嵌入式DSP電機(jī)控制正在徹底改變家電行業(yè)，不僅通過提供最高水平的電機(jī)性能，而且還通過提供高性能的方法。DSP的計(jì)算能力允許用戶利用軟件建模來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)電機(jī)控制，從而從硬件到軟件的轉(zhuǎn)變，為電機(jī)和電器制造商帶來顯著優(yōu)勢(shì)，最終改變他們的關(guān)系。
最新一代嵌入式DSP電機(jī)控制IC支持先進(jìn)的控制算法，從而使家電制造商能夠減少開發(fā)時(shí)間、成本和風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提高其產(chǎn)品的效率、功能性、降噪性和性能。雖然電子電機(jī)控制存在許多處理器選項(xiàng)，但DSP長期以來一直被認(rèn)為是最適合電機(jī)控制的，因?yàn)樗谔幚碚鎸?shí)世界信號(hào)方面具有優(yōu)勢(shì)。如今，許多家電原始設(shè)備制造商和電機(jī)制造商正在迅速采用經(jīng)濟(jì)高效的DSP作為電機(jī)控制技術(shù)的首選。
簡單、快速且具有成本效益
家電 OEM 發(fā)現(xiàn)，當(dāng)今的一代電機(jī)控制 DSP 與傳統(tǒng)微控制器 （MCU） 一樣易于使用且價(jià)格低廉，并且他們已經(jīng)能夠充分利用 DSP 功率來實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的控制算法。通過在軟件中對(duì)硬件功能進(jìn)行建模，這大大降低了系統(tǒng)成本。通過消除硬件并專注于軟件，家電OEM可以比以往更快地修改和增強(qiáng)其電機(jī)控制，并為整個(gè)白色家電產(chǎn)品組合（包括冰箱，洗衣機(jī)和空調(diào)）創(chuàng)建一個(gè)電機(jī)控制解決方案平臺(tái)。
艾默生電氣公司正在使用ADI公司的DashDSP系列為其大部分變速電機(jī)控制產(chǎn)品提供通用平臺(tái)。艾默生技術(shù)副總裁 Eric Wildi 表示：“這種通用性使我們能夠充分利用開發(fā)的代碼并將其應(yīng)用于完全不同的應(yīng)用和/或電機(jī)技術(shù)。這一方面，再加上閃存可重編程性、用戶友好的環(huán)境和ADI的開發(fā)工具，正在加快我們的上市時(shí)間，并大幅降低我們的工程費(fèi)用。我們預(yù)計(jì)，對(duì)基于DashDSP的現(xiàn)有電機(jī)控制器的修改將需要幾天時(shí)間，而不是幾周甚至幾個(gè)月。
展望未來，下一代嵌入式DSP將不僅僅能夠進(jìn)行電機(jī)控制。下一代DSP將接管對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的更多控制，并允許設(shè)備OEM通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控電機(jī)和整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀況，然后在發(fā)生故障之前安排維護(hù)。下一代模擬和數(shù)字功能還將實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)的無線通信和語音識(shí)別，以改進(jìn)用戶界面。
從硬件到軟件
消費(fèi)者需求是推動(dòng)家電OEM使用電子電機(jī)控制的主要力量。電子電機(jī)控制允許變速運(yùn)行，從而為消費(fèi)者提供更安靜的操作、更高的效率和更好的整體性能。例如，配備變速壓縮機(jī)的冰箱比配備定速壓縮機(jī)的冰箱使用的能量少 30%，因?yàn)閴嚎s機(jī)僅在所需的冷卻功率下運(yùn)行。另一個(gè)好處是溫度保持更穩(wěn)定，因此由于溫度循環(huán)較少，食物可以保持更長時(shí)間的新鮮。在洗衣機(jī)中，高旋轉(zhuǎn)速度會(huì)提取更多的水，因此干衣機(jī)消耗更少的能量并更快地完成洗衣。
雖然終端消費(fèi)者受益于數(shù)字電機(jī)控制，但OEM也受益于基于DSP的數(shù)字電機(jī)控制，因?yàn)镈SP功能強(qiáng)大，足以允許軟件對(duì)硬件進(jìn)行建模。這種建模方法是通過開發(fā)和實(shí)施先進(jìn)的控制算法來實(shí)現(xiàn)的，是OEM滿足消費(fèi)者需求的最佳方法。
電機(jī)轉(zhuǎn)速
軟件算法可以在不使用傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器的情況下顯著提高電機(jī)速度。轉(zhuǎn)子估計(jì)和反饋驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組的速度越快，速度控制得越快、越準(zhǔn)確。雖然傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器可用于直接測(cè)量轉(zhuǎn)子位置，但這些組件會(huì)增加成本、制造復(fù)雜性并降低整體質(zhì)量和可靠性。高性能DSP和模擬系統(tǒng)的組合允許使用無傳感器控制軟件算法，從而在不影響性能的情況下消除對(duì)此類傳感器的需求。
新電機(jī)類型
在軟件中對(duì)電機(jī)進(jìn)行建模的能力還允許使用更廣泛的電機(jī)類型，包括交流感應(yīng)電機(jī) （ACIM）、無刷直流電機(jī) （BLDC） 和開關(guān)磁阻電機(jī) （SR）。雖然一些廉價(jià)的電機(jī)由于難以精確控制而無法用于電器應(yīng)用，但DSP能夠執(zhí)行必要的控制水平。例如，考慮SR電機(jī)。SR電機(jī)的低制造成本，高可靠性和出色的扭矩特性使人們猜測(cè)它將上升到電器中使用的電機(jī)類型的最前沿。
然而，SR電機(jī)的采用速度很慢，因?yàn)檫@些電機(jī)難以控制，因?yàn)殡姍C(jī)繞組必須以正確的順序激勵(lì)，需要高分辨率的轉(zhuǎn)子位置信息。此外，SR電機(jī)是高度非線性的，導(dǎo)致高轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲。基于DSP的解決方案可以在軟件中解決這兩個(gè)問題，而不會(huì)增加系統(tǒng)成本。DSP的快速計(jì)算能力與捕獲電機(jī)電流的精密模擬前端相結(jié)合，不僅可以獲得高速運(yùn)行電機(jī)所需的轉(zhuǎn)子位置信息的高分辨率，而且還可用于校正轉(zhuǎn)矩非線性。直到最近，SR電機(jī)控制還要求使用傳感器或定制設(shè)計(jì)的ASIC，這增加了系統(tǒng)成本，并將SR電機(jī)的使用限制在高端、高價(jià)電器上。借助嵌入式 DSP 電機(jī)控制器，家電制造商現(xiàn)在可以在其整個(gè)家電產(chǎn)品組合中使用 SR 電機(jī)。
對(duì)制造和供應(yīng)鏈的好處
從硬件到軟件的關(guān)注點(diǎn)的轉(zhuǎn)變也改變了家電制造商使用電機(jī)的方式。最顯著的影響是由于DSP允許簡化軟件中的復(fù)雜電機(jī)和應(yīng)用建模。單個(gè)型號(hào)可用于不同制造商的電機(jī)，因此家電 OEM 只需使用一塊控制板即可輕松獲得第二源電機(jī)。很快，軟件算法將提供”自適應(yīng)調(diào)諧“。這種技術(shù)允許控制器在啟動(dòng)時(shí)將自身調(diào)整到任何電機(jī)，以便在設(shè)備的使用壽命內(nèi)隨時(shí)更換電機(jī)。
DSP的高帶寬也可用于對(duì)軟件中的電路元件進(jìn)行建模。這減少了使用的組件總數(shù)，從而降低了成本并簡化了制造。在軟件中對(duì)電路元件進(jìn)行建模還具有減少制造可變性的有益效果。同樣，嵌入式DSP電機(jī)控制的閉環(huán)特性也使設(shè)備對(duì)電機(jī)中的制造變化不太敏感。在這些情況下，家電制造商能夠以更低的成本為客戶提供更一致的性能。
上市時(shí)間
這種控制電機(jī)的新方法的最終好處是，家電OEM可以在所有產(chǎn)品中使用一系列DSP和算法，以縮短上市時(shí)間并節(jié)省投資費(fèi)用。用于控制 BLDC 冰箱壓縮機(jī)的相同算法也可用于控制 BLDC 空調(diào)壓縮機(jī)。同樣，用于功率因數(shù)校正等功能的其他軟件算法也可以用作所有產(chǎn)品的通用平臺(tái)。
通過將軟件從一代產(chǎn)品”重用“到下一代產(chǎn)品，進(jìn)一步縮短了上市時(shí)間。改進(jìn)軟件或添加新功能只需很少或無需修改硬件即可完成，從而簡化了產(chǎn)品鑒定和認(rèn)證測(cè)試。
未來趨勢(shì)
雖然DSP為當(dāng)今的電器和電機(jī)制造商提供了相當(dāng)大的好處，但在不久的將來，電機(jī)控制DSP帶寬將以相同的價(jià)格從20 MIPS增加到150 MIPS增加七倍以上。由于白色家電的電機(jī)控制將需要20至40 MIPS的帶寬，因此無需向控制板添加額外組件或DSP復(fù)雜性即可處理新功能。
例如，語音識(shí)別需要10到20 MIPS才能實(shí)現(xiàn)”自然語言“識(shí)別，而不是簡單的”命令和控制“。后者要求用戶說出單個(gè)單詞命令，而前者允許用戶像往常一樣連續(xù)說話。”自然語言“識(shí)別還允許用戶說出完整的數(shù)字，而不是一次說一個(gè)數(shù)字。例如，”515“可以說成”五百一十五“而不是”五一五“。語音識(shí)別在電器中的使用將徹底改變用戶界面，甚至可以集成到當(dāng)今的電機(jī)控制DSP中。但這場(chǎng)革命并沒有隨著語音識(shí)別而結(jié)束——這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)分支將是主動(dòng)降噪，這將進(jìn)一步減少電器產(chǎn)生的噪音。這可能允許家電OEM使用噪音更大，更便宜的電機(jī)，因?yàn)樵撥浖梢栽诓辉黾映杀镜那闆r下降低噪音。
有線或無線通信是可以嵌入電機(jī)控制DSP中的附加功能。DSP已經(jīng)成為通信的首選處理器，當(dāng)今許多DSP內(nèi)核上都存在多種應(yīng)用。可以包括用于有線通信的簡單軟件調(diào)制解調(diào)器，或者可以在芯片中包含RF模塊，DSP處理無線信號(hào)的解釋和控制。
由于 DSP 可用于監(jiān)控電器電機(jī)的運(yùn)行狀況，因此包含互聯(lián)網(wǎng)通信將允許家電 OEM 遠(yuǎn)程監(jiān)控其所有正在使用的產(chǎn)品。這將產(chǎn)生兩個(gè)重要而有益的結(jié)果。首先，它將允許OEM在發(fā)生故障之前安排設(shè)備的維護(hù)。其次，它將允許OEM收集有關(guān)其產(chǎn)品中電機(jī)性能的最新實(shí)時(shí)信息，以便他們可以將這些信息反饋給電機(jī)制造商。由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將展示電機(jī)如何在許多不同環(huán)境中的實(shí)際產(chǎn)品中運(yùn)行，并將幫助電器和電機(jī)制造商在未來制造更好、更可靠的產(chǎn)品。
總結(jié)
越來越多地使用DSP來控制電動(dòng)機(jī)，這表明電機(jī)控制正在將其重點(diǎn)從硬件轉(zhuǎn)移到軟件。這種轉(zhuǎn)變是由于DSP具有優(yōu)越的帶寬以及它們對(duì)處理真實(shí)世界信號(hào)任務(wù)的適用性。這種轉(zhuǎn)變的結(jié)果是，家電制造商在選擇在其應(yīng)用中使用哪種類型的電機(jī)時(shí)，現(xiàn)在有更多的選擇。軟件建模的使用，除了提高性能、降低成本、提高可靠性和效率外，還增加了家電制造商的靈活性，使他們能夠二次采購電機(jī)。
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