正確地利用電機控制器可為電機控制以及許多相關系統和產品設計節約大量的成本。本文針對低成本、低功耗和程序代碼要求較高的電機控制及其它應用，介紹了集成DSP和MCU特性的單片處理器解決方案，可為電機控制領域設計工程師進行器件選擇提供參考。

　　Rich Hoefle

　　應用工程經理

　　DSP標準產品部

　　摩托羅拉公司

　　電機在人們日常生活中扮演著重要角色，從普通的家用電器到復雜的電子系統和計算機，電機為各種應用提供旋轉運動或線性運動。隨著大量更為復雜應用的出現，電機控制問題變得越來越重要。因此，需要開發出更為復雜的技術，以改善其性能、功耗和安全性。小型電機通常用于精度要求極高的應用，而大型電機，如用于機器人中的電機，常常需要執行非常復雜的任務，并且強調實時性。

　　高性能的電機控制對總的能耗具有重要影響。家庭和辦公室中的電冰箱(與電機緊密相關的設備)約消耗世界能源的10%，而用于商業建筑的取暖、通風設備以及空調中的電機運行系統，其電費約占整個建筑物總電費的50%。通過利用基于DSP的改進型電機控制技術，如某些已接近商業化的控制器，可總共節省30%至50%的能耗，如家用電冰箱的能耗可減小25%，而HVAC鼓風機可節省多達80%的能耗。

　　DSP電機控制器的應用

　　DSP控制器通過提高效率，可以改善許多產品的特性。例如，洗衣機就從中受益匪淺。通過結合不太昂貴的AC感應或磁阻電機的復雜旋轉控制，洗衣機可獲得一些新的功能特性，這些特性以往受成本約束或者根本就不可能實現。目前，一些高檔洗衣機中已具有快速脫水、柔和攪動以及失衡校正等功能，用不了多久，電子控制將使普通洗衣機也具有這些功能。

　　早期的洗衣機采用一種機械傳動方式，為不同的洗滌周期提供不同的滾桶速度和攪動程度，以及有效脫水所需的高速滾桶速度。傳動方式允許只用單個無電子控制AC電機實現洗衣機的功能，但成本較高且可靠性差。

　　最新型的洗衣機則沒有采用傳動工作方式，因為采用復雜DSP或微控制器(MCU)對低成本AC感應或開關磁阻電機進行控制，可提供所有標準的洗滌周期。此外，電氣控制的感應或開關-磁阻電機使攪動周期更為高效和柔和，不僅可以降低能耗，而且減小了衣物的磨損。脫水旋轉周期可通過電子控制達到超出以往的高速度，從而脫去更多的水并縮短甩干時間。更為有效的周期意味著洗滌時間更短、用水更少且所需的洗滌劑也更少。

　　電冰箱也同樣從電子控制中。例如，為了消除冰箱壓縮機周期性地起動和停止(這需要較高的啟動轉矩)的現象，一種帶有小型電機的小型壓縮機可連續低速運行，并調整其轉矩以保持冰箱內所需的溫度，而無需重復地起動和停止。因此，可降低壓縮機的功率要求和整體運行成本。

　　對電器而言，改進型控制器的成本逐年減少，很容易降低復雜電子控制的成本。以洗衣機為例，有效的控制估計可節約高達50%的用電和用水，且不包括洗滌劑及加熱時所節省的煤氣等能源。

　　AC感應和開關磁阻電機的速度和轉矩控制，在用于諸如磨床、車床和鉆孔機等機械加工應用中，可將工具速度控制及靈活性提高到前所未有的水平，同時降低機械的復雜度和機械成本。

　　正確地利用電機控制器可為電機控制以及許多相關系統和產品設計節約大量的成本。本文針對低成本、低功耗和程序代碼要求較高的電機控制及其它應用，介紹了集成DSP和MCU特性的單片處理器解決方案，可為電機控制領域設計工程師進行器件選擇提供參考。

　　Rich Hoefle

　　應用工程經理

　　DSP標準產品部

　　摩托羅拉公司

　　電機在人們日常生活中扮演著重要角色，從普通的家用電器到復雜的電子系統和計算機，電機為各種應用提供旋轉運動或線性運動。隨著大量更為復雜應用的出現，電機控制問題變得越來越重要。因此，需要開發出更為復雜的技術，以改善其性能、功耗和安全性。小型電機通常用于精度要求極高的應用，而大型電機，如用于機器人中的電機，常常需要執行非常復雜的任務，并且強調實時性。

　　高性能的電機控制對總的能耗具有重要影響。家庭和辦公室中的電冰箱(與電機緊密相關的設備)約消耗世界能源的10%，而用于商業建筑的取暖、通風設備以及空調中的電機運行系統，其電費約占整個建筑物總電費的50%。通過利用基于DSP的改進型電機控制技術，如某些已接近商業化的控制器，可總共節省30%至50%的能耗，如家用電冰箱的能耗可減小25%，而HVAC鼓風機可節省多達80%的能耗。

　　DSP電機控制器的應用

　　DSP控制器通過提高效率，可以改善許多產品的特性。例如，洗衣機就從中受益匪淺。通過結合不太昂貴的AC感應或磁阻電機的復雜旋轉控制，洗衣機可獲得一些新的功能特性，這些特性以往受成本約束或者根本就不可能實現。目前，一些高檔洗衣機中已具有快速脫水、柔和攪動以及失衡校正等功能，用不了多久，電子控制將使普通洗衣機也具有這些功能。

　　早期的洗衣機采用機械傳動方式，為不同的洗滌周期提供不同的滾桶速度?

　　攪動程度，以及有效脫水所需的高速滾桶速度。傳動方式允許只用單個無電子控制AC電機實現洗衣機的功能，但成本較高且可靠性差。

　　最新型的洗衣機則沒有采用傳動工作方式，因為采用復雜DSP或微控制器(MCU)對低成本AC感應或開關磁阻電機進行控制，可提供所有標準的洗滌周期。此外，電氣控制的感應或開關-磁阻電機使攪動周期更為高效和柔和，不僅可以降低能耗，而且減小了衣物的磨損。脫水旋轉周期可通過電子控制達到超出以往的高速度，從而脫去更多的水并縮短甩干時間。更為有效的周期意味著洗滌時間更短、用水更少且所需的洗滌劑也更少。

　　電冰箱也同樣從電子控制中獲益。例如，為了消除冰箱壓縮機周期性地起動和停止(這需要較高的啟動轉矩)的現象，一種帶有小型電機的小型壓縮機可連續低速運行，并調整其轉矩以保持冰箱內所需的溫度，而無需重復地起動和停止。因此，可降低壓縮機的功率要求和整體運行成本。

　　對電器而言，改進型控制器的成本逐年減少，很容易降低復雜電子控制的成本。以洗衣機為例，有效的控制估計可節約高達50%的用電和用水，且不包括洗滌劑及加熱時所節省的煤氣等能源。

　　AC感應和開關磁阻電機的速度和轉矩控制，在用于諸如磨床、車床和鉆孔機等機械加工應用中，可將工具速度控制及靈活性提高到前所未有的水平，同時降低機械的復雜度和機械成本。

　　早期的機械加工工具沒有電子控制裝置，需要傳動帶和滑輪、齒輪傳動裝置、機械減速器和其它控制AC電機速度的裝置。這些復雜的機械設備不僅增加了加工的成本，降低了可靠性，而且加工速度的精度也不如數字控制方法高。加工速度與加工方法和材料有關。

　　復雜電機控制無需機械驅動控制系統，可減輕重量，并且降低了加工制造和運輸成本。機械部件越少，可靠性越高，從而減少維護成本。

　　基于DSP的電機控制使至今為止無法實現的加工變為現實。具有動態控制切割速率的工具，能夠根據加工時轉矩的反饋進行自動調節。

　　在交通方面，汽車、公交車和卡車已成為DSP應用的重要目標，通常用來控制新車型中的各種電子系統。為電機控制而設計的DSP適用于驅動火車和電力機車、車體控制及安全系統，如反抱死制動系統、牽引和懸架系統以及最新的夜視和防沖撞系統。總的來說，這些應用覆蓋了近90%的汽車半導體市場。

　　系統設計者目前面臨多種控制器選擇，選用微控制器還是DSP是一個很棘手的問題。兩種控制器都具有廣泛的應用靈活性。在控制電機速度或位移的應用中，MCU通常仍是開環(無反饋)系統或電機閉環反饋系統的最佳選擇，具有很高的性價比。但是，如果受控電機轉速很高，并有許多線圈，且用于連續轉矩系統，或者需要額外的MCU或微處理器來控制系統運行，那么基于DSP的控制器則是最佳選擇。同樣，在電機轉速非常高，或者必須采用閉環算法對電機進行嚴格控制的情況下，如高速開關磁阻或低速牽引電機，基于DSP的控制器也是最佳解決方案。

　　DSP和微控制器相結合的內核架構

　　一般而言，DSP是為有效地執行信號處理算法而設計，在開發良好的DSP架構和良好的微處理器架構之間，經常需要進行折衷。許多DSP系統既采用了DSP，又采用了微控制器，DSP用于滿足計算要求，微控制器用來滿足功能要求。額外的芯片會大大增加最終產品的材料成本，于是在一塊芯片上集成兩種芯片的功能，在成本和開發時間上都極具吸引力。

　　將DSP的性能和微控制器的主要功能結合起來是一項重大課題。摩托羅拉通過創建一種新的DSP架構解決了這一課題。這種新的架構采用高效的微控制器代碼和編譯器性能，既適用于通用的DSP算法又能實現高性能控制。如圖所示，這種架構將DSP功能和許多微控制器特性集成在一起，可進行電機控制和全面的系統控制。

　　基于DSP56800內核的電機控制產品系列包含以下結構特征：

　　工作于4.57V至5.5V、時鐘頻率為80MHz時，處理速度為40MIPS；

　　采用哈佛架構，可處理大量通信數據；

　　具有DSP尋址模式的并行指令集；

　　周期16×16位并行乘法器-累加器(MAC)；

　　2×36位累加器，包含擴展位；

　　單周期16位并行移位器；

　　硬件DO和REP循環；

　　3條16位內核數據總線和3條16位內部地址總線；

　　1條16位外部接口數據總線；

　　支持DSP和控制器功能的指令集；

　　控制器類型的尋址模式和可減小代碼規模的指令；

　　C 編譯器和支持局部變量；

　　軟件子程序和無限嵌套深度的中斷堆棧。

　　DSP56800內核是一種可編程的CMOS 16位定點DSP，專為實時

　　earch=1" target="_blank">數字信號處理和通用計算而設計。該內核由4個并行工作的功能單元組成，可提高系統的處理能力。這些功能模塊包括程序控制器和硬件循環單元、地址生成單元(AGU)、數據算術邏輯單元(data ALU)和位操作單元，分別帶有獨立的寄存器集和控制邏輯。每個功能模塊可獨立工作或與其它3個模塊并行工作，并通過內核的內部地址和數據總線，與其它單元、存儲器和存儲器映射的外圍電路進行接口。因此，在同一時刻，程序控制器可取出第一條指令，地址生成單元可為第二條指令生成多達兩個地址，數據ALU則在第三條指令執行乘法運算。

　　除了功能模塊以外，該內核架構還包含3條內部地址總線、4條內部數據總線、一個調試端口以及時鐘生成電路。

　　高性能DSP控制器設計通常需要具有以下4種特性：

　　高寬帶并行存儲器傳輸性能；

　　支持并行存儲器傳輸并提供DSP尋址模式的AGU；

　　可進行快速算法計算、具有足夠寄存器集的計算單元；

　　執行循環時，不降低性能的硬件循環機制。

　　摩托羅拉的架構可滿足這些要求，它有如下一些特點：

　　并行轉移(move)指令：靈活的并行轉移指令集允許存儲器存取與計算單元的運行同時進行。實現高帶寬存取計算單元數據，可保持計算單元始終處于繁忙狀態，消除了數據進出計算單元時的傳輸瓶頸效應。在目前的情況下，允許兩種類型的并行轉移：單向并行轉移和雙向并行讀。這兩種轉移都在一個指令周期中執行，并占據程序存儲器的1個字長位置。

　　地址生成單元：地址生成單元(AGU)是進行所有地址計算的模塊。在DSP56800內核中，AGU包含兩個算術單元和自己的寄存器集，可為數據存儲器提供高達兩個地址，也可在一個指令周期中更新兩個地址。它適應兩種類型的算法，包括用于通用地址計算的線性算法以及用于創建存儲器內數據結構的求模算法，通過更新地址寄存器對數據進行操作，而無需移動大塊的數據。

　　數據ALU單元的快速計算：處理器計算單元的性能取決于它如何存取操作數及其計算能力。

　　許多傳統的DSP設計基于累加器，即無論操作數來自哪里，運算的結果總是存儲在累加器中。除了乘法運算不允許累加器作為一個乘數輸入以外，運算執行后一個操作數要留在累加器中。

　　新架構的大量寄存器和正交結構提高了計算的效率，其中算術運算的結果可寫入數據ALU的5個寄存器中的任一個。數據ALU輸入也允許是立即數，在任何寄存器進行增量運算的同時，進行其它寄存器的運算，從而大大增強了寄存器集的性能。累加器也能夠用作乘法器的輸入或用來累加。這一技術還減少了存儲器的存取次數，因為中間結果無需暫時存儲在存儲器中。該內核的設計不是管線操作，故在一個指令周期之后乘法或乘法-累加的結果就可獲得，而無需兩個指令周期。

　　循環機制：DSP和其它數字計算程序經常使許多處理器的執行時間浪費在一些與數字相關的小型計算循環中，因為這種循環需要進行大量存儲器存取。因此，提供一套具有強大寄存器集的靈活并行轉移指令十分必要，循環本身的執行時間的最小化也很重要。DSP56800內核使用一種靈活的硬件循環機制，可不附加任何計算時

　　間，自動進行循環，成為“無開銷循環”。這通過提供一種硬件“DO loop”機制來實現，無需額外的執行時間就可循環任意條指令。與早期的無開銷循環設計不同，這一循環機制可

　　中斷并具有可嵌套于“DO loop”機制中的重復循環能力。

　　減小程序規模的內核特性

　　該內核的編程模型分為三組不同的寄存器集，分別對應于DSP內核中三個功能單元，每一功能單元具有一套完整的寄存器來完成其任務。

　　這種架構允許對立即數或存儲器直接進行操作。使用立即數有助于減少寄存器的使用，因為使用立即數時，算術運算可直接完成，從而無需使用寄存器存儲重要變量和中間結果。

　　該內核的轉移指令和尋址模式設計為通用模式，以簡化編程任務，提高效率。完整的尋址模式指令集支持8種不同的尋址方式，可采用任何轉移指令對數據存儲器或片上存儲器映射的外圍寄存器進行存取。其它尋址模式也可在經常存取DSP內核寄存器的一個子集中找到，包括數據ALU中的寄存器和ALU中的所有指針。

　　除了上面描述的硬件循環外，軟件循環也是DSP架構中的一個重要性能。內核可將AGU或數據ALU中的寄存器用作循環計數器來實現軟件循環。將存儲器的某一單元用于循環計數，可使整個寄存器集都用于完成算法計算，這一性能已證明是有用的。

　　與大多數DSP架構中傳統的硬件堆棧不同，DSP56800內核采用位于存儲器中的一個真正堆棧指針實現其堆棧。這一特性允許無限制地嵌套子程序和中斷，也支持通常只能在高級控制器中實現的結構化編程技術，例如子程序的參數傳遞和局部變量。軟件堆棧、堆棧指針與尋址模式，既適用于匯編語言編程，又適用于高級語言編譯器。

　　這種內核架構減小了DSP編程和控制器編程的代碼規模。指令可直接作用于存儲器的性能、循環機制、正交的轉移指令集和取址模式以及將立即數直接裝載到存儲器的能力，均有助于減小通用計算的代碼規模。通過并行轉移指令、完整的寄存器集和將結果寫回任一數據ALU寄存器的能力，減小了DSP算法的代碼規模。直接對立即數或存儲器進行算術運算的特點，也使代碼密度得到提高。最初已有的一些結果表明，與傳統DSP架構的編譯器相比，程序的代碼規模減小了1/3或1/2。

　　中斷與外圍電路

　　DSP56800的中斷單元采用了一種矢量中斷方案，可實現快速中斷服務，也可進行擴展，以支持未來基于內核的設計。目前的設計支持13個不同的中斷源：用于7個不同的片上外圍器件的7個中斷通道、2個外部中斷以及4個來自DSP內核的中斷源。從這些中斷源中，執行的指令可量化為多達64種不同的中斷向量中的一種。每個可屏蔽的中斷源均可單獨被屏蔽，也可在狀態寄存器中屏蔽所有可屏蔽中斷。

　　內核與外圍特性的結合使產品設計高度集成化，為電機控制應用提供經濟的系統解決方案。 DSP56800系列產品在一塊芯片上包含了多通道A/D、PWM、CAN、積分編碼器和電壓調節器。這些外圍電路簡化了電機控制系統和軟件設計，如插入死區、失真校正和與A/D轉換器的同步。積分編碼器提供了抖動、軸位移和速度的測量，將外部電路板器件減至最少。每種產品都使用了程序FLASH存儲器、數據存儲器和引導裝載存儲器，可進行遠程編程，縮短了設計周期，并在保證系統設計可靈活復用的同時，避免了對程序ROM進行傳統的掩膜固化，從而節約了成本。

　　由于軟件已完成了驅動程序、算法和應用級的優化和整體測試，所以也能縮短整個設計時間。通過提供利用公共API的程序庫，可簡化從8位MCU應用中移植代碼的過程，并易于將代碼向未來更高性能DSP內核移植。

　　>DSP56800的應用范圍

　　DSP56800系列產品具有軟件和硬件開發工具，包括集成軟件開發環境、用于軟件開發的EVM目標平臺、標準組件電機控制開發硬件、實時監控和修改電機控制參數的可視化分析工具以及嵌入式軟件。

　　總而言之，DSP56800內核架構適用于強調控制成本的應用，如伺服和AC電機控制等消費領域。DSP56800其它可能的應用還包括調制解調器、數字無線信息發送、數字應答機和數字相機。高性能的DSP特性和通用指令集使這一架構適用于對低成本、低功耗和高效程序代碼要求較高的應用。