变速电机控制系统的应用范围很广，从高端工业机器人到普通家电，如家用洗衣机。首先实现了这些系统中的控制回路。通常，在反馈补偿电路中使用运算放大器，并使用比较器为开关功率转换器产生控制信号。然而，随着低成本微型计算机的出现，越来越多地采用数字手段实现控制和用户界面功能。处理能力成本的持续降低使得在同一处理器上实现所有电机控制功能，从而进一步简化系统硬件成为可能。

在过去的十年里，Devices运动控制集团一直是交流伺服电机市场上转换器到数字转换产品的主要供应商。采用AD2S80和AD2S90等R/D转换器对反馈信号进行处理，实现永磁交流伺服驱动系统的位置和速度数字控制。运动控制集团的最新产品ADMC200和ADMC201运动协处理器将这一概念发扬得更远。这些多功能器件在单个芯片上结合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提供采集系统，用于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宽调制器。ADMC201结合ADSP-2105数字信号处理器，可作为交流电机驱动系统的高性能控制引擎。下面的例子描述了主要设备的特点及其在电机控制应用中的用途。

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。外部运动回路根据来自位置或速度传感器的反馈信号控制电机的位置和速度。该回路的输出是对电机转矩增加或减少的需求，该需求被馈送到内部电流回路。电流环为功率转换器产生信号，功率转换器提供合适的电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(如igbt或功率mosfet)的导通和关断周期来控制从直流供电轨道到电机的功率流。这些控制信号通常是固定频率、可变占空比的波形，可以使用定时电路以数字方式产生。

一般来说，运动回路的设计与电机类型(交流或直流)无关，而仅仅是系统的机械特性(如惯性、动态摩擦等)的函数。然而，电流回路的复杂程度取决于电机类型。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机的转矩，电流必须与旋转转子磁场的位置同步。简化电机转矩控制的一种方法是将测量的定子电流转换为与转子磁场同步的参考系。这个过程(图2)产生了两个等效的直流电机电流量:一个是产生转矩的分量I(q)，一个是磁场控制分量I(d)。交流电机控制系统计算两个正交电压V(d)和V(q)，以迫使I(q)电流直接跟随转矩需求和I(d)电流保持恒定的转子磁场。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框架，以给出所需的绕组电压。

图3显示了永磁交流伺服电机控制方案的全数字实现。旋转体-数字(R/D)转换器从轴装式旋转体的输出信号中提取数字角位置反馈信息。外部位置和速度回路计算所需的电机转矩电流I(q)。通过位置测量，使用估计算法计算电机速度。磁场减小分量I(d)通常为零，以使电机扭矩输出最大化。而磁场减弱功能可以设置非零I(d)，有效降低转子磁场强度，从而增大电机转速范围。

A/D转换器控制电机定子电流测量，并将其作为矢量变换的输入。反向变换取两个定子电流信号和转子电角ρ -，并计算转矩和磁场分量I(q)和I(d)。推断出第三个定子电流信号，因为所有三个定子电流之和为零。有两个电流回路，一个转矩回路和一个磁场回路，具有比例和积分补偿(PI)。通过前馈估计的绕组反电动势和绕组阻抗下降(因此有“+”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转换为三相定子电压V(a)、V(b)和V(c)的数字等量，用于驱动电机。

PWM定时器块将数字输入转换为用于三相逆变器的脉宽调制定时信号。施加到电机绕组上的电压由每个逆变器分支中的功率晶体管开关的导通时间控制。在下面的示例(图4)中，当上部逆变电源晶体管Q(A)导通时，绕组A连接到+V母线电源轨，导致绕组电流i(A)增大。当Q(A)关断时，绕组电流“自由轮”通过下逆变二极管D(AP)，并将绕组“A”连接到-V母线电源轨道上。定子绕组平均电压V(A)与功率晶体管Q(A)的导通周期t(A)成正比，由式给出:

对于负定子电流，绕组电流通过下晶体管Q(AP)和“自由轮”通过上二极管D(A)。在这种情况下，绕组电压是二极管D(a)导通周期的函数。为了使外加的定子电压与定子电流感测无关，当Q(A)关断时，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，在上、下器件的导通信号之间插入了短暂的“死区时间”。由此产生的有源低PWM信号如图4 (c)所示，是在有源部分之间具有短“死区”时间的互补定时波形。

上述交流伺服系统可以使用三个主要控制组件来构建。ADSP-2105 DSP实现控制回路，ADMC201接口连接三相逆变器，AD2S90接口连接解析器位置传感器。ADSP-2105定点DSP针对高速信号处理应用进行了优化。它非常适用于交流电机的电流控制，因为它的控制回路周期时间很短，为50-100µs。AD2S90解析-数字转换器可以通过串行端口简单地连接到DSP。[如果使用ADSP-2115，它提供一个额外的串口。]配套振荡器IC AD2S99用于解析器激励并提供信号损耗检测。

ADMC201提供DSP控制器和三相逆变器之间所需的接口功能;它既适用于控制永磁交流电动机，也适用于控制交流感应电动机。下面将详细介绍ADMC201和ADSP-2105接口。

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，一个12位零中心PWM定时器模块和一个矢量旋转模块。此外，ADMC201还提供3个额外输入通道和6位可编程数字I/O引脚。该设备具有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。嵌入式控制序列器解码芯片选择线、读写线和4个地址线，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在任何时候都可以直接被DSP访问。片上中断控制器可以在A/D转换序列结束或矢量转换完成时中断DSP。A/D转换器的转换起始线可以由PWM定时器块驱动，使控制软件和信号采样同步到PWM频率。

ADMC200采用CMOS工艺设计，具有低成本和低功耗的特点。基于cmos兼容开关电容技术的A/D转换器是一个11位连续逼近器件，其前端是一个4通道同步采样跟踪保持放大器。这允许在不到14.4µs的时间内无“倾斜”地获取多达四个电机电流或电压信号。ADMC201有一个内部4:1多路复用器，它为温度或直流总线电压等较慢的信号提供了额外的三个异步通道。转换值采用双补码格式，以匹配定点DSP处理器。输入范围为0 ~ 5V, 2.5V相当于数字零。机载参考的绝对精度在5%以内(满载)。数字转换器的整体精度为8lsb，通道与通道匹配度在±2LSB以内。高起始转换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。转换的结束可以被编程为DSP产生一个中断脉冲，它可以以任何顺序读取结果寄存器。

12位PWM模块为功率转换器开关产生三对恒频可变占空比波形，频率范围为1.5kHz至25kHz。如图5所示，这些信号是基于中心的低活动信号，因此On(低)周期在定时脉冲之间的中点周围是对称的。这使得与PWM波形同步电流采样更容易。波形是互补的，即功率器件成对地开关:一个器件“接通”，互补器件“关断”。为了防止在逆变电源器件中同时导通的可能性，互补的PWM波形进行死区时间调整(PWMDT)。在每个PWM周期开始时产生一个有源高PWMSYNC脉冲，使功率逆变器与A/D转换器的操作同步。

12位硬件矢量旋转块可以在定子(交流电流和电压)和转子(直流机器等效)参考系之间执行正向和反向帕克和克拉克变换。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(d)和I(q)。变换由三个阶段组成(表1)，其中ρ是转子场的角度。

表1

正变换将两个正交的转子参考电压V(d)和V(q)转换成三相定子电压信号I(a)、I(b)和I(c)。变换由两个阶段组成(表2)，其中ρ是转子场的角度。

表2

ADMC201数字I/O模块有6条数字线，可以配置为输入或输出。它们也可以被配置为系统保护功能的中断源。通过四个内存映射寄存器访问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使用不到500行DSP代码。由于篇幅的限制，这里无法对软件进行完整的描述，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同步到PWM频率。通过将ADMC201的PWMSYNC引脚(从定时器块)连接到ADC的CONVST引脚，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，因为采样是在电流波形的中点。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。

当前环路信号流程图如图6所示，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转换器的中断表明有一组新的电流样本可用时，算法启动。DSP从ADMC201的V和W寄存器中读取两个相电流值，根据A/D和电流传感器偏移量进行调整，并将它们与转子角度ρ一起写入ADMC201 PHIP2和PHIP3矢量变换块。ADMC201启动反向矢量旋转，而DSP可以执行保护功能，如过载检测或母线电压监测。转换的结束由中断发出信号;然后DSP读取ID和IQ寄存器，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维护功能。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周期和总线电压缩放这些值。然后DSP将三个新值写入PWM寄存器:PWMCHA, PWMCHB和PWMCHC，以关闭电流控制回路。

控制算法由若干控制律和对ADMC201数据寄存器的读写组成。定点DSP特别适合于实现诸如pi(比例+积分控制)循环和状态空间算法等控制律，其中有许多例子。ADMC201的内存映射结构的优点是不需要特殊的读或写顺序来访问数据寄存器。ADMC201读写寄存器通过器件上的芯片选择线映射到DSP外部DM地址空间中的一个块。ADMC201 A/D转换器中断的中断服务例程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取指令读取ADMC201系统状态寄存器。然后，AR寄存器加载具有ADMC201 a /D中断位设置的常数。如果A/D中断未设置，则继续检查其他中断源，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。

结论:

我们选择了一个用ADSP-2105(或ADSP-2115)、ADMC201和AD2S90芯片组实现的永磁交流伺服电机控制方案的示例。这些硬件选择为系统配置提供了很大的灵活性。如果需要更大的处理“马力”，ADSP-2115可以升级到ADSP-2101或ADSP-2181。如果不需要额外的通道和数字I/O，可以使用成本较低的ADMC200。ADSP-2105和ADMC201也可用于控制交流感应电机，用编码器代替解析器。

一个可用的评估系统，使用ADSP-2101 EZLAB和ADMC201板。它附带了软件，说明了ADMC201功能模块的主要功能。该系统可用于构建三相电机控制演示系统的控制元件。