微控制器 (MCU)

实时控制 – 特色应用

电机驱动与控制

电机控制是 C2000 实时控制 MCU 的重要应用领域,与过去和未来的技术发展联系紧密。我们在本世纪初率先发布了电机控制软件库,我们许多原始软件系统示例已被大学和业内广泛用作数字电机控制的基础。最近的“传统”项目在下文的传统部分进行了归档。

自 2009 年以来,我们已通过 controlSUITE™ 软件支持了控制器中运行的数字电机控制库和系统实例以及逆变器硬件。这些是基于宏的基础编译模块,用于在易于遵循的软件示例中编译的计算、变换、观测器和通过位域访问的外设驱动程序。编译过程采用实际以有线方式相连的软件模块的增量编译等级。 解决方案类型包括刷式和步进电机控制、霍尔无刷直流 (BLDC) 电机、无传感器过零和 InstaSPIN-BLDC™ 解决方案、基于编码器和无传感器滑模观测器 (SMO) 的 FOC。

自 2013 年起,我们陆续发布了更为先进的 InstaSPIN-FOC™ 和 InstaSPIN-MOTION™ 解决方案。这些解决方案使用新一组基于对象的编译模块,具备抽象应用程序编程接口 (API),可通过 MotorWare™ 库接入。如果正在使用 InstaSPIN-FOC 或 InstaSPIN–MOTION 解决方案,则必须使用 MotorWare 软件。但您也可以使用 MotorWare 软件及其中包含的驱动程序和模块,从而创建采用较新编程类型的专属项目。

电机驱动

InstaSPIN 电机解决方案

InstaSPIN motion

InstaSPIN Motion

InstaSPIN FOC

InstaSPIN FOC

InstaSPIN BLDC

InstaSPIN BLDC

Control technique & motor support Accurate speed and position using SpinTAC and FAST™ software encoder (observer) or rotor sensor for ACI, PMSM, IPM, and BLDC FOC torque controller using TI's FAST™software encoder (observer) for ACI, PMSM, IPM, BLDC Trapezoidal commutation for BLDC
Required feedback Voltage and current (2-3 shunt or phase) Voltage and current 2-3 shunt or phase) Simple voltage BEMF, current optional for torque control
Motor parameters Single variable speed/position loop tuning – tune your motor in minutes. Motor parameters automatically identified None required
Key features

Robust speed and position control

Cancels disturbances before they happen

Sustains performance across different speeds, positions, and changing dynamics

Trapezoidal, S-curve, ST-curve motion profile generation

Automatic current loop tuning

Full torque start-up

Stable at and through 0 speed

Max torque per amp

ACI PowerWarp™ software

Enhanced start-up, zero and slow speed capability with initial position detection (IPD) by high frequency injection (HFI)

Robust start-up

Simple tuning

Easily add speed or current control

TI supported devices

Piccolo

F28069M,

F28068M,

F28054M,

F28052M

Piccolo

F28069F,

F28068F,

F28062F,

F28054F,

F28052F,

F28027F,

F28026F

Piccolo

F2803x,

F2805x,

F2806x,

F2802x

Hercules

RM46x,

RM48x,

570LS12,

570LS31

Stay tuned for future InstaSPIN solutions

InstaSPIN 解决方案硬件开发套件

TI InstaSPIN™ 三相电机解决方案在各种三相逆变器与 Piccolo 微控制器硬件评估模块上均有提供,旨在简化电机控制应用的设计。

InstaSPIN 解决方案支持

MotorWare 与 controlSUITE™ 软件对比

工具  controlSUITE MotorWare
Description The Digital motor control software library in controlSUITE consists of C macros covering nearly all target-independent mathematical functions and target-specific peripheral configuration functions essential for motor control. This includes transformation and observer modules, signal generators and control modules, peripheral drivers and real-time debugging modules. MotorWare is a collection of software and technical resources designed to minimize motor control system development time.
Versioning

Done at different sub levels

    kit project example

    device specific drivers

    math blocks

Project examples are “frozen”, don’t use newer versions of any files

Entire repository is versioned and up to date, all projects build with latest files
Code Composer Studio™ IDE Majority of projects built using CCSv4 All projects use CCSv5, and versions always built and tested with latest IDE and compiler
Drivers Bit field API with contextual naming
Software style

MACRO based C

Similar to connecting outputs of one block to inputs of another

Object oriented C

Modern software interface with structures, handles, and interface functions

Building a system

Incremental build approach

Project code build with different levels that let you add and test code in a structured methodology

Multiple projects approach

Projects are numbered and add functionality in sequence, choose the point to build from for your project

Open vs. closed source

Fully open except for special libraries

    IQMath & Flash API

    InstaSPIN-BLDC

    eSMO

    HFI/IPD

Fully open except for special libraries

    IQMath & Flash API

    Secure con-chip ROM for InstaSPIN–FOC & InstaSPIN-MOTION

    InstaSPIN-MOTION SpinTAC library

    HFI/IPD (future)

Solution support

BLDC hall

Sensorless BLDC BEMF zero cross

Sensorless InstaSPIN-BLDC

ACI V/Hz

Encoder FOC

Sensorless SMO, eSMO, or FE FOC

Sensorless InstaSPIN-FOC 

Sensorless InstaSPIN-MOTION

Encoder InstaSPIN-MOTION

Motor kit support

LAUNCHXL-F28027F + BOOSTXL-DRV8301

DRV8312-69M-KIT

DRV8301-69M-KIT

TMDSHVMTRINSPIN

DRV8312-C2-KIT

DRV8301-HC-C2-KIT

DRV8302-HC-C2-KIT

TMDXHVMTRKIT5X

TMDSHVMTRPFCKIT

controlSUITE 电机控制软件

基于宏的数字电机控制软件库

controlSUITE 中提供的数字电机控制软件库包括 C 语言宏,涵盖几乎所有进行电机控制所必需的独立于目标的数学函数和特定于目标的外设配置函数。其中包括转换模块和观测器模块、信号产生器与控制模块、外设驱动程序以及实时调试模块。

特性和优势:

  • 基于宏的模块化代码块,采用系统方框图样式
    • 初始化时定义所有变量并将一个块的输出设置为下一个块的输入
    • 运行时调用结构或宏函数
  • 每个模块单独归档了源代码、使用案例和后台技术理论
  • 库模块允许用户以直观的方式快速编译和自定义自己的系统
  • 消除定点调节和饱和压力
  • 增量系统编译方法允许以分步和易于理解的方式验证软件
  • 软件模块和控制方框图之间保持一致性
  • 硬件开发套件显示了示例实施和理论
Transformation and observer modules Clarke, Park, Phase voltage calculation, sliding mode observer, BEMF commutation, direct flux estimator, speed calculators and estimators, position calculators and estimators etc.
Signal generators and control modules PID, commutation trigger generator, V/f controller, impulse generator, mod 6 counter, slew rate controllers, sawtooth ramp generators, space vector generators etc.
Peripheral drivers PWM abstraction for multiple topologies and techniques, ADC Drivers, hall sensor driver, QEP driver, CAP driver etc.
Real-time debugging modules DLOG module for CCS graph window utility, PWMDAC module for monitoring the control variables through ocilloscope

DMC 系统:连接多个块 - 以增量方式

通过使用 DMC 库模块,我们逐步建立了完整的电机控制系统示例。这些系统示例已采用不同的电机类型、控制技术和反馈方法创建并且多数具有电隔离硬件验证平台。

这些系统较重要的功能是其全部采用增量编译方法。该方法允许编译增量代码区,以便开发人员可以逐步验证应用程序的每个部分。例如,在上面的无传感器 PMSM FOC 示例中,以下增量编译被内置到软件中。

特性和优势:

  • 编译层 1:使用虚拟信号,验证反向 Park,生成空间矢量,三相 PWM 驱动器将生成正确的 PWM 波形
  • 编译层 2:连接功率级,验证 ADC 转换,计算相压,进行 Clarke 和 Park 变换
  • 编译层 3:闭环 PID 电流控制验证
  • 编译层 4:滑动模式查看器和速度评估器验证
  • 编译层 5:闭环 PID 速度控制

所有系统均随附完整的工作软件、分步用户指南、丰富的文档、屏幕截图和硬件组装。

这些白皮书包含有关设计 C2000 实时控制 MCU 的高性能驱动和电机控制方法的信息。

数字电机控制软件库随附于 controlSUITE 软件:

技术硬件开发套件

以下套件重点突出了各种电机控制方法和实现方式。软件基于 controlSUITE DMC 软件。

器件型号 说明 微控制器
TMDSRSLVR Motherboard-style resolver-to-digital conversion Kit

TMS320F28027

TMS320F28035

TMS320F28335

TMDSHVMTRPFCKIT High-voltage three-phase motor kit w/ PFC

TMS320F28035

TMS320F28335

TMDXHVMTRKIT5X High-voltage three-phase motor kit TMS320F28055
DRV8412-C2-KIT Brushed DC and stepper motor kit TMS320F28035
DRV8312-C2-KIT Low-voltage low-current three-phase TMS320F28035
DRV8301-HC-C2-KIT Low-voltage high-current three-phase TMS320F28035
TMDXIDDK377D DesignDRIVE Kit TMS320F28377D
TMDXIDDK377D-MTR-BNDL DesignDRIVE kit and motor bundle TMS320F28377D

其他系统功能

IQMath:虚拟浮点

IQMath 是 C28x 系列的内建库和编译器,可让您通过选择哪些位的二进制表示数为整数 (I) 而哪些是商 (Q) 来选择您的范围(并由此选择分辨率)。通过它,您还可以浮点格式编写 C 函数而不是处理定点调节,剩下的交给编译器来完成。

  • 减少了启动、调优和调试工作
    • 即时、全局或本地更改数字范围
    • 针对极佳分辨率和动态范围进行调节
    • 消除量化效果
    • 减少调节和饱和压力
    • 更好地与模拟和代码生成工具集成
    • 单一来源设置为在定点和浮点处理器之间移动
    • 面向新系统轻松重用和重调

实时调试

  • 在芯片中实施,而不是由软件调试监视器实施
  • 不需要 CPU 周期
  • RTDX 始终可用,实时调试客户返回值
  • 非关键调试代码暂停,而继续为对时间要求极其严格的中断提供服务
  • 访问存储器和寄存器而不会停止处理器

C28x CPU

C28x 32 位 DSP 是数字电机控制的优选计算引擎。

  • 提供超高精确度和超快吞吐量的计算密集型算法。
    • 基于 DMC 库的无传感器 FOC 采用约 12 MIPS
  • 扩展性能
    • Delfino 系列提供单精度浮点单元
    • FPU 是定点内核的扩展,在内核 DMC 算法中大约提高了 50% 的周期性能
  • 在 Piccolo 系列中,我们将提供可选控制律加速器 (CLA)
    • CLA 是具有 ADC 和 PWM 独立控制权的浮点并行处理单元
    • 设计用于数字电源应用中的超高速、低延迟控制环路
    • 在发布 CLA DMC 库和系统示例的过程中,将允许内核 DMC 功能被 "黑盒化并负载分流" 至 CLA,从而允许 C28x CPU 的额外带宽用于其他系统功能

模数转换器

每个 F28x 器件上的 ADC 都具有共同祖先,但已在每个连续系列中得到改进,具有更准确的基准、更好的自动校准以及 DMA 支持。

  • 具有高达 12.5 MSPS 吞吐量的 12 位 ADC 转换器
  • 两个用于同步采样的采样保持电路
  • 具有灵活转换启动和 16 个结果寄存器的单组或双组序列发生器
  • 较新的 Piccolo 系列支持比例式运算、更灵活的序列发生器、可调节采集窗口,以及允许 ADC 预先调用 CPU 中断来同步转换样片的可用性与 CPU 的即时编译功能

PWM 生成

ePWM 模块提供业界功能十分丰富和灵活的 PWM 模式生成。

  • 每个 ePWM 模块都有一个独立阴影 16 位时基(加、减或加减),可产生两个独立占空比输出
  • 有一个可选上升沿和下降沿死区发生器、高频截波和可编程跳闸区域
  • 即使缺少 MCU 时钟,跳闸区域仍正常工作,并允许您将外部引脚映射到 PWM 输出状态、中断、ADC 转换启动或 PWM 同步信号的任何组合。跳闸可同步也可异步,有一个偏移窗口,并可以逐周期或单触发模式运行
  • 独立 ePWM 块可同步为公共时基或自动进行相位延迟
  • 标准 PWM 分辨率连接到系统时钟,但也有高分辨率 PWM 具有 55ps 的准确分辨率,而 Piccolo 系列在占空比和期间上均提供高分辨率精度。

系统注意事项

较新的 Piccolo 系列器件包括全新的创新成就,旨在实现以下目标:

降低系统成本并提高系统可靠性:

  • 具有 POR/BOR 的片上电压监控器无需外部监控器,且其内置特性可消除所有 PWM 引脚上的启动假信号
  • 三层时钟保护符合 IEC-60730 标准
    • 两个内部和可选外部振荡器
    • 两个看门狗和时钟失败检测电路会自动切换为备份 OSC
    • 如果两个内部故障器件在平稳关断后均进入跛形模式
  • GPIO 包括内部数字滤波器,可减小噪声并节省外部系统成本

在美国以外的多数国家/地区,我们也看到很多监管机构强制要求将功率因数校正 (PFC) 功能纳入多数新型白色家电,我们期望这一点也会发展到其他行业。

  • 问题
    • 三相逆变器和电机充当非线性负载并消耗供应商线路中的谐波电流。这些谐波电流将丢失和失真。
  • 解决方案
    • PFC 保证通过的电流波形跟随线路的电压波形,不管负载或输入条件有何变化,同时将输出直流电压调节为一个稳定值。
  • 模拟 PFC 与数字 PFC 对比:
    • PFC 的模拟或无源实施被锁定为单个模式,对操作条件变化的反应能力有限。
    • 相反,有源或数字控制的 PFC 可对操作条件的变化采取行动并适应其变化,其精确度也更高,可消除电压和电流之间的任何相移,从而提高效率。
    • 数字 PFC 的灵活性也使开发者可使用可能比 PFC 无源实施更复杂的 PFC 拓扑。
  • C2000 实时控制器件具有处理空间及高分辨率 ADC 和 PWM,即使通过成本超低的 Piccolo MCU 也可对无传感器 FOC 控制(及双轴 FOC)实施 PFC
  • 所有 Piccolo 和 Delfino 解决方案中均包含示例硬件和软件。

图形模拟和代码开发

Mathworks 嵌入式目标Visual Solutions VisSim 均支持面向 C2000 实时控制 MCU(并与现有 DMC 硬件无缝连接)的图形电机控制开发工具。这些工具提供:

  • 针对 TI DMC 库及其他 TI 器件、数学和外设库的模块支持
  • 完整 DMC 系统的模拟、建模和验证
  • 自动调优和系数查找程序
  • 代码生成和目标部署
  • 与 TI 的集成开发环境和硬件开发工具直接相连
  • C2000 实时控制电机控制套件的 VisSim 示意图展示了在不使用 C 语言编程的情况下创建的完整系统。这些示意图可免费下载,网址为 http://www.vissim.com/solutions/field_oriented_motor_control.html

传统电机控制解决方案

Software
F281x series F280x Series Piccolo Series Delfino Series
DMC library Fundamental DMC building blocks and peripheral drivers SPRC080 SPRC215 controlSUITE controlSUITE

DMC 系统:旧版定点系列

电机类型 用途 控制技术 控制类型 反馈 软件
Position Current F281x series F280x series Update freq
AC induction three-phase Fixed or variable high speed control, industrial drives, compressors, pumps Scalar - V/Hz SVPWM Speed control Tachometer NONE SPRC130 SPRC194 20 KHz
FOC - vector SVPWM Speed & torque control Two-phase current SPRC077 SPRC207
Sensorless flux + speed estimator SPRC078 SPRC195
Brushless DC three-phase Variable speed control, some position control, fans, compressors, pumps, throttles Trapezoidal Speed control Hall effect NONE SPRC175 SPRC213 20 KHz
Sensorless BEMF DC Bus single shunt SPRC176 SPRC196
Permanent magnet three-phase Precision position, high torque speed control, traction, steering, direct drive, robotics FOC - vector SVPWM Speed & torque control Encoder Two-phase current SPRC129 SPRC210 20 KHz
Position control SPRC179 SPRC212
Speed & torque control Sensorless SMO position estimator SPRC128 SPRC197
Resolver SPRC178 SPRC211
Stepper Position & low torque speed sontrol Microstepping bipolar Position control Sensorless discrete angle estimator Two-phase current SPRAAU7 10 KHz
Brushed DC Low end speed control Direct drive H bridge Speed & position Encoder NONE SPRC177 SPRC214 40 KHz

电动汽车

我们提供超过 100 款符合 AEC-Q100 标准的 C2000™ 实时控制 MCU,非常适用于各种电动汽车应用。这些 MCU 提供集成性能并极大限度地降低能量损耗,可用于:

数字电源技术

  • 充电站 (AC/DC)
  • 直流/直流电源转换
  • 板载充电
  • 交流输出

电机控制技术

  • 牵引或推进电机
  • 辅助电机
  • 助力转向

随着电动汽车数量的不断增加,C2000 MCU 提升了电动汽车应用的设计速度并降低了设计难度。

Electric vehicle charging

数字电源

C2000 实时控制 MCU 具有数字电源应用中要求的高频控制回路所需的计算性能、模拟速度和准确度以及高分辨率、灵活高分辨率脉宽调制生成能力。要着手开发基于 C2000 MCU 的数字电源应用,设计人员可使用下列各种软件和硬件资源。如需了解 TI 数字电源解决方案的更多信息,请访问 ti.com.cn/digitalpower.

Digital power plugs

数字电源 PowerSUITE 软件工具

PowerSUITE 软件工具

PowerSUITE 是一套旨在简化数字电源设计的工具。PowerSUITE 是 controlSUITE 的组成部分,后者是一套全面的软件基础架构和软件工具,旨在缩短实时微控制器的软件开发时间。

数字电源软件库

controlSUITE 中提供的数字电源软件库包括一组基于宏的模块化函数。这些宏函数封装在可重复使用的代码块中,将这些代码块连接起来后可编译数字电源系统所需的任何软件结构。这些函数包括数字电源所必需的独立于目标的数学函数和特定于目标的外设配置函数。这些函数包括:

  • 控制器模块:
    • 二阶控制律、三阶控制律
  • 外设驱动程序:
    • 用于多种数字电源拓扑和控制技术的 PWM 驱动程序、ADC 驱动程序、用于斜坡补偿的 DAC 驱动程序
  • 特定于应用的模块:
    • 功率因数校正电流命令块、功率因数校正平方反比块
  • 数学模块:
    • 指数移动平均线、正弦波分析仪
  • 实时调试模块:
    • 用于 Code Composer Studio™ IDE 图形窗口实用程序的 DLOG 模块

数字电源软件库随附于 controlSUITE 软件中:

数字电源开发套件和参考设计

以下套件和参考设计重点突出了各种数字电源方法和实现方式。软件基于数字电源软件库。

器件型号 说明 微控制器
TMDSILPFCKIT

Two-phase interleaved power factor correction with integrated metering

View reference design

TMS320F28035
TMDSHVBLPFCKIT Bridgeless power factor correction
TMDSHVPFCKIT Two-phase interleaved power factor correction TMS320F28027
TMDSHVRESLLCKIT

Resonant LLC DC/DC

View reference design

TMDSHVPSFBKIT

Phase shifted full bridge DC/DC with peak current mode control and slope compensation 

View reference design

BOOSTXL-BUCKCONV DC/DC buck converter with software-controlled active load TMS320F28069
Digital power development kit

数字电源培训和视频

欢迎访问 C2000 数字电源培训门户。

我们的在线数字电源培训系列包括讲座视频和实验材料,其中介绍了 C2000 数字电源控制的基础知识。

大量的培训套件可让您亲身试验 C2000 为数字电源控制提供的众多特性。

基本培训套件使用单个降压转换器功率级实现电压模式控制。

高级培训套件展示通过两个降压转换器功率级实现峰值电流模式控制和电压模式控制。

工业驱动&自动化

电机控制技术的一些专门用途是用于通用的交流逆变器和伺服控制器。这项技术也可在许多工业应用中找到,其中包括机器人制造、电脑数控 (CNC) 机械、电梯、材料输送和其他工业自动化设备。 

作为 TI 的工业驱动应用项目,DesignDRIVE 为多种电机类型、传感技术、编码器标准和通信网络提供支持,并且可轻松扩展以便进行基于实时以太网通信和功能性安全拓扑的开发,从而实现更全面的集成系统解决方案。 

DesignDRIVE 是结合了硬件与软件的单个平台,用于轻松开发和评估多种工业驱动和伺服拓扑的解决方案。

工业自动化