0 引言

隨著社會對環保理念的深入關切， 低能耗的電機控制產品設計面臨著越來越苛刻的需求。同時， 電機控制系統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勢。

高性能電機應用系統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， 在電子控制系統設計時， 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， 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量和電路尺寸、降低整體成本以及提高系統性能等方面， 也具有更多的優勢。

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能和產品性能需求的提高， 以及價格的持續走低， DSP的獨特優勢使其在電機控制市場獲得了越來越廣泛的認可， 并由高端工業電機控制領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內核與一系列功能強大的控制外設集成到一個芯片上的一種新型處理器， 因此， 它能以高速DSP內核作為計算引擎， 同時加上內置的模數轉換器來提高電機的控制帶寬， 并允許低成本地實現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磁阻電機。這些計算能力和優化的外設可以通過該DSP處理器輕松地完成更多的功能(如功率因數校正等)。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化解決方案， 可進一步強化DSP在電機控制設計中的應用。BF50x控制芯片繼續秉承了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處理器的煩惱， 以簡化軟件和硬件設計。利用BF50x 處理器的高處理能力， 并通過利用復雜的算法，來實現更強大的系統功能和精度， 其中包括更多的數據實時處理、縮短延時， 并可實現更高的設計靈活性以及系統界面和控制功能的優化。

借助Blackfin BF50x處理器的出色性能可以執行更加復雜的電機控制算法， 以確保根據系統行為的實時變化進行動態控制， 從而獲得更加平穩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來實現更高的電機控制效率， 而利用高級建模技術則可精確判定轉軸位置和/或轉速， 因而無需使用位置/速度傳感器， 且其系統尺寸更小， 成本更低， 可靠性則更高。BlackfinBF50x內部集成的12 位ADC 可以提供電機狀態精確建模所需的精密數據轉換， 因而能夠精確估計電機的相應位置/轉速。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；

◇ 內部帶有4 MB 閃存， 可用于指令和數據的存儲；

◇ 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/降計數器可支持旋轉計數；

◇ 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℃。

2 基于BF50x的電機驅動控制

2.1 處理器電源電路

設計時， 應當為BF50X處理器提供幾種不同的電源電壓， 以分別為BF50X處理器核、各種接口以及整個芯片提供動力。本設計選用ADP5020來組成基于BF50X處理器的電機驅動控制系統的電源電路。該芯片可輸出1.5 V、2.5 V和3.3 V電壓。圖1所示是用于BF50X處理器系統的電源電路。

Blackfin BF50x處理器系統的電源電路

圖1 Blackfin BF50x處理器系統的電源電路

2.2 電機驅動控制方案

通過Blackfin BF50x處理器能在電機控制系統的設計中執行更復雜的算法， 從而確保對系統進行動態控制， 以適應系統行為的實時變化， 并最終獲得更平穩的性能和較低的功耗。通過采用無傳感的矢量控制可以實現更高的電機控制效率，而利用先進建模技術則可準確地確定電機位置和/或者速度， 以省略掉位置/速度傳感器， 進一步降低成本并提高系統可靠性。

由于BF50x已經實現了優化的電機控制應用外設的集成， 因此， 用戶可以在該系列產品中為其電機控制應用選擇內置雙SAR 型12 位ADC(BF506F) 來實現更精確的數據轉換， 從而提供對電機狀態準確建模所需要的精度， 同時也可以更準確地估計電機的位置/速度； 由于BF50x的片上4MB并行閃存存儲器可以用于程序存儲， 故可省掉片外存儲器， 從而降低系統成本， 提高可靠性； 而存儲接口的標準特性以及片內CAN控制器則可提供電機控制應用中的通信接口和存儲支持。圖2所示是基于BF50x處理器的電機驅動硬件解決方案的信號連接圖。

基于BF50x處理器的電機驅動硬件方案

 圖2 基于BF50x處理器的電機驅動硬件方案

3 軟件設計

在電機控制系統的軟件開發過程中， 先進的集成開發環境對于快速而方便地完成軟件編程和調試是十分重要的。為此， ADI 公司在推出BF50x的同時， 也針對BF50x系列器件新推出了低成本的EZ-KIT Lite*估套件， 包括ADI VisualD-SP++集成開發和調試環境(IDDE)。事實上， 為表1 算術庫函數列表了方便基于BF50x實現的電機控制應用， ADI早在2008年 8月就開始與上海交通大學合作推出了基于BF548處理器實現BF50x在電機控制應用上的軟硬件仿真設計， 并已成功完成了針對基于BF50x的三相感應電機、無刷直流電機、永磁同步電機控制應用的硬件平臺和軟件完整解決方案， 也可以向用戶提供軟硬件設計文檔、算法模塊及庫資源。表1所列為該資源庫的函數列表。

表1 算術庫函數列表

算術庫函數列表

該方案所提供的軟件模塊包括通用ADC驅動程序、霍爾效應接口驅動程序(針對采用傳感器的無刷直流電機控制應用)、PWM驅動程序等在內的全部驅動程序以及各種算法模塊。許多硬件參考設計都可直接使用該方案的完整軟件模塊，因而可極大地加快電機控制系統的設計過程， 并大大地降低設計難度和成本。

目前， ADI在中國全面上市的最新款超低價高性能仿真器ADZS-ICE-100B就是為使用Blackfin的客戶而定制的。該ADZS-ICE-100B仿真器除了價格十分低廉以外， 其諸多的創新功能也為JTAG仿真器帶來了性能更高、使用更加便捷的全新體念。

4 結束語

在為電機控制系統選擇DSP平臺時， 除了性能和特性外， 選擇具有市場優勢以及可長期穩定供貨的產品， 對于OEM持續的產品開發和今后的升級非常重要， 因為這涉及到研發成果(包括軟件及硬件) 的可重用性。本設計選用ADI的Blackfin處理器來進行電機控制設計， 這種方法具有成本低， 開發時間短， 控制精確， 仿真設計平臺和軟件可選且性能優化等優點， 因而是電機驅動控制系統設計的理想方案。