種芯片不但能支持新一代拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少芯片數(shù)量，同時(shí)還能帶來更多功能以支持與智能電網(wǎng)的接口。

在關(guān)于發(fā)電方式的環(huán)保擔(dān)憂之外，人們還十分關(guān)心能源的使用效率問題。鑒于電機(jī)占全球用電量的40%，所以問題是如何提高這些系統(tǒng)的環(huán)保性。答案在于提高其效率，由此減少能耗。通過普及高效電機(jī)而節(jié)省的能源量十分可觀：每年可節(jié)省數(shù)千億千瓦時(shí)的用電量，可減少大氣中二氧化碳排放量數(shù)百萬噸。顯然，高效電機(jī)的影響具有十分重要的意義。

具體地，有多個(gè)關(guān)鍵因素推動(dòng)著高效電機(jī)的應(yīng)用。其中一個(gè)是環(huán)保問題推動(dòng)的政府立法。歐盟已經(jīng)實(shí)施相應(yīng)的法規(guī)，將來還會(huì)實(shí)施更多法規(guī)，強(qiáng)制要求使用更高效的電機(jī)系統(tǒng)。另一個(gè)關(guān)鍵推動(dòng)因素是全壽命成本優(yōu)勢(shì)。在電機(jī)控制系統(tǒng)的成本中，材料約占15%，運(yùn)行所用能源成本占85%.可見，通過提高效率，降低電機(jī)系統(tǒng)全壽命成本的潛力是非常巨大的。

提高效率的方式包括特別的電機(jī)設(shè)計(jì)，電機(jī)類型的選擇，為不具備這種控制的系統(tǒng)添加可調(diào)速驅(qū)動(dòng)器（ASD），以及針對(duì)效率而優(yōu)化的控制算法。就特別的電機(jī)設(shè)計(jì)和特定電機(jī)類型的選擇而言，永磁電機(jī)一直是關(guān)注重點(diǎn)，其使用呈增長(zhǎng)之勢(shì)。永磁電機(jī)的效率最高可達(dá)96%，超過了歐洲超高效能效標(biāo)準(zhǔn)（IE3）。

智能集成式混合信號(hào)控制處理器有可能實(shí)現(xiàn)ASD和控制算法的改進(jìn)。以成本優(yōu)勢(shì)明顯的方式集成基于ARM的CPU子系統(tǒng)、PWM、ADC和多路復(fù)用功能，結(jié)果可以在系統(tǒng)層省去ASD的物料成本。

利用轉(zhuǎn)換時(shí)間較快的高精度ADC，可以改進(jìn)控制算法。結(jié)果可增進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的總體效率。精度高于12位的ADC可提高精度，用其來控制相位電流。然而，不能用采樣轉(zhuǎn)換延遲控制來?yè)Q取更高的精度。這樣就不能選擇通過均值或過采樣方式提升SNR的ADC.需要以終端機(jī)器（比如，貼片機(jī)）

的運(yùn)動(dòng)速率來測(cè)量變量?？焖俎D(zhuǎn)換時(shí)間，加上快速ARM微控制器內(nèi)核，可以加快控制環(huán)路的運(yùn)行速率，改進(jìn)響應(yīng)時(shí)間，縮短建立時(shí)間。反過來，這又能提高生產(chǎn)線系統(tǒng)的吞吐量和效率，從而降低生產(chǎn)成本。

就如太陽能光伏應(yīng)用一樣，SAR ADC是電機(jī)控制的良好選擇。在電機(jī)控制的例子中，可以設(shè)計(jì)出高性能SAR ADC，無需均值或過采樣也可達(dá)到要求。

圖3中的各種知識(shí)產(chǎn)權(quán)模塊都經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，相互配合良好。需要的結(jié)果是一種高度敏捷的儀器儀表子系統(tǒng)，可以采集多個(gè)計(jì)劃精確的采樣，并高效地將其交付給ARM的主存儲(chǔ)器。對(duì)于電機(jī)控制，相位繞組電流和其他測(cè)量值均可在PWM周期中的精確指定點(diǎn)進(jìn)行同步采樣。在此基礎(chǔ)上，采樣數(shù)據(jù)可以在不產(chǎn)生開銷的情況下高效地移至微控制器的存儲(chǔ)器以進(jìn)行處理。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，混合信號(hào)控制處理器中有5個(gè)不同的模塊需要協(xié)同工作。

圖3.電機(jī)控制系統(tǒng)功能框圖

周期開始時(shí)，發(fā)送一個(gè)PWM脈沖到觸發(fā)路由單元（TRU），后者負(fù)責(zé)將觸發(fā)主機(jī)連接至觸發(fā)從機(jī)。在本例中，PWM為觸發(fā)主機(jī)，ADC控制器（ADCC）定時(shí)器為觸發(fā)從機(jī)。ADCC需要具備管理大量事件的能力，并使用定時(shí)器（TMR0/TMR1）來跟蹤從PWM觸發(fā)到啟動(dòng)特定ADC事件所需時(shí)間。在定時(shí)器與特定事件相匹配的情況下，選擇的是ADC輸入多路復(fù)用（M0和M1）和通道（ADC0和ADC1）。接下來，將轉(zhuǎn)換開始信號(hào)發(fā)送至ADC.采樣數(shù)據(jù)從ADC移至ADCC，然后從ADCC通過DMA移至微控制器SRAM.

下面的圖4所示為PWM脈沖、PWM同步和ADCC所控制ADC事件之間的相對(duì)時(shí)序。

圖4.用ADC對(duì)5個(gè)不同電機(jī)控制變量進(jìn)行采樣的時(shí)序

對(duì)于面向電機(jī)控制的混合信號(hào)控制處理器設(shè)計(jì)，其在PWM、TRU、多路復(fù)用、緩沖、SAR ADC和DMA

方面有著良好的知識(shí)產(chǎn)權(quán)基礎(chǔ)。然而，為了在PWM周期中實(shí)現(xiàn)ADC采樣的精密時(shí)序，必須對(duì)這些模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行特別的改動(dòng)。ADCC模塊的必要性是有事實(shí)依據(jù)的，即其他知識(shí)產(chǎn)權(quán)模塊集成于單枚芯片中，它們之間需要協(xié)調(diào)。ADCC即專門針對(duì)這一要求而設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮了兩個(gè)ADC引擎的高速優(yōu)勢(shì)，這些ADC引擎的轉(zhuǎn)換時(shí)間快達(dá)380 ns.