适用于运动控制应用的强大设计工具

Finbarr Moynihan， Paul Kettle， Aengus Murray， and Tom Howe

消费电子、家电、工业和汽车市场对电机控制复杂解决方案的需求不断增加。根据应用的不同，使用多种电机类型;最常见的包括交流感应电机、永磁同步电机、无刷直流电机和开关磁阻电机等较新的设计。事实上，许多以前由恒速、电源供电感应电机主导的应用，现在需要复杂的变速控制。在某些应用中，例如压缩机、风扇和泵，立法和消费者对更高运行效率的需求推动了这种对复杂性的提高需求。在其他地方，过程控制、机器人和机床中的高性能应用需要可变速度和更高的精度，只有通过使用复杂的控制算法才能实现。

为这些运动控制系统实时实施复杂控制算法的关键是功能强大的数字信号处理器 （DSP） 的出现。 即使在要求不高但对成本敏感的应用中，例如家用冰箱压缩机驱动器，也可以利用 DSP 的强大功能来实现无传感器控制算法，从而降低系统成本并提高驱动器的整体鲁棒性。在高性能伺服驱动器中，DSP 强大的计算能力允许通过矢量控制、纹波转矩降低、预测控制结构和对非理想系统行为的补偿实现更精确的控制。

除了强大的DSP内核外，所有电机控制系统都需要大量附加电路才能正确运行，包括以下功能：

电流或电压反馈的模数转换

脉宽调制 （PWM） 模块，用于生成逆变器开关命令

用于更高性能应用的位置传感器接口

用于主机通信的串行端口

通用数字输入/输出端口。

ADI公司现在提供一系列基于DSP的单芯片电机控制解决方案，将这些外设功能与高性能DSP内核和所需存储器集成在一起。本文介绍两种器件：ADMC330†，专为满足中低性能动态要求而设计，ADMC300†扩展了单芯片功能以控制高性能伺服驱动器。

ADMC330 基于 DSP 的单芯片电机控制器（见图 1）：ADMC330 在单个芯片上集成了 20 MIPS DSP 内核、2K 字程序存储器 RAM、2K 字程序存储器 ROM、1K字数据存储器 RAM、2 个串行端口和各种电机控制外设。DSP内核类似于16位定点ADSP-2171中使用的内核。电机控制外设包括 7 个模拟输入和一个基于比较器的 ADC 子系统，每个 PWM 周期允许 4 次转换。此外，先进的 3 相 12 位 PWM 系统能够以最小的处理器开销生成所有必要的逆变器开关信号，定时在 100 ns 以内。这些PWM信号的死区时间可以在处理器中调整，因此不需要外部逻辑。PWM 单元包括用于无刷直流电机或电子换向电机的特殊模式，其中三个电机相位中只有两个同时导通。此外，ADMC330还包括8条数字I/O线、一个看门狗定时器、一个通用16位定时器和两个辅助PWM输出。

图1.ADMC330是基于DSP的单芯片电机控制器。

ADMC300 基于 DSP 的单芯片伺服电机控制器（图 2）：用于机器人和机床的高性能伺服驱动器需要高分辨率 ADC 和位置传感器接口来满足苛刻的性能要求。ADMC300通过基于单芯片DSP的解决方案满足了这些应用的需求。ADMC300的附加功能适用于要求更高的应用，包括针对25 MIPS性能增强的DSP内核。此外，程序内存RAM已翻倍至4K字。通过包括五个独立的Σ-Δ型ADC，提供12位分辨率，可以满足对多通道、高分辨率ADC的需求。通过提供三条外部多路复用器控制线，可以扩展模拟信号。此外，ADMC300还通过编码器接口实现位置检测，可轻松连接到增量编码器。

图2.ADMC300 基于 DSP 的单芯片伺服电机控制器。

开发工具：由于软件是使用数字设备的关键，因此强大的处理能力需要同样强大的开发系统，以便在实际应用中使用这些复杂的电机控制器。两款处理器均配备全套硬件和软件开发工具，可实现快速原型开发和实际系统评估。在ADMC300和ADMC330中，程序存储器ROM模块通过监控器/调试器功能进行预编程，允许访问处理器的内部寄存器和存储器。为了加快程序开发速度，ROM代码还包含一个有用的数学和电机控制实用程序库，可以从用户代码调用这些实用程序。

每种类型都有单独的代码开发评估板。这些评估板包含与处理器许多外设功能的简单接口，因此该板可以轻松集成到最终目标开发系统中。每个评估板包含一个UART接口，可用于将DSP控制器连接到基于Windows的运动控制调试器程序。调试器程序允许开发人员将代码下载到 DSP，并监视或修改程序存储器、数据存储器、DSP 寄存器和外设寄存器的内容。此外，还可以从 Windows 菜单中选择一系列调试工具（包括断点、单步和连续运行操作）。图330所示的ADMC3调试器示例屏幕说明了调试器的许多特性。还包括其他软件工具，例如汇编程序、链接器和 PROM 编程器。对于独立操作，评估板还可以使用外部存储器加载引导程序。

图3.ADMC330运动控制调试器的示例输出屏幕。

先进的战俘红外列车™：为了开发真正的电机控制解决方案，DSP的计算能力必须与合适的电力电子转换器相结合，该转换器产生所需的电压来驱动电机以响应控制命令（并且可以提供必要的电流）。先进的PowIR列车板代表了现实世界电机控制系统开发系统的新起点。该板将ADI公司基于DSP的高性能电机控制器与适当的国际整流器[www.irf.com] PowIR列车*集成电源模块集成;它提供了所有必要的电路，允许为各种应用开发电机控制算法。使用插入式可互换处理器模块，用户可以选择适合应用的控制级别。

借助ADMC330处理器模块，该板可用于开发无刷直流电机的无传感器控制算法，适用于压缩机和洗衣机等应用。此外，交流感应电机的简单矢量控制策略可以针对泵或风扇应用进行编程。如果需要更高的性能水平，可以改为安装ADMC300处理器模块，以实现感应电机的开环和闭环矢量控制，适用于通用变速驱动器、造纸和纺织机械以及输送机等应用。借助ADMC300处理器模块，AD先进的PowIR系列适用于开发使用感应电机、无刷直流电机或永磁同步电机的高性能伺服控制器。

先进的PowIR列车板集成了以下功能：

来自国际整流器的集成电源模块。先进的 PowIR列车板包括一个能够驱动 1 马力三相电机的电源模块。该模块集成了一个三相二极管桥，可用于整流 50/60 Hz 三相电源。电源模块还包括一个基于IGBT的三相逆变器，可以直接连接到三相电机。

可互换的处理器模块，以便为您的应用使用适当的基于DSP的电机控制器。

基于 Windows 的程序开发环境（运动控制调试器）的 UART 接口

所有必需的栅极驱动电路。该板获取处理器模块产生的PWM信号，并将其直接馈送到国际整流器IR2132栅极驱动电路，该电路为逆变器中的三个低边和三高边开关提供适当的驱动信号。

保护电路。先进的PowIR系列可在发生过压、过流、过热或接地故障的情况下自动关闭功率级。传递到基于DSP的控制器的故障信号也可以用于合适的中断服务例程。

传感器电路。先进的PowIR列车板包括所有必要的电压和电流检测，以实现各种控制结构。

审核编辑：郭婷