【技术干货】高级电机控制系统提高电机控制性能

随着科技的进步，电机控制系统朝向更智能、更高效的方向发展。高级电机控制系统集控制算法、工业网络和用户接口于一体，因此需要更多处理能力来实时执行所有任务。现代电机控制系统通常利用多芯片架构来实现，采用数字信号处理器（DSP）执行电机控制算法，FPGA（现场可编程逻辑门阵列）实现高速I/O和网络协议，微处理器则处理执行控制。

随着片上系统（SoC）的出现，例如集CPU的灵活性与FPGA的处理能力于一体的Xilinx® Zynq All Programmable SoC，设计人员终于能够将电机控制功能和其他处理任务纳入单个器件中。控制算法、网络和其他处理密集型任务被分流到可编程逻辑，而管理控制、系统监控与诊断、用户接口以及调试则由处理单元处理。可编程逻辑可以包含多个并行工作的控制内核，以实现多轴机器或多重控制系统。

近年来，在MathWorks® Simulink®等软件建模与仿真工具的推动下，基于模型的设计已发展成为完整的设计流程——从模型创建到实现。基于模型的设计改变了工程师和科学家的工作方式，把设计任务从实验室和现场转移到桌面。现在，包括工厂和控制器在内的整个系统都可以建模，工程师可以先调整好控制器的行为，再将其部署到现场。这样就能降低受损风险，加速系统集成，减少对设备供货的依赖。一旦完成控制模型，Simulink环境便可将其自动转换为由控制系统运行的C和HDL代码，节省时间并避免人工编程错误。

一个可实现更高电机控制性能的完整开发环境，则是利用Xilinx Zynq SoC实现控制器，MathWorks Simulink用于进行基于模型的设计和自动生成代码，ADI公司的智能驱动器套件用于快速开发驱动系统原型。

高级电机控制系统必须全面执行控制、通信和用户接口任务，每种任务都有不同的处理带宽要求和实时约束。为了实现这样的控制系统，所选的硬件平台必须稳固且可扩展，以便为将来的系统改进和扩张创造条件。Zynq All Programmable SoC集高性能处理系统与可编程逻辑于一体，可提供出色的并行处理能力、实时性能、快速计算和灵活的连接。该SoC集成了两个Xilinx模数转换器（XADC），用于监控系统或外部模拟传感器。

Simulink则是一种支持多域仿真和基于模型设计的框图环境，非常适合对包括控制算法和工厂模型的系统进行仿真。为了实现精确定位等目的，电机控制算法会调节速度、转矩和其他参数。利用仿真评估控制算法可以有效地确定电机控制设计是否合适，判断其合适后再进行昂贵的硬件测试，从而减少算法开发的时间和成本。

选择合适的原型开发硬件是设计过程的一个主要步骤，可利用ADI公司智能驱动器套件快速完成原型开发。ADI公司的智能驱动器套件支持快速、高效的原型开发。最新一代高精度数据转换器和数字隔离相结合，可实现高性能电机控制和双通道千兆以太网工业网络连接。

ADI公司智能驱动器套件带有一套Simulink控制器模型、完整的Xilinx Vivado框架和ADI Linux基础架构，便于用户完成电机控制系统设计所需的全部步骤——从仿真开始，经过原型开发，最终在生产系统上实现。

ADI公司为智能驱动器套件提供的Linux软件和HDL基础架构，连同MathWorks和Xilinx提供的工具，非常适合开发电机控制应用原型。它们还包含适用于生产的组件，可将其集成到最终控制系统中，从而减少从概念到生产所需的时间和成本。

ADI针对电机控制应用，推出多款调制器、差动放大器、仪表放大器与运算放大器解决方案。

AD7401是一款二阶Σ-Δ调制器，采用ADI公司的片内数字隔离iCoupler®技术，能将模拟输入信号转换为高速的1比特的数据流。AD7401采用5V电源供电，可输入±200 mV的差分信号（满量程±320 mV）。模拟调制器对模拟输入信号连续采样，因而无需外部采样保持电路。输入信息包含在数据率最高为20 MHz的输出流中，通过适当的数字滤波器可重构原始信息。串行I/O可采用5 V或3 V电源供电（V_DD2）。

串行接口采用数字式隔离，通过将高速CMOS工艺和单片空芯变压器技术结合在一起，较之传统光耦合器等其它组件来说，片内隔离能提供更加优异的工作特性。该器件内置片内基准电压，此外ADI还提供采用内部时钟的产品——AD7400。AD7401可应用于交流电机控制、数据采集系统与可替代ADC加光隔离器的方案。

AD8207则是一款单电源差动放大器，非常适合在大共模电压情况下放大小差分电压。采用5 V电源时，输入共模电压范围为−4 V至+65 V。AD8207采用3.3 V至5 V单电源供电，非常适合承受电磁阀和电机控制等应用中常见的大输入PWM共模电压。

AD8207采用8引脚SOIC封装，相对于温度的出色直流性能使测量环路误差保持较小。失调漂移典型值小于500 nV/℃，增益漂移典型值低于10 ppm/℃。AD8207非常适合双向电流检测应用。它具有两个基准引脚V_REF1和V_REF2，允许用户将器件的输出轻松偏置到电源电压范围内的任何电压。当V_REF1与V+引脚相连、V_REF2与GND引脚相连时，输出设置为半量程。将两个基准引脚与GND相连，可提供从地电压附近开始的单极性输出。将两个基准引脚与V+相连可提供从V+附近开始的单极性输出。将外部低阻抗电压施加于V_REF1和V_REF2引脚可实现其它输出偏移。

AD8251则是一款具有数字式可编程增益的仪表放大器，拥有GΩ级输入阻抗、低输出噪声和低失真等特性，因此适合用来与传感器接口及驱动高采样速率模数转换器（ADC）。它拥有10 MHz带宽、−110 dB的低总谐波失真（THD），以及达到0.001%精度时785 ns的快速建立时间（最大值）。保证的失调漂移和增益漂移分别为1.8 µV/°C和10 ppm/°C（G = 8）。

除了输入共模电压范围很宽之外，该器件还拥有80 dB的高共模抑制能力（G = 1，直流至50 kHz）。精密直流性能与高速能力的结合则使AD8251成为数据采集应用的绝佳选择。此外，这款单芯片解决方案简化了设计与制造，并可通过内部电阻与放大器的严格匹配来提高仪器仪表的性能。

AD8251用户接口包含一个并行端口，用户可以采用以下两种不同的方式设置增益。一种方式是用WR输入锁存通过总线发送的2比特字。另一种方式是用透明增益模式，在这一模式下，由增益端口处的逻辑电平状态决定增益。

AD8251采用10引脚MSOP封装，额定温度范围为−40°C至+85°C，特别适合对尺寸和封装密度有严格要求的应用，包括数据采集、生物医学分析，以及测试和测量。

AD8646是一款24 MHZ轨到轨双通道运算放大器，此外还有AD8647和AD8648是双通道和四通道、轨到轨输入和输出、单电源放大器，具有低失调电压、宽信号带宽、低输入电压和低电流噪声等特性，AD8647还具有低功耗关断功能。

AD8646系列具有24 MHz带宽、低失调、低噪声和极低的输入偏置电流特性相结合，使这些放大器适合各种应用。滤波器、积分器、光电二极管放大器和高阻抗传感器等器件均可受益于这些特性组合，宽带宽和低失真特性则有益于交流应用。AD8646/AD8647/AD8648均具有高输出驱动能力，是音频线路驱动器和其它低阻抗应用的理想选择，AD8646和AD8648则可以用于汽车应用。

AD8646系列具有轨到轨输入与输出摆幅能力，因而设计人员可以在单电源系统中缓冲CMOS ADC、DAC、ASIC及其它宽输出摆幅器件。

ADA4084-2（双通道）则是一款30 V、低噪声、轨到轨I/O、低功耗运算放大器，此外还有ADA4084-1（单通道）和ADA4084-4（四通道），它们的额定温度范围为−40℃至+125℃工业温度范围。单通道ADA4084-1采用5引脚SOT-23和8引脚SOIC封装；双通道ADA4084-2采用8引脚SOIC、8引脚MSOP和8引脚LFCSP表贴封装；ADA4084-4采用14引脚TSSOP和16引脚LFCSP封装。

ADA4084-2支持轨到轨输入／输出，具有0.625 mA（±15 V，每放大器典型值）的低功耗，增益带宽积为15.9 MHz（AV =100，典型值），单位增益交越频率则为9.9 MHz（典型值），支持在−3 dB闭环带宽时为13.9 MHz（±15 V，典型值），拥有100 μV（SOIC，最大值）的低失调电压，单位增益稳定，其具有4.6 V/μs（典型值）的高压摆率与3.9 nV/√Hz（1 kHz，典型值）的低噪声。

现代电机控制系统结合了FPGA、MathWorks、Xilinx和ADI公司的工具和系统，将可帮助实现更高效、更精确的电机控制解决方案。通过将MathWorks基于模型的设计和自动生成代码工具与强大的Xilinx Zynq SoC、ADI公司的隔离、功率、信号调理和测量解决方案相结合，电机驱动系统的设计、验证、测试和实现可以比以前更有效率，进而提高电机控制性能并缩短上市时间。ADI公司智能驱动器套件可提供出色的原型开发环境，以加快系统的评估，并且帮助快速启动电机控制项目，值得有兴趣的客户进一步深入了解。