高級(jí)電機(jī)控制系統(tǒng)提高

電機(jī)控制性能

電機(jī)在各種工業(yè)、汽車和商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，電機(jī)是由驅(qū)動(dòng)器控制，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)改變輸入功率來(lái)控制其轉(zhuǎn)矩、速度和位置。高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以提高效率，實(shí)現(xiàn)更快速、更精確的控制。本文將為您介紹現(xiàn)代的電機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)，以及由ADI推出的多款電機(jī)控制相關(guān)解決方案。

采用多芯片架構(gòu)的智能現(xiàn)代

電機(jī)控制系統(tǒng)

隨著科技的進(jìn)步，電機(jī)控制系統(tǒng)朝向更智能、更高效的方向發(fā)展。高級(jí)電機(jī)控制系統(tǒng)集控制算法、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和用戶接口于一體，因此需要更多處理能力來(lái)實(shí)時(shí)執(zhí)行所有任務(wù)?，F(xiàn)代電機(jī)控制系統(tǒng)通常利用多芯片架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）執(zhí)行電機(jī)控制算法，FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列）實(shí)現(xiàn)高速I/O和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，微處理器則處理執(zhí)行控制。

隨著片上系統(tǒng)（SoC）的出現(xiàn)，例如集CPU的靈活性與FPGA的處理能力于一體的Xilinx Zynq All Programmable SoC，設(shè)計(jì)人員終于能夠?qū)㈦姍C(jī)控制功能和其他處理任務(wù)納入單個(gè)器件中。控制算法、網(wǎng)絡(luò)和其他處理密集型任務(wù)被分流到可編程邏輯，而管理控制、系統(tǒng)監(jiān)控與診斷、用戶接口以及調(diào)試則由處理單元處理。可編程邏輯可以包含多個(gè)并行工作的控制內(nèi)核，以實(shí)現(xiàn)多軸機(jī)器或多重控制系統(tǒng)。

近年來(lái)，在MathWorks Simulink等軟件建模與仿真工具的推動(dòng)下，基于模型的設(shè)計(jì)已發(fā)展成為完整的設(shè)計(jì)流程——從模型創(chuàng)建到實(shí)現(xiàn)?；谀Ｐ偷脑O(shè)計(jì)改變了工程師和科學(xué)家的工作方式，把設(shè)計(jì)任務(wù)從實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)移到桌面?，F(xiàn)在，包括工廠和控制器在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)都可以建模，工程師可以先調(diào)整好控制器的行為，再將其部署到現(xiàn)場(chǎng)。這樣就能降低受損風(fēng)險(xiǎn)，加速系統(tǒng)集成，減少對(duì)設(shè)備供貨的依賴。一旦完成控制模型，Simulink環(huán)境便可將其自動(dòng)轉(zhuǎn)換為由控制系統(tǒng)運(yùn)行的C和HDL代碼，節(jié)省時(shí)間并避免人工編程錯(cuò)誤。

一個(gè)可實(shí)現(xiàn)更高電機(jī)控制性能的完整開發(fā)環(huán)境，則是利用Xilinx Zynq SoC實(shí)現(xiàn)控制器，MathWorks Simulink用于進(jìn)行基于模型的設(shè)計(jì)和自動(dòng)生成代碼，ADI公司的智能驅(qū)動(dòng)器套件用于快速開發(fā)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原型。

全面執(zhí)行控制、通信和用戶接口任務(wù)的

高級(jí)電機(jī)控制系統(tǒng)

高級(jí)電機(jī)控制系統(tǒng)必須全面執(zhí)行控制、通信和用戶接口任務(wù)，每種任務(wù)都有不同的處理帶寬要求和實(shí)時(shí)約束。為了實(shí)現(xiàn)這樣的控制系統(tǒng)，所選的硬件平臺(tái)必須穩(wěn)固且可擴(kuò)展，以便為將來(lái)的系統(tǒng)改進(jìn)和擴(kuò)張創(chuàng)造條件。Zynq All Programmable SoC集高性能處理系統(tǒng)與可編程邏輯于一體，可提供出色的并行處理能力、實(shí)時(shí)性能、快速計(jì)算和靈活的連接。該SoC集成了兩個(gè)Xilinx模數(shù)轉(zhuǎn)換器（XADC），用于監(jiān)控系統(tǒng)或外部模擬傳感器。

Simulink則是一種支持多域仿真和基于模型設(shè)計(jì)的框圖環(huán)境，非常適合對(duì)包括控制算法和工廠模型的系統(tǒng)進(jìn)行仿真。為了實(shí)現(xiàn)精確定位等目的，電機(jī)控制算法會(huì)調(diào)節(jié)速度、轉(zhuǎn)矩和其他參數(shù)。利用仿真評(píng)估控制算法可以有效地確定電機(jī)控制設(shè)計(jì)是否合適，判斷其合適后再進(jìn)行昂貴的硬件測(cè)試，從而減少算法開發(fā)的時(shí)間和成本。

選擇合適的原型開發(fā)硬件是設(shè)計(jì)過(guò)程的一個(gè)主要步驟，可利用ADI公司智能驅(qū)動(dòng)器套件快速完成原型開發(fā)。ADI公司的智能驅(qū)動(dòng)器套件支持快速、高效的原型開發(fā)。最新一代高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字隔離相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)高性能電機(jī)控制和雙通道千兆以太網(wǎng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接。

ADI公司智能驅(qū)動(dòng)器套件帶有一套Simulink控制器模型、完整的Xilinx Vivado框架和ADI Linux基礎(chǔ)架構(gòu)，便于用戶完成電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的全部步驟——從仿真開始，經(jīng)過(guò)原型開發(fā)，最終在生產(chǎn)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。

ADI公司為智能驅(qū)動(dòng)器套件提供的Linux軟件和HDL基礎(chǔ)架構(gòu)，連同MathWorks和Xilinx提供的工具，非常適合開發(fā)電機(jī)控制應(yīng)用原型。它們還包含適用于生產(chǎn)的組件，可將其集成到最終控制系統(tǒng)中，從而減少?gòu)母拍畹缴a(chǎn)所需的時(shí)間和成本。

支持電機(jī)控制應(yīng)用的調(diào)制器與差動(dòng)放大器

ADI針對(duì)電機(jī)控制應(yīng)用，推出多款調(diào)制器、差動(dòng)放大器、儀表放大器與運(yùn)算放大器解決方案。

AD7401是一款二階Σ-Δ調(diào)制器，采用ADI公司的片內(nèi)數(shù)字隔離iCoupler技術(shù)，能將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為高速的1比特的數(shù)據(jù)流。AD7401采用5V電源供電，可輸入±200 mV的差分信號(hào)（滿量程±320 mV）。模擬調(diào)制器對(duì)模擬輸入信號(hào)連續(xù)采樣，因而無(wú)需外部采樣保持電路。輸入信息包含在數(shù)據(jù)率最高為20 MHz的輸出流中，通過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)字濾波器可重構(gòu)原始信息。串行I/O可采用5 V或3 V電源供電（VDD2）。

串行接口采用數(shù)字式隔離，通過(guò)將高速CMOS工藝和單片空芯變壓器技術(shù)結(jié)合在一起，較之傳統(tǒng)光耦合器等其它組件來(lái)說(shuō)，片內(nèi)隔離能提供更加優(yōu)異的工作特性。該器件內(nèi)置片內(nèi)基準(zhǔn)電壓，此外ADI還提供采用內(nèi)部時(shí)鐘的產(chǎn)品——AD7400。AD7401可應(yīng)用于交流電機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與可替代ADC加光隔離器的方案。

AD8207則是一款單電源差動(dòng)放大器，非常適合在大共模電壓情況下放大小差分電壓。采用5 V電源時(shí)，輸入共模電壓范圍為?4 V至+65 V。AD8207采用3.3 V至5 V單電源供電，非常適合承受電磁閥和電機(jī)控制等應(yīng)用中常見的大輸入PWM共模電壓。

AD8207采用8引腳SOIC封裝，相對(duì)于溫度的出色直流性能使測(cè)量環(huán)路誤差保持較小。失調(diào)漂移典型值小于500 nV/℃，增益漂移典型值低于10 ppm/℃。AD8207非常適合雙向電流檢測(cè)應(yīng)用。它具有兩個(gè)基準(zhǔn)引腳VREF1和VREF2，允許用戶將器件的輸出輕松偏置到電源電壓范圍內(nèi)的任何電壓。當(dāng)VREF1與V+引腳相連、VREF2與GND引腳相連時(shí)，輸出設(shè)置為半量程。將兩個(gè)基準(zhǔn)引腳與GND相連，可提供從地電壓附近開始的單極性輸出。將兩個(gè)基準(zhǔn)引腳與V+相連可提供從V+附近開始的單極性輸出。將外部低阻抗電壓施加于VREF1和VREF2引腳可實(shí)現(xiàn)其它輸出偏移。

低噪聲和低失真的儀表放大器

與運(yùn)算放大器

AD8251則是一款具有數(shù)字式可編程增益的儀表放大器，擁有GΩ級(jí)輸入阻抗、低輸出噪聲和低失真等特性，因此適合用來(lái)與傳感器接口及驅(qū)動(dòng)高采樣速率模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。它擁有10 MHz帶寬、?110 dB的低總諧波失真（THD），以及達(dá)到0.001%精度時(shí)785 ns的快速建立時(shí)間（最大值）。保證的失調(diào)漂移和增益漂移分別為1.8 μV/°C和10 ppm/°C（G = 8）。

除了輸入共模電壓范圍很寬之外，該器件還擁有80 dB的高共模抑制能力（G = 1，直流至50 kHz）。精密直流性能與高速能力的結(jié)合則使AD8251成為數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的絕佳選擇。此外，這款單芯片解決方案簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)與制造，并可通過(guò)內(nèi)部電阻與放大器的嚴(yán)格匹配來(lái)提高儀器儀表的性能。

AD8251用戶接口包含一個(gè)并行端口，用戶可以采用以下兩種不同的方式設(shè)置增益。一種方式是用WR輸入鎖存通過(guò)總線發(fā)送的2比特字。另一種方式是用透明增益模式，在這一模式下，由增益端口處的邏輯電平狀態(tài)決定增益。

AD8251采用10引腳MSOP封裝，額定溫度范圍為?40°C至+85°C，特別適合對(duì)尺寸和封裝密度有嚴(yán)格要求的應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)采集、生物醫(yī)學(xué)分析，以及測(cè)試和測(cè)量。

AD8646是一款24 MHZ軌到軌雙通道運(yùn)算放大器，此外還有AD8647和AD8648是雙通道和四通道、軌到軌輸入和輸出、單電源放大器，具有低失調(diào)電壓、寬信號(hào)帶寬、低輸入電壓和低電流噪聲等特性，AD8647還具有低功耗關(guān)斷功能。

AD8646系列具有24 MHz帶寬、低失調(diào)、低噪聲和極低的輸入偏置電流特性相結(jié)合，使這些放大器適合各種應(yīng)用。濾波器、積分器、光電二極管放大器和高阻抗傳感器等器件均可受益于這些特性組合，寬帶寬和低失真特性則有益于交流應(yīng)用。AD8646/AD8647/AD8648均具有高輸出驅(qū)動(dòng)能力，是音頻線路驅(qū)動(dòng)器和其它低阻抗應(yīng)用的理想選擇，AD8646和AD8648則可以用于汽車應(yīng)用。

AD8646系列具有軌到軌輸入與輸出擺幅能力，因而設(shè)計(jì)人員可以在單電源系統(tǒng)中緩沖CMOS ADC、DAC、ASIC及其它寬輸出擺幅器件。

ADA4084-2（雙通道）則是一款30 V、低噪聲、軌到軌I/O、低功耗運(yùn)算放大器，此外還有ADA4084-1（單通道）和ADA4084-4（四通道），它們的額定溫度范圍為?40℃至+125℃工業(yè)溫度范圍。單通道ADA4084-1采用5引腳SOT-23和8引腳SOIC封裝；雙通道ADA4084-2采用8引腳SOIC、8引腳MSOP和8引腳LFCSP表貼封裝；ADA4084-4采用14引腳TSSOP和16引腳LFCSP封裝。

ADA4084-2支持軌到軌輸入／輸出，具有0.625 mA（±15 V，每放大器典型值）的低功耗，增益帶寬積為15.9 MHz（AV =100，典型值），單位增益交越頻率則為9.9 MHz（典型值），支持在?3 dB閉環(huán)帶寬時(shí)為13.9 MHz（±15 V，典型值），擁有100 μV（SOIC，最大值）的低失調(diào)電壓，單位增益穩(wěn)定，其具有4.6 V/μs（典型值）的高壓擺率與3.9 nV/√Hz（1 kHz，典型值）的低噪聲。

結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)合了FPGA、MathWorks、Xilinx和ADI公司的工具和系統(tǒng)，將可幫助實(shí)現(xiàn)更高效、更精確的電機(jī)控制解決方案。通過(guò)將MathWorks基于模型的設(shè)計(jì)和自動(dòng)生成代碼工具與強(qiáng)大的Xilinx Zynq SoC、ADI公司的隔離、功率、信號(hào)調(diào)理和測(cè)量解決方案相結(jié)合，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、測(cè)試和實(shí)現(xiàn)可以比以前更有效率，進(jìn)而提高電機(jī)控制性能并縮短上市時(shí)間。ADI公司智能驅(qū)動(dòng)器套件可提供出色的原型開發(fā)環(huán)境，以加快系統(tǒng)的評(píng)估，并且?guī)椭焖賳?dòng)電機(jī)控制項(xiàng)目，值得有興趣的客戶進(jìn)一步深入了解。

審核編輯：黃飛