DSP和電機控制芯片簡化了基于DSP的交流電機控制硬件

變速電機控制系統(tǒng)具有廣泛的應用，從高端工業(yè)機器人到普通家用電器，如家用洗衣機。這些系統(tǒng)中的控制環(huán)路首先使用模擬組件實現(xiàn)。通常，運算放大器用于反饋補償電路，比較器用于產生開關電源轉換器的控制信號。然而，低成本微型計算機的出現(xiàn)越來越多地導致通過數(shù)字手段實現(xiàn)控制和用戶界面功能。處理能力成本的不斷降低使得通過在同一處理器上實現(xiàn)所有電機控制功能來進一步簡化系統(tǒng)硬件成為可能。

過去十年來，ADI運動控制事業(yè)部一直是交流伺服電機市場旋轉變壓器到數(shù)字轉換產品的領先供應商。AD2S80和AD2S90 R/D轉換器等器件用于處理模擬反饋信號，以實現(xiàn)永磁交流伺服驅動系統(tǒng)中的位置和速度的數(shù)字控制。運動控制事業(yè)部的最新產品ADMC200和ADMC201運動協(xié)處理器進一步推動了這一概念。這些多功能器件在單個芯片上結合了為交流電機控制提供反饋控制電流所需的所有接口和信號處理功能。

ADMC201提供用于捕獲電機電流或電壓信號的模擬采集系統(tǒng)、調節(jié)這些信號的矢量處理功能以及控制功率轉換器所需的脈寬調制器。ADMC201與ADSP-2105數(shù)字信號處理器相結合，可用作交流電機驅動系統(tǒng)的高性能控制引擎。以下示例描述了主要器件功能及其在電機控制應用中的使用。

交流伺服電機控制系統(tǒng)：伺服電機控制系統(tǒng)通常有兩個級聯(lián)控制回路，如圖1所示。外部運動回路根據(jù)來自位置或速度傳感器的反饋信號控制電機位置和速度。該回路的輸出是對電機扭矩增加或減少的需求，該扭矩被饋送到內部電流回路。電流環(huán)路為功率轉換器生成信號，功率轉換器提供合適的電機電流以產生所需的輸出扭矩。從直流電源軌到電機的功率流通過快速改變功率半導體開關（如IGBT或功率MOSFET）的導通和關通周期來控制。這些控制信號通常是固定頻率、可變占空比波形，可以使用定時電路以數(shù)字方式產生。

圖1

通常，運動回路設計與電機類型（交流或直流）無關，而僅與系統(tǒng)的機械性能（如慣性、動態(tài)摩擦等）有關。然而，電流環(huán)路的復雜程度因電機類型而異。在直流電機中，轉矩與電樞繞組中的直流電流成正比。但為了控制交流電機中的轉矩，電流必須與旋轉轉子場的位置同步。簡化電機轉矩控制的一種方法是將測量的定子電流轉換為與轉子磁場同步的參考系。此過程（圖2）產生兩個等效的直流電機電流量：產生扭矩的組件Iq和一個字段控制組件 Id.交流電機控制系統(tǒng)計算兩個正交電壓，Vd和 Vq，需要強制 Iq電流直接跟隨轉矩需求和Id電流以保持恒定的轉子磁場。然后使用逆變換來變換“直流電機”Vd和 Vq電壓返回到定子參考系，以給出所需的繞組電壓。

圖2

圖3顯示了永磁交流伺服電機控制方案的全數(shù)字實現(xiàn)。旋轉變壓器數(shù)字 （R/D） 轉換器從軸安裝旋轉變壓器的輸出信號中獲取數(shù)字角位置反饋信息。外部位置和速度環(huán)計算所需的電機轉矩電流，Iq.電機速度是使用估計算法從位置測量值計算的。場約簡組件，Id，通常為零，以便最大化電機扭矩輸出。但是，弱場函數(shù)可以設置非零Id有效降低轉子磁場強度，從而增加電機轉速范圍。

圖3

A/D 轉換器調節(jié)電機的定子電流測量值，這些測量值作為矢量變換的輸入傳遞。反向變換取兩個定子電流信號和轉子電角ρ-并計算扭矩和磁場分量Iq和我d.推斷第三個定子電流信號，因為所有三個定子電流的總和為零。有兩個電流環(huán)路，一個扭矩環(huán)路和一個勵磁環(huán)路，具有比例和積分補償（PI）。這些環(huán)路的響應可以通過前饋估計的繞組反電動勢和繞組阻抗降來改善（因此稱為“+”注釋）。五世d和 Vq然后將計算的輸出在矢量變換模塊中轉換為三相定子電壓的數(shù)字等效值V一個/ 5b和 Vc，用于驅動電機。

PWM定時器模塊將數(shù)字輸入轉換為三相逆變器的脈寬調制定時信號。施加到電機繞組的電壓由每個逆變器支路中功率晶體管開關的導通時間控制。在下面的示例（圖4）中，當上部逆變器功率晶體管Q一個，導通，繞組“a”連接到+V母線電源軌，導致繞組電流，i一個，以增加。當 Q一個通過下部逆變器二極管D關閉繞組電流“自由輪”美聯(lián)社，并將繞組“A”連接到 -V 總線電源軌。定子繞組平均電壓，V一個，與導通周期成正比，t一個， 功率晶體管， Q一個，由下式給出：

對于負定子電流，繞組電流流過較低的晶體管Q美聯(lián)社和通過上二極管D的“自由輪”一個.在這種情況下，繞組電壓是二極管D導通周期的函數(shù)一個.為了使施加的定子電壓獨立于定子電流檢測，功率晶體管Q美聯(lián)社，在 Q一個已關閉。然而，為了防止這些功率晶體管同時導通的可能性，在上部和下部器件的導通信號之間插入了短暫的“死區(qū)時間”。由此產生的低電平有效PWM信號（如圖4 （c）所示）是互補的定時波形式，有源部分之間的“死”時間很短。

圖4

上述交流伺服系統(tǒng)可以使用三個主要控制組件構建。ADSP-2105 DSP實現(xiàn)控制環(huán)路，ADMC201與三相逆變器接口，AD2S90與旋變器位置傳感器接口。ADSP-2105定點DSP針對高速信號處理應用進行了優(yōu)化。它非常適合交流電機電流控制，因為控制環(huán)路周期時間短，只有50-100μs。AD2S90旋變數(shù)字轉換器可以使用串行端口簡單地連接到DSP。[如果使用ADSP-2115，它將提供額外的串行端口。配套振蕩器IC AD2S99用于旋變器激勵，并提供信號丟失檢測。

ADMC201在DSP控制器和三相逆變器之間提供所需的接口功能;它適用于控制永磁交流電機和交流感應電機。ADMC201及其接口的詳細說明如下。

ADMC200運動協(xié)處理器系列：ADMC200運動協(xié)處理器具有三個主要功能模塊：4通道、11位同步采樣模數(shù)轉換系統(tǒng)、12位零中心PWM定時器模塊和矢量旋轉模塊。此外，ADMC201還提供三個額外的模擬輸入通道和6位可編程數(shù)字I/O引腳。該器件具有 25 個內部存儲器映射寄存器，用于存儲外設輸入和輸出數(shù)據(jù)。嵌入式控制序列器解碼片選線、讀寫線以及4條地址線，并將這些數(shù)據(jù)寄存器直接映射到DSP存儲器地址空間。這意味著DSP始終可以直接訪問所有寄存器。片內中斷控制器可以在模數(shù)轉換序列結束時或矢量變換完成時中斷DSP。A/D轉換器的轉換開始線可由PWM定時器模塊驅動，以將控制軟件和信號采樣同步至PWM頻率。

ADMC200采用CMOS工藝設計，兼具低成本和低功耗。A/D轉換器基于CMOS兼容型開關電容技術，是一款11位逐次逼近器件，前端為4通道同步采樣采樣保持放大器。這允許在不到14.4μs的時間內采集多達四個電機電流或電壓信號而不會“偏斜”。ADMC201內置4：1多路復用器，可為溫度或直流總線電壓等較慢信號提供額外的三個異步通道。轉換后的值采用二進制補碼格式，以匹配定點 DSP 處理器。模擬輸入范圍為 0 至 5V，2.5V 相當于數(shù)字零點。板載基準的絕對精度在 5% 以內（滿載）。模數(shù)轉換器的整體精度為8LSB，而通道間匹配在±2LSB以內。高轉換啟動脈沖采集所有四個輸入通道，并根據(jù)控制寄存器設置啟動 2、3 或 4 個通道的轉換序列。轉換結束可以編程為為DSP生成中斷脈沖，DSP可以按任何順序讀取結果寄存器。

12 位 PWM 模塊為功率轉換器開關產生三對恒定頻率可變占空比波形，頻率范圍為 1.5kHz 至 25kHz。圖5中描述的信號是基于中心的低電平有效信號，因此導通（低電平）周期與定時脈沖之間的中點對稱。這使得電流采樣與PWM波形同步變得更加容易。波形是互補的，即功率器件成對切換：一個器件“開”，互補器件“關”。為了防止逆變器功率器件中同時導通的可能性，互補PWM波形是死區(qū)時間調整（PWMDT）。在每個PWM周期開始時產生的高電平有效PWMSYNC脈沖使電源逆變器的運行與A/D轉換器同步。

12 位硬件矢量旋轉模塊可以在定子（交流電流和電壓）和轉子（直流電機等效）參考幀之間執(zhí)行正向和反向 Park- 和 Clarke 變換。反向變換轉換三相定子電流信號，I一個我b和我c，到兩個正交轉子參考電流，Id和我q.變換由三個階段組成（表1），其中ρ是轉子場的角度。

表1

正向變換轉換兩個正交轉子參考電壓 Vd和 Vq，到三相定子電壓信號，I一個我b和我c.變換由兩個階段組成（表2），其中ρ是轉子場的角度。

ADMC201數(shù)字I/O模塊有六條數(shù)字線，可配置為輸入或輸出。它們還可以配置為系統(tǒng)保護功能的中斷源。I/O 模塊通過四個內存映射寄存器訪問。

交流伺服電機控制軟件：使用ADSP-2105控制交流伺服電機所需的軟件可能需要不到500行DSP代碼。由于篇幅所限，這里無法對軟件進行全面描述，但我們將介紹一些核心算法和代碼。

電流控制算法通過中斷信號與PWM頻率同步。通過在PWM周期開始時將ADMC201的PWMSYNC引腳（來自定時器模塊）連接到ADC的CONVST引腳，對電機電流進行采樣。ADMC201的中斷（IRQ）信號連接到ADSP-2105的IRQ2引腳，在模數(shù)轉換周期結束時中斷DSP。捕獲的電流信號表示平均繞組電流值，因為采樣位于電流波形的中點。在每個PWM周期開始后，向DSP提供一組電流測量值;并在下一個周期之前計算一組新的定子電壓值和PWM時間。

圖6中的電流環(huán)路信號流程圖描述了ADSP-2105 DSP和ADMC201協(xié)處理器之間的信息流。當ADMC201的模數(shù)轉換器中斷指示有一組新的電流采樣可用時，該算法開始。DSP從ADMC201的V和W寄存器讀取兩個相電流值，根據(jù)A/D和電流傳感器偏移進行調整，并將其與轉子角度ρ一起寫入ADMC201 PHIP2和PHIP3矢量變換模塊。ADMC201啟動反向矢量旋轉，而DSP可以執(zhí)行保護功能，例如過載檢測或總線電壓監(jiān)控。轉換的結束由中斷發(fā)出信號;然后DSP讀取ID和IQ寄存器并實現(xiàn)電流環(huán)路控制算法。計算出的VD和VQ值與轉子角度ρ一起寫入ADMC201的VD和VQ寄存器。ADMC201開始正向矢量旋轉，而DSP可以執(zhí)行一些進一步的內務保持功能。轉換的結束由另一個中斷發(fā)出信號;DSP 讀取 PHV1、PHV2 和 PHV3 寄存器，并根據(jù) PWM 周期和總線電壓調整這些值。然后，DSP將三個新值寫入PWM寄存器：PWMCHA、PWMCHB和PWMCHC，以閉合電流控制環(huán)路。

控制算法由許多控制定律和一些對ADMC201數(shù)據(jù)寄存器的讀寫組成。ADI定點DSP特別適合實現(xiàn)控制律，如P-I（比例+積分控制）環(huán)路和狀態(tài)空間算法，這方面的例子很多。ADMC201的存儲器映射結構具有訪問數(shù)據(jù)寄存器不需要特殊讀取或寫入序列的優(yōu)點。ADMC201讀寫寄存器通過器件上的片選線映射到DSP外部DM地址空間中的一個塊。下表顯示了ADMC201 A/D轉換器中斷的中斷服務例程代碼示例，以說明這一點。第一條指令是使用數(shù)據(jù)存儲器讀取指令讀取ADMC201系統(tǒng)狀態(tài)寄存器。然后，AR寄存器加載一個常數(shù)，該常數(shù)設置了ADMC201 A/D中斷位。如果未設置 A/D 中斷，則繼續(xù)檢查其他中斷源，例如 PARK 塊中斷。如果設置了位，則讀取A/D寄存器并啟動電流環(huán)路算法。

結論：

我們選擇了一個使用ADSP-2105（或ADSP-2115）、ADMC201和AD2S90芯片組實現(xiàn)的永磁交流伺服電機控制方案示例。這些硬件選擇為系統(tǒng)配置提供了很大的靈活性。如果需要更大的處理“馬力”，ADSP-2115可以升級到ADSP-2101或ADSP-2181。如果不需要額外的模擬通道和數(shù)字I/O，則可以使用成本較低的ADMC200。ADSP-2105和ADMC201還可用于控制交流感應電機，編碼器代替旋轉變壓器。

提供使用ADSP-2101 EZLAB和ADMC201板的評估系統(tǒng)。它附帶軟件，說明了ADMC201功能塊的主要特性。該系統(tǒng)可用于構建三相電機控制演示系統(tǒng)的控制元件。

審核編輯：郭婷