電機(jī)控制是任何微控制器 （MCU） 的關(guān)鍵功能，因?yàn)閱⒂脩?yīng)用所需的處理能力是集成電路 （IC） 中固有的。但電機(jī)控制應(yīng)用和電機(jī)類型的廣度令人震驚。因此，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要仔細(xì)地將應(yīng)用與正確類型的 MCU 匹配，以最大限度地降低實(shí)施成本并確保性能符合設(shè)計(jì)規(guī)范。在某些情況下，低端 MCU 就足夠了，而其他應(yīng)用則需要更高性能的控制器。
具有針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理 （DSP） 功能的快速操作需求而優(yōu)化的架構(gòu)的 MCU 通常被稱為數(shù)字信號(hào)控制器 （DSC）。DSC 在電機(jī)控制應(yīng)用中越來越受歡迎，因?yàn)槠鋽?shù)學(xué)功能可以在相對(duì)低成本的 IC 上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制場景。
飛思卡爾長期以來一直是 DSC 趨勢的領(lǐng)導(dǎo)者，并為 DSC 與其他 MCU 在電機(jī)控制方面的比較提供了一個(gè)很好的參考點(diǎn)。該公司將其 16 位入門級(jí) MC56F8006/2 DSC 置于其電機(jī)控制產(chǎn)品組合的中間位置。通常，數(shù)學(xué)功能使 DSC 非常適合處理器必須處理模擬輸入的實(shí)時(shí)捕獲的應(yīng)用。捕獲后，DSC 會(huì)分析輸入并執(zhí)行實(shí)時(shí)控制算法。更高端的 MCU，例如基于電源架構(gòu)的 MCU，可以為此類任務(wù)帶來更多的處理能力，但 DSC 產(chǎn)品更具成本效益，因?yàn)樗鼈兛梢葬槍?duì)應(yīng)用進(jìn)行擴(kuò)展。
使用 DSC 的產(chǎn)品種類繁多，從家用電器到對(duì)功率敏感的應(yīng)用，從手持電動(dòng)工具到醫(yī)療系統(tǒng)。飛思卡爾MC56F8006 / MC56F8002 DSC 適用于復(fù)雜場景，而 MC9SO8MP16 8 位 MCU 系列則針對(duì)入門級(jí)無刷直流 （BLDC） 電機(jī)控制。DSC 可用于三相 BLDC 電機(jī)應(yīng)用、入門級(jí)磁場定向控制 （FOC） 應(yīng)用和永磁同步電機(jī) （PMSM） 應(yīng)用。
DSC 架構(gòu)與電機(jī)應(yīng)用相匹配
看看 MC56F8006/2 架構(gòu)，您可以了解該系列非常適合電機(jī)控制應(yīng)用的原因。56F800E 處理內(nèi)核的最大時(shí)鐘速度為 32 MHz，但在電機(jī)控制應(yīng)用中至關(guān)重要的定時(shí)器和脈寬調(diào)制 （PWM） 外設(shè)的工作頻率為 96 MHz。PWM 模塊具有六個(gè)輸出。DSC 集成了雙 12 位 ADC，可以在 3.03 ?s 內(nèi)以最大時(shí)鐘速度轉(zhuǎn)換一個(gè)樣本。這些 IC 包括三個(gè)在電機(jī)控制中也很重要的模擬比較器。
MC56F8006/2 的數(shù)學(xué)功能由一個(gè) 16x16 位并行 MAC（乘法累加器）啟用，該 MAC（乘法累加器）針對(duì)矩陣數(shù)學(xué)等功能進(jìn)行了優(yōu)化。該架構(gòu)還包括四個(gè) 36 位累加器以提高速度。
進(jìn)一步提升飛思卡爾 DSC 系列，MC56F824x 和 MC56F825x 也使用 56F800E 內(nèi)核，但將時(shí)鐘速度提高到 60 MHz，使其成為許多應(yīng)用的理想選擇。DSC 增加了其他功能，例如用于三個(gè)模擬比較器的 5 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 參考，可以實(shí)現(xiàn)更精確的控制方案。
DSC 支持無傳感器 FOC 應(yīng)用
Microchip推薦將其 dsPIC DSC 用于復(fù)雜控制場景，例如無傳感器 FOC 算法。事實(shí)證明，F(xiàn)OC 方法在電機(jī)面臨動(dòng)態(tài)變化負(fù)載的應(yīng)用中很受歡迎，例如洗衣機(jī)。
傳統(tǒng)上，洗衣機(jī)使用 BLDC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)和六步或梯形控制方案。在此類控制系統(tǒng)中，霍爾傳感器向控制器提供轉(zhuǎn)子位置信息，但精度僅限于離散的傳感器位置。隨著洗滌周期變得更加復(fù)雜，傳感器無法提供進(jìn)行更改所需的持續(xù)反饋。此外，電機(jī)上的負(fù)載會(huì)不斷地動(dòng)態(tài)變化——尤其是在洗滌負(fù)載的重量會(huì)影響電機(jī)的前置裝載機(jī)中。
與 PMSM 電機(jī)配合使用的 FOC 設(shè)計(jì)可以通過監(jiān)測存在于定子繞組中的反電動(dòng)勢 （EMF） 電壓來連續(xù)感測轉(zhuǎn)子的位置。PMSM 電機(jī)增加了運(yùn)行更安靜的優(yōu)勢，并且與 BLDC 電機(jī)相比，通常被認(rèn)為相對(duì)于尺寸更強(qiáng)大。
采用無傳感器控制設(shè)計(jì)的 Microchip dsPIC30F 系列 DSC 在電機(jī)軸上沒有位置傳感器。相反，該設(shè)計(jì)使用三相逆變器內(nèi)部的電阻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行電流測量。FOC 算法（有時(shí)稱為矢量控制）要求 DSC 執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，例如克拉克和帕克坐標(biāo)變換。此外，DSC 最終必須使用空間矢量調(diào)制等技術(shù)生成 PWM 信號(hào)。
dsPIC 架構(gòu)非常適合該應(yīng)用。16 位系列集成了一個(gè) 17x17 位單周期 MAC。此外，它還包括兩個(gè) 40 位累加器以適應(yīng)飽和位。DSC 還包括一個(gè) 40 級(jí)桶形移位器。還有其他外圍設(shè)備也可用于啟用應(yīng)用程序。例如，dsPIC 系列包括一個(gè)正交編碼器接口以及必要的 PWM 和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器外設(shè)。
32 位 DSC 趨勢
雖然 Microchip 和 Freescale 產(chǎn)品都是 16 位器件，但電機(jī)控制應(yīng)用也有向 32 位 DSC 發(fā)展的趨勢。德州儀器 （TI） 的 16 位 MSP430 MCU 系列支持入門級(jí)控制方案，但當(dāng)手頭的任務(wù)是 FOC 或矢量控制時(shí)，它更積極地針對(duì) 32 位 C2000 Piccolo 系列。TI 不一定將 DSC 名稱用于 C2000 MCU，但它是恰當(dāng)?shù)拿枋?。處理器?nèi)核包括一個(gè) 32-x32 位單周期乘法器，一些家族成員包括一個(gè)浮點(diǎn)處理器，稱為控制律加速器，用于更精確的算法。
還有許多其他供應(yīng)商提供基于 ARM Cortex-M4 架構(gòu)的 32 位 DSC，包括飛思卡爾及其 KineTIs 系列和STMicroelectronicsSTM32 系列。此外，恩智浦半導(dǎo)體是第一家提供基于 ARM Cortex-M4 架構(gòu)的 DSC 的公司，去年推出了 LPC4300 系列。
Cortex-M4 設(shè)計(jì)包括三個(gè)獨(dú)立的 MAC——一個(gè)可以處理 32 位數(shù)據(jù)，另外兩個(gè)可以處理 16 位實(shí)現(xiàn)。每個(gè) DSC 供應(yīng)商都可以自行決定使用電機(jī)控制所需的 PWM 和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器外設(shè)來補(bǔ)充核心架構(gòu)。
32 位價(jià)值主張
32 位處理器的主要優(yōu)勢是相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言的。許多項(xiàng)目可能包括多個(gè)電機(jī)，一些 32 位處理器可以同時(shí)控制三個(gè)或更多電機(jī)。
設(shè)計(jì)人員在考慮 MCU 和 DSC 等組件時(shí)必須考慮整個(gè)系統(tǒng)。除了電機(jī)控制之外，32 位 MCU 或 DSC 可能能夠承載設(shè)計(jì)規(guī)范中定義的所有功能，例如基于觸摸的用戶界面和通信功能。另一方面，16 位 DSC 可能完全能夠執(zhí)行電機(jī)控制任務(wù)，但無法處理其他系統(tǒng)元素。
相反，手頭的項(xiàng)目可能需要分布式智能方法。也許電機(jī)控制器必須放置在惡劣的環(huán)境中，因此需要在更高溫度下工作的專用 IC。使用成本優(yōu)化的 DSC 可能是最佳選擇，因?yàn)樗试S設(shè)計(jì)人員將系統(tǒng)復(fù)雜性的其余部分留給使用標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)級(jí) MCU 在受保護(hù)的環(huán)境中實(shí)施。此外，DSC 具有支持其他任務(wù)的空間。
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