電機控制是任何微控制器 （MCU） 的關鍵功能，因為啟用應用所需的處理能力是集成電路 （IC） 中固有的。但電機控制應用和電機類型的廣度令人震驚。因此，設計團隊需要仔細地將應用與正確類型的 MCU 匹配，以最大限度地降低實施成本并確保性能符合設計規(guī)范。在某些情況下，低端 MCU 就足夠了，而其他應用則需要更高性能的控制器。
具有針對數(shù)字信號處理 （DSP） 功能的快速操作需求而優(yōu)化的架構的 MCU 通常被稱為數(shù)字信號控制器 （DSC）。DSC 在電機控制應用中越來越受歡迎，因為其數(shù)學功能可以在相對低成本的 IC 上實現(xiàn)復雜的控制場景。
飛思卡爾長期以來一直是 DSC 趨勢的領導者，并為 DSC 與其他 MCU 在電機控制方面的比較提供了一個很好的參考點。該公司將其 16 位入門級 MC56F8006/2 DSC 置于其電機控制產(chǎn)品組合的中間位置。通常，數(shù)學功能使 DSC 非常適合處理器必須處理模擬輸入的實時捕獲的應用。捕獲后，DSC 會分析輸入并執(zhí)行實時控制算法。更高端的 MCU，例如基于電源架構的 MCU，可以為此類任務帶來更多的處理能力，但 DSC 產(chǎn)品更具成本效益，因為它們可以針對應用進行擴展。
使用 DSC 的產(chǎn)品種類繁多，從家用電器到對功率敏感的應用，從手持電動工具到醫(yī)療系統(tǒng)。飛思卡爾MC56F8006 / MC56F8002 DSC 適用于復雜場景，而 MC9SO8MP16 8 位 MCU 系列則針對入門級無刷直流 （BLDC） 電機控制。DSC 可用于三相 BLDC 電機應用、入門級磁場定向控制 （FOC） 應用和永磁同步電機 （PMSM） 應用。
DSC 架構與電機應用相匹配
看看 MC56F8006/2 架構，您可以了解該系列非常適合電機控制應用的原因。56F800E 處理內(nèi)核的最大時鐘速度為 32 MHz，但在電機控制應用中至關重要的定時器和脈寬調(diào)制 （PWM） 外設的工作頻率為 96 MHz。PWM 模塊具有六個輸出。DSC 集成了雙 12 位 ADC，可以在 3.03 ?s 內(nèi)以最大時鐘速度轉換一個樣本。這些 IC 包括三個在電機控制中也很重要的模擬比較器。
MC56F8006/2 的數(shù)學功能由一個 16x16 位并行 MAC（乘法累加器）啟用，該 MAC（乘法累加器）針對矩陣數(shù)學等功能進行了優(yōu)化。該架構還包括四個 36 位累加器以提高速度。
進一步提升飛思卡爾 DSC 系列，MC56F824x 和 MC56F825x 也使用 56F800E 內(nèi)核，但將時鐘速度提高到 60 MHz，使其成為許多應用的理想選擇。DSC 增加了其他功能，例如用于三個模擬比較器的 5 位數(shù)模轉換器 （DAC） 參考，可以實現(xiàn)更精確的控制方案。
DSC 支持無傳感器 FOC 應用
Microchip推薦將其 dsPIC DSC 用于復雜控制場景，例如無傳感器 FOC 算法。事實證明，F(xiàn)OC 方法在電機面臨動態(tài)變化負載的應用中很受歡迎，例如洗衣機。
傳統(tǒng)上，洗衣機使用 BLDC 電機驅動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雜，傳感器無法提供進行更改所需的持續(xù)反饋。此外，電機上的負載會不斷地動態(tài)變化——尤其是在洗滌負載的重量會影響電機的前置裝載機中。
與 PMSM 電機配合使用的 FOC 設計可以通過監(jiān)測存在于定子繞組中的反電動勢 （EMF） 電壓來連續(xù)感測轉子的位置。PMSM 電機增加了運行更安靜的優(yōu)勢，并且與 BLDC 電機相比，通常被認為相對于尺寸更強大。
采用無傳感器控制設計的 Microchip dsPIC30F 系列 DSC 在電機軸上沒有位置傳感器。相反，該設計使用三相逆變器內(nèi)部的電阻器對電機進行電流測量。FOC 算法（有時稱為矢量控制）要求 DSC 執(zhí)行復雜的數(shù)學運算，例如克拉克和帕克坐標變換。此外，DSC 最終必須使用空間矢量調(diào)制等技術生成 PWM 信號。
dsPIC 架構非常適合該應用。16 位系列集成了一個 17x17 位單周期 MAC。此外，它還包括兩個 40 位累加器以適應飽和位。DSC 還包括一個 40 級桶形移位器。還有其他外圍設備也可用于啟用應用程序。例如，dsPIC 系列包括一個正交編碼器接口以及必要的 PWM 和數(shù)據(jù)轉換器外設。
32 位 DSC 趨勢
雖然 Microchip 和 Freescale 產(chǎn)品都是 16 位器件，但電機控制應用也有向 32 位 DSC 發(fā)展的趨勢。德州儀器 （TI） 的 16 位 MSP430 MCU 系列支持入門級控制方案，但當手頭的任務是 FOC 或矢量控制時，它更積極地針對 32 位 C2000 Piccolo 系列。TI 不一定將 DSC 名稱用于 C2000 MCU，但它是恰當?shù)拿枋?。處理器?nèi)核包括一個 32-x32 位單周期乘法器，一些家族成員包括一個浮點處理器，稱為控制律加速器，用于更精確的算法。
還有許多其他供應商提供基于 ARM Cortex-M4 架構的 32 位 DSC，包括飛思卡爾及其 KineTIs 系列和STMicroelectronicsSTM32 系列。此外，恩智浦半導體是第一家提供基于 ARM Cortex-M4 架構的 DSC 的公司，去年推出了 LPC4300 系列。
Cortex-M4 設計包括三個獨立的 MAC——一個可以處理 32 位數(shù)據(jù)，另外兩個可以處理 16 位實現(xiàn)。每個 DSC 供應商都可以自行決定使用電機控制所需的 PWM 和數(shù)據(jù)轉換器外設來補充核心架構。
32 位價值主張
32 位處理器的主要優(yōu)勢是相對于整個系統(tǒng)設計而言的。許多項目可能包括多個電機，一些 32 位處理器可以同時控制三個或更多電機。
設計人員在考慮 MCU 和 DSC 等組件時必須考慮整個系統(tǒng)。除了電機控制之外，32 位 MCU 或 DSC 可能能夠承載設計規(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)行電機控制任務，但無法處理其他系統(tǒng)元素。
相反，手頭的項目可能需要分布式智能方法。也許電機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，因為它允許設計人員將系統(tǒng)復雜性的其余部分留給使用標準的商業(yè)級 MCU 在受保護的環(huán)境中實施。此外，DSC 具有支持其他任務的空間。
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