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

消費電子、家電、工業和汽車市場對電機控制復雜解決方案的需求不斷增加。根據應用的不同，使用多種電機類型;最常見的包括交流感應電機、永磁同步電機、無刷直流電機和開關磁阻電機等較新的設計。事實上，許多以前由恒速、電源供電感應電機主導的應用，現在需要復雜的變速控制。在某些應用中，例如壓縮機、風扇和泵，立法和消費者對更高運行效率的需求推動了這種對復雜性的提高需求。在其他地方，過程控制、機器人和機床中的高性能應用需要可變速度和更高的精度，只有通過使用復雜的控制算法才能實現。

為這些運動控制系統實時實施復雜控制算法的關鍵是功能強大的數字信號處理器 （DSP） 的出現。 即使在要求不高但對成本敏感的應用中，例如家用冰箱壓縮機驅動器，也可以利用 DSP 的強大功能來實現無傳感器控制算法，從而降低系統成本并提高驅動器的整體魯棒性。在高性能伺服驅動器中，DSP 強大的計算能力允許通過矢量控制、紋波轉矩降低、預測控制結構和對非理想系統行為的補償實現更精確的控制。

除了強大的DSP內核外，所有電機控制系統都需要大量附加電路才能正確運行，包括以下功能：

電流或電壓反饋的模數轉換

脈寬調制 （PWM） 模塊，用于生成逆變器開關命令

用于更高性能應用的位置傳感器接口

用于主機通信的串行端口

通用數字輸入/輸出端口。

ADI公司現在提供一系列基于DSP的單芯片電機控制解決方案，將這些外設功能與高性能DSP內核和所需存儲器集成在一起。本文介紹兩種器件：ADMC330?，專為滿足中低性能動態要求而設計，ADMC300?擴展了單芯片功能以控制高性能伺服驅動器。

ADMC330 基于 DSP 的單芯片電機控制器（見圖 1）：ADMC330 在單個芯片上集成了 20 MIPS DSP 內核、2K 字程序存儲器 RAM、2K 字程序存儲器 ROM、1K字數據存儲器 RAM、2 個串行端口和各種電機控制外設。DSP內核類似于16位定點ADSP-2171中使用的內核。電機控制外設包括 7 個模擬輸入和一個基于比較器的 ADC 子系統，每個 PWM 周期允許 4 次轉換。此外，先進的 3 相 12 位 PWM 系統能夠以最小的處理器開銷生成所有必要的逆變器開關信號，定時在 100 ns 以內。這些PWM信號的死區時間可以在處理器中調整，因此不需要外部邏輯。PWM 單元包括用于無刷直流電機或電子換向電機的特殊模式，其中三個電機相位中只有兩個同時導通。此外，ADMC330還包括8條數字I/O線、一個看門狗定時器、一個通用16位定時器和兩個輔助PWM輸出。

圖1.ADMC330是基于DSP的單芯片電機控制器。

ADMC300 基于 DSP 的單芯片伺服電機控制器（圖 2）：用于機器人和機床的高性能伺服驅動器需要高分辨率 ADC 和位置傳感器接口來滿足苛刻的性能要求。ADMC300通過基于單芯片DSP的解決方案滿足了這些應用的需求。ADMC300的附加功能適用于要求更高的應用，包括針對25 MIPS性能增強的DSP內核。此外，程序內存RAM已翻倍至4K字。通過包括五個獨立的Σ-Δ型ADC，提供12位分辨率，可以滿足對多通道、高分辨率ADC的需求。通過提供三條外部多路復用器控制線，可以擴展模擬信號。此外，ADMC300還通過編碼器接口實現位置檢測，可輕松連接到增量編碼器。

圖2.ADMC300 基于 DSP 的單芯片伺服電機控制器。

開發工具：由于軟件是使用數字設備的關鍵，因此強大的處理能力需要同樣強大的開發系統，以便在實際應用中使用這些復雜的電機控制器。兩款處理器均配備全套硬件和軟件開發工具，可實現快速原型開發和實際系統評估。在ADMC300和ADMC330中，程序存儲器ROM模塊通過監控器/調試器功能進行預編程，允許訪問處理器的內部寄存器和存儲器。為了加快程序開發速度，ROM代碼還包含一個有用的數學和電機控制實用程序庫，可以從用戶代碼調用這些實用程序。

每種類型都有單獨的代碼開發評估板。這些評估板包含與處理器許多外設功能的簡單接口，因此該板可以輕松集成到最終目標開發系統中。每個評估板包含一個UART接口，可用于將DSP控制器連接到基于Windows的運動控制調試器程序。調試器程序允許開發人員將代碼下載到 DSP，并監視或修改程序存儲器、數據存儲器、DSP 寄存器和外設寄存器的內容。此外，還可以從 Windows 菜單中選擇一系列調試工具（包括斷點、單步和連續運行操作）。圖330所示的ADMC3調試器示例屏幕說明了調試器的許多特性。還包括其他軟件工具，例如匯編程序、鏈接器和 PROM 編程器。對于獨立操作，評估板還可以使用外部存儲器加載引導程序。

圖3.ADMC330運動控制調試器的示例輸出屏幕。

先進的戰俘紅外列車?：為了開發真正的電機控制解決方案，DSP的計算能力必須與合適的電力電子轉換器相結合，該轉換器產生所需的電壓來驅動電機以響應控制命令（并且可以提供必要的電流）。先進的PowIR列車板代表了現實世界電機控制系統開發系統的新起點。該板將ADI公司基于DSP的高性能電機控制器與適當的國際整流器[www.irf.com] PowIR列車*集成電源模塊集成;它提供了所有必要的電路，允許為各種應用開發電機控制算法。使用插入式可互換處理器模塊，用戶可以選擇適合應用的控制級別。

借助ADMC330處理器模塊，該板可用于開發無刷直流電機的無傳感器控制算法，適用于壓縮機和洗衣機等應用。此外，交流感應電機的簡單矢量控制策略可以針對泵或風扇應用進行編程。如果需要更高的性能水平，可以改為安裝ADMC300處理器模塊，以實現感應電機的開環和閉環矢量控制，適用于通用變速驅動器、造紙和紡織機械以及輸送機等應用。借助ADMC300處理器模塊，AD先進的PowIR系列適用于開發使用感應電機、無刷直流電機或永磁同步電機的高性能伺服控制器。

先進的PowIR列車板集成了以下功能：

來自國際整流器的集成電源模塊。先進的 PowIR列車板包括一個能夠驅動 1 馬力三相電機的電源模塊。該模塊集成了一個三相二極管橋，可用于整流 50/60 Hz 三相電源。電源模塊還包括一個基于IGBT的三相逆變器，可以直接連接到三相電機。

可互換的處理器模塊，以便為您的應用使用適當的基于DSP的電機控制器。

基于 Windows 的程序開發環境（運動控制調試器）的 UART 接口

所有必需的柵極驅動電路。該板獲取處理器模塊產生的PWM信號，并將其直接饋送到國際整流器IR2132柵極驅動電路，該電路為逆變器中的三個低邊和三高邊開關提供適當的驅動信號。

保護電路。先進的PowIR系列可在發生過壓、過流、過熱或接地故障的情況下自動關閉功率級。傳遞到基于DSP的控制器的故障信號也可以用于合適的中斷服務例程。

傳感器電路。先進的PowIR列車板包括所有必要的電壓和電流檢測，以實現各種控制結構。

審核編輯：郭婷