| 基于DSP的马达控制系统 |
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| 作者：Daniel B. Jones 来源：本站原创 点击数：522 更新时间：2007-2-9 |
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先进的马达控制系统可实现马达与硅芯片技术以及软件的高度集成，以便在提升性能的同时显著节约成本。先进控制器采用的高级技术可提高性能与马达驱动的工作 特性。基于数字信号处理器 (DSP) 的新型可编程数字控制器为马达控制系统工程师提供了必要的工具，能够满足当前不断提高的运动控制系统要求。设计人 员可充分发挥 DSP 自身的创新功能，包括可编程性、强大的计算功能以及实时控制功能等。
电动马达——应用驱动器
电动马达的年产量高达数千万，广泛用于诸如电气设备、汽车、办公、仪表以及厂房等各种领域。越来越多的马达开始采用控制技术，以能够针对目标应用实现最佳 性能，并尽可能降低功耗。此外，广大消费者与相关政府法规也都要求马达运行比以前更安静、更安全。变速驱动控制 (VSD) 与位置控制这两大类型的运动 控制系统都在向更先进的数控方向发展，以便进一步提升性能。
图一
电子控制策略方面的提高
控制电动马达即意味着控制电源输入，即电压或电流，此外还要控制以扭矩形式输出的机械力与运行速度。如果将时间响应与应用机械负载的变化纳入考虑范围，上 述四大性能参数还会实现更重要的特性。例如，基于传统微控制器 (MCU) 的驱动技术针对三相机械可实现简单的输入电压梯形控制，尽管该控制相当直接方 便，但效率与性能却不高。正弦电流控制能够提高马达的整体扭矩与功率驱动性能，但其在马达速度较高与瞬态负载状态下却有一定的性能局限性。
不过，DSP 的出现为马达控制设计人员提供了实施最佳控制策略的机遇。举例来说，磁场定向控制（FOC，有时也称作矢量控制）的工作模式是调节定子电 流，使定子磁通量与转子磁通量之间的相位角保持在 90 电角度左右。FOC 并不是独立控制马达定子的 3 相，而是采用克拉克 (Clark) 与派 克 (Park) 变换将各相映射于统一的转子参考矢量。该技术使控制系统能够根据动态应用负载的变化实现最大扭矩。该算法要求了解转子位置，以执行旋转 变换。我们可用位置传感器来测量转子位置，也可采用无传感器的转子位置估计算法来模拟转子位置。有关应用要求将决定选择何种技术。
FOC 的其他因素还包括速度估算、控制马达电流与扭矩以及估测转子位置等。这些 FOC 技术能够实现最高的电源效率以及最低的 EMI 噪声。不过，采用这种 FOC 算法要求进行高强度计算，因而需要 DSP 这种功能强大的数字计算处理器。
变速驱动
VSD 通常采用无传感器矢量磁场定向控制，不仅省去了感应器的成本，而且还消除了它们在可靠性方面的负面影响。无传感器算法是实现低成本闭环速度控制的 重要组成部分。无传感器控制采用马达的反 EMF 信号来生成转子位置信息，以取代基于较昂贵的传感器的控制法。
目前，电子设备与汽车产业越来越多地采用的 DSP，但这两种行业均奉行以更低成本实现更高性能的理念。近期推出的 DSP 控制器能帮助设计人员满足严 格的性能要求与成本目标。以采用德州仪器 (TI) TMS320C24x™ 数字信号控制器的洗衣机控制器为例，洗衣机的主驱动马达与辅助泵马达以及螺 线管均由同一个 DSP 控制器控制。变速 FOC 驱动既实现了高效率，又能够严密控制电流与扭矩，从而满足性能要求，同时还能增加功率因数校正功能， 并降低功率调节与前端过滤成本，从而可以充分满足严格的规定。
工业伺服系统
伺服定位系统用于机器人、包装机、元件摘嵌机 (pick and place machine) 以及其他精密机械中。这些应用都要求传感器提供精确的 高分辨率反馈。伺服应用还应实现讯速加速／减速以及精确定位、速度描述等功能。采用 FOC，就能实现线性扭矩调节、降低扭矩纹波、减少速度抖动以及机械 共振。就这种类型的应用来说，通常采用 32 位或更高分辨率实施控制算法。TI TMS320C28x™ 等处理器能够使多种伺服系统实现 32 位分 辨率，既适应对价格敏感型驱动设备，又适合高速度的高性能超高精度系统，因而能高效实施 32 位算法。在 16 位机械上采用 32 位算法效率很低， 通常会降低 4 到 10 个分值。
系统集成
基于专用马达控制 DSP 的先进控制器（如 TI 的 32 位 150-MIPS TMS320F2812 数字信号控制器）设计时在芯片上集成了关 键的马达控制外设，如片上闪存、模数转换器 (ADC)、脉宽调制 (PWM) 输出和 CAN 总线控制器等。上述外设在设计时还加入了马达控制方面的 特性，如双通道采样和 ADC 保持等，从而能够使系统设计人员尽可能减少外部组件数。
软件工具
控制软件的设计与实施是马达驱动设计工作中的关键部分。软件技术和硅芯片架构发展到一定的水平后，大多数设计已无需用汇编语言进行编程（这项工作通常需要 花费大量时间）。极其有效的 C 编译程序使开发人员能够创建压缩的目标代码，并可让软件工具来完成优化工作，这样他们就能集中精力进行创新工作，而不用 在软件设计上花费大量的时间。
为进一步加速软件设计工作，马达控制设计人员现在可访问马达专用的软件配套产品库。该软件库可从因特网上免费下载，适用于多种电动马达，并能同时满足传感 器控制系统和无传感器控制系统的需求。在为实施特定系统功能而进行的软件开发过程中，先进的集成开发环境 (IDE) 有助于我们快速而便捷地完成软件编 程。实时调试等先进功能使马达控制 DSP 能全速运行，同时调试环境还能通过 JTAG 端口收集数据，从而增强了目标处理器的可视性。
马达控制中的 MCU 与 DSP
图 1 显示了伺服系统的硬件分区功能结构图。高性能伺服系统通常将各种功能分由两个微控制器 (MCU) 来完成：一是核心伺服功能（涉及电流、速度和 位置环路），二是负责运动描述和主机通信的 MCU。如果采用单处理器的实施方案，那就需要对控制算法进行一定的折中，以释放出足够的 MCU 带宽来实 现所有功能。如果我们采用数字计算功能强大的单个控制器，可将这两种功能轻松集成（如图2），从而减小解决方案的尺寸、成本以及复杂度。系统性能的改善体 现为转矩纹波的减少、系统响应的加快、带宽的提高以及 EMI 的降低等。MCU 与 DSP（售价在 2 至 15 美元之间）之间的成本差异不大，这 比起减少组件数量、降低马达解决方案和驱动组件的尺寸、改善 EMI 滤波器以及提高系统性能等方面的好处来说是微不足道的。显然，DSP 的集成功能为 所有马达控制设计人员带来了福音。
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