高級電機控制系統提高

電機控制性能

電機在各種工業、汽車和商業領域應用廣泛，電機是由驅動器控制，驅動器通過改變輸入功率來控制其轉矩、速度和位置。高性能電機驅動器可以提高效率，實現更快速、更精確的控制。本文將為您介紹現代的電機控制系統架構，以及由ADI推出的多款電機控制相關解決方案。

采用多芯片架構的智能現代

電機控制系統

隨著科技的進步，電機控制系統朝向更智能、更高效的方向發展。高級電機控制系統集控制算法、工業網絡和用戶接口于一體，因此需要更多處理能力來實時執行所有任務。現代電機控制系統通常利用多芯片架構來實現，采用數字信號處理器（DSP）執行電機控制算法，FPGA（現場可編程邏輯門陣列）實現高速I/O和網絡協議，微處理器則處理執行控制。

隨著片上系統（SoC）的出現，例如集CPU的靈活性與FPGA的處理能力于一體的Xilinx Zynq All Programmable SoC，設計人員終于能夠將電機控制功能和其他處理任務納入單個器件中。控制算法、網絡和其他處理密集型任務被分流到可編程邏輯，而管理控制、系統監控與診斷、用戶接口以及調試則由處理單元處理。可編程邏輯可以包含多個并行工作的控制內核，以實現多軸機器或多重控制系統。

近年來，在MathWorks Simulink等軟件建模與仿真工具的推動下，基于模型的設計已發展成為完整的設計流程——從模型創建到實現。基于模型的設計改變了工程師和科學家的工作方式，把設計任務從實驗室和現場轉移到桌面。現在，包括工廠和控制器在內的整個系統都可以建模，工程師可以先調整好控制器的行為，再將其部署到現場。這樣就能降低受損風險，加速系統集成，減少對設備供貨的依賴。一旦完成控制模型，Simulink環境便可將其自動轉換為由控制系統運行的C和HDL代碼，節省時間并避免人工編程錯誤。

一個可實現更高電機控制性能的完整開發環境，則是利用Xilinx Zynq SoC實現控制器，MathWorks Simulink用于進行基于模型的設計和自動生成代碼，ADI公司的智能驅動器套件用于快速開發驅動系統原型。

全面執行控制、通信和用戶接口任務的

高級電機控制系統

高級電機控制系統必須全面執行控制、通信和用戶接口任務，每種任務都有不同的處理帶寬要求和實時約束。為了實現這樣的控制系統，所選的硬件平臺必須穩固且可擴展，以便為將來的系統改進和擴張創造條件。Zynq All Programmable SoC集高性能處理系統與可編程邏輯于一體，可提供出色的并行處理能力、實時性能、快速計算和靈活的連接。該SoC集成了兩個Xilinx模數轉換器（XADC），用于監控系統或外部模擬傳感器。

Simulink則是一種支持多域仿真和基于模型設計的框圖環境，非常適合對包括控制算法和工廠模型的系統進行仿真。為了實現精確定位等目的，電機控制算法會調節速度、轉矩和其他參數。利用仿真評估控制算法可以有效地確定電機控制設計是否合適，判斷其合適后再進行昂貴的硬件測試，從而減少算法開發的時間和成本。

選擇合適的原型開發硬件是設計過程的一個主要步驟，可利用ADI公司智能驅動器套件快速完成原型開發。ADI公司的智能驅動器套件支持快速、高效的原型開發。最新一代高精度數據轉換器和數字隔離相結合，可實現高性能電機控制和雙通道千兆以太網工業網絡連接。

ADI公司智能驅動器套件帶有一套Simulink控制器模型、完整的Xilinx Vivado框架和ADI Linux基礎架構，便于用戶完成電機控制系統設計所需的全部步驟——從仿真開始，經過原型開發，最終在生產系統上實現。

ADI公司為智能驅動器套件提供的Linux軟件和HDL基礎架構，連同MathWorks和Xilinx提供的工具，非常適合開發電機控制應用原型。它們還包含適用于生產的組件，可將其集成到最終控制系統中，從而減少從概念到生產所需的時間和成本。

支持電機控制應用的調制器與差動放大器

ADI針對電機控制應用，推出多款調制器、差動放大器、儀表放大器與運算放大器解決方案。

AD7401是一款二階Σ-Δ調制器，采用ADI公司的片內數字隔離iCoupler技術，能將模擬輸入信號轉換為高速的1比特的數據流。AD7401采用5V電源供電，可輸入±200 mV的差分信號（滿量程±320 mV）。模擬調制器對模擬輸入信號連續采樣，因而無需外部采樣保持電路。輸入信息包含在數據率最高為20 MHz的輸出流中，通過適當的數字濾波器可重構原始信息。串行I/O可采用5 V或3 V電源供電（VDD2）。

串行接口采用數字式隔離，通過將高速CMOS工藝和單片空芯變壓器技術結合在一起，較之傳統光耦合器等其它組件來說，片內隔離能提供更加優異的工作特性。該器件內置片內基準電壓，此外ADI還提供采用內部時鐘的產品——AD7400。AD7401可應用于交流電機控制、數據采集系統與可替代ADC加光隔離器的方案。

AD8207則是一款單電源差動放大器，非常適合在大共模電壓情況下放大小差分電壓。采用5 V電源時，輸入共模電壓范圍為?4 V至+65 V。AD8207采用3.3 V至5 V單電源供電，非常適合承受電磁閥和電機控制等應用中常見的大輸入PWM共模電壓。

AD8207采用8引腳SOIC封裝，相對于溫度的出色直流性能使測量環路誤差保持較小。失調漂移典型值小于500 nV/℃，增益漂移典型值低于10 ppm/℃。AD8207非常適合雙向電流檢測應用。它具有兩個基準引腳VREF1和VREF2，允許用戶將器件的輸出輕松偏置到電源電壓范圍內的任何電壓。當VREF1與V+引腳相連、VREF2與GND引腳相連時，輸出設置為半量程。將兩個基準引腳與GND相連，可提供從地電壓附近開始的單極性輸出。將兩個基準引腳與V+相連可提供從V+附近開始的單極性輸出。將外部低阻抗電壓施加于VREF1和VREF2引腳可實現其它輸出偏移。

低噪聲和低失真的儀表放大器

與運算放大器

AD8251則是一款具有數字式可編程增益的儀表放大器，擁有GΩ級輸入阻抗、低輸出噪聲和低失真等特性，因此適合用來與傳感器接口及驅動高采樣速率模數轉換器（ADC）。它擁有10 MHz帶寬、?110 dB的低總諧波失真（THD），以及達到0.001%精度時785 ns的快速建立時間（最大值）。保證的失調漂移和增益漂移分別為1.8 μV/°C和10 ppm/°C（G = 8）。

除了輸入共模電壓范圍很寬之外，該器件還擁有80 dB的高共模抑制能力（G = 1，直流至50 kHz）。精密直流性能與高速能力的結合則使AD8251成為數據采集應用的絕佳選擇。此外，這款單芯片解決方案簡化了設計與制造，并可通過內部電阻與放大器的嚴格匹配來提高儀器儀表的性能。

AD8251用戶接口包含一個并行端口，用戶可以采用以下兩種不同的方式設置增益。一種方式是用WR輸入鎖存通過總線發送的2比特字。另一種方式是用透明增益模式，在這一模式下，由增益端口處的邏輯電平狀態決定增益。

AD8251采用10引腳MSOP封裝，額定溫度范圍為?40°C至+85°C，特別適合對尺寸和封裝密度有嚴格要求的應用，包括數據采集、生物醫學分析，以及測試和測量。

AD8646是一款24 MHZ軌到軌雙通道運算放大器，此外還有AD8647和AD8648是雙通道和四通道、軌到軌輸入和輸出、單電源放大器，具有低失調電壓、寬信號帶寬、低輸入電壓和低電流噪聲等特性，AD8647還具有低功耗關斷功能。

AD8646系列具有24 MHz帶寬、低失調、低噪聲和極低的輸入偏置電流特性相結合，使這些放大器適合各種應用。濾波器、積分器、光電二極管放大器和高阻抗傳感器等器件均可受益于這些特性組合，寬帶寬和低失真特性則有益于交流應用。AD8646/AD8647/AD8648均具有高輸出驅動能力，是音頻線路驅動器和其它低阻抗應用的理想選擇，AD8646和AD8648則可以用于汽車應用。

AD8646系列具有軌到軌輸入與輸出擺幅能力，因而設計人員可以在單電源系統中緩沖CMOS ADC、DAC、ASIC及其它寬輸出擺幅器件。

ADA4084-2（雙通道）則是一款30 V、低噪聲、軌到軌I/O、低功耗運算放大器，此外還有ADA4084-1（單通道）和ADA4084-4（四通道），它們的額定溫度范圍為?40℃至+125℃工業溫度范圍。單通道ADA4084-1采用5引腳SOT-23和8引腳SOIC封裝；雙通道ADA4084-2采用8引腳SOIC、8引腳MSOP和8引腳LFCSP表貼封裝；ADA4084-4采用14引腳TSSOP和16引腳LFCSP封裝。

ADA4084-2支持軌到軌輸入／輸出，具有0.625 mA（±15 V，每放大器典型值）的低功耗，增益帶寬積為15.9 MHz（AV =100，典型值），單位增益交越頻率則為9.9 MHz（典型值），支持在?3 dB閉環帶寬時為13.9 MHz（±15 V，典型值），擁有100 μV（SOIC，最大值）的低失調電壓，單位增益穩定，其具有4.6 V/μs（典型值）的高壓擺率與3.9 nV/√Hz（1 kHz，典型值）的低噪聲。

結語

現代電機控制系統結合了FPGA、MathWorks、Xilinx和ADI公司的工具和系統，將可幫助實現更高效、更精確的電機控制解決方案。通過將MathWorks基于模型的設計和自動生成代碼工具與強大的Xilinx Zynq SoC、ADI公司的隔離、功率、信號調理和測量解決方案相結合，電機驅動系統的設計、驗證、測試和實現可以比以前更有效率，進而提高電機控制性能并縮短上市時間。ADI公司智能驅動器套件可提供出色的原型開發環境，以加快系統的評估，并且幫助快速啟動電機控制項目，值得有興趣的客戶進一步深入了解。

審核編輯：黃飛