适用于运动控制应用的基于DSP的单芯片电机控制解决方案

简介

消费者，家电，工业和汽车市场对电机控制的复杂解决方案的需求不断增加。根据应用的不同，有多种电机正在使用中;最常见的包括交流感应电动机，永磁同步电动机，无刷直流电动机和开关磁阻电动机等较新的设计。实际上，许多以前由恒速主电源感应电机主导的应用现在需要变速控制的复杂性。在某些应用中，例如压缩机，风扇和泵，这种对复杂性的需求是由立法和消费者对更高运行效率的需求所驱动的。在其他地方，过程控制，机器人和机床中的高性能应用需要变速和提高精度，只有通过使用复杂的控制算法才能实现。

实时实施复杂控制算法的关键这些运动控制系统已经成为功能强大的数字信号处理器（DSP）的出现。*即使在要求较低但成本敏感的应用中，例如家用冰箱压缩机驱动器，也可以利用DSP的功能来实现无传感器控制算法，可降低系统成本并提高驱动器的整体稳健性。在高性能伺服驱动器中，DSP的强大计算能力允许通过矢量控制，纹波转矩降低，预测控制结构以及对非理想系统行为的补偿进行更精确的控制。

除了强大的DSP核心，所有电机控制系统都需要大量附加电路才能正常工作，包括以下功能：

电流或电压反馈的模数转换

用于生成逆变器切换命令的脉冲宽度调制（PWM）模块

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内核和所需内存集成在一起。这里介绍两种器件：ADMC330†，专为满足中低性能动态要求而设计，以及ADMC300†，它扩展了单芯片功能，可控制高性能伺服驱动器。

ADMC330单芯片基于DSP的电机控制器（见图1）：ADMC330集成了一个20 MIPS DSP内核，2Kword程序存储器RAM，2Kword程序存储器ROM，1Kword数据存储器RAM，2个串行端口和各种电机控制外围设备在一个芯片上。 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，精密的3相12位PWM系统可以生成所有必要的逆变器开关信号，时间在100 ns以内，并且处理器开销最小。可以在处理器中调整这些PWM信号的死区时间，从而不需要外部逻辑。 PWM单元包括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，一个通用的16位定时器和两个辅助PWM输出。

基于ADMC300单芯片DSP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，以满足苛刻的性能要求。 ADMC300针对这些应用，在基于DSP的单芯片解决方案中满足了这些需求。 ADMC300的额外功能适用于要求更高的应用，包括增强的DSP内核，可实现25 MIPS的性能。此外，程序存储器RAM已翻倍至4K字。通过包括五个提供12位分辨率的独立sigma-delta ADC，满足了对多通道，高分辨率ADC的需求。通过提供三个外部多路复用器控制线，可以实现模拟信号扩展。此外，ADMC300通过编码器接口实现位置检测，可轻松连接增量编码器。

开发工具：由于软件是使用的关键对于数字设备而言，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。两款处理器都配备了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模块都预编程了监视器/调试器功能，可以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，可以从用户代码中调用。

每种类型都有一个单独的代码开发评估板。这些评估板包含与处理器的许多外围功能的简单接口，因此可以将电路板轻松集成到最终目标开发系统中。每个评估板都包含一个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，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3中显示的ADMC330调试器的示例屏幕说明了调试器的许多功能。还包括其他软件工具，如汇编程序，链接程序和PROM程序员。对于独立操作，评估板也可以使用外部存储器来加载引导程序。

ADvanced Pow IR train ™：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源相结合 - 电子转换器，其响应于控制命令产生驱动电动机所需的电压（并且可以提供必要的电流）。 ADvanced Pow IR 列车板代表了现实世界电机控制系统开发系统的新发展。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] Pow IR 列车*集成电源模块集成在一起;它提供了所有必要的电路，可以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。

使用ADMC330处理器模块，该板可用于为应用开发无刷直流电机的无传感器控制算法如压缩机和洗衣机。此外，可以为泵或风扇应用编程用于交流感应电动机的简单矢量控制策略。如果需要更高的性能水平，可以安装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，纸张和纺织机器以及输送机等应用。使用ADMC300处理器模块，ADvanced Pow IR 系列适用于使用感应电机，无刷直流电机或永磁同步电机开发高性能伺服控制器。

ADvanced Pow IR 列车板集成了以下功能：

International Rectifier的集成电源模块。 ADvanced Pow IR 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三相IGBT逆变器，可以直接连接到三相电机。

可互换处理器模块，以便相应的基于DSP的电机控制器可用于您的应用程序。

UART接口到基于Windows的程序开发环境，运动控制调试器

所有必需的栅极驱动电路。电路板接收处理器模块产生的PWM信号，并将它们直接馈送到国际整流器IR2132门驱动电路，该电路为逆变器中的三个低侧和三侧开关提供适当的驱动信号。

保护电路。 ADvanced Pow IR 系列可在发生过压，过流，过热或接地故障时自动关闭功率级。传递给基于DSP的控制器的故障信号也可用于合适的中断服务程序。

传感器电路。 ADvanced Pow IR 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。