基于Blackfin BF50x處理器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

　　摘要： 介紹了ADI公司Blackfin BF50x處理器的主要特點(diǎn)， 給出了基于Blackfin BF50x處理器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案， 同時(shí)給出了選用ADP5020芯片來為基于Blackfin BF50x處理器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)提供電源的具體電路。

　　0 引言

　　隨著社會(huì)對(duì)環(huán)保理念的深入關(guān)切， 低能耗的電機(jī)控制產(chǎn)品設(shè)計(jì)面臨著越來越苛刻的需求。同時(shí)， 電機(jī)控制系統(tǒng)方案也面臨越來越高的要求，這一方面是用于無傳感器矢量控制的復(fù)雜算法和高級(jí)建模需要出色的處理能力的需要; 另一方面， 電機(jī)控制也需要具有性能、效率、易用性以及成本方面的綜合優(yōu)勢(shì)。

　　高性能電機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)通常包括核心伺服功能、運(yùn)動(dòng)描述和主機(jī)通信功能。在過去諸多的MCU或電機(jī)控制專用芯片解決方案中， 由于這些處理器的處理能力有限， 在電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)， 往往必須對(duì)控制算法進(jìn)行一定的折中， 以釋放出足夠的性能余量來實(shí)現(xiàn)其他功能， 或者采用雙處理器方案。然而， 隨著DSP器件價(jià)格的快速下調(diào)， MCU與DSP的成本差異大大縮小， 同時(shí)，DSP解決方案在減少器件數(shù)量和電路尺寸、降低整體成本以及提高系統(tǒng)性能等方面， 也具有更多的優(yōu)勢(shì)。

　　目前， 電機(jī)控制所用IC可以分為電機(jī)控制專用芯片、針對(duì)電機(jī)控制應(yīng)用的MCU和DSP等三大類。而隨著全球市場對(duì)節(jié)能和產(chǎn)品性能需求的提高， 以及價(jià)格的持續(xù)走低， DSP的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其在電機(jī)控制市場獲得了越來越廣泛的認(rèn)可， 并由高端工業(yè)電機(jī)控制領(lǐng)域向更廣泛的電機(jī)控制市場擴(kuò)張。

　　本文介紹的嵌入式DSP電機(jī)控制芯片BlackfinBF50x就是把DSP內(nèi)核與一系列功能強(qiáng)大的控制外設(shè)集成到一個(gè)芯片上的一種新型處理器， 因此， 它能以高速DSP內(nèi)核作為計(jì)算引擎， 同時(shí)加上內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器來提高電機(jī)的控制帶寬， 并允許低成本地實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的控制和無傳感器算法， 也可以控制交流感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)。這些計(jì)算能力和優(yōu)化的外設(shè)可以通過該DSP處理器輕松地完成更多的功能(如功率因數(shù)校正等)。同時(shí)， 也可以在不增加控制器成本的情況下， 滿足某些特殊應(yīng)用要求(如洗衣機(jī)的平衡控制)。此外， 嵌入式DSP電機(jī)控制芯片的高運(yùn)算能力還可讓工程師采用計(jì)算強(qiáng)度更高的算法， 從而采用更高效的電機(jī)來更進(jìn)一步提高效率與動(dòng)態(tài)性能。

　　1 BF50x處理器的主要特點(diǎn)

　　Blackfin BF50x是ADI公司為適應(yīng)當(dāng)前電機(jī)控制市場對(duì)處理器的特性和性能要求而推出的一種嵌入式DSP芯片， 該芯片提供有多種特性組合的優(yōu)化解決方案， 可進(jìn)一步強(qiáng)化DSP在電機(jī)控制設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。BF50x控制芯片繼續(xù)秉承了Blackfin處理器獨(dú)有的先進(jìn)信號(hào)處理功能與通用微控制器的易用性， 它以主頻150～200 MHz的處理器價(jià)格來提供400 MHz的處理性能， 故可實(shí)現(xiàn)突破性的性能和功效。此外， BF50x也可以很好地滿足電機(jī)控制設(shè)計(jì)中的信號(hào)處理和控制雙重功能需求，因而可以消除很多應(yīng)用中必須采用兩種異構(gòu)處理器的煩惱， 以簡化軟件和硬件設(shè)計(jì)。利用BF50x 處理器的高處理能力， 并通過利用復(fù)雜的算法，來實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的系統(tǒng)功能和精度， 其中包括更多的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理、縮短延時(shí)， 并可實(shí)現(xiàn)更高的設(shè)計(jì)靈活性以及系統(tǒng)界面和控制功能的優(yōu)化。

　　借助Blackfin BF50x處理器的出色性能可以執(zhí)行更加復(fù)雜的電機(jī)控制算法， 以確保根據(jù)系統(tǒng)行為的實(shí)時(shí)變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制， 從而獲得更加平穩(wěn)的工作性能并降低功耗。也可以運(yùn)用無傳感器矢量控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更高的電機(jī)控制效率， 而利用高級(jí)建模技術(shù)則可精確判定轉(zhuǎn)軸位置和/或轉(zhuǎn)速， 因而無需使用位置/速度傳感器， 且其系統(tǒng)尺寸更小， 成本更低， 可靠性則更高。BlackfinBF50x內(nèi)部集成的12 位ADC 可以提供電機(jī)狀態(tài)精確建模所需的精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換， 因而能夠精確估計(jì)電機(jī)的相應(yīng)位置/轉(zhuǎn)速。Blackfin BF50x 芯片的主要特性如下：

　　◇ 可以進(jìn)行400 MHz 的高頻低功耗處理;

　　◇ 內(nèi)部帶有4 MB 閃存， 可用于指令和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ);

　　◇ 帶有雙通道SAR 型12 通道12 位ADC， 最高速率可達(dá)2 MSPS;

　　◇ 內(nèi)含2 個(gè)帶流量控制的UART， 以及2 個(gè)SPORT 、2 個(gè)SPI 和1 個(gè)兼容I2C接口的TWI;

　　◇ 具有8 個(gè)32 位通用定時(shí)器和1 個(gè)CAN總線控制接口， 另外有6對(duì)PWM單元(另有8個(gè)定時(shí)器PWM) 以及35 個(gè)GPIO (可與接口復(fù)用);

　　◇ 器件中的2 個(gè)32 位升/降計(jì)數(shù)器可支持旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù);

　　◇ 具有移動(dòng)式存儲(chǔ)器接口和1 個(gè)PPI (最高16 位)。

　　Blackfin采用12×12 mm的88引腳LFCSP封裝(單裸露焊盤) 和14×14 mm的120引腳LQFP封裝(雙裸露焊盤)， 器件的工作溫度為-40℃至+85℃。

　　2 基于BF50x的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制

　　2.1 處理器電源電路

　　設(shè)計(jì)時(shí)， 應(yīng)當(dāng)為BF50X處理器提供幾種不同的電源電壓， 以分別為BF50X處理器核、各種接口以及整個(gè)芯片提供動(dòng)力。本設(shè)計(jì)選用ADP5020來組成基于BF50X處理器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的電源電路。該芯片可輸出1.5 V、2.5 V和3.3 V電壓。圖1所示是用于BF50X處理器系統(tǒng)的電源電路。

　　Blackfin BF50x處理器系統(tǒng)的電源電路

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　　圖1 Blackfin BF50x處理器系統(tǒng)的電源電路