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(fù)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(yīng)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(yīng)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(rèn)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(fù)雜的控制和無傳感器算法,， 也可以控制交流感應(yīng)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(yīng)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(yīng)當(dāng)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(yīng)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(yīng)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(fù)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(fù)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(yīng)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(dá)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(fù)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℃,。

2 基于BF50x的電機驅(qū)動控制

2.1 處理器電源電路

設(shè)計時,， 應(yīng)當(dāng)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(shè)計選用ADP5020來組成基于BF50X處理器的電機驅(qū)動控制系統(tǒng)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(tǒng)的電源電路。

Blackfin BF50x處理器系統(tǒng)的電源電路

圖1 Blackfin BF50x處理器系統(tǒng)的電源電路

2.2 電機驅(qū)動控制方案

通過Blackfin BF50x處理器能在電機控制系統(tǒng)的設(shè)計中執(zhí)行更復(fù)雜的算法,， 從而確保對系統(tǒng)進行動態(tài)控制,， 以適應(yīng)系統(tǒng)行為的實時變化， 并最終獲得更平穩(wěn)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(xiàn)更高的電機控制效率,，而利用先進建模技術(shù)則可準(zhǔn)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(tǒng)可靠性,。

由于BF50x已經(jīng)實現(xiàn)了優(yōu)化的電機控制應(yīng)用外設(shè)的集成， 因此,， 用戶可以在該系列產(chǎn)品中為其電機控制應(yīng)用選擇內(nèi)置雙SAR 型12 位ADC(BF506F) 來實現(xiàn)更精確的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,， 從而提供對電機狀態(tài)準(zhǔn)確建模所需要的精度,， 同時也可以更準(zhǔn)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(tǒng)成本， 提高可靠性,； 而存儲接口的標(biāo)準(zhǔn)特性以及片內(nèi)CAN控制器則可提供電機控制應(yīng)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(qū)動硬件解決方案的信號連接圖。

基于BF50x處理器的電機驅(qū)動硬件方案

 圖2 基于BF50x處理器的電機驅(qū)動硬件方案

3 軟件設(shè)計

在電機控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)過程中,， 先進的集成開發(fā)環(huán)境對于快速而方便地完成軟件編程和調(diào)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(fā)和調(diào)試環(huán)境(IDDE)。事實上,， 為表1 算術(shù)庫函數(shù)列表了方便基于BF50x實現(xiàn)的電機控制應(yīng)用,， ADI早在2008年 8月就開始與上海交通大學(xué)合作推出了基于BF548處理器實現(xiàn)BF50x在電機控制應(yīng)用上的軟硬件仿真設(shè)計， 并已成功完成了針對基于BF50x的三相感應(yīng)電機,、無刷直流電機,、永磁同步電機控制應(yīng)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(shè)計文檔,、算法模塊及庫資源。表1所列為該資源庫的函數(shù)列表,。

表1 算術(shù)庫函數(shù)列表

算術(shù)庫函數(shù)列表

該方案所提供的軟件模塊包括通用ADC驅(qū)動程序,、霍爾效應(yīng)接口驅(qū)動程序(針對采用傳感器的無刷直流電機控制應(yīng)用)、PWM驅(qū)動程序等在內(nèi)的全部驅(qū)動程序以及各種算法模塊,。許多硬件參考設(shè)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(tǒng)的設(shè)計過程， 并大大地降低設(shè)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(chuàng)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(jié)束語

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