DSP數位馬達控制技術

 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。

1. 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、抽紗機等等。在晶圓製造工廠中，多軸運動控制系統也運用在多種製程設備如晶圓切割、點線機、stepper等等。

交流馬達是目前應用最廣泛的馬達，主要應用於產業自動化與精密機械工業的有永磁式同步交流伺服馬達、無刷式直流伺服馬達、感應式交流伺服馬達、泛用型交流變頻馬達等，然而要充份發揮這些交流馬達的性能，就必須在高效率與快速動態響應的條件下達到精密之轉速與定位控制，這就須藉由交流驅動器(ac drive)來實現，因此ac drive成為自動化的關鍵組件[1]-[5]。

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 (digital signal processor, dsp)，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。

2. 數位馬達控制技術之發展

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、抽紗機等等。在晶圓製造工廠中，多軸運動控制系統也運用在多種製程設備如晶圓切割、點線機、stepper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，圖2是一個傳統式類比-數位混和式伺服驅動系統的組成圖，圖3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。

圖1  一個典型機械定位平台的系統方塊圖

圖2  傳統以類比式控制為主的伺服驅動系統組成圖

圖3  傳統以類比式控制為主的伺服驅動定位系統架構圖

一個伺服系統的控制架構，對整體性能具有決定性的影響，不同的控制方法通常也會影響控制架構的決定。在一個伺服驅動系統中，扭矩、轉速，與位置都是基本的物理量，也是系統重要的狀態狀態變數，圖5是工業級伺服驅動器普遍採用的多迴路控制架構。高階的運動控制器，可根據應用情況，下達扭矩、轉速、或是位置命令。新型的全數位式伺服驅動器，可以數位方式下達伺服命令，這種方式，使得高階的運動控制器可以整合更多的控制功能。

圖4  全數位式伺服驅動系統

圖5  多迴路的伺服驅動器控制架構

圖6  以dsp為基礎的全數位式模組化伺服驅動系統

圖7  馬達驅動器的智慧型功率模組

圖6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7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：

空間向量脈寬調變控制、隨機脈寬調變控制

數位式電流控制、自調式電流控制

磁場向量解耦控制、自調式解耦控制

轉子時間常數補償控制、線上轉子時間常數補償控制

數位式速度迴路控制、自調式速度迴路控制

數位式位置迴路控制、自調式位置迴路控制

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。

3. 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面。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，例如ti (tms320f240)、analog devices (admc300)、hitachi (sh7045)、nec (upd78f0988)、motorola (68h908mr24)、mitsubishi (m30624fg)等公司。這其中ti公司特別值得注意，該公司於1999年併購了unitrode，unitrode是世界頂尖的開關式電源供應器類比式控制ic製造公司，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。由此預測ti未來可能併購ir (international rectifier)或其他半導體功率元件公司，ir是世界頂尖的power mosfet製造公司，進一步朝向電力與控制積體化的方向發展。

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：

texas instruments: tms320f240

由於1996年9月德州儀器公司推出了新一代的dsp控制器tms320×24x [21]，圖8 是tms320×24 x的功能方塊圖硬體架構圖，採用該公司先前發展的16位元之c25 dsp核心，tms320×24x是16位元定點式dsp晶片，採qfp-132包裝形式，大幅縮減硬體空間，單一指令週期為50ns，整體效能可達20mips (million instructions per second)。硬體設計採改良式哈佛結構，具有獨立的16位元資料匯流排及程式匯流排，同時增加了兩匯流排間的互通管道，避免執行指令時因存取之順序限制而浪費時間。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。

tms320×240在晶片內部有544 words ´ 16 bits 雙存取式(dual-access)資料/程式記憶體、16k words ´ 16 bits 程式唯讀記憶體和flash eeprom。同時擁有224k words ´ 16 bits 的最大定址記憶空間(其中包含了64k words 程式空間、64k words資料空間、64k words i/o 空間和32k words 區域空間)。另外與較慢的記憶體/周邊之間的通訊不僅有硬體等待(wait-states)的訊號，並提供軟體等待訊號產生器。與外部記憶體溝通之介面模組則提供16位元之位置匯流排與資料匯流排。

tms320×240具有三個16位元的一般用途計時器與一個八位元看門狗計時器模組、十二個比較/pwm通道，其中有九個可獨立控制、三個16位元的比較單元，其中pwm波形產生器包含有pwm輸出波的隔離區(dead band)設定功能。tms320×240具有四個捕捉單元，其中有兩個quadrature encoder-pulse (qep)介面功能，可應用於馬達光電編碼器回授訊號的讀取。tms320×240擁有兩個獨立的10位元的類比/數位轉換器，每個通道均可經由多工器接到8個類比輸入端，可轉換0~5v的類比訊號，單一通道轉換時間低於6.6ms，同時轉換兩個通道則需10ms。由於tms320×240採用c25的core，因此程式碼可與該公司c1x、c2x、與c5x的程式碼相容，發展的軟體仍有共通性。

pwm輸出與計時器、光電編碼器回授解碼電路、類比/數位轉換器在馬達控制應用上，均是不可或缺的。tms320×240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。

圖8  texas instruments dsp控制器tms320c24x的功能方塊圖

analog devices: admc300

analog devices (www.analog.com)是世界知名的資料擷取與dsp製造公司，該公司主要從事於訊號處理之高性能類比、數位、與混和訊號轉換與處理晶片之設計與製造，近年來亦積極投入dsp之發展。該公司亦推出一系列應用於馬達控制與運動控制的dsp晶片，其中admc200/admc201是運動控制之輔助晶片，而admc300、admc330、admc331、admc328、admc401則是dsp馬達控制器。

analog devices於1996年推出dsp馬達控制器：admc300 [22]，其硬體架構圖如圖9 所示，採用該公司先前發展的16位元之dsp核心(adsp-2100)，具有20mips的執行效能，提供三種不同的記憶體模式：2k word ram、4k word ram與2k word rom。內含之rom提供了一些馬達控制的基本函數如sin、cos、倒數、開根號、clark與park轉換等。admc300的周邊裝置包含五個12位元的a/d轉換器、一個12位元的pwm產生器、與一個可自動偵測光電編碼器解析度的解碼器、兩個輔助的pwm產生器、一個16位元的看門狗計時器、一個16位元的十段計時器、以及一個可程式中斷控制器，具有完整的馬達控制介面。

admc300在記憶體上的限制，可由admc401所提供的外部位址與資料匯流排解決。此系列之晶片admc331、admc328、admc401亦針對特殊馬達控制之介面(開關式磁阻馬達)增加了嵌入式之i/o設計，簡化了硬體介面電路的設計。admc300系列dsp馬達控制器非常適合應用於高性能馬達驅動與伺服系統的設計，可用免費的gnu ansi c compiler發展以c語言為主的控制程式，但支援與服務能力不足，是其在研發階段的缺點。

圖9  analog device dsp控制器admc300的功能方塊圖

hitachi: sh7044/sh7045

日立(hitachi)公司提供了多種應用於工業控制的微控器，例如知名的16-位元h8微控器。日立公司近年來應用精簡指令技術發展高性能super h 32位元的微控器核心，從20 mips(定點運算)的sh2核心到360 mips的sh4核心(內含浮點運算)。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，運算效能達33 mips，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[23]。

圖10  hitachi 32-位元微控器sh7044/sh7045的功能方塊圖

基本上，上述三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，同時三種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無疑是三者中功能最強者，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。

參考文獻

[1]       dc motors, speed controls, servo systems, including optical encoders, an engineering handbook by electro-craft corporation, hopkins, mn, fifth edition, 1980.

[2]       y. dote and s. kinoshita, brushless servomotors, clarendon press, oxford. 1990.

[3]       duane c. hanselman, brushless permanent-magnet motor design, mcgraw-hill, inc., 1994.

[4]       b. k. bose (editor), adjustable speed ac drive systems, ieee press, new york, 1980.

[5]       b. k. bose, “adjustable speed ac drives - a technology status review,” proc. ieee, 1982.

[6]       w. leonhard, control of electrical drives, springer verlag, berlin, germany 1985.

[7]       b. k. bose, power electronics and ac drives, prentice-hall, englewood cliffs, new jersey, 1986.

[8]       d. w. novotny and t. a. lipo, vector control and dynamics of ac drives, clarendon press, oxford, 1996.

[9]       b. k. bose (editor), power electronics and variable frequency drives, ieee press, 1997.

[10]   s. c. hibbard, “why ac servo are gaining momentum,” ieee machine tools conf. rec., pp. 73-78, 1983.

[11]   b. k. bose, “technology trends in microcomputer control of electrical machines,” ieee trans. on ind. electron., vol. 35, pp. 160-170, feb. 1988.

[12]   t. a. lipo, “recent progress in the development of solid-state ac motor drives,” ieee trans. on power electr., vol. 3, no.2, pp. 105-117, april 1988.

[13]   w. leonhard, “microcomputer control of high dynamic performance ac drive:- a survey,” automatica, vol. 22, no.1, pp.1-19, 1986.

[14]   d. p. connors and d. a. jarc, “application considerations for ac drives,” ieee trans. on ind. appl., vol. 19, pp. 455-460, may/june 1983.

[15]   t. kume, “high-performance vector-controlled ac motor drives: applications and new technologies,” ieee trans. on ind. appl., vol. 23, sept./oct. 1987.

[16]   r. lessmeier, w. schumacher, and w. leonhard, “microprocessor-controlled ac-servo drives with synchronous or induction motors: which is preferable ?,” ieee trans. on ind. appl., vol. 22, no. 5, pp. 812-819, sep./oct. 1986.

[17]   m. a. rahman, “permanent magnet synchronous motors - a review of the state of design art,” proc. intl. conference on electrical machines, athens, pp. 312-319, 1980.

[18]   p. pillay, b. k. bose, et al., performance and design of permanent magnet ac motor drives, tutorial course of the ieee industry applications society annual meeting, dearborn, michigan, 1991.

[19]   k. h. bayer, h. waldmann, and m. weibelzahl, “field-oriented closed-loop control of a synchronous machine with new transvector control system,” siemens rev., vol. 39, no. 5, pp. 220-223, 1972.

[20]   t. m. jahns, “motion control with permanent-magnet ac machines,” ieee proc., vol. 82, no. 8, pp. 1241-1252, aug. 1994.

[21]   tms320c24x user's guide, texas instruments, 1996.

[22]   admc300 user's guide, analog devices, 1996.

[23]   sh7044/sh7045 user's guide, hitachi, 1998.