电机控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展过程[5-6]。模拟控制器主要由功率放大器,普通的电阻、电感、电容、半导体等各种元件组成。如果复杂的控制系统采用大量的元器件会使控制系统的体积、功耗以及重量增大。另外模拟控制器的参数在工作中会受到种外界因素如温度变换、湿度和电磁波等等的影响。由于各中干扰因素的存在严重影响控制器的灵活性和稳定性。随着电子技术的高速发展,且在各个领域中的应用不断扩大,数字控制器逐渐的占领与替代了模拟控制。数字控制技术主要的特点如:数字电路中可通过编程实现各种复杂算法,使应用更加灵活,数字电路很容易实现各种高速度的工作和任务,可以采用嵌入式纠错系统并且它容易做到微型化等等。因此,对控制器的精度,速度,低功耗,稳定性,可靠性与灵活性要求越来越高。数字控制器的特点使得其在直流电机控制中有很大优势,解决了模拟控制器存在的各种问题。数字控制器具有没有信号失真或衰变、可靠性高、运算精度高,修改控制灵活以及不容易受到外界干扰等优点[7]。因而,数字控制器在电机控制系统已经占了重要位置。数字控制器主要可分为四大类:单片微控类的产品如STC,AVR,AMR等;专用芯片有接口芯片,计算机芯片,时钟芯片为某种特定功能的设计;数字信号处理器(DPS)、可编程逻辑器(CPLD/FPGA)等。27165
随着半导体工艺以及电气技术不断的发展,单片机有自己的特点:品种多样;型号多;CPU从4, 8, 16, 32发展到64位;高性能和容量大[9]。目前市场上一般的单片机的性能有以下诸多特点:集成度不断提高,一个芯片可容纳几百万个晶体管;在一秒内可进行数百次运算;工作频率最大达到40MHz,存储器容量发展到4K, 8K, 64K,ROM发展到32K,64K, 256K;功耗低,结构简单,使用灵活以及成本不断低等。但同时由于单片机的内部硬件电路固化,使在处理复杂运算时,经常发生故障,不能满足高精度的控制要求。此外单片机外围电路相对比较复杂,对系统的稳定性和可靠性有较大影响[10]。
专用芯片是针对控制器或系统所需要而专门设计制造的集成电路,合成在一个芯片上,简称ASIC。它使整个系统电路优化,使用元器件数量减少,布线缩短,重量和体积减小使系统集成度高,提高了系统可靠性。专用芯片具有功能强,品种多的特点;但是它不利于生产小批量,因为研究与设计周期长,生产工艺复杂等等会使芯片成本较高。直流电机控制芯片中所实现的算法一般比较简单,难以应用在高性能,高精度的场合[11]。论文网
数字信号处理(DSP) (digital signal processor)是一种独特的微处理器,通过数字器件来处理信号[12]。DSP 芯片采用的结构式一种内部有两个不同的存储空间来分开存储程序指令与数据存储的哈弗结构。DSP结构具有DSP内核、存储器以及外围设备等部分。其中DSP内核是中央控制,其主要功能是信号处理,进行数据运算处理。它包括的运算模块主要有中央算术逻辑单元 CALU、累加器、两个状态寄存器、移位器、辅助寄存器、乘法器和积分器等,这些运算模块的存在使得DSP具有了强大的数字信号处理性能[13]。存储器主要由544字的双口RAM随机存取存储器、单口FAM、32K字的Flash程序存储器组成。外设备主要有事件查看管理器、同步通信模块,异步通信模块、数模转换模块、CAN通信接口控制器等。由上面结构的特点可知DPS的编程更加灵活、系统升级更加方便、A/D转换精度更高。通过改变转换位数就能满足信号处理与算法的精度要求,使得可靠性能更高,元件不受外界各种因素如温度湿度,电磁场等等的干扰,一个较小的芯片的高度集合各种功能可以有效地降低功耗。但是即便DSP有如此多优点,缺点仍然存在,如DSP开发周期长,在处理数据受到工作频率以及串行结构限制。数字系统大部分采用有源器件构成,非常耗电,没有无源器件可靠。而且用DSP 控制电机所需的外围元件较多,影响了控制系统的可靠性[14]。
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