作者：Bilal Akin, Chris Clearman

? ? ? ?對(duì)在您的下一個(gè)應(yīng)用中使用哪種類(lèi)型的電機(jī)感到困惑？本文解釋了每種電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，如何控制它們，以及它們?cè)谀男?yīng)用中最有意義。

　　隨著微控制器 （MCU） 的革命，電機(jī)控制已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出使用簡(jiǎn)單換向控制的普通通用電機(jī)。今天，有各種各樣的低成本 MCU 可供使用，使開(kāi)發(fā)人員能夠以具有成本效益的方式創(chuàng)建高性能系統(tǒng)。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)使用更復(fù)雜的控制算法，系統(tǒng)可以提供更好的加速度、更準(zhǔn)確的速度/位置控制、更高的扭矩、更好的功率效率和更高的精度，同時(shí)通過(guò)將功能集成到硬件和軟件中來(lái)顯著降低系統(tǒng)成本。

　　考慮到不同的電機(jī)類(lèi)型和不同的控制技術(shù)，從眾多可用選項(xiàng)中進(jìn)行選擇可能會(huì)令人困惑。為了在管理成本的同時(shí)最大限度地提高性能和效率，開(kāi)發(fā)人員需要有廣泛的控制器選擇，以便為他們的應(yīng)用程序選擇最佳架構(gòu)，但這也意味著開(kāi)發(fā)人員需要輕松了解每種配置的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　TI 通過(guò)提供 TMS320C2000? MCU 平臺(tái)為開(kāi)發(fā)人員簡(jiǎn)化了這一過(guò)程，該平臺(tái)提供了最廣泛的器件之一，涵蓋幾乎所有價(jià)位并支持幾乎所有類(lèi)型的電機(jī)和控制技術(shù)。使用 C2000 MCU，開(kāi)發(fā)人員可以以具有成本效益的方式實(shí)現(xiàn)更高的效率和更高的性能。此外，由于這些 MCU 在整個(gè)平臺(tái)上代碼兼容，因此開(kāi)發(fā)人員可以利用長(zhǎng)期代碼投資和跨電機(jī)控制設(shè)計(jì)的重用來(lái)實(shí)現(xiàn)顯著的成本節(jié)約和應(yīng)用穩(wěn)定性。

　　高性能電機(jī)

　　通用、有刷直流和步進(jìn)電機(jī)由于成本低且控制簡(jiǎn)單而構(gòu)成了大多數(shù)電機(jī)應(yīng)用。然而，對(duì)于各種各樣的應(yīng)用，通過(guò)更復(fù)雜的控制機(jī)制提高性能和效率會(huì)帶來(lái)足夠的價(jià)值來(lái)證明任何增加的設(shè)計(jì)和組件成本是合理的。例如，開(kāi)發(fā)需要精確變速速度或位置控制、更高功率效率和更長(zhǎng)電機(jī)壽命的應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員將需要考慮更復(fù)雜、更智能的電機(jī)控制類(lèi)型，包括三相交流感應(yīng) （ACI）、無(wú)刷直流（BLDC） 和永磁同步電機(jī) （PMSM）。

　　ACI 是最堅(jiān)固的電機(jī)類(lèi)型之一，非常適合各種高性能應(yīng)用，包括白色家電、泵、風(fēng)扇和壓縮機(jī)（用于冰箱和 HVAC 系統(tǒng)）。在 ACI 電機(jī)中，內(nèi)部定子的磁通量通過(guò)改變電流來(lái)控制，這反過(guò)來(lái)又會(huì)感應(yīng)出轉(zhuǎn)子磁通量（ACI 電機(jī)不包含磁鐵）。

　　轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)子和定子磁通之間的角度決定。ACI 是一種異步電機(jī)，因?yàn)閮?nèi)部轉(zhuǎn)子和定子磁場(chǎng)矢量以不同的速度旋轉(zhuǎn)。ACI 提供出色的速度和扭矩控制，其主要優(yōu)勢(shì)是在高速運(yùn)行時(shí)成本低、效率高。ACI 的主要缺點(diǎn)是需要復(fù)雜的反饋和控制機(jī)制來(lái)保持高效率，特別是在變速和低速時(shí)。

　　相比之下，BLDC 和 PMSM 是同步電機(jī)。定子磁通通過(guò)改變電流來(lái)控制，但轉(zhuǎn)子磁通由永磁體或電流饋電線圈保持恒定。轉(zhuǎn)子和定子磁通之間的角度仍然決定了產(chǎn)生的扭矩量，??并且轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的頻率與定子磁場(chǎng)相同。對(duì)于同步電機(jī)，應(yīng)測(cè)量或估計(jì)轉(zhuǎn)子位置，以實(shí)現(xiàn)同步和高性能控制。因此，同步電機(jī)可用于高精度控制位置。

　　圖 1：使用更多狀態(tài)來(lái)控制位置可提高定位精度和算法復(fù)雜度。

　　BLDC 和 PMSM 用于控制位置的狀態(tài)數(shù)量不同。例如，與正弦 PMSM 的“連續(xù)”狀態(tài)相比，梯形 BLDC 電機(jī)有六個(gè)狀態(tài)（參見(jiàn)圖 1）。支持的狀態(tài)越多，可以控制的位置就越精確。然而，更多的狀態(tài)也需要更復(fù)雜的控制機(jī)制和處理。

　　BLDC 提供高效、可靠的運(yùn)行、中高扭矩，可用于可燃環(huán)境中的自動(dòng)化、牽引、精密和白色家電等應(yīng)用。這些類(lèi)型的電機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是它們沒(méi)有電刷，消除了磨損、維護(hù)和 EMI 的主要來(lái)源。此外，它們使用磁鐵，從而使它們具有更高的功率密度和更高的效率。

　　技術(shù)進(jìn)步繼續(xù)將 BLDC 技術(shù)帶入更廣泛的低成本應(yīng)用，這些應(yīng)用傳統(tǒng)上由標(biāo)準(zhǔn)直流有刷電機(jī)提供服務(wù)，使其成為增長(zhǎng)最快的電機(jī)類(lèi)型之一。雖然 BLDC 比標(biāo)準(zhǔn)直流有刷電機(jī)相對(duì)昂貴，但 BLDC 在低磨損和維護(hù)在總體總擁有成本中起主要作用的應(yīng)用中具有吸引力。BLDC 還在需要低速或變速運(yùn)行的應(yīng)用中取代 ACI，例如 HVAC 系統(tǒng)中的鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)，可以調(diào)整其速度以更高效地運(yùn)行。

　　除了在變速下提供比 ACI 更好的性能外，BLDC 電機(jī)在同等成本下體積更小、效率更高。通過(guò)換向驅(qū)動(dòng) BLDC 電機(jī)相當(dāng)簡(jiǎn)單，從而節(jié)省了電機(jī)設(shè)計(jì)、電子控制和更輕的整體重量。由于磁體中的固有磁通，驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的電流更少，從而提高了 BLDC 電機(jī)的效率。

　　雖然 BLDC 電機(jī)歷來(lái)用于許多位置控制應(yīng)用，但 PMSM 用于需要精確位置控制、超高速和/或高扭矩的應(yīng)用。常見(jiàn)應(yīng)用包括牽引力控制、精密自動(dòng)化（機(jī)器人）和混合動(dòng)力/電動(dòng)汽車(chē)。PMSM 提供更高的效率和扭矩，在換向時(shí)具有最小的扭矩波動(dòng)，提供更高的最大可實(shí)現(xiàn)速度，與低成本的分布式繞組一起工作，并且噪音低。由于 PMSM 基于連續(xù)正弦控制，因此在運(yùn)行期間觀察到的噪音較小，從而能夠更快地對(duì)負(fù)載變化做出反應(yīng)，并準(zhǔn)確地達(dá)到所需的扭矩、速度和位置。

　　控制方法

　　對(duì)于 ACI 電機(jī)，簡(jiǎn)單的標(biāo)量控制（也稱(chēng)為 V/f 或 Volts per Hertz）很受歡迎，因?yàn)榕c簡(jiǎn)單控制技術(shù)相關(guān)的電子成本較低。標(biāo)量控制通過(guò)簡(jiǎn)單地增加或減少用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正弦波的頻率來(lái)調(diào)整電機(jī)速度，而不考慮電流或轉(zhuǎn)矩優(yōu)化的控制。標(biāo)量控制往往具有較差的動(dòng)態(tài)性能，電機(jī)對(duì)變化的反應(yīng)緩慢以及超過(guò)設(shè)定點(diǎn)。此外，扭矩傳遞在低速和高速時(shí)效率低下。此外，在低速時(shí)，內(nèi)部損耗會(huì)導(dǎo)致大部分能量被浪費(fèi)。如果采用更復(fù)雜的控制方法，在性能和效率方面還有很大的改進(jìn)空間。

　　磁場(chǎng)定向控制 （FOC），也稱(chēng)為矢量控制，可用于 ACI 和 PMSM 電機(jī)，并在整個(gè)扭矩和速度范圍內(nèi)提供最佳控制（見(jiàn)表 1）。這允許在任何速度下實(shí)現(xiàn)最大扭矩，從而比標(biāo)量控制具有更高的效率。啟動(dòng)扭矩也增加了，同時(shí)扭矩波動(dòng)最小化。FOC 對(duì)設(shè)定點(diǎn)或負(fù)載變化的響應(yīng)更快，滿載時(shí)的最低速度基本為零，從而在電機(jī)的整個(gè)速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的性能。因?yàn)?FOC 是電流控制的，所以可以優(yōu)化功率逆變器電路。所有這些因素都降低了成本，使開(kāi)發(fā)人員能夠根據(jù)手頭的任務(wù)調(diào)整電機(jī)尺寸。權(quán)衡是實(shí)施 FOC 更加復(fù)雜，

　　表 1：FOC 提供對(duì)整個(gè)扭矩和速度范圍的完全控制，同時(shí)更快地響應(yīng)設(shè)定點(diǎn)的變化或負(fù)載變化。

　　有幾種常見(jiàn)的方法可以創(chuàng)建用于測(cè)量角度和速度的反饋回路。通常，這些測(cè)量可以使用傳感器進(jìn)行或無(wú)傳感器進(jìn)行。傳感器增加了系統(tǒng)的成本和組件，但在高精度系統(tǒng)中通常是必需的。或者，無(wú)傳感器實(shí)現(xiàn)需要軟件和處理資源來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行建模，同時(shí)使用實(shí)時(shí)電流和電壓測(cè)量來(lái)估計(jì)角度和速度。一旦測(cè)量或估計(jì)了角度和速度，就可以調(diào)節(jié)反饋回路以控制速度、位置/角度、電流、磁通和扭矩。

　　使用 ACI 電機(jī)時(shí)，開(kāi)發(fā)人員可以使用轉(zhuǎn)速計(jì)進(jìn)行直接測(cè)量，該轉(zhuǎn)速計(jì)產(chǎn)生與速度成正比的方波輸出。對(duì)于 PMSM 電機(jī)，開(kāi)發(fā)人員可以使用編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器來(lái)跟蹤位置并通過(guò)測(cè)量位置隨時(shí)間的變化來(lái)計(jì)算速度。兩者的無(wú)傳感器方法使用直流母線電壓和兩個(gè)三相電流通過(guò)數(shù)學(xué)變換和計(jì)算來(lái)確定相角，并通過(guò)使用滑動(dòng)模式、MRAS 等狀態(tài)觀察器對(duì)特定 ACI 和 PMSM 電機(jī)進(jìn)行建模來(lái)估計(jì)速度和磁通量， 等等。

　　對(duì)于 BLDC，開(kāi)發(fā)人員可以選擇梯形和正弦控制方法。由于成本更低、控制器更簡(jiǎn)單，梯形控制傳統(tǒng)上是更常用的方法。然而，正弦控制提供更平穩(wěn)的操作，具有更好的扭矩響應(yīng)和更低的電噪聲。降低電氣噪聲很重要，因?yàn)殡姶鸥蓴_ （EMI） 會(huì)影響電機(jī)電路和輸入系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，從而顯著降低性能并增加侵入性可聽(tīng)噪聲。

　　梯形控制在換向時(shí)也有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，在高速時(shí)更難控制，并且不適用于分布式繞組。沿 C2000? 平臺(tái)的持續(xù)集成和降價(jià)縮小了使用更高性能 MCU 的成本壁壘，使得在 OEM 需要通過(guò)更精確的控制和/或更好的效率來(lái)實(shí)現(xiàn)差異化的應(yīng)用中實(shí)施正弦控制成為可能。

　　無(wú)論是梯形控制還是正弦控制，都需要一個(gè)反饋回路來(lái)控制位置、速度以及出于轉(zhuǎn)矩原因的電流。速度和位置既可以用傳感器測(cè)量，也可以通過(guò)監(jiān)測(cè)三相的反電動(dòng)勢(shì)電壓來(lái)計(jì)算狀態(tài)或轉(zhuǎn)數(shù)（位置）的順序，然后速度就是位置隨時(shí)間變化的速率。 雖然有許多不同的方法來(lái)測(cè)量電流，但出于成本和可靠性的原因，最流行的方法是使用單個(gè)直流分流器。

　　C2000 MCU 滿足各種電機(jī)控制設(shè)計(jì)要求

　　TI 的策略是提供 C2000 MCU 作為通用平臺(tái)，以通過(guò)各種控制技術(shù)控制所有電機(jī)類(lèi)型。C2000 提供從低于 2 美元到 300 MHz 浮點(diǎn) Delfino? 系列的 Piccolo? 系列，適用于各種電機(jī)應(yīng)用。此外，通過(guò)提供通用硬件和開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)人員可以無(wú)限制地?cái)U(kuò)展設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單電機(jī)應(yīng)用到高端、高精度應(yīng)用的軟件重用。

　　C2000 器件在 MCU 架構(gòu)內(nèi)提供 DSP 功能，提供 40 至 300 MHz 的性能，輔以一系列基于硬件的功能來(lái)加速代碼執(zhí)行，包括內(nèi)置 DSP 功能、單周期 32x32 位 MAC 和 8-級(jí)保護(hù)流水線以實(shí)現(xiàn)最高時(shí)鐘速度。可選的 CPU 功能包括用于提高精度的浮點(diǎn)單元或用于并行處理和卸載整個(gè)閉環(huán) FOC 系統(tǒng)的控制律加速器。盡管經(jīng)過(guò)優(yōu)化以快速執(zhí)行基于數(shù)學(xué)的 32 位運(yùn)算，但 C2000 架構(gòu)還可以高效處理通用代碼，使單個(gè) C2000 MCU 能夠管理整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)。

　　C2000 MCU 針對(duì)實(shí)時(shí)控制應(yīng)用進(jìn)行了微調(diào)，提供靈活的中斷系統(tǒng)，具有快速響應(yīng)和內(nèi)置于芯片中的非侵入式實(shí)時(shí)調(diào)試功能。電機(jī)控制系統(tǒng)特有的挑戰(zhàn)之一是它們必須在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行調(diào)試。在斷點(diǎn)處停止 MCU 會(huì)導(dǎo)致 MCU 也中斷反饋回路并停止驅(qū)動(dòng)電機(jī)。雖然開(kāi)發(fā)人員可以實(shí)現(xiàn)調(diào)試監(jiān)視器以與主要電機(jī)控制應(yīng)用程序并行執(zhí)行，但通常此類(lèi)代碼在產(chǎn)品發(fā)貨時(shí)會(huì)被刪除。因此，開(kāi)發(fā)人員無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試系統(tǒng)。

　　C2000 MCU 通過(guò)集成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換 （RTDX?） 電路簡(jiǎn)化實(shí)時(shí)調(diào)試，使開(kāi)發(fā)人員可以直接訪問(wèn)內(nèi)部 MCU 資源。具體來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)人員可以暫停非關(guān)鍵代碼并訪問(wèn)內(nèi)存和寄存器，同時(shí)繼續(xù)處理實(shí)時(shí)中斷。由于 RTDX 在硅片中實(shí)現(xiàn)，因此不需要 CPU 周期，從而提供對(duì)系統(tǒng)的完全非侵入式可見(jiàn)性。此外，RTDX 功能始終可用，允許對(duì)客戶退貨或仍在現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。

　　C2000 平臺(tái)還為開(kāi)發(fā)人員提供全面的控制型外設(shè)選擇，包括一流的 ADC 性能和精度、具有靈活可配置性的多個(gè)高分辨率 PWM、集成傳感器接口以及所有重要的工業(yè)接口，包括 CAN 、LIN、SPI、I2C 和 UART。這些將在本文后面更詳細(xì)地討論。

　　C2000 Piccolo MCU 系列

　　C2000 Piccolo MCU 系列為成本敏感型應(yīng)用帶來(lái)實(shí)時(shí)控制。Piccolo MCU 在 C2000 平臺(tái)上與代碼兼容，并提供針對(duì)控制應(yīng)用優(yōu)化的智能外設(shè)，具有更高的片上模擬集成度，包括：

　　混合 ADC 允許靈活啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和高達(dá) 5 MSPS 的連續(xù)采樣。

　　具有高達(dá) 150 ps 的頻率和占空比調(diào)制的高分辨率 PWM。

　　具有 POR/BOR 的片上電壓監(jiān)控器消除了外部監(jiān)控器，并具有消除所有 PWM 引腳上的啟動(dòng)毛刺的內(nèi)置功能。

　　IEC-60730 的三層時(shí)鐘保護(hù)。

　　兩個(gè)內(nèi)部和可選的外部振蕩器。

　　兩個(gè)看門(mén)狗和時(shí)鐘故障檢測(cè)電路自動(dòng)切換到備用 OSC。

　　如果兩個(gè)內(nèi)部故障設(shè)備自動(dòng)進(jìn)入跛行模式并正常關(guān)機(jī)。

　　GPIO 包括內(nèi)部數(shù)字濾波器，可降低噪聲并節(jié)省外部系統(tǒng)成本。

　　C2000 Delfino MCU 系列

　　C2000 Delfino MCU 系列為實(shí)時(shí)控制應(yīng)用帶來(lái)浮點(diǎn)處理。Delfino MCU 在 C2000 平臺(tái)上代碼兼容，并提供針對(duì)具有最高性能處理引擎的控制應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的智能外設(shè)：

　　32 位單精度浮點(diǎn)，吞吐量為 200 到 600 MFLOPS。

• 　　通過(guò) IQMath 與定點(diǎn)設(shè)備的單一代碼兼容源。
• 　　可選的片上雙采樣和保持 12 位 ADC，速度高達(dá) 12.5 MSPS。
• 　　具有高達(dá) 55 ps 的頻率和占空比調(diào)制的高分辨率 PWM。
• 　　片上可重新編程閃存或高達(dá)半兆字節(jié)的片上 RAM。
• 　　多達(dá) 24 個(gè) PWM 輸出、88 個(gè) GPIO，采用多達(dá) 256 針?lè)庋b。
• 　　DMA、外部存儲(chǔ)器接口、雙 CAN 和多個(gè)串行接口。

　　通過(guò) controlSUITE? DMC 系統(tǒng)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

　　用于 C2000 MCU 的 controlSUITE 是一個(gè)內(nèi)聚的軟件套件，旨在最大限度地縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。它包括用于構(gòu)建技術(shù)示例和系統(tǒng)框架的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、API、實(shí)用程序和庫(kù)，這些示例和系統(tǒng)框架使用 TI 的專(zhuān)業(yè)調(diào)試工具在開(kāi)源硬件上進(jìn)行演示。controlSUITE 的一個(gè)關(guān)鍵組件是數(shù)字電機(jī)控制 （DMC） 庫(kù)和生成的系統(tǒng)示例。

　　DMC 庫(kù)由表示為塊的函數(shù)組成。這些模塊分為變換和估計(jì)器（Clarke、Park、滑動(dòng)模式觀察器、相電壓計(jì)算和旋轉(zhuǎn)變壓器、通量和速度計(jì)算器和估計(jì)器）、控制（信號(hào)生成、PID、BEMF 換向、空間矢量生成）和外設(shè)驅(qū)動(dòng)器（用于多種拓?fù)浜图夹g(shù)的 PWM 抽象、ADC 驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)傳感器接口）。每個(gè)塊都是具有可變輸入和輸出的模塊化軟件宏，并與源代碼、使用和技術(shù)理論單獨(dú)記錄。

　　TI 隨后使用 DMC 庫(kù)構(gòu)建了完整的系統(tǒng)示例。在初始化時(shí)，定義了所有 DMC 庫(kù)變量，并將一個(gè)模塊的輸出設(shè)置為下一個(gè)模塊的輸入。在運(yùn)行時(shí)按順序調(diào)用宏函數(shù)。每個(gè)系統(tǒng)都是使用我們的增量構(gòu)建方法構(gòu)建的，該方法允許構(gòu)建增量代碼部分，以便開(kāi)發(fā)人員可以一次驗(yàn)證其應(yīng)用程序的每個(gè)部分。這對(duì)于具有許多可能影響系統(tǒng)的不同變量以及跨電機(jī)參數(shù)的許多獨(dú)特挑戰(zhàn)的實(shí)時(shí)控制應(yīng)用來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

　　例如（參見(jiàn)圖 2），在無(wú)傳感器 PMSM FOC 系統(tǒng)中，軟件中內(nèi)置了以下增量構(gòu)建。圖 2 顯示了雙無(wú)傳感器 FOC PMSM 系統(tǒng)增量構(gòu)建的第一步。此時(shí)，開(kāi)發(fā)人員可以驗(yàn)證與目標(biāo)無(wú)關(guān)的模塊、占空比和 PWM 更新。電機(jī)在此級(jí)別斷開(kāi)，以防止在驗(yàn)證 PWM 之前意外燒毀電機(jī)。構(gòu)建級(jí)別 1：使用虛擬信號(hào)，驗(yàn)證 Inverse Park、Space Vector 和 PWM 驅(qū)動(dòng)器是否產(chǎn)生正確的波形。第 2 級(jí)：驗(yàn)證 ADC 轉(zhuǎn)換、相電壓計(jì)算、克拉克和帕克變換。級(jí)別 3：閉環(huán) PID 電流控制驗(yàn)證。第 4 級(jí)：滑動(dòng)模式觀察者和速度估計(jì)器驗(yàn)證。等級(jí) 5：閉環(huán) PID 速度控制。

　　圖 2：構(gòu)建級(jí)別 1：使用虛擬信號(hào)驗(yàn)證波形；構(gòu)建級(jí)別 5：閉環(huán) PID 速度控制。

　　系統(tǒng)在可用的硬件平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證。DMC 硬件平臺(tái)均使用由模塊化 controlCARD 控制的基礎(chǔ)功率級(jí)構(gòu)建。controlCARD 是一種基于 DIMM 占用空間的標(biāo)準(zhǔn)化卡，允許您將不同版本的 C2000 設(shè)備插入不同的主板。最新的 DMC 硬件平臺(tái)包括支持 FOC （PMSM） 和正弦 （BLDC） 的低壓 （36 V） 雙軸數(shù)字功率因數(shù)校正以及高壓 （350 V） 單軸數(shù)字電源支持 FOC（ACI、PMSM）和正弦或梯形（BLDC）的因子校正。所有系統(tǒng)都包括用于調(diào)試的電氣隔離 JTAG，并附帶啟動(dòng) GUI、Code Composer Studio? 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的免費(fèi)副本、完整的工作增量構(gòu)建軟件、分步用戶指南、記錄控制理論、屏幕截圖、硬件連接和調(diào)試技巧。所有硬件都是開(kāi)源的，可供開(kāi)發(fā)人員插入到他們的設(shè)計(jì)中，包括 Gerber 文件、原理圖和 BOM。TI 還通過(guò)其強(qiáng)大的 IQMath 庫(kù)簡(jiǎn)化了復(fù)雜的算法設(shè)計(jì)，該庫(kù)允許您通過(guò)選擇二進(jìn)制表示數(shù)字的哪些位是整數(shù) （I） 以及哪些位是商 （Q） 來(lái)選擇數(shù)值范圍和分辨率。使用定點(diǎn) MCU 時(shí)，開(kāi)發(fā)人員負(fù)責(zé)管理小數(shù)點(diǎn)。有時(shí)，可能需要移動(dòng)小數(shù)點(diǎn)以調(diào)整范圍。例如，如果范圍太小，數(shù)字可能會(huì)飽和（即，10 可能看起來(lái)與 10，000 相同）。同樣，如果范圍太大，分辨率的步長(zhǎng)也會(huì)太大，精度會(huì)下降。通過(guò)抽象小數(shù)點(diǎn)的管理并允許使用浮點(diǎn)約定編寫(xiě)代碼，開(kāi)發(fā)人員可以隨時(shí)更改比例和分辨率，從而使編寫(xiě)復(fù)雜的算法代碼變得更加容易，因?yàn)閹?kù)負(fù)責(zé)其余的工作。通過(guò)簡(jiǎn)化將代碼從一個(gè)系統(tǒng)/MCU 移動(dòng)到另一個(gè)系統(tǒng)/MCU 的遷移過(guò)程，即使從定點(diǎn) MCU 遷移到浮點(diǎn) MCU，這也有助于代碼重用以及“上下代碼移動(dòng)性”。開(kāi)發(fā)人員還可以調(diào)整（遷移后重新調(diào)整）系統(tǒng)以獲得最佳分辨率和動(dòng)態(tài)范圍，消除飽和和量化效應(yīng)。此外，大多數(shù) DMC 庫(kù)模塊都是基于 IQMath 的，允許每個(gè)模塊針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。開(kāi)發(fā)人員可以隨時(shí)更改比例和分辨率，從而使編寫(xiě)復(fù)雜的算法代碼變得更加容易，因?yàn)閹?kù)負(fù)責(zé)其余的工作。通過(guò)簡(jiǎn)化將代碼從一個(gè)系統(tǒng)/MCU 移動(dòng)到另一個(gè)系統(tǒng)/MCU 的遷移過(guò)程，即使從定點(diǎn) MCU 遷移到浮點(diǎn) MCU，這也有助于代碼重用以及“上下代碼移動(dòng)性”。開(kāi)發(fā)人員還可以調(diào)整（遷移后重新調(diào)整）系統(tǒng)以獲得最佳分辨率和動(dòng)態(tài)范圍，消除飽和和量化效應(yīng)。此外，大多數(shù) DMC 庫(kù)模塊都是基于 IQMath 的，允許每個(gè)模塊針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。開(kāi)發(fā)人員可以隨時(shí)更改比例和分辨率，從而使編寫(xiě)復(fù)雜的算法代碼變得更加容易，因?yàn)閹?kù)負(fù)責(zé)其余的工作。通過(guò)簡(jiǎn)化將代碼從一個(gè)系統(tǒng)/MCU 移動(dòng)到另一個(gè)系統(tǒng)/MCU 的遷移過(guò)程，即使從定點(diǎn) MCU 移動(dòng)到浮點(diǎn) MCU，這也有助于代碼重用以及“上下代碼移動(dòng)性”。開(kāi)發(fā)人員還可以調(diào)整（遷移后重新調(diào)整）系統(tǒng)以獲得最佳分辨率和動(dòng)態(tài)范圍，消除飽和和量化效應(yīng)。此外，大多數(shù) DMC 庫(kù)模塊都是基于 IQMath 的，允許每個(gè)模塊針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。

　　TI 還與其第三方廣泛合作，以允許開(kāi)發(fā)人員進(jìn)一步抽象其電機(jī)控制設(shè)計(jì)。借助 MathWorks 的 Embedded Target 和 Visual Solutions 的 VisSim 等仿真、圖形開(kāi)發(fā)和代碼生成工具，開(kāi)發(fā)人員可以更直觀地創(chuàng)建電機(jī)控制系統(tǒng)，然后讓該工具在 C2000 DMC 上生成、下載和運(yùn)行代碼硬件套件。

　　高級(jí)功能的擴(kuò)展處理能力

　　要實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的算法以提高電機(jī)控制應(yīng)用的效率和性能，MCU 需要能夠執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。通過(guò)加速數(shù)學(xué)計(jì)算，C2000 器件不僅可以實(shí)現(xiàn)更精確的電機(jī)控制，還可以快速執(zhí)行這些計(jì)算，從而為其他功能留下大量處理空間。開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)多種方式利用這一增加的空間，從而加快上市時(shí)間并降低系統(tǒng)成本。例如，不必創(chuàng)建幾乎沒(méi)有可重用性的流線型系統(tǒng)，余量允許開(kāi)發(fā)人員通過(guò)采用模塊化方法來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，該方法允許將代碼轉(zhuǎn)移到其他電機(jī)控制應(yīng)用程序中。

　　凈空還使開(kāi)發(fā)人員能夠引入功率因數(shù)校正 （PFC） 等高級(jí)功能。PFC 提高了電源效率并防止了因諧波電流引起的失真而導(dǎo)致的損失。PFC 已在許多地區(qū)強(qiáng)制使用，并已成為大多數(shù)電源設(shè)計(jì)的組成部分。它通常使用專(zhuān)用的 PFC 芯片或輔助 MCU 來(lái)實(shí)現(xiàn)，但使用 C2000 平臺(tái)，PFC 可以直接集成到主 MCU 上，從而節(jié)省電路板空間和成本。廣泛的 C2000 器件使開(kāi)發(fā)人員能夠選擇具有最佳容量的 MCU，以在單個(gè)芯片上實(shí)施具有 PFC 和運(yùn)動(dòng)分析的整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

　　增強(qiáng)的外設(shè)集成以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并降低系統(tǒng)成本

　　C2000 外設(shè)的廣泛組合將關(guān)鍵功能集成到系統(tǒng)中，通過(guò)消除對(duì)外部組件的需求，顯著節(jié)省成本并減小電路板尺寸。這些外設(shè)中的許多還提高了系統(tǒng)精度和性能，同時(shí)減輕了主 CPU 的負(fù)載，從而可以騰出時(shí)間來(lái)執(zhí)行更高級(jí)的電機(jī)控制處理。一些更重要的 C2000 外設(shè)包括：

　　高分辨率和同步 ADC：在實(shí)施高性能電機(jī)控制技術(shù)時(shí)，最關(guān)鍵的考慮因素之一是系統(tǒng)準(zhǔn)確讀取電機(jī)電流的能力。無(wú)傳感器系統(tǒng)的精度直接取決于精確的電流測(cè)量，甚至基于傳感器的系統(tǒng)也可能需要測(cè)量電流來(lái)控制扭矩。

　　準(zhǔn)確的電流測(cè)量不僅需要準(zhǔn)確的讀數(shù)（即分辨率），而且讀數(shù)是在特定時(shí)間完成的。高級(jí)控制技術(shù)通常有一個(gè)短窗口，必須在其中獲取反饋樣本。因此，精確時(shí)序有兩個(gè)部分：ADC 必須與 PWM 事件緊密同步，并且必須快速采集樣本。采樣延遲可能來(lái)自上下文切換以及 ADC 延遲和中斷延遲。為了提供可能的最佳精度，C2000 器件提供了一系列高分辨率 ADC 以滿足應(yīng)用要求。此外，TI 的 Piccolo 系列支持即時(shí)（早期）中斷，以將可用的 ADC 結(jié)果與 CPU 獲取同步，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)精度。所有 C2000 器件都包括一個(gè) 12 位、雙采樣和保持、高速架構(gòu)（最多 12 個(gè)。

　　功能豐富、基于硬件的 PWM：鑒于脈沖寬度調(diào)制器 （PWM） 在電機(jī)控制應(yīng)用中發(fā)揮的重要作用，TI 設(shè)計(jì)了基于硬件的 PWM 模塊，該模塊具有針對(duì)性能和效率進(jìn)行了優(yōu)化的各種增強(qiáng)功能。C2000 器件具有 4 到 9 個(gè) PWM 模塊，每個(gè)模塊具有兩個(gè) PWM 輸出，使開(kāi)發(fā)人員能夠支持廣泛的開(kāi)關(guān)拓?fù)洹Ｃ總€(gè)模塊都有自己的 16 位影子定時(shí)器，可以獨(dú)立運(yùn)行、同步運(yùn)行或相位延遲，以實(shí)現(xiàn)最大的靈活性。定時(shí)器可以在向上、向下或向上向下模式下運(yùn)行到編程的周期。通過(guò)在事件（零、周期和兩個(gè)/四個(gè)可編程比較值）處采取行動(dòng)（PWM 高、低、切換、無(wú)）來(lái)生成波形。這提供了完整的波形生成靈活性。

　　與功率級(jí)切換同步是電機(jī)控制設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要特性，尤其是希望在 PWM 不切換期間對(duì)電流進(jìn)行采樣，以便您可以從系統(tǒng)中獲得準(zhǔn)確的讀數(shù)并避免系統(tǒng)噪聲。來(lái)自 PWM 時(shí)基的每個(gè)事件都可用作 CPU 中斷或向 ADC 發(fā)送轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)事件同步的最大靈活性。

　　所有 C2000 MCU 均提供獨(dú)特的故障管理系統(tǒng)，使用專(zhuān)用的跳閘區(qū)引腳。每個(gè) Trip Zone 引腳都可以映射到一組可編程的操作，這些操作在發(fā)生故障時(shí)采取。操作可以包括設(shè)置 PWM 輸出、中斷 CPU、啟動(dòng) ADC 轉(zhuǎn)換或同步 PWM 模塊。跳閘可以是同步的或異步的，可以因偏移或窗口而被阻止，以連續(xù)或單次模式運(yùn)行，并自動(dòng)記錄故障時(shí)的計(jì)時(shí)器值。最重要的特點(diǎn)是，即使 MCU 時(shí)鐘丟失并且存在嚴(yán)重的系統(tǒng)問(wèn)題，Trip Zone 邏輯也會(huì)繼續(xù)工作。這有助于保護(hù)昂貴的功率級(jí)電路。

　　CAP/QEP 接口：對(duì)于基于傳感器的電機(jī)控制系統(tǒng)，集成 CAP 和 QEP 傳感器接口既可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，又可以降低成本。集成到 C2000 MCU 中的傳感器接口可跨不同類(lèi)型的傳感器工作，內(nèi)置 32 位硬件，用于以連續(xù)或單次模式捕獲絕對(duì)時(shí)間或增量時(shí)間。這允許接口在后臺(tái)運(yùn)行，而無(wú)需 CPU 的持續(xù)管理。

　　增強(qiáng)型控制器局域網(wǎng) （eCAN）： CAN 用于在電噪聲環(huán)境中控制器之間的串行通信。C2000 MCU 上的 eCAN 接口提供高效的分布式實(shí)時(shí)控制，數(shù)據(jù)速率高達(dá) 1 Mbps、32 個(gè)完全可配置的郵箱、32 位時(shí)間戳和用于低功耗操作的可編程喚醒。