用匯聚式處理器實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制

　　從電梯、家電到機(jī)器人和工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線，電機(jī)幾乎無(wú)處不在。而作為高能耗設(shè)備，數(shù)量巨大的電機(jī)的電能消耗占全球電能消耗量的比例極高，在美國(guó)估計(jì)50%的電能由電機(jī)消耗。由于許多電機(jī)的效率低下，如此巨大的能耗中很大部分被浪費(fèi)掉。例如，小型交流電機(jī)的效率低至 50%。

　　電機(jī)的低能效對(duì)于工廠等應(yīng)用環(huán)境來(lái)說(shuō)是禍不單行——既消耗電能還產(chǎn)生了影響設(shè)備性能的熱量。解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)辦法是增加智能負(fù)載匹配和可變速控制，這種解決辦法可以將能效提高14%~30%。如果這種解決方案得到廣泛的采用，僅美國(guó)可以節(jié)省15%的總電能，相當(dāng)于減少3000億千瓦時(shí)的能耗，節(jié)約近150億美元的用電成本，每年減少溫室氣體排放量達(dá)1.8億噸。

　　低碳經(jīng)濟(jì)的壓力讓先進(jìn)的電機(jī)控制方案日益得到重視，越來(lái)越多的電機(jī)開(kāi)始采用先進(jìn)的控制技術(shù)以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)應(yīng)用的最佳性能，并盡可能降低功耗。此外，消費(fèi)者與相關(guān)政府法規(guī)也對(duì)電機(jī)的節(jié)能、低噪聲和安全特性提出更加嚴(yán)格的要求，而基于DSP的電機(jī)控制應(yīng)用由于其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)正迅速獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

　　DSP成為高性能電機(jī)控制的首選方案

　　電機(jī)控制用IC可以分為三大類，即電機(jī)控制專用芯片、針對(duì)電機(jī)控制應(yīng)用的MCU和DSP。

　　隨著社會(huì)對(duì)環(huán)保理念的深入關(guān)切，低能耗產(chǎn)品設(shè)計(jì)面臨越來(lái)越苛刻的需求。同樣，近年來(lái)電機(jī)控制系統(tǒng)方案也面臨越來(lái)越高的要求，一方面用于無(wú)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，另一方面需要具有性能、效率、易用性以及成本方面的綜合優(yōu)勢(shì)。隨著全球市場(chǎng)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(chǎng)獲得越來(lái)越廣泛的認(rèn)可，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(chǎng)擴(kuò)張。

　　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(guò)去諸多MCU或?qū)Ｓ眯酒鉀Q方案中，由于處理器有限的處理能力，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)其他功能，或者采用雙處理器方案。隨著DSP價(jià)格的快速下調(diào)，MCU與DSP的成本差異縮小，而DSP解決方案在減少器件數(shù)量和電路尺寸、降低整體BOM成本，以及提高系統(tǒng)性能等方面具有更多的優(yōu)勢(shì)。

　　嵌入式DSP電機(jī)控制芯片把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，從而以高速DSP內(nèi)核作為計(jì)算引擎，加上內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊提高了電機(jī)控制帶寬，并且允許低成本實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的控制和無(wú)傳感器的算法，可以控制交流感應(yīng)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。這些計(jì)算能力和優(yōu)化的外設(shè)使得DSP可以輕松地完成更多的功能，如功率因數(shù)校正。在不增加控制器成本的情況下，滿足某些特殊應(yīng)用的要求，如洗衣機(jī)的平衡控制。高運(yùn)算能力還讓工程師可以采用計(jì)算強(qiáng)度更高的算法，從而采用更高效的電機(jī)，更進(jìn)一步提高效率與動(dòng)態(tài)性能。

　　BF50x簡(jiǎn)化電機(jī)控制設(shè)計(jì)

　　Blackfin BF50x處理器的推出正是順應(yīng)了當(dāng)前電機(jī)控制市場(chǎng)對(duì)處理器的特性和性能要求，提供了多種特性組合的優(yōu)化解決方案選擇，將進(jìn)一步強(qiáng)化DSP在電機(jī)控制市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)地位。BF50x繼續(xù)秉承了Blackfin處理器獨(dú)有的先進(jìn)的信號(hào)處理功能與通用微控制器的易用性，以業(yè)界主頻為150-200MHz的處理器價(jià)格提供了400MHz的處理性能，實(shí)現(xiàn)了突破性的性能和功效。BF50x很好地滿足了電機(jī)控制應(yīng)用的信號(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，從而簡(jiǎn)化軟件和硬件設(shè)計(jì)。利用BF50x處理器的高處理能力，設(shè)計(jì)工程師可以通過(guò)利用復(fù)雜的算法實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的系統(tǒng)功能和精度，包括更多數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理、縮短延時(shí)，并實(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。

　　1. 領(lǐng)先的硬件平臺(tái)

　　Blackfin BF50x處理器的卓越性能使電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師可以執(zhí)行更復(fù)雜的算法，確保能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制以適應(yīng)系統(tǒng)行為的實(shí)時(shí)變化，從而獲得更平穩(wěn)的性能并降低功耗。通過(guò)采用無(wú)傳感的矢量控制可以實(shí)現(xiàn)更高的電機(jī)控制效率，利用先進(jìn)建模技術(shù)來(lái)準(zhǔn)確地確定電機(jī)位置和/或者速度，設(shè)計(jì)工程師可以省略掉位置/速度傳感器，從而進(jìn)一步降低成本并提高系統(tǒng)可靠性。

　　BF50x實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化的電機(jī)控制應(yīng)用的外設(shè)集成，用戶可以在該系列產(chǎn)品中為其目標(biāo)應(yīng)用選擇最具成本、性能、集成度和功效的綜合優(yōu)勢(shì)方案：可選的內(nèi)置雙SAR型 12位ADC（BF506F）可以實(shí)現(xiàn)更精確的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，提供了對(duì)電機(jī)狀態(tài)準(zhǔn)確建模所需要的精度，因此可以更準(zhǔn)確地估計(jì)電機(jī)的位置/速度；片上4MB可執(zhí)行并行閃存存儲(chǔ)器可以用于程序存儲(chǔ)，省掉片外存儲(chǔ)器，從而降低系統(tǒng)BOM成本，并提高可靠性；像可去除存儲(chǔ)接口這樣的標(biāo)準(zhǔn)特性以及CAN控制器提供了電機(jī)控制應(yīng)用中的通信接口和存儲(chǔ)支持特性……更詳細(xì)的產(chǎn)品特性描述請(qǐng)參見(jiàn)BF50x數(shù)據(jù)手冊(cè)。

　　2. 顯著的低成本優(yōu)勢(shì)

　　BF50x處理器400MHz的主頻將高性能數(shù)字信號(hào)處理能力擴(kuò)展到更廣泛的電機(jī)控制應(yīng)用，包括之前由高端微控制器主導(dǎo)的應(yīng)用，同時(shí)其價(jià)格再次刷新Blackfin處理器的低價(jià)記錄，萬(wàn)片批量的最低報(bào)價(jià)低至4.5美元。與集成ADC和閃存的相近價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)性處理器相比，BF50x性能提高超過(guò)100%。換言之，BF50x是集成ADC和閃存的DSP中最具成本效益的解決方案，因此在相同的成本預(yù)算下，設(shè)計(jì)工程師采用BF50x可以獲得極大的信號(hào)轉(zhuǎn)換和運(yùn)算精度優(yōu)勢(shì)。這種性能裕量讓設(shè)計(jì)工程師可以通過(guò)應(yīng)用更復(fù)雜的算法獲得更強(qiáng)的系統(tǒng)功能和精度。BF50x處理器還將高性能信號(hào)處理內(nèi)核與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)接口相結(jié)合，確保在不需要高成本的外部器件條件下，能快速而經(jīng)濟(jì)地完成應(yīng)用開(kāi)發(fā)。如前所述，BF50x具有可選的內(nèi)置雙SAR 型12位 ADI ADC，可以實(shí)現(xiàn)更高精度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，還有可選的4MB片上可執(zhí)行閃存存儲(chǔ)器。所有這些特性使片外的器件最少，以降低整體系統(tǒng)硬件成本和設(shè)計(jì)成本。

　　獨(dú)立評(píng)估機(jī)構(gòu)BDTI對(duì)Blackfin BF50x的性能價(jià)格比所做的基準(zhǔn)測(cè)試分析證實(shí)了BF50x領(lǐng)先于競(jìng)爭(zhēng)性器件的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，按照對(duì)定點(diǎn)處理器的每美元速度比（speed-per-dollar ratio）評(píng)估，BF50x的BDTIsimMark2000/$得分高達(dá)498，遠(yuǎn)超過(guò)同類處理器。

　　ADI還針對(duì)BF50x系列新推出了低成本的(199美元) EZ-KIT Lite評(píng)估套件，為處理器評(píng)估提供了最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的選擇。同期在中國(guó)全面上市的最新款超低價(jià)、高性能Blackfin仿真器ADZS-ICE-100B首次將價(jià)格降到150美元的新低，為設(shè)計(jì)師提供了前所未有的低成本高性能設(shè)計(jì)工具。高性價(jià)比的仿真器配合ADI公司其它開(kāi)發(fā)環(huán)境和工具，將幫助用戶簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程、降低設(shè)計(jì)成本并顯著加快產(chǎn)品上市時(shí)間。

　　基于BF50x處理器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)解決方案信號(hào)鏈

　　1. 全面的設(shè)計(jì)資源支持

　　在電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，先進(jìn)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境有助于設(shè)計(jì)工程師快速而方便地完成軟件編程、調(diào)試。如上文所述，在推出BF50x的同時(shí)，ADI還針對(duì)BF50x系列新推出了低成本的EZ-KIT Lite評(píng)估套件，包括ADI VisualDSP++集成開(kāi)發(fā)和調(diào)試環(huán)境（IDDE）。ADI在中國(guó)全面上市最新款超低價(jià)高性能仿真器ADZS-ICE-100B為使用Blackfin的客戶而定制，除了低至150美元的震撼價(jià)格，ADZS-ICE-100B的諸多創(chuàng)新功能也為JTAG仿真器帶來(lái)更高性能、使用便捷性的全新體念。

　　在選擇電機(jī)控制解決方案時(shí)，為降低設(shè)計(jì)難度加快產(chǎn)品上市，還必須考查方案提供商是否提供強(qiáng)有力的應(yīng)用支持。為了極大地方便工程師基于BF50x實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制應(yīng)用，ADI早在2008年8月就開(kāi)始與上海交通大學(xué)強(qiáng)強(qiáng)合作，基于BF548處理器實(shí)現(xiàn)了BF50x在電機(jī)控制應(yīng)用上的軟硬件仿真設(shè)計(jì)，已經(jīng)成功完成了針對(duì)基于BF50x的三相感應(yīng)電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)控制應(yīng)用的硬件平臺(tái)和軟件完整解決方案，可以向用戶提供軟硬件設(shè)計(jì)文檔和算法模塊及庫(kù)資源。提供的軟件模塊包括通用ADC驅(qū)動(dòng)程序、霍爾效應(yīng)接口驅(qū)動(dòng)程序（針對(duì)采用傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)控制應(yīng)用）、PWM驅(qū)動(dòng)程序等在內(nèi)的全部驅(qū)動(dòng)程序，以及各種算法模塊。這些硬件參考設(shè)計(jì)和可直接使用的完整軟件模塊可極大地加快電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，并大大地降低設(shè)計(jì)難度和成本。

小結(jié)

在為您的電機(jī)控制系統(tǒng)選擇DSP平臺(tái)時(shí)，除了性能、特性外，應(yīng)當(dāng)選擇具有市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)和具有可以長(zhǎng)期穩(wěn)定供貨能力以及具有長(zhǎng)期相關(guān)產(chǎn)品發(fā)展策略的供應(yīng)商，這對(duì)于OEM持續(xù)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)非常重要，因?yàn)檫@涉及到研發(fā)成果(包括軟件及硬件)的可重用性。ADI將工業(yè)應(yīng)用作為其Blackfin處理器系列最重要的目標(biāo)市場(chǎng)之一，而電機(jī)控制是工業(yè)應(yīng)用的重點(diǎn)領(lǐng)域。在2009年年初，ADI就推出了針對(duì)電機(jī)控制等應(yīng)用的低成本DSP——BF51x，而B(niǎo)F50x的推出再次在短時(shí)間內(nèi)刷新了Blackfin處理器的價(jià)格新低，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了更多性能優(yōu)化。而同期推出的低成本評(píng)估套件和仿真器配套產(chǎn)品也再次發(fā)出了ADI加強(qiáng)電機(jī)控制應(yīng)用市場(chǎng)開(kāi)發(fā)力度的強(qiáng)烈信號(hào)。