基于Blackfin BF50x處理器的電機控制

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

0 引言

隨著社會對環(huán)保理念的深入關(guān)切， 低能耗的電機控制產(chǎn)品設(shè)計面臨著越來越苛刻的需求。同時， 電機控制系統(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雜算法和高級建模需要出色的處理能力的需要； 另一方面， 電機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。

高性能電機應用系統(tǒng)通常包括核心伺服功能、運動描述和主機通信功能。在過去諸多的MCU或電機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)計時， 往往必須對控制算法進行一定的折中， 以釋放出足夠的性能余量來實現(xiàn)其他功能， 或者采用雙處理器方案。然而， 隨著DSP器件價格的快速下調(diào)， MCU與DSP的成本差異大大縮小， 同時，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。

目前， 電機控制所用IC可以分為電機控制專用芯片、針對電機控制應用的MCU和DSP等三大類。而隨著全球市場對節(jié)能和產(chǎn)品性能需求的提高， 以及價格的持續(xù)走低， DSP的獨特優(yōu)勢使其在電機控制市場獲得了越來越廣泛的認可， 并由高端工業(yè)電機控制領(lǐng)域向更廣泛的電機控制市場擴張。

本文介紹的嵌入式DSP電機控制芯片BlackfinBF50x就是把DSP內(nèi)核與一系列功能強大的控制外設(shè)集成到一個芯片上的一種新型處理器， 因此， 它能以高速DSP內(nèi)核作為計算引擎， 同時加上內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器來提高電機的控制帶寬， 并允許低成本地實現(xiàn)更加復雜的控制和無傳感器算法， 也可以控制交流感應電機、無刷直流電機和開關(guān)磁阻電機。這些計算能力和優(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， 也可以在不增加控制器成本的情況下， 滿足某些特殊應用要求(如洗衣機的平衡控制)。此外， 嵌入式DSP電機控制芯片的高運算能力還可讓工程師采用計算強度更高的算法， 從而采用更高效的電機來更進一步提高效率與動態(tài)性能。

1 BF50x處理器的主要特點

Blackfin BF50x是ADI公司為適應當前電機控制市場對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， 可進一步強化DSP在電機控制設(shè)計中的應用。BF50x控制芯片繼續(xù)秉承了Blackfin處理器獨有的先進信號處理功能與通用微控制器的易用性， 它以主頻150～200 MHz的處理器價格來提供400 MHz的處理性能， 故可實現(xiàn)突破性的性能和功效。此外， BF50x也可以很好地滿足電機控制設(shè)計中的信號處理和控制雙重功能需求，因而可以消除很多應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。利用BF50x 處理器的高處理能力， 并通過利用復雜的算法，來實現(xiàn)更強大的系統(tǒng)功能和精度， 其中包括更多的數(shù)據(jù)實時處理、縮短延時， 并可實現(xiàn)更高的設(shè)計靈活性以及系統(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)行更加復雜的電機控制算法， 以確保根據(jù)系統(tǒng)行為的實時變化進行動態(tài)控制， 從而獲得更加平穩(wěn)的工作性能并降低功耗。也可以運用無傳感器矢量控制技術(shù)來實現(xiàn)更高的電機控制效率， 而利用高級建模技術(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， 因而能夠精確估計電機的相應位置/轉(zhuǎn)速。Blackfin BF50x 芯片的主要特性如下：

◇ 可以進行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；

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

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

◇ 具有8 個32 位通用定時器和1 個CAN總線控制接口， 另外有6對PWM單元(另有8個定時器PWM) 以及35 個GPIO (可與接口復用)；

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

◇ 具有移動式存儲器接口和1 個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℃。