基于DSP的交流电机控制硬件可以通过DSP和电机控制芯片简化

变速电机控制系统具有广泛的应用，从高端工业机器人到普通家用电器，如家用洗衣机。这些系统中的控制回路首先使用模拟组件实现。通常，在反馈补偿电路中使用运算放大器，并且比较器用于产生用于开关功率转换器的控制信号。然而，低成本微型计算机的出现越来越多地导致通过数字手段实现控制和用户界面功能。通过在同一处理器上实现所有电机控制功能，可以进一步降低处理能力成本，从而进一步简化系统硬件。

ADI公司的运动控制集团一直是领先的供应商过去十年来，将旋变数字转换产品应用于交流伺服电机市场。诸如AD2S80和AD2S90 R / D转换器之类的器件用于处理模拟反馈信号，以便在永磁交流伺服驱动系统中对位置和速度进行数字控制。运动控制组，ADMC200和ADMC201运动协处理器的最新产品将这一概念推向了更远的位置。这些多功能器件在单芯片上集成了为交流电机控制提供反馈控制电流所需的所有接口和信号处理功能。

ADMC201提供模拟采集系统来捕获电机电流或电压信号，调节这些信号的矢量处理功能，以及控制功率转换器所需的脉冲宽度调制器。 ADMC201与ADSP-2105数字信号处理器相结合，可作为交流电机驱动系统的高性能控制引擎。以下示例描述了主要设备功能及其在电机控制应用中的使用。

交流伺服电机控制系统：伺服电机控制系统通常有两个级联控制回路，如图1所示。外部运动回路控制电机位置和速度基于来自位置或速度传感器的反馈信号。该回路的输出是对电动机转矩增加或减少的要求，该转矩被馈送到内部电流回路。电流回路为功率转换器产生信号，该信号提供合适的电动机电流以产生所需的输出转矩。通过快速改变功率半导体开关（例如IGBT或功率MOSFET）的导通和关断导通周期来控制从直流电源轨到电机的功率流。这些控制信号通常是固定频率，可变占空比波形，可以使用定时电路以数字方式产生。

通常，运动回路设计与电机类型无关（交流或dc）但仅仅是系统机械性能的函数，例如惯性，动摩擦等。然而，电流环的复杂程度因电机类型而异。在直流电动机中，转矩与电枢绕组中的直流电流成正比。但是为了控制交流电动机的扭矩，电流必须与旋转的转子磁场的位置同步。简化电动机转矩控制的一种方法是将测量的定子电流转换成与转子磁场同步的参考系。该过程（图2）产生两个等效的直流电动机电流量：产生转矩的分量，I q 和一个磁场控制分量，I d 。交流电机控制系统计算两个正交电压，V d 和V q ，强制I q 电流直接跟随转矩需求和I d 电流以维持恒定的转子磁场。然后使用逆变换将“直流电机”V d 和V q 电压转换回定子参考系，以提供所需的绕组电压。

图3显示了永磁交流伺服电机控制方案的全数字实现。旋转变压器到数字（R / D）转换器从安装在轴上的旋转变压器的输出信号中获得数字角位置反馈信息。外部位置和速度环计算所需的电机转矩电流I q 。使用估计算法从位置测量计算电动机速度。场减小分量I d 通常为零，以便最大化电动机扭矩输出。但是，弱磁功能可以设置非零I d ，以有效降低转子磁场强度，从而提高电机速度范围。

A / D转换器调节电机的定子电流测量值，这些测量值作为矢量变换的输入传递。反向变换采用两个定子电流信号和转子电角ρ - 并计算转矩和场分量，I q 和I d 。推断出第三定子电流信号，因为所有三个定子电流总和为零。有两个电流回路，一个转矩回路和一个励磁回路，具有比例和积分补偿（PI）。通过向前馈送估计的绕组反电动势和绕组阻抗下降（因此'+'注释），可以改善这些回路的响应。然后，计算的V d 和V q 输出在矢量变换块中变换为三相定子电压的数字当量，V a < / sub>，V b 和V c ，用于驱动电机。

PWM定时器模块将数字输入转换为脉宽调制定时信号用于三相逆变器。施加到电动机绕组的电压由每个逆变器支路中的功率晶体管开关的导通时间控制。在下面的例子中（图4），当上部逆变器功率晶体管Q A 导通时，绕组“a”连接到+ V总线电源轨，导致绕组电流，i < sub> a ，增加。当Q A 关闭时，绕组电流“自由轮”通过下部逆变器二极管D AP ，并将绕组“a”连接到-V总线电源轨。平均定子绕组电压V A 与功率晶体管的导通时间t A 成比例，Q A ，并给出通过：

对于负定子电流，绕组电流流经下部晶体管Q AP 和“自由轮”通过上部二极管D A 。在这种情况下，绕组电压是二极管D A 的导通周期的函数。为了使所施加的定子电压与定子电流感测无关，当Q A 关闭时，功率晶体管Q AP 导通。然而，为了防止这些功率晶体管同时导通的可能性，在用于上部和下部器件的导通信号之间插入短暂的“死区时间”。如图4（c）所示，产生的有源低PWM信号是互补的定时波形，有效部分之间的“死”时间很短。

上述交流伺服系统可以使用三个主要控制部件构建。 ADSP-2105 DSP实现控制环路，ADMC201与三相逆变器连接，AD2S90与旋转变压器位置传感器连接。 ADSP-2105定点DSP已针对高速信号处理应用进行了优化。由于控制回路循环时间短，为50-100μs，因此非常适合交流电机电流控制。 AD2S90旋变数字转换器可以使用串行端口简单地连接到DSP。 [如果使用ADSP-2115，则可以使用额外的串行端口。]。配套振荡器IC AD2S99用于旋变器激励并提供信号丢失检测。

ADMC201在DSP控制器和三相逆变器之间提供所需的接口功能。它适用于控制永磁交流电机和交流感应电机。 ADMC201的详细说明和ADSP-2105的接口如下所示。

ADMC200运动协处理器系列：ADMC200运动协处理器有三个主要功能模块：一个4通道，11位，同步采样A / D转换系统，12位零中心PWM定时器模块和矢量旋转模块。此外，ADMC201还提供三个额外的模拟输入通道和6位可编程数字I / O引脚。该器件具有25个内部存储器映射寄存器，用于存储外设输入和输出数据。嵌入式控制序列器对芯片选择线，读写线和4个地址线进行解码，并将这些数据寄存器直接映射到DSP存储器地址空间。这意味着所有寄存器始终可由DSP直接访问。片上中断控制器可以在A / D转换序列结束时或在矢量变换完成时中断DSP。 A / D转换器的转换开始线可以由PWM定时器模块驱动，以使控制软件和信号采样与PWM频率同步。

ADMC200采用CMOS工艺设计，兼具低成本和低功耗特性。基于CMOS兼容开关电容技术的A / D转换器是一款11位逐次逼近型器件，其前端采用4通道同步采样采样保持放大器。这允许在不到14.4μs的情况下获得最多四个电动机电流或电压信号而没有“偏斜”。 ADMC201具有内部4：1多路复用器，可为较慢的信号提供额外的三个异步通道，如温度或直流总线电压。转换后的值采用二进制补码格式，以匹配定点DSP处理器。模拟输入范围为0至5V，2.5V相当于数字零点。板载参考的绝对精度在5％（满载）范围内。模数转换器的总体精度为8LSB，而通道到通道匹配的精度在±2LSB以内。高转换开始脉冲获取所有四个输入通道，并根据控制寄存器设置启动2,3或4个通道的转换序列。转换结束可以编程为DSP产生中断脉冲，可以按任意顺序读取结果寄存器。

12位PWM模块产生三对恒定频率可变占空比功率转换器开关的波形，频率范围为1.5kHz至25kHz。图5中描述的信号是基于中心的低电平有效信号，因此开（低）周期关于定时脉冲之间的中点对称。这样可以更容易地将电流采样与PWM波形同步。波形是互补的，即功率设备成对切换：一个设备“打开”，互补设备“关闭”。为了防止逆变器功率器件同时导通的可能性，互补PWM波形是死区时间调整（PWMDT）。在每个PWM周期开始时产生的有效高PWMSYNC脉冲使功率逆变器的操作与A / D转换器同步。

12位硬件向量 - 旋转块可以执行正向和反转定子（交流电流和电压）和转子（直流机器等效）参考系之间的Park和Clarke变换。反向变换将三相定子电流信号I a ，I b 和I c 转换为两个正交的转子参考电流，I < sub> d 和I q 。转换包括三个阶段（表1），其中ρ是转子磁场的角度。

表1

正向变换转换两个正交转子参考电压，V d 和V q ，三相定子电压信号，I a ，I b 和I c 。转换包括两个阶段（表2），其中ρ是转子场的角度。

表2

ADMC201数字I / O模块有六条数字线，可配置为输入或输出。它们也可以配置为系统保护功能的中断源。通过四个存储器映射寄存器访问I / O块。

交流伺服电机控制软件：使用ADSP-2105控制交流伺服电机所需的软件可以采用少于500行的DSP代码。空间限制阻止了对软件的完整描述，但我们将描述一些核心算法和代码。

电流控制算法通过中断信号与PWM频率同步。通过将ADMC201的PWMSYNC引脚（来自定时器模块）连接到ADC的CONVST引脚，可以在PWM周期开始时对电机电流进行采样。 ADMC201的中断（IRQ）信号连接到ADSP-2105的IRQ2引脚，在A / D转换周期结束时中断DSP。捕获的电流信号表示平均绕组电流值，因为采样处于电流波形的中点。在每个PWM周期开始后，向DSP提供一组电流测量值;在下一个周期之前计算一组新的定子电压值和PWM时间。

图6中的电流环路信号流程图描述了ADSP-2105 DSP和ADMC201协处理器之间的信息流。当来自ADMC201的A / D转换器的中断指示有一组新的当前样本可用时，该算法启动。 DSP从ADMC201的V和W寄存器读取两个相电流值，调整它们的A / D和电流传感器偏移，并将它们与转子角度ρ一起写入ADMC201 PHIP2和PHIP3矢量变换模块。 ADMC201启动反向矢量旋转，而DSP可执行保护功能，如过载检测或总线电压监控。转换的结束由中断发出信号;然后DSP读取ID和IQ寄存器并实现电流环控制算法。计算出的VD和VQ值与转子角ρ一起写入ADMC201的VD和VQ寄存器。 ADMC201启动正向矢量旋转，而DSP可以执行一些进一步的保持功能。转换的结束由另一个中断发出信号; DSP读取PHV1，PHV2和PHV3寄存器，并根据PWM周期和总线电压调整这些值。然后，DSP将三个新值写入PWM寄存器：PWMCHA，PWMCHB和PWMCHC，以关闭电流控制环路。

控制算法由许多控制律和一些对ADMC201数据的读写组成。寄存器。 ADI定点DSP非常适合实现控制律，例如P-I（比例+积分控制）环和状态空间算法，其中有很多例子。 ADMC201的存储器映射结构具有以下优点：访问数据寄存器不需要特殊的读或写序列。 ADMC201读写寄存器通过器件上的芯片选择线映射到DSP外部DM地址空间中的一个模块。 ADMC201 A / D转换器中断的中断服务程序代码示例如下表所示，以说明这一点。第一条指令是使用数据存储器读指令读取ADMC201系统状态寄存器。然后，AR寄存器加载一个ADMC201 A / D中断位置1的常量。如果未设置A / D中断，则继续检查其他中断源，例如PARK块中断。如果设置了位，则读取A / D寄存器并启动当前循环算法。

< td>读取ADMC201统计寄存器

结论：

我们选择了一个用ADSP-2105（或ADSP-2115）A实现的永磁交流伺服电机控制方案的示例DMC201和AD2S90芯片组。这些硬件选择允许系统配置具有很大的灵活性。如果需要更多处理“马力”，ADSP-2115可以升级到ADSP-2101或ADSP-2181。如果不需要额外的模拟通道和数字I / O，则可以使用成本较低的ADMC200。 ADSP-2105和ADMC201还可用于控制交流感应电机，并使用编码器代替旋转变压器。

使用ADSP-2101 EZLAB和ADMC201板可以使用评估系统。它附带软件，说明了ADMC201功能块的主要功能。该系统可用于构建三相电机控制演示系统的控制元件。

IRQ2_ISR AY0 = DM（ADMC201_SYSSTAT_）;
：AR = ADMC201_AD_INT;	ADMC201 A / D中断位
AR = AR和AY0;	test：这个位是否设置？
IF NE JUMP PARK_INTERRUPT;	如果没有设置则跳转到下一个中断
AX0 = DM（ADMC201_ADCV _）;	读取A / D通道V寄存器
DM（I_PH_V）= AX0;	保存数据存储器中的值
AX0 = DM（ADMC201_ADCW_）;	读取A / D通道W寄存器
DM（I_PH_W）= AX0;	在数据存储器中保存值