马达控制用DSP向系统级芯片方向发展

上网时间: 2001年07月29日? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:马达控制IC? DSP? MCU?

目前用于马达控制的IC大致可以分为三大类:马达控制专用芯片以及针对马达控制应用的MCU和DSP。近年来,随着世界对高效、节能和低噪音的呼声高涨,以及DSP价格的一路下跌,庞大的马达控制市场向DSP展露出勃勃商机,DSP正由高档工业马达控制领域向整个马达控制市场扩张。根据来自Forward Concepts的统计数据,去年用于马达控制的DSP销量为800万块,2005年销量预计将增至3亿块以上。美国模拟器件、德州仪器、摩托罗拉半导体三大DSP巨头都十分看重DSP的这一新兴应用市场,纷纷推出针对马达控制优化的DSP产品。这些DSP产品的共性是集成模拟电路、PWM马达控制模块、闪存和外设等部件,向系统级芯片方向发展。

DSP更适用于高速和大量运算的马达控制

三类马达控制用IC的性能和应用范围各不相同。马达控制专用IC在小功率的低端应用中具有较大的优势和市场占有率,其特点是使用简便,开发周期短,但往往在系统设计的灵活性及性能等方面受到限制。“针对马达控制应用的MCU和DSP编程方便,非常适用于对控制性能和系统的灵活性有一定要求的场合。IC技术的发展使得MCU、尤其是DSP的成本快速下降,价格最低的可低至2美元,以往因为成本原因无法使用高性能控制的场合也开始使用MCU和DSP。”德州仪器中国办事处高级应用工程师谭徽介绍道。

马达控制用DSP向系统级芯片方向发展_ESMCOL_1

针对马达控制的MCU与DSP在特性上各有不同,MCU侧重于I/O接口的数量和可编程存储器的大小,所以MCU非常适用于有大量的I/O操作的场合。而DSP的特长在于高速运算,侧重于运算速度。与MCU相比,DSP具备更强的信号处理构架。通过软件编程,附加的函数功能和运算法则等,DSP可实现高效率和高级控制过程。但DSP算法复杂,不易掌握。多年来,MCU已经在马达控制领域得到广泛应用,工程师们习惯于MCU编程。为此,Microchip公司DSC市场部经理Steven Marsh建议:一般MCU能胜任的马达控制应用,应该使用MCU。但有些场合需要额外的性能和计算能力,只有DSP才能胜任时则建议使用DSP,如需要强大数字计算能力的无传感器马达控制和开关磁阻马达等。

在无刷直流马达、无传感器马达控制等复杂应用中,为实现良好的控制策略,通常要求较大的运算量和实时运算能力。“与MCU相比,DSP在这一方面具有绝对优势。乘法和累加指令(MAC)的执行速度是计算控制算法和过滤器算法的关键,DSP内核可以在一个处理器时钟周期中执行一个MAC。MCU内核的设计宗旨是实现逻辑功能,它需要花多个时钟周期来完成一条乘法指令。基于MCU的马达控制IC能控制直流马达和带霍尔传感器的无刷马达,但要实现无传感器控制或正弦波变频控制等复杂算法,则势必需要DSP内核。近年来,随着DSP价格的进一步降低,很多设计逐渐用DSP代替MCU实现马达控制。”美国模拟器件公司马达控制集团产品线总监Aegnus Murray解释说。

马达控制成为DSP新兴应用领域

多年来,通用DSP一直用于高档工业马达控制中,如伺服马达控制。近年来,随着人们不断强调产品的高效、节能和低噪音等特性,无刷直流马达和交流感应马达的应用日益广泛,需要DSP的新型应用正迅速产生。根据来自Forward Concepts的统计数据,去年用于马达控制的DSP销量为800万块,2005年销量预计将增至3亿块以上。

随着马达控制用DSP的日渐面市和价格的一路下降,DSP正日渐渗透进了整个马达控制市场,特别是一些绿色家电领域。一些领先的家电制造商开始销售采用DSP的电器,例如在日本市场上,具有低噪声和节能特性的变频冰箱和空调占该两类产品总销量的90%。“在空调和冰箱产品中,永磁交流马达是最高效的解决方案,在该类应用中采用基于DSP的无感应器马达控制算法。在洗衣机领域,三相交流感应马达的运行速度比直流马达或是单向马达高得多。基于DSP的控制系统除了实现该类马达控制外,还可以利用DSP的多余运算能力实现均衡检测和洗涤周期控制等增值功能。风扇也是DSP马达控制占据优势的应用,在这些应用中无传感器控制算法可以提供更为平滑的转矩和更低的噪音。”美国模拟器件公司Murray称。

德州仪器、美国模拟器件公司以及摩托罗拉等传统DSP巨头正将马达控制市场作为DSP的新兴应用领域。美国模拟器件公司和德州仪器进军马达控制市场已经有五、六年的历史了。面对DSP需求的飞速增长,以往更加专注于马达控制用MCU业务的摩托罗拉也于去年推出了一系列马达控制用DSP器件。“为优化程序和提高编码效率,近期该公司还推出了一种新型集传统DSP的性能与微控制器的功能的新型内核构架DSP56800E。未来几个月,摩托罗拉将推出几款基于该内核的马达控制用DSP。” 摩托罗拉运输和标准产品集团DSP标准产品分部市场经理Victor Kwong称。近期,Microchip也对外宣布了一种集RSIC和DSP的混合架构dsPIC,“该架构是一个16位非流水线式改进型哈佛结构RISC处理器,它将高性能16位微控制器的控制优势与DSP的高运算速度相结合,采用与MCU相似的单一指令流。马达控制是该构架的目标应用之一,具体产品将于明年第一季度批量生产。”Microchip公司Marsh透露。

主流马达控制用DSP芯片及其特性

目前活跃在中国马达控制IC市场的DSP供应商主要有三家:美国模拟器件、德州仪器及摩托罗拉半导体公司。针对高低档不同应用,不同DSP产品价格从2美元起不等。马达控制用DSP的共性是集成度高,最新的马达控制DSP向系统级芯片发展,集成了模数转换等模拟电路、PWM马达控制模块、闪存和外设集等部件,从而减少了整机系统的元件数和板尺寸,降低了系统的整体成本。

另外,集成有片上闪存的DSP可使用户的设计更加灵活。由于系统的复杂性,OEM通常花费很多时间进行产品开发,另一方面激烈的竞争迫使OEM不断推出新产品。这也是基于闪存的DSP芯片的优势所在,它省去了ROM产品的发货期和掩膜费用;开发过程可以延伸到生产阶段,通过升级闪存中程序,无形中延长了整机产品的寿命。

*美国模拟器件公司

美国模拟器件公司的DSP马达控制系统主要分高低端两个领域。高性能马达控制DSP包括ADMC300和ADMC401。在1万件时ADMC401价格为18美元,ADMC300为13.5美元。低价马达控制DSP包括ADMC331和DashDSP系列(ADMCF32x和ADMC32x)。ADMC328(带ROM)在50万件时单价为2.95美元。

Aegnus Murray介绍称:该公司所有的DSP马达控制IC都集成有一系列针对三相马达控制优化的外设。三相PWM单元易于编程,经配置可用于三相交流马达、无刷直流马达或是开关磁阻马达。在高性能应用领域,ADMC401是唯一带有12位A/D转换器的DSP。这个器件可以同步采样两路模拟信号,这是交流马达控制的基本要求。在低端应用领域,ADMC328是唯一采用28引脚封装的DSP马达控制IC。该器件集成了实现无刷直流马达所需的所有模拟和数字功能,并为OEM提供ADMC328的多种参考设计,已在家电业得到广泛的应用。该产品系列中的下一个器件ADMC340将集成模拟放大器电路,该电路利用直流链路中的单一分流,测量三相中的各相电流。

*德州仪器公司

在马达控制用DSP中,德州仪器的优势在于系列品种齐全,涵盖从低端到高端的一系列应用。谭徽例举道:“从单个马达的控制到多个马达的控制;从价格最低的2美元到运算速度最快的400MIPS;芯片引脚从最少的32脚到132脚,系统控制单元完全可以用单片DSP实现。同时,德州仪器的DSP软件集成开发环境Code Composer功能强大,可以支持实时调试,使用方便。更为重要的是,这一系列平台上的应用软件完全兼容,系统升级非常方便。”

德州仪器相关主要产品是针对于马达控制优化的TMS320C24xx系列,其第一代为TMS320F/C240,第二代为TMS320C/F241、242和243。谭徽介绍道:这两代产品的运算速度均为20MIPS,其中的241、242已被国内外众多的家电厂商所采用。目前的第三代TMS320LF/C240x系列运算速度已达到40MIPS,片内用于马达控制的事件管理器可以多达两组,能够实行多个马达的控制;同时,模块封装形式也非常多样化,其中TMS320LF2401的尺寸为7mm X 7mm,是目前业界最小的封装。而第四代TMS320C28x的运算速度高达400MIPS,是用于马达控制中运算速度最快的DSP。

*摩托罗拉半导体公司

“摩托罗拉的领先优势之一是长期以来累积的经验。摩托罗拉供应大量马达控制产品,以往我们的MCU产品广泛应用在汽车、工业和消费电子领域的马达控制系统中。”摩托罗拉的Victor Kwong称。该公司目前已经推出一系列基于DSP56800构架的马达控制IC,未来几个月,摩托罗拉将推出几款基于其新型DSP56800E内核的马达控制用DSP。

摩托罗拉的马达控制用DSP在单芯片上集成了一系列针对马达系统优化的特性:集成闪存和先进的PWM模块;集成模数转换器、板上电压调整、CAN 2.0 A/B模块、异步串行通信接口(SCI)、高速同步串行接口(SPI)等混合信号外设;具有ADC PWM同步等特性。“此外,摩托罗拉还提供灵活的系统设计工具以及各式简单但灵活的解决方案,它支持马达控制专用硬件、软件和参考设计,使客户可以集中精力进行个性化的增值IP设计。”Kwong称。

如何选择马达控制用DSP

在选择马达控制用IC时,首先要考虑的是产品的性能和成本要求,这在很大程度上取决于系统的需求。“在工业应用中,A/D性能和核心的运算速度(MIPS)应是最主要的考虑因素。在低档应用中,总的系统成本是关键因素。因此,需要综合考虑到DSP和所有的外部器件的整体成本。”美国模拟器件公司的Murray称。

第二,软件开发工具是一个重要的因素,它关系到易编程性和编程的效率。第三,由于IC行业竞争非常激烈,客户在考虑DSP平台时应当选择具有市场优势和可以长期稳定供货能力的供应商;同时要考查IC供应商的产品发展策略,这对OEM构建下一代应用很有帮助。因为这涉及软件的可重用性,即客户现在使用的软件将来是否可以在IC供应商的下一代产品中适用,软件的可重用性对缩短开发时间和产品的面市时间有影响。此外,在低端应用中,由于很多电器工程师往往对高速处理器缺乏经验,因此还必须考查供应商是否提供强有力的应用支持。

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  • 数字信号处理(Digital Signal Processing,简称DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来,随着计算机和信息技术的飞速发展,数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息,来处理现实信号的方法,这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里,数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。

  • MCU是什么
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