单芯片DSP电机控制系统在家用电器中流行起来

嵌入式DSP电机控制正在彻底改变家电行业，不仅通过提供最高水平的电机性能，而且还通过提供高性能的方法。DSP的计算能力允许用户利用软件建模来实现闭环电机控制，从而从硬件到软件的转变，为电机和电器制造商带来显着优势，最终改变他们的关系。

最新一代嵌入式DSP电机控制IC支持先进的控制算法，从而使家电制造商能够减少开发时间、成本和风险，同时提高其产品的效率、功能性、降噪性和性能。虽然电子电机控制存在许多处理器选项，但DSP长期以来一直被认为是最适合电机控制的，因为它在处理真实世界信号方面具有优势。如今，许多家电原始设备制造商和电机制造商正在迅速采用经济高效的DSP作为电机控制技术的首选。

简单、快速且具有成本效益

家电 OEM 发现，当今的一代电机控制 DSP 与传统微控制器 （MCU） 一样易于使用且价格低廉，并且他们已经能够充分利用 DSP 功率来实现更高级的控制算法。通过在软件中对硬件功能进行建模，这大大降低了系统成本。通过消除硬件并专注于软件，家电OEM可以比以往更快地修改和增强其电机控制，并为整个白色家电产品组合（包括冰箱，洗衣机和空调）创建一个电机控制解决方案平台。

艾默生电气公司正在使用ADI公司的DashDSP系列为其大部分变速电机控制产品提供通用平台。艾默生技术副总裁 Eric Wildi 表示：“这种通用性使我们能够充分利用开发的代码并将其应用于完全不同的应用和/或电机技术。这一方面，再加上闪存可重编程性、用户友好的环境和ADI的开发工具，正在加快我们的上市时间，并大幅降低我们的工程费用。我们预计，对基于DashDSP的现有电机控制器的修改将需要几天时间，而不是几周甚至几个月。

展望未来，下一代嵌入式DSP将不仅仅能够进行电机控制。下一代DSP将接管对整个系统的更多控制，并允许设备OEM通过网络监控电机和整个设备的运行状况，然后在发生故障之前安排维护。下一代模拟和数字功能还将实现家庭网络的无线通信和语音识别，以改进用户界面。

从硬件到软件

消费者需求是推动家电OEM使用电子电机控制的主要力量。电子电机控制允许变速运行，从而为消费者提供更安静的操作、更高的效率和更好的整体性能。例如，配备变速压缩机的冰箱比配备定速压缩机的冰箱使用的能量少 30%，因为压缩机仅在所需的冷却功率下运行。另一个好处是温度保持更稳定，因此由于温度循环较少，食物可以保持更长时间的新鲜。在洗衣机中，高旋转速度会提取更多的水，因此干衣机消耗更少的能量并更快地完成洗衣。

虽然终端消费者受益于数字电机控制，但OEM也受益于基于DSP的数字电机控制，因为DSP功能强大，足以允许软件对硬件进行建模。这种建模方法是通过开发和实施先进的控制算法来实现的，是OEM满足消费者需求的最佳方法。

电机转速

软件算法可以在不使用传感器和旋转变压器的情况下显著提高电机速度。转子估计和反馈驱动电机绕组的速度越快，速度控制得越快、越准确。虽然传感器和旋转变压器可用于直接测量转子位置，但这些组件会增加成本、制造复杂性并降低整体质量和可靠性。高性能DSP和模拟系统的组合允许使用无传感器控制软件算法，从而在不影响性能的情况下消除对此类传感器的需求。

新电机类型

在软件中对电机进行建模的能力还允许使用更广泛的电机类型，包括交流感应电机 （ACIM）、无刷直流电机 （BLDC） 和开关磁阻电机 （SR）。虽然一些廉价的电机由于难以精确控制而无法用于电器应用，但DSP能够执行必要的控制水平。例如，考虑SR电机。SR电机的低制造成本，高可靠性和出色的扭矩特性使人们猜测它将上升到电器中使用的电机类型的最前沿。

然而，SR电机的采用速度很慢，因为这些电机难以控制，因为电机绕组必须以正确的顺序激励，需要高分辨率的转子位置信息。此外，SR电机是高度非线性的，导致高转矩脉动和噪声。基于DSP的解决方案可以在软件中解决这两个问题，而不会增加系统成本。DSP的快速计算能力与捕获电机电流的精密模拟前端相结合，不仅可以获得高速运行电机所需的转子位置信息的高分辨率，而且还可用于校正转矩非线性。直到最近，SR电机控制还要求使用传感器或定制设计的ASIC，这增加了系统成本，并将SR电机的使用限制在高端、高价电器上。借助嵌入式 DSP 电机控制器，家电制造商现在可以在其整个家电产品组合中使用 SR 电机。

对制造和供应链的好处

从硬件到软件的关注点的转变也改变了家电制造商使用电机的方式。最显著的影响是由于DSP允许简化软件中的复杂电机和应用建模。单个型号可用于不同制造商的电机，因此家电 OEM 只需使用一块控制板即可轻松获得第二源电机。很快，软件算法将提供“自适应调谐”。这种技术允许控制器在启动时将自身调整到任何电机，以便在设备的使用寿命内随时更换电机。

DSP的高带宽也可用于对软件中的电路元件进行建模。这减少了使用的组件总数，从而降低了成本并简化了制造。在软件中对电路元件进行建模还具有减少制造可变性的有益效果。同样，嵌入式DSP电机控制的闭环特性也使设备对电机中的制造变化不太敏感。在这些情况下，家电制造商能够以更低的成本为客户提供更一致的性能。

上市时间

这种控制电机的新方法的最终好处是，家电OEM可以在所有产品中使用一系列DSP和算法，以缩短上市时间并节省投资费用。用于控制 BLDC 冰箱压缩机的相同算法也可用于控制 BLDC 空调压缩机。同样，用于功率因数校正等功能的其他软件算法也可以用作所有产品的通用平台。

通过将软件从一代产品“重用”到下一代产品，进一步缩短了上市时间。改进软件或添加新功能只需很少或无需修改硬件即可完成，从而简化了产品鉴定和认证测试。

未来趋势

虽然DSP为当今的电器和电机制造商提供了相当大的好处，但在不久的将来，电机控制DSP带宽将以相同的价格从20 MIPS增加到150 MIPS增加七倍以上。由于白色家电的电机控制将需要20至40 MIPS的带宽，因此无需向控制板添加额外组件或DSP复杂性即可处理新功能。

例如，语音识别需要10到20 MIPS才能实现“自然语言”识别，而不是简单的“命令和控制”。后者要求用户说出单个单词命令，而前者允许用户像往常一样连续说话。“自然语言”识别还允许用户说出完整的数字，而不是一次说一个数字。例如，“515”可以说成“五百一十五”而不是“五一五”。语音识别在电器中的使用将彻底改变用户界面，甚至可以集成到当今的电机控制DSP中。但这场革命并没有随着语音识别而结束——这项技术的一个分支将是主动降噪，这将进一步减少电器产生的噪音。这可能允许家电OEM使用噪音更大，更便宜的电机，因为该软件可以在不增加成本的情况下降低噪音。

有线或无线通信是可以嵌入电机控制DSP中的附加功能。DSP已经成为通信的首选处理器，当今许多DSP内核上都存在多种应用。可以包括用于有线通信的简单软件调制解调器，或者可以在芯片中包含RF模块，DSP处理无线信号的解释和控制。

由于 DSP 可用于监控电器电机的运行状况，因此包含互联网通信将允许家电 OEM 远程监控其所有正在使用的产品。这将产生两个重要而有益的结果。首先，它将允许OEM在发生故障之前安排设备的维护。其次，它将允许OEM收集有关其产品中电机性能的最新实时信息，以便他们可以将这些信息反馈给电机制造商。由此产生的数据将展示电机如何在许多不同环境中的实际产品中运行，并将帮助电器和电机制造商在未来制造更好、更可靠的产品。

总结

越来越多地使用DSP来控制电动机，这表明电机控制正在将其重点从硬件转移到软件。这种转变是由于DSP具有优越的带宽以及它们对处理真实世界信号任务的适用性。这种转变的结果是，家电制造商在选择在其应用中使用哪种类型的电机时，现在有更多的选择。软件建模的使用，除了提高性能、降低成本、提高可靠性和效率外，还增加了家电制造商的灵活性，使他们能够二次采购电机。

审核编辑：郭婷