数字处理与电机控制

　　一、数字处理单元

　　近代科技技术有一个很重要的趋势，就是数字化，由于微电子技术的快速发展，带动了数字化科技的落实，从最早的4位处理器，到现在各式各样百花齐放的处理器或微控器，进而牵引了诸多数字化的技术与理论，如﹝电机﹞数字控制、数字相机﹝digital camera﹞、数字通讯，汽车工业等，无一不影响生活周遭，以下便针对市面上常见的组件做简略地介绍。

　　1. 微控器﹝Microcontroller﹞：整合了运算单元CPU、内存RAM、ROM、通讯接口Serial、Parallel，中断线路、定时器。速度要求不高，适用于玩具、工业控制、消费性产品。如8051、6502、Z80、68HC11、PIC、EM78、MSP430、AVR等。

　　2. 微处理器﹝Microprocessor﹞：只有CPU，需要外加控制芯片与内存。速度快，大量应用于个人计算机及工业计算机，如Intel的Pentium；AMD的Athlon；Motorola的PowerPC；MIPS等。

　　3. 数字信号处理器﹝Digital Signal Processor﹞：整合了运算单元CPU、内存RAM、ROM、通讯接口Serial、Parallel，中断线路、定时器。对CPU做特殊的硬件设计，能做实时处理﹝Real time﹞，适用于视讯、影像、语音、电机等，要求精确计算的场合。常见的有Texas Instruments的TMS320x2k、5k、6k；Lucent的ADSP16x、ADSP3210；Analog Device的ADSP21xx、Blankfin、SHARC；Motorola的56000、96000等。

　　其中用于精确电机控制者，多着眼于数字信号处理器﹝简称DSP﹞来实践之，因为DSP将原来搭载于处理器的乘算器内藏后，且采用加算器做纵续连接的二管线结构，使得一个机械周期能实行一个积和演算，大大方便了使用者用简捷的指令，完成复杂的控制方程式。

　　其次，因DSP采用了哈佛架构﹝Harvard architecture﹞，将程序总线﹝Program Bus System﹞与数据总线﹝Data Bus System﹞相互并列处理，因此处理单元CPU能同时捉取程序指令﹝Instruction Code﹞与资料﹝data﹞，强化运算速度。如图一所示。

　　另外，DSP还强调数学运算能力，擅于计算三角函数、傅立叶。这也是选用DSP或微控器之分野。

　　图二所示的是Von Neumann架构，它的程序总线与数据总线共享，程序指令与资料共享一块可抹除内存﹝Flash memory﹞，优点是制造成本比较低，使用简单，德州仪器﹝简称TI﹞的16-bit RISC微控器MSP430，便是采用此架构。

　　DSP或MCU制造商为了因应电机﹝伺服﹞控制的广大运用，也相继推出专用产品，例如TI的TMS320LF240x系列；AD的ADMC系列；Microchip的dsPIC系列等。这些产品皆有以下类似的外围功能：

　　a. 外部中断向量﹝Reset、Interrupt﹞

　　b. 捉取﹝Capture﹞或比较器﹝Compare﹞

　　c. 通用I/O﹝general-purpose Input / Output﹞

　　d. 模拟数字转换器﹝Analog Digital Converter﹞

　　e. 串行传输界面﹝SCI、SPI、CAN、I2C﹞

　　f. 相位锁住回路﹝PLL﹞

　　g. 看门狗﹝Watchdog﹞、定时器﹝timer﹞

　　h. 脉宽调变﹝Pulse Width Modulation﹞输出

　　二、电机控制概念

　　“自动化”与“智动化”的想法大行其道，将电机运用的相当广泛，诸如工厂自动化、自动化机械，都是它们大显身手的表现，甚至日常生活会使用到的光驱；便利商店的电动门；彩券行的乐透贩卖机；自动洗涤脱水的洗衣机都有它的存在。

　　电机的控制从最简单的开、关、起、停，到箝相、变压、变频、向量、转矩控制，不外乎是为了使电机更精准地定位、更稳定地转速及更细致地扭力变化。

　　常见控制交流感应电机﹝AC Induction Motor﹞方法有下列2种：

　　a. 一次测电压控制法：改变定子线圈的电压，即可改变速度。例如家庭用的风扇，利用切换开关来改变风扇转速。

　　b. 频率控制法：市电的频率是60Hz，如果利用微控器或数字信号处理器，操作整流组件﹝MOSFET、IGBT﹞，将电源转成不同的频率，即可以改变交流电机转速。

　　交流感应电机的变频、变压控制，优点是小型化、轻量化、价格低，然而缺点是能源转换效率低﹝易发热﹞、电磁干扰强﹝易产生噪声﹞、噪音与振动﹝高次谐波与机构产生共振﹞。为了解决上述的问题，学术界与业界则积极以直流电机、直流无刷电机来克服。

　　直流电机具有良好的稳定性、速应性，其输入与输出间几乎成线性之特点，使其可以有良好的控制性能，因此广泛用于高精密度控制的场合。然而直流电机因为电刷及换向器是一种机械式磨擦接触，易产生磨耗、火花与电气噪声，导致可靠度降低。

　　直流无刷电机是将直流﹝有刷﹞电机之整流部份﹝电刷及换向器﹞以电子回路方式代替，且保留了直流电机的优点，可快速起停；转速与电压成正比；转矩与电流成正比的优点，适用于高精确度、高稳定性及高速度的场合。它的缺点是受限于永久磁铁的材质与体积，制做大马力以上输出时，困难度相对增加。

　　典型的三相Y接直流无刷电机如图三，控制它得注意下列事项：

　　a. 描述电机的状态方程式。

　　b. 挑选合适的控制理论，例如PI、PID、Robust、Fuzzy等。

　　c. 决定恰当的处理核心单元，如微控器、微处理器、数字信号处理器。

　　d. 搭构合适的整流组件及其外围线路，如MOSFET、IGBT等。

　　【参考文献】

　　1. An Introduction to Digital Signal Processors，BRUNO PAILLARD ING.

　　2. 数字讯号处理器简介与应用，林传生、李佩谦编着。

　　3. 变频器的原理和使用秘诀，常广让、松本圭二合着，杜光宗编译。