基于芯片的运动/电机控制节省时间、成本和空间
您可能会期望前沿数字信号处理器(dsp)仅用于复杂的高端运动应用。然而，一些最新的处理器芯片现在在洗衣机、冰箱和相关的商业产品中提供单轴电机控制。
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您可能会期望前沿数字信号处理器(dsp)仅用于复杂的高端运动应用。然而，一些最新的处理器芯片现在在洗衣机、冰箱和相关的商业产品中提供单轴电机控制。芯片级设备的价格下降和用户需求的下降有助于我们正确看待这种乍一看是违反直觉的新兴趋势。
今天的运动控制芯片是一个独特的品种，其特点是通过开发工具可编程，高数据采样率，以及在一个芯片上集成更多功能的能力。它们的先进功能正在广泛应用于商业和工业产品。
为什么是芯片级控制?
“运动控制芯片是运动控制行业中增长最快的部分，因为它们代表了一种低成本的解决方案，”Performance motion Devices Inc. (PMD, Lincoln, MA)董事长查克·卢因(Chuck Lewin)说。芯片级运动控制的增长，尽管从相当小的用户基础，在最近得到了证实控制工程调查(见“运动控制的大趋势”，一个特别补充CE， 2002年3月)。
这种技术可以直接从芯片制造商那里获得，也可以作为现成的运动芯片解决方案，由PMD和其他公司提供。卢因认为，使用现成的芯片(也称为运动处理器)可以减少通用处理器固有的大量软件任务，从而带来更多好处。他在这里包括设计轮廓例程和伺服滤波器，以及处理各种“数字信号处理器编程的复杂性”，并指出，“通用dsp本身并不理解运动。”这与现成的芯片形成了鲜明的对比，“后者本身就是一个运动指令集。”与购买标准总线卡并试图将应用程序压缩到预定义的尺寸和连接方案相比，使用现成的芯片可以节省大量的尺寸、空间、电缆和成本。
根据Lewin先生的说法，基于芯片的方法比标准总线或模块方法的成本要低得多，因为设计参数(卡尺寸、功耗、布线等)可以更紧密地匹配特定的应用。”而且，通过使用标准的现成运动处理器，该处理器有良好的文档记录，可以在许多应用程序中重用，降低了软件开发的学习曲线。软件基本保持不变，因为运动处理器指令集是相同的，”他补充道。
Analog Devices公司表示，基于芯片的电机/运动控制用户从易用性、小尺寸和降低的系统成本中获得了真正的好处。易用性来自CPU性能与ADC(模数转换器)、特定于应用程序的外围设备和其他功能的单芯片集成。ADI产品线经理Finbarr Moynihan解释说，小尺寸的设备不需要单独的DSP控制器、外部ADC和特殊电路(例如FPGA或ASIC)来实现编码器和PWM接口功能。此外，更加集成的解决方案最大限度地减少了所需的外部部件数量，降低了系统成本。
德州仪器公司C2000 DSP市场经理Todd Solak认为，使用芯片级控制有两个主要好处:节省空间和更多的创新可能性。当实施全运动系统时，缩小电路板尺寸的能力转化为制造商的实际成本节约。它不仅仅是零件数量和设计变化。软件可编程性使得dsp和运动处理器比其他控制更通用。它们为模拟和数字芯片以及数字asic的设计创新提供了更大的潜力。
更快，更强大
PMD的卢因指出了基于芯片的运动技术的几个趋势。随着硅技术的全面进步，运动芯片的性能也在稳步提高。他引用了从333e维度缩小的伺服回路时间。”这些最新产品还具有细间距，表面贴装包装，如四平面包装。”从过去10年运动芯片的发展来看，一个重要的趋势是从功能和尺寸的角度不断改进性能。
将电机控制功能混合到运动控制器中是另一个趋势(参见“电机vs.运动控制”侧栏)。一个例子是现在在运动控制器中经常发生的电机换向。
Lewin先生解释说:“未来几年出现的产品将提供具有高/低侧数字输出和穿射保护的数字电流控制。”将这些功能与运动控制引擎放在同一个‘引擎盖’下增加了优势，但在构建运动控制器时，这种级别的集成也降低了零件数量，特别是在放大器与运动DSP集成的情况下。”
PMD还注意到单轴芯片开始能够“在各种网络协议中原生说话”。例如，控制区域网络(CAN)串行总线连接现在出现在许多dsp上。这导致了更高级别的协议，如用于运动控制的CANopen设备配置文件，允许通过标准协议进行基本运动(参见“运动控制标准”的在线版本，返回基础，CE， 2002年7月)。未来几年将出现更多设计用于网络连接的芯片，”Lewin先生补充道。
系统级芯片
Analog Devices公司认为，基于芯片的控制技术已经达到了非常高性能、混合信号的“片上系统”设计成为可能的地步。Moynihan博士指出了混合信号能力对芯片产品的重要性，因为现实世界中的传感器输入从模拟数据开始。”获取数据的准确性和进行精确的模数转换可以更好地确定位置。”
| International Rectifier的PI - IPM(可编程隔离智能功率模块)将功率级(EMP)与嵌入式控制板(EDB)结合在一起，其中包括一个40 mips数字信号处理器。所有组件都符合Econo2包大纲(见图表)。 |
具有数字控制和模拟精度的单片机集成是ADI的发展方向。例如，ADI公司推出了ADSP-2199x系列混合信号dsp，用于机器人、伺服驱动器、生产机械和其他高性能电机控制应用(见图)。然而，这种高性能的单片机产品提出了一个挑战。莫伊尼汉博士表示，在DSP中以160 MHz的频率运行的数字时钟与高性能的模数转换过程“直观上是不一致的”。如何让这些元素更加兼容是一个重大的技术挑战。”
德州仪器指出，基于芯片的控制技术正在稳步发展，目前在工业驱动和消费电器领域都处于采用阶段。推动进一步增长的将是对更快的算法和处理速度的需求，更多的板载功能——简而言之，一个芯片上的系统，索拉克解释说，
TI的新处理器产品(TMS320F2810和F2812)满足了用户对更多片上功能的需求。这款混合信号32位DSP提供每秒1.5亿条指令(Mips)，高达四分之一MB的片上闪存和12位模数转换器。
为了使自己与众不同，TI专注于增强dsp的开发工具。其中的关键要素是一个全面的开发环境，调试工具，和一个可下载的数字电机控制软件库。
提高电机性能
摩托罗拉半导体产品部(SPS, Austin, TX)市场开发经理Renee Mitchell表示，基于芯片的电机控制在各种设备和产品中越来越普遍。“未来几年，基于芯片的电机控制将变得更加普遍。半导体的成本持续下降，性能不断提高，使得在许多设备中添加数字电机控制具有成本效益。
米切尔女士列出了这种类型的控制的优点，提高电机性能，延长电机寿命，和更精确的控制。数字控制还有另一个好处。”一旦你为电机添加了数字控制，就很容易采取下一步措施，将电机连接到工业网络，也许是通过CAN，以实现更好的监控和管理，”她说。
摩托罗拉SPS(和其他制造商)也将能源效率归功于数字控制。然而，所引用的显著节省数字并不是与另一种类型的变速控制相比，而是与恒速或开/关型控制相比。[基于芯片的能源效率与其他电子电机/运动控制相比，需要在其他地方仔细评估和讨论。]
不过，芯片级设备的精密速度和扭矩控制还可以带来其他好处，例如，在使用交流感应或磁阻电机的机床主轴传动中。Mitchell女士补充道:“(它)实现了前所未有的工具速度控制和灵活性，同时降低了机械复杂性和机器成本。”
PMD的Lewin先生提到，当DSP方法控制无刷或步进电机时，驱动器的“平滑度”是效率的一个衡量标准。如果实际输入电流与流经电机的期望电流(转矩)紧密匹配，则它确实能更有效地运行。
电源模块，开发工具
基于dsp的智能也趋向于电机功率级控制。据国际整流器公司智能电源解决方案总工程师Davide Giacomini介绍，新型基于dsp的电源模块缩短了电机控制设计人员的开发时间和风险。在International Rectifier (IR)的方法中，传统的开关设备(igbt和配套二极管)与电流传感、门驱动、保护和隔离功能以及内存结合在一个现成的包中，据报道这是市场上第一个现成的包。IR的iNTERO可编程隔离智能电源模块(PI-IPM)是最近的一个产品示例(见图表)。
PI-IPM设计负责将模拟组件与功率组件和数字控制相匹配，否则这是一项相当大的设计任务。它还处理诸如门驱动电路、热管理和电磁干扰(EMI)等设计问题。”最终，基于芯片的电机/运动控制的好处是在大大缩小的空间内提高效率和更高的性能，”Giacomini先生说。
所有芯片设备都依赖于软件工具来释放它们的高性能。特别是通用芯片需要适当的开发工具，以便运动系统设计人员实现在上市时间、培训和代码重用方面的节省。一些芯片制造商直接开发工具;其他人通常依赖第三方软件专家提供工具。
后一类中一个值得注意的例子是视觉解决方案公司(VSI, Westford, MA)，它是德州仪器的第三方网络的成员。该公司的VisSim开发工具是一种用于定义嵌入式控制算法的可视化块语言。VSI的产品经理吉姆·韦伯(Jim Webb)表示，连接块和配置它们的参数是创建控制器所需要的全部工作。然后你既可以模拟控制器的行为，又可以生成目标DSP代码。仿真将发现定点溢出和精度损失问题，以及执行自动缩放以防止溢出和最大化动态分辨率。其他模块支持片上外设，如PWM, CAN，串行，编码器，数字，模拟等。据报道，VisSim使用一个按钮(称为“代码生成，编译和链接”)处理编辑-编译-调试任务的快速周转。来自Visual Solutions的软件工具支持TI新发布的28X dsp系列(F2810和F2812)，用于电机、运动和电源控制。
摩托罗拉SPS的米切尔女士同样提到了软件和开发工具的重要性。这些工具对于加快芯片在设计中的应用并降低成本至关重要，并且是该公司针对运动控制产品的“系统解决方案方法”的一部分。
基于芯片的电机/运动控制将继续存在。与所有新技术一样，新技术的采用率取决于市场的变化。然而，这些设备所提供的惊人的处理速度、可重编程闪存和诊断功能的好处是很难忽视的。
——评论?电子邮件fbartos@reedbusiness.com
运动控制和运动控制
多年来，“运动控制”和“运动控制”的定义已经模糊，但仍然存在一些区别。我们从技术角度还是市场角度来看也会有所不同。
从技术上讲，运动控制涉及路径规划、伺服闭环和所有其他与运动相关的“机器行为”，但根据Performance motion Devices (Lincoln, MA)董事长查克·卢因(Chuck Lewin)的说法，运动控制以对每个电机或执行器的单相命令结束——通常是理想的扭矩或速度。运动控制是之后发生的一切，”Lewin先生说。给定所需的转矩或速度，电机控制是处理换向、电流(转矩)控制、低/高侧信号产生和反馈的机构。他解释说，从这个意义上讲，运动控制并不关心具体的电机类型、相位等。
从市场的角度来看，“运动控制”指的是通常涉及位置控制的高精度应用。例如，半导体制造、医疗自动化和机床，因为它们要求很高的精度和随之而来的成本。”在市场意义上，电机控制是指在不要求很高精度的应用中，以扭矩或近似速度为电机提供动力。卢因说，例如，一个电机控制应用程序的风扇转速比最佳转速低1%，或者某一天车窗关闭速度比另一天快5%，都是可以接受的。
在德州仪器公司(Texas Instruments, Houston, TX)，马达和运动控制被认为是不同的，各自应用不同的芯片。电机控制涉及旋转和速度控制，与定位无关。C2000 DSP市场经理Todd Solak表示，在运动控制中，电机的精确定位和运动的准确性非常重要。
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