结合DSP和微控制器特性、用于电机控制的单片处理器
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电机在人们日常生活中扮演着重要角色，从普通的家用电器到复杂的电子系统和计算机，电机为各种应用提供旋转运动或线性运动。随着大量更为复杂应用的出现，电机控制问题变得越来越重要。因此，需要开发出更为复杂的技术，以改善其性能、功耗和安全性。小型电机通常用于精度要求极高的应用，而大型电机，如用于机器人中的电机，常常需要执行非常复杂的任务，并且强调实时性。 高性能的电机控制对总的能耗具有重要影响。家庭和办公室中的电冰箱(与电机紧密相关的设备)约消耗世界能源的10%，而用于商业建筑的取暖、通风设备以及空调中的电机运行系统，其电费约占整个建筑物总电费的50%。通过利用基于DSP的改进型电机控制技术，如某些已接近商业化的控制器，可总共节省30%至50%的能耗，如家用电冰箱的能耗可减小25%，而HVAC鼓风机可节省多达80%的能耗。 DSP电机控制器的应用 DSP控制器通过提高效率，可以改善许多产品的特性。例如，洗衣机就从中受益匪浅。通过结合不太昂贵的AC感应或磁阻电机的复杂旋转控制，洗衣机可获得一些新的功能特性，这些特性以往受成本约束或者根本就不可能实现。目前，一些高档洗衣机中已具有快速脱水、柔和搅动以及失衡校正等功能，用不了多久，电子控制将使普通洗衣机也具有这些功能。 早期的洗衣机采用一种机械传动方式，为不同的洗涤周期提供不同的滚桶速度和搅动程度，以及有效脱水所需的高速滚桶速度。传动方式允许只用单个无电子控制AC电机实现洗衣机的功能，但成本较高且可靠性差。 最新型的洗衣机则没有采用传动工作方式，因为采用复杂DSP或微控制器(MCU)对低成本AC感应或开关磁阻电机进行控制，可提供所有标准的洗涤周期。此外，电气控制的感应或开关-磁阻电机使搅动周期更为高效和柔和，不仅可以降低能耗，而且减小了衣物的磨损。脱水旋转周期可通过电子控制达到超出以往的高速度，从而脱去更多的水并缩短甩干时间。更为有效的周期意味着洗涤时间更短、用水更少且所需的洗涤剂也更少。 例如，为了消除冰箱压缩机周期性地起动和停止(这需要较高的启动转矩)的现象，一种带有小型电机的小型压缩机可连续低速运行，并调整其转矩以保持冰箱内所需的温度，而无需重复地起动和停止。因此，可降低压缩机的功率要求和整体运行成本。 对电器而言，改进型控制器的成本逐年减少，很容易降低复杂电子控制的成本。以洗衣机为例，有效的控制估计可节约高达50%的用电和用水，且不包括洗涤剂及加热时所节省的煤气等能源。 AC感应和开关磁阻电机的速度和转矩控制，在用于诸如磨床、车床和钻孔机等机械加工应用中，可将工具速度控制及灵活性提高到前所未有的水平，同时降低机械的复杂度和机械成本。 正确地利用电机控制器可为电机控制以及许多相关系统和产品设计节约大量的成本。本文针对低成本、低功耗和程序代码要求较高的电机控制及其它应用，介绍了集成DSP和MCU特性的单片处理器解决方案，可为电机控制领域设计工程师进行器件选择提供参考。 电机在人们日常生活中扮演着重要角色，从普通的家用电器到复杂的电子系统和计算机，电机为各种应用提供旋转运动或线性运动。随着大量更为复杂应用的出现，电机控制问题变得越来越重要。因此，需要开发出更为复杂的技术，以改善其性能、功耗和安全性。小型电机通常用于精度要求极高的应用，而大型电机，如用于机器人中的电机，常常需要执行非常复杂的任务，并且强调实时性。 高性能的电机控制对总的能耗具有重要影响。家庭和办公室中的电冰箱(与电机紧密相关的设备)约消耗世界能源的10%，而用于商业建筑的取暖、通风设备以及空调中的电机运行系统，其电费约占整个建筑物总电费的50%。通过利用基于DSP的改进型电机控制技术，如某些已接近商业化的控制器，可总共节省30%至50%的能耗，如家用电冰箱的能耗可减小25%，而HVAC鼓风机可节省多达80%的能耗。 早期的机械加工工具没有电子控制装置，需要传动带和滑轮、齿轮传动装置、机械减速器和其它控制AC电机速度的装置。这些复杂的机械设备不仅增加了加工的成本，降低了可靠性，而且加工速度的精度也不如数字控制方法高。加工速度与加工方法和材料有关。 复杂电机控制无需机械驱动控制系统，可减轻重量，并且降低了加工制造和运输成本。机械部件越少，可靠性越高，从而减少维护成本。 基于DSP的电机控制使至今为止无法实现的加工变为现实。具有动态控制切割速率的工具，能够根据加工时转矩的反馈进行自动调节。 在交通方面，汽车、公交车和卡车已成为DSP应用的重要目标，通常用来控制新车型中的各种电子系统。为电机控制而设计的DSP适用于驱动火车和电力机车、车体控制及安全系统，如反抱死制动系统、牵引和悬架系统以及最新的夜视和防冲撞系统。总的来说，这些应用覆盖了近90%的汽车半导体市场。 系统设计者目前面临多种控制器选择，选用微控制器还是DSP是一个很棘手的问题。两种控制器都具有广泛的应用灵活性。在控制电机速度或位移的应用中，MCU通常仍是开环(无反馈)系统或电机闭环反馈系统的最佳选择，具有很高的性价比。但是，如果受控电机转速很高，并有许多线圈，且用于连续转矩系统，或者需要额外的MCU或微处理器来控制系统运行，那么基于DSP的控制器则是最佳选择。同样，在电机转速非常高，或者必须采用闭环算法对电机进行严格控制的情况下，如高速开关磁阻或低速牵引电机，基于DSP的控制器也是最佳解决方案。 DSP和微控制器相结合的内核架构 一般而言，DSP是为有效地执行信号处理算法而设计，在开发良好的DSP架构和良好的微处理器架构之间，经常需要进行折衷。许多DSP系统既采用了DSP，又采用了微控制器，DSP用于满足计算要求，微控制器用来满足功能要求。额外的芯片会大大增加最终产品的材料成本，于是在一块芯片上集成两种芯片的功能，在成本和开发时间上都极具吸引力。 将DSP的性能和微控制器的主要功能结合起来是一项重大课题。摩托罗拉通过创建一种新的DSP架构解决了这一课题。这种新的架构采用高效的微控制器代码和编译器性能，既适用于通用的DSP算法又能实现高性能控制。如图所示，这种架构将DSP功能和许多微控制器特性集成在一起，可进行电机控制和全面的系统控制。 基于DSP56800内核的电机控制产品系列包含以下结构特征： 工作于4.57V至5.5V、时钟频率为80MHz时，处理速度为40MIPS; 采用哈佛架构，可处理大量通信数据; 具有DSP寻址模式的并行指令集; 周期16×16位并行乘法器-累加器(MAC); 2×36位累加器，包含扩展位; 单周期16位并行移位器; 硬件DO和REP循环; 3条16位内核数据总线和3条16位内部地址总线; 1条16位外部接口数据总线; 支持DSP和控制器功能的指令集; |
