DSP 數位馬達控制技術

1. DSP數位馬達控制技術 • Adviser :趙春棠 教授 • Student :邱議民 • Student ID: Ma120122

2. Outline • I.摘 要 • II. 研究背景 • III. 數位馬達控制技術之發展 • IV. 高性能DSP控制晶片的發展 • V. 結論

3. I.摘要 近年來，由於電力電子、DSP、磁場導向控制方法與近代控制理論的發展，以高性能DSP為基礎的馬達控制技術發展迅速，數位馬達驅動器已成為市場與技術發展的主流，本文說明以DSP為基礎的馬達控制技術的發展現況與未來發展趨勢。

4. II. 研究背景 近年來由於DSP、電力電子、與馬達控制技術的快速發展，數位馬達驅動已 成為伺服技術發展的主流。多軸馬達控制系統在自動化工廠中扮演著關鍵的角 色，例如機器人、CNC、紡織機、印刷機、造紙機等等。 伺服技術廣泛應用於自動化生產設備與國防武器系統，伺服技術也是發展相當 成熟的技術。以往，寬頻的伺服放大器均以類比技術實現。然而近年來，由於 微電子技術的快速發展，具有高速運算能力的數位信號處理器，已廣泛應用於 各種語音處理、影像處理、數位通訊、以及伺服系統。由於DSP的高速計算能 力，以往僅能以類比電路實現的控制迴路，也得以數位方式實現，就伺服系統 而言，這包含了扭矩迴路、電流迴路，乃至於功率轉換器的脈寬調變控制。

5. III. 達控制技術之發展 數位馬 由於工控電腦的快速發展，採用多軸運動控制系統廣泛應用於機器人、CNC、雕刻機、 SMD裝配機、紡織機、印刷機、造紙機等等。 圖1是一個一個典型機械定位平台的系統方塊圖，伺服馬達驅動系統可以類比式、混和式 、或數位式的方式實現，

6. 圖2是相對應的伺服定位控制架構圖。類比式的通訊介面不僅限制了高階系統控制器與低階馬達驅動器之間的控制與監測功能，在實際裝機時，也增加了配線的困難。同時，因為伺服系統通常工作於具有高強度電磁干擾的環境，因此也易於受到雜訊的干擾。圖2是相對應的伺服定位控制架構圖。類比式的通訊介面不僅限制了高階系統控制器與低階馬達驅動器之間的控制與監測功能，在實際裝機時，也增加了配線的困難。同時，因為伺服系統通常工作於具有高強度電磁干擾的環境，因此也易於受到雜訊的干擾。

7. 圖4則是採用全數位控制方式的數位式伺服驅動系統，由圖中可看出，全數位馬達驅動系統具有較簡單的硬體控制介面，但卻具有更靈活的軟體控制介面。採用全數位控制方式具有相當多的優點，其中影響最深遠的是電流控制迴路的數位化，數位式電流控制(digital current control)可直接產生功率級的脈寬調變訊號，這意味著與馬達特性相關的的一些關鍵控制參數，均可以軟體控制(software control)方式實現，擴展了未來自調式伺服驅動器(auto-tuning servo drive)的發展空間。

8. 圖4是採用以DSP為基礎的全數位式模組化伺服驅動系統，其中的智慧型功率模組如圖5所示。由圖中可看出，馬達驅動器的硬體技術朝向模組化的方向發展，硬體的簡化與功能的大幅提升，擴展了未來軟體伺服的發展空間。圖4是採用以DSP為基礎的全數位式模組化伺服驅動系統，其中的智慧型功率模組如圖5所示。由圖中可看出，馬達驅動器的硬體技術朝向模組化的方向發展，硬體的簡化與功能的大幅提升，擴展了未來軟體伺服的發展空間。 • 基本上一個伺服系統的設計牽涉到伺服馬達與回授感測元件的選擇、微處理器與關鍵功率元件的選擇、相關軟硬體的設計等，因此要完成一個伺服系統的設計本身就是一個多重技術的整合工作，要整體提升一個伺服驅動系統的性能諸如效率、功率密度、電流漣波因數、穩定度、頻寬、伺服剛度、強韌度等，就必須要有整體的考量與均衡的設計，這其中又必須符合價格與可靠度的先決條件，因此馬達控制可以說是一件既富挑戰性亦具學術性的實務研究工作。 • 一個先進的馬達驅動系統，可能包含下列控制功能： • 1. 空間向量脈寬調變控制、隨機脈寬調變控制 • 2. 數位式電流控制、自調式電流控制 • 3. 轉子時間常數補償控制、線上轉子時間常數補償控制 • 4. 數位式速度迴路控制、自調式速度迴路控制 • 5. 數位式位置迴路控制、自調式位置迴路控制 • 6. 自我偵錯與診斷控制 • 為了要實現這些功能，就必須發展以高性能DSP為核心、以軟體控制為導向的智慧型馬達控制技術。

9. IV. 高性能DSP控制晶片的發展 應用於馬達控制的微控器，必須具備價格便宜、高速的運算能力、與完整的馬達控制介。 一般的單晶片微控器如Intel 8051、Intel 80196MC等，已廣泛應用於工業控制領域，其關 鍵主要在於完整的I/O界面， 但應用於馬達控制，則有I/O不足，或運算能力不夠的缺點。 數位信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)的設計主要即在於以數位計算方式進行信 號處理，因而先天上即具有強大的數值計算能力，主要應用於電腦繪圖、儀器量測、影像 語音、控制通訊等領域。DSP也可視為一個具有強大計算能力的微處理器， 因此舉凡微處 理器可以應用的場合，如需要更快速的計算能力，則可考慮使用DSP。 近年來，由於微電子與半導體製程技術的快速發展，在加上未來馬達控制的廣大市場需求 ，發展應用於馬達控制的專用DSP晶片已成為多家半導體公司努力的目標。 TI是目前領先的DSP製造公司，由此可看出其結合類比與數位控制IC的發展策略，而這也 是未來控制器積體化的發展趨勢。 以下介紹幾種目前應用於馬達控制，最具發展潛力的高性能單晶片微控器：

10. Texas Instruments: TMS320F240 圖6是TMS320X24 X的功能方塊圖硬體架構圖 ，TMS320X24X是16位元定點式DSP晶片 此DSP採pipe line運算結構，指令執行過程中的指令解析、位置計算、資料傳送、加乘運 算、回圈處理等功能均能同時進行，也因DSP有這種能力，在數位信號處理時，能將不斷 輸入之訊號快速地以即時方式處理，這也正是DSP快速運算的最大長處。此外，亦具備硬 體乘法器、積和演算器與柱形移位暫存器等特殊結構來加強運算速度，並且內含許多合併 指令，因此非常適合做即時且複雜之數位訊號方面的運算。TMS320X240系列晶片之設計 主要是以馬達與電力轉換控制為主要應用目標，由於運算快速、完整的馬達控制介面、價 格低廉、以及充分的軟體與服務支援，預料將成為未來馬達與電力轉換控制的主要晶片。

11. Hitachi: SH7044/SH7045 日立(Hitachi)公司提供了多種應用於工業控制的微控器，Super H的指令集基本 上是以"C語言"為精簡指令的設計基礎，因此C語言的程式執行效率甚佳。採用高 階語言C語言發展數位馬達控制的即時控制程式，以利於程式發展與維護，可大 幅縮短程式開發時間，已是未來的發展趨勢。 SH7044/SH7045之硬體架構圖如圖10 所示，採用SH2核心，SH7045F包含256 K Bytes之快閃記憶體，包含一個10-位元 8通道6.75ms的A/D轉換器，5個獨立 的PWM產生器(50 nsec解析度)，SH7044/SH7045也具有完整的馬達控制介面。

12. V. 結論 基本上，上述兩種高性能的馬達控制晶片均可充分 滿足一般全數位馬達驅動系統的運算需求與周邊介 面，未來在大量生產的情況下，價格相差也不至於 太大，同時兩種DSP控制晶片均強調以C語言為主 的程式發展方式。若從性能的觀點而言， SH7044/SH7045無疑是兩者中功能最強者，但 TMS320F240則具有最佳的性能/價格比，且服務支 援能力最佳，因此本研究採用TMS320F240發展全 數位的DSP馬達驅動與伺服控制軟體。

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14. THE END THANKS