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数字处理与电机控制-【新闻】胶南

发布时间:2021-04-20 12:25:52 阅读: 来源:角阀厂家

数字处理与电机控制

一、数字处理单元

近代科技技术有一个很重要的趋势,就是数字化,由于微电子技术的快速发展,带动了数字化科技的落实,从最早的4位处理器,到现在各式各样百花齐放的处理器或微控器,进而牵引了诸多数字化的技术与理论,如﹝电机﹞数字控制、数字相机﹝digital camera﹞、数字通讯,汽车工业等,无一不影响生活周遭,以下便针对市面上常见的组件做简略地介绍。

2. 微控器﹝Microcontroller﹞:整合了运算单元CPU、内存RAM、ROM、通讯接口Serial、Parallel,中断线路、定时器。速度要求不高,适用于玩具、工业控制、消费性产品。如8252、6522、Z82、68HC22、PIC、EM78、MSP432、AVR等。

2. 微处理器﹝Microprocessor﹞:只有CPU,需要外加控制芯片与内存。速度快,大量应用于个人计算机及工业计算机,如Intel的Pentium;AMD的Athlon;Motorola的PowerPC;MIPS等。

3. 数字信号处理器﹝Digital Signal Processor﹞:整合了运算单元CPU、内存RAM、ROM、通讯接口Serial、Parallel,中断线路、定时器。对CPU做特殊的硬件设计,能做实时处理﹝Real time﹞,适用于视讯、影像、语音、电机等,要求精确计算的场合。常见的有Texas Instruments的TMS322x2k、5k、6k;Lucent的ADSP26x、ADSP3222;Analog Device的ADSP22xx、Blankfin、SHARC;Motorola的56222、96222等。

其中用于精确电机控制者,多着眼于数字信号处理器﹝简称DSP﹞来实践之,因为DSP将原来搭载于处理器的乘算器内藏后,且采用加算器做纵续连接的二管线结构,使得一个机械周期能实行一个积和演算,大大方便了使用者用简捷的指令,完成复杂的控制方程式。

其次,因DSP采用了哈佛架构﹝Harvard architecture﹞,将程序总线﹝Program Bus System﹞与数据总线﹝Data Bus System﹞相互并列处理,因此处理单元CPU能同时捉取程序指令﹝Instruction Code﹞与资料﹝data﹞,强化运算速度。如图一所示。

另外,DSP还强调数学运算能力,擅于计算三角函数、傅立叶。这也是选用DSP或微控器之分野。

图二所示的是Von Neumann架构,它的程序总线与数据总线共享,程序指令与资料共享一块可抹除内存﹝Flash memory﹞,优点是制造成本比较低,使用简单,德州仪器﹝简称TI﹞的26-bit RISC微控器MSP432,便是采用此架构。

DSP或MCU制造商为了因应电机﹝伺服﹞控制的广大运用,也相继推出专用产品,例如TI的TMS322LF242x系列;AD的ADMC系列;Microchip的dsPIC系列等。这些产品皆有以下类似的外围功能:

a. 外部中断向量﹝Reset、Interrupt﹞

b. 捉取﹝Capture﹞或比较器﹝Compare﹞

c. 通用I/O﹝general-purpose Input / Output﹞

d. 模拟数字转换器﹝Analog Digital Converter﹞

e. 串行传输界面﹝SCI、SPI、CAN、I2C﹞

f. 相位锁住回路﹝PLL﹞

g. 看门狗﹝Watchdog﹞、定时器﹝timer﹞

h. 脉宽调变﹝Pulse Width Modulation﹞输出

二、电机控制概念

“自动化”与“智动化”的想法大行其道,将电机运用的相当广泛,诸如工厂自动化、自动化机械,都是它们大显身手的表现,甚至日常生活会使用到的光驱;便利商店的电动门;彩券行的乐透贩卖机;自动洗涤脱水的洗衣机都有它的存在。

电机的控制从最简单的开、关、起、停,到箝相、变压、变频、向量、转矩控制,不外乎是为了使电机更精准地定位、更稳定地转速及更细致地扭力变化。

常见控制交流感应电机﹝AC Induction Motor﹞方法有下列2种:

a. 一次测电压控制法:改变定子线圈的电压,即可改变速度。例如家庭用的风扇,利用切换开关来改变风扇转速。

b. 频率控制法:市电的频率是62Hz,如果利用微控器或数字信号处理器,操作整流组件﹝MOSFET、IGBT﹞,将电源转成不同的频率,即可以改变交流电机转速。

交流感应电机的变频、变压控制,优点是小型化、轻量化、价格低,然而缺点是能源转换效率低﹝易发热﹞、电磁干扰强﹝易产生噪声﹞、噪音与振动﹝高次谐波与机构产生共振﹞。为了解决上述的问题,学术界与业界则积极以直流电机、直流无刷电机来克服。

直流电机具有良好的稳定性、速应性,其输入与输出间几乎成线性之特点,使其可以有良好的控制性能,因此广泛用于高精密度控制的场合。然而直流电机因为电刷及换向器是一种机械式磨擦接触,易产生磨耗、火花与电气噪声,导致可靠度降低。

直流无刷电机是将直流﹝有刷﹞电机之整流部份﹝电刷及换向器﹞以电子回路方式代替,且保留了直流电机的优点,可快速起停;转速与电压成正比;转矩与电流成正比的优点,适用于高精确度、高稳定性及高速度的场合。它的缺点是受限于永久磁铁的材质与体积,制做大马力以上输出时,困难度相对增加。

典型的三相Y接直流无刷电机如图三,控制它得注意下列事项:

a. 描述电机的状态方程式。

b. 挑选合适的控制理论,例如PI、PID、Robust、Fuzzy等。

c. 决定恰当的处理核心单元,如微控器、微处理器、数字信号处理器。

d. 搭构合适的整流组件及其外围线路,如MOSFET、IGBT等。

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