基于DSP的交流電機控制硬件可以通過DSP和電機控制芯片簡化

變速電機控制系統具有廣泛的應用，從高端工業機器人到普通家用電器，如家用洗衣機。這些系統中的控制回路首先使用模擬組件實現。通常，在反饋補償電路中使用運算放大器，并且比較器用于產生用于開關功率轉換器的控制信號。然而，低成本微型計算機的出現越來越多地導致通過數字手段實現控制和用戶界面功能。通過在同一處理器上實現所有電機控制功能，可以進一步降低處理能力成本，從而進一步簡化系統硬件。

ADI公司的運動控制集團一直是領先的供應商過去十年來，將旋變數字轉換產品應用于交流伺服電機市場。諸如AD2S80和AD2S90 R / D轉換器之類的器件用于處理模擬反饋信號，以便在永磁交流伺服驅動系統中對位置和速度進行數字控制。運動控制組，ADMC200和ADMC201運動協處理器的最新產品將這一概念推向了更遠的位置。這些多功能器件在單芯片上集成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提供模擬采集系統來捕獲電機電流或電壓信號，調節這些信號的矢量處理功能，以及控制功率轉換器所需的脈沖寬度調制器。 ADMC201與ADSP-2105數字信號處理器相結合，可作為交流電機驅動系統的高性能控制引擎。以下示例描述了主要設備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：伺服電機控制系統通常有兩個級聯控制回路，如圖1所示。外部運動回路控制電機位置和速度基于來自位置或速度傳感器的反饋信號。該回路的輸出是對電動機轉矩增加或減少的要求，該轉矩被饋送到內部電流回路。電流回路為功率轉換器產生信號，該信號提供合適的電動機電流以產生所需的輸出轉矩。通過快速改變功率半導體開關（例如IGBT或功率MOSFET）的導通和關斷導通周期來控制從直流電源軌到電機的功率流。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字方式產生。

通常，運動回路設計與電機類型無關（交流或dc）但僅僅是系統機械性能的函數，例如慣性，動摩擦等。然而，電流環的復雜程度因電機類型而異。在直流電動機中，轉矩與電樞繞組中的直流電流成正比。但是為了控制交流電動機的扭矩，電流必須與旋轉的轉子磁場的位置同步。簡化電動機轉矩控制的一種方法是將測量的定子電流轉換成與轉子磁場同步的參考系。該過程（圖2）產生兩個等效的直流電動機電流量：產生轉矩的分量，I q 和一個磁場控制分量，I d 。交流電機控制系統計算兩個正交電壓，V d 和V q ，強制I q 電流直接跟隨轉矩需求和I d 電流以維持恒定的轉子磁場。然后使用逆變換將“直流電機”V d 和V q 電壓轉換回定子參考系，以提供所需的繞組電壓。

圖3顯示了永磁交流伺服電機控制方案的全數字實現。旋轉變壓器到數字（R / D）轉換器從安裝在軸上的旋轉變壓器的輸出信號中獲得數字角位置反饋信息。外部位置和速度環計算所需的電機轉矩電流I q 。使用估計算法從位置測量計算電動機速度。場減小分量I d 通常為零，以便最大化電動機扭矩輸出。但是，弱磁功能可以設置非零I d ，以有效降低轉子磁場強度，從而提高電機速度范圍。

A / D轉換器調節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。反向變換采用兩個定子電流信號和轉子電角ρ - 并計算轉矩和場分量，I q 和I d 。推斷出第三定子電流信號，因為所有三個定子電流總和為零。有兩個電流回路，一個轉矩回路和一個勵磁回路，具有比例和積分補償（PI）。通過向前饋送估計的繞組反電動勢和繞組阻抗下降（因此'+'注釋），可以改善這些回路的響應。然后，計算的V d 和V q 輸出在矢量變換塊中變換為三相定子電壓的數字當量，V a < / sub>，V b 和V c ，用于驅動電機。

PWM定時器模塊將數字輸入轉換為脈寬調制定時信號用于三相逆變器。施加到電動機繞組的電壓由每個逆變器支路中的功率晶體管開關的導通時間控制。在下面的例子中（圖4），當上部逆變器功率晶體管Q A 導通時，繞組“a”連接到+ V總線電源軌，導致繞組電流，i < sub> a ，增加。當Q A 關閉時，繞組電流“自由輪”通過下部逆變器二極管D AP ，并將繞組“a”連接到-V總線電源軌。平均定子繞組電壓V A 與功率晶體管的導通時間t A 成比例，Q A ，并給出通過：

對于負定子電流，繞組電流流經下部晶體管Q AP 和“自由輪”通過上部二極管D A 。在這種情況下，繞組電壓是二極管D A 的導通周期的函數。為了使所施加的定子電壓與定子電流感測無關，當Q A 關閉時，功率晶體管Q AP 導通。然而，為了防止這些功率晶體管同時導通的可能性，在用于上部和下部器件的導通信號之間插入短暫的“死區時間”。如圖4（c）所示，產生的有源低PWM信號是互補的定時波形，有效部分之間的“死”時間很短。

上述交流伺服系統可以使用三個主要控制部件構建。 ADSP-2105 DSP實現控制環路，ADMC201與三相逆變器連接，AD2S90與旋轉變壓器位置傳感器連接。 ADSP-2105定點DSP已針對高速信號處理應用進行了優化。由于控制回路循環時間短，為50-100μs，因此非常適合交流電機電流控制。 AD2S90旋變數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，則可以使用額外的串行端口。]。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的詳細說明和ADSP-2105的接口如下所示。

ADMC200運動協處理器系列：ADMC200運動協處理器有三個主要功能模塊：一個4通道，11位，同步采樣A / D轉換系統，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據。嵌入式控制序列器對芯片選擇線，讀寫線和4個地址線進行解碼，并將這些數據寄存器直接映射到DSP存儲器地址空間。這意味著所有寄存器始終可由DSP直接訪問。片上中斷控制器可以在A / D轉換序列結束時或在矢量變換完成時中斷DSP。 A / D轉換器的轉換開始線可以由PWM定時器模塊驅動，以使控制軟件和信號采樣與PWM頻率同步。

ADMC200采用CMOS工藝設計，兼具低成本和低功耗特性?；贑MOS兼容開關電容技術的A / D轉換器是一款11位逐次逼近型器件，其前端采用4通道同步采樣采樣保持放大器。這允許在不到14.4μs的情況下獲得最多四個電動機電流或電壓信號而沒有“偏斜”。 ADMC201具有內部4：1多路復用器，可為較慢的信號提供額外的三個異步通道，如溫度或直流總線電壓。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相當于數字零點。板載參考的絕對精度在5％（滿載）范圍內。模數轉換器的總體精度為8LSB，而通道到通道匹配的精度在±2LSB以內。高轉換開始脈沖獲取所有四個輸入通道，并根據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DSP產生中斷脈沖，可以按任意順序讀取結果寄存器。

12位PWM模塊產生三對恒定頻率可變占空比功率轉換器開關的波形，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，因此開（低）周期關于定時脈沖之間的中點對稱。這樣可以更容易地將電流采樣與PWM波形同步。波形是互補的，即功率設備成對切換：一個設備“打開”，互補設備“關閉”。為了防止逆變器功率器件同時導通的可能性，互補PWM波形是死區時間調整（PWMDT）。在每個PWM周期開始時產生的有效高PWMSYNC脈沖使功率逆變器的操作與A / D轉換器同步。

12位硬件向量 - 旋轉塊可以執行正向和反轉定子（交流電流和電壓）和轉子（直流機器等效）參考系之間的Park和Clarke變換。反向變換將三相定子電流信號I a ，I b 和I c 轉換為兩個正交的轉子參考電流，I < sub> d 和I q 。轉換包括三個階段（表1），其中ρ是轉子磁場的角度。

表1

正向變換轉換兩個正交轉子參考電壓，V d 和V q ，三相定子電壓信號，I a ，I b 和I c 。轉換包括兩個階段（表2），其中ρ是轉子場的角度。

表2

ADMC201數字I / O模塊有六條數字線，可配置為輸入或輸出。它們也可以配置為系統保護功能的中斷源。通過四個存儲器映射寄存器訪問I / O塊。

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以采用少于500行的DSP代碼?？臻g限制阻止了對軟件的完整描述，但我們將描述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。通過將ADMC201的PWMSYNC引腳（來自定時器模塊）連接到ADC的CONVST引腳，可以在PWM周期開始時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A / D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，因為采樣處于電流波形的中點。在每個PWM周期開始后，向DSP提供一組電流測量值;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中的電流環路信號流程圖描述了ADSP-2105 DSP和ADMC201協處理器之間的信息流。當來自ADMC201的A / D轉換器的中斷指示有一組新的當前樣本可用時，該算法啟動。 DSP從ADMC201的V和W寄存器讀取兩個相電流值，調整它們的A / D和電流傳感器偏移，并將它們與轉子角度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可執行保護功能，如過載檢測或總線電壓監控。轉換的結束由中斷發出信號;然后DSP讀取ID和IQ寄存器并實現電流環控制算法。計算出的VD和VQ值與轉子角ρ一起寫入ADMC201的VD和VQ寄存器。 ADMC201啟動正向矢量旋轉，而DSP可以執行一些進一步的保持功能。轉換的結束由另一個中斷發出信號; DSP讀取PHV1，PHV2和PHV3寄存器，并根據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，以關閉電流控制環路。

控制算法由許多控制律和一些對ADMC201數據的讀寫組成。寄存器。 ADI定點DSP非常適合實現控制律，例如P-I（比例+積分控制）環和狀態空間算法，其中有很多例子。 ADMC201的存儲器映射結構具有以下優點：訪問數據寄存器不需要特殊的讀或寫序列。 ADMC201讀寫寄存器通過器件上的芯片選擇線映射到DSP外部DM地址空間中的一個模塊。 ADMC201 A / D轉換器中斷的中斷服務程序代碼示例如下表所示，以說明這一點。第一條指令是使用數據存儲器讀指令讀取ADMC201系統狀態寄存器。然后，AR寄存器加載一個ADMC201 A / D中斷位置1的常量。如果未設置A / D中斷，則繼續檢查其他中斷源，例如PARK塊中斷。如果設置了位，則讀取A / D寄存器并啟動當前循環算法。

< td>讀取ADMC201統計寄存器

結論：

我們選擇了一個用ADSP-2105（或ADSP-2115）A實現的永磁交流伺服電機控制方案的示例DMC201和AD2S90芯片組。這些硬件選擇允許系統配置具有很大的靈活性。如果需要更多處理“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，并使用編碼器代替旋轉變壓器。

使用ADSP-2101 EZLAB和ADMC201板可以使用評估系統。它附帶軟件，說明了ADMC201功能塊的主要功能。該系統可用于構建三相電機控制演示系統的控制元件。