DSP數位馬達控制之電腦輔助設計

鄒應嶼

國立交通大學 電機與控制工程研究所

 


 

近年來,由於電力電子與電機控制技術的進步,電機控制在自動化與資訊家電的應用領域也更為廣泛,電機控制的應用也愈為多樣化,以單晶片DSP為核心的電機控制技術已成為解決此一問題的重要平台。建立整合電機設計、電力電子、控制理論、與DSP數位控制的設計環境,成為設計DSP數位馬達控制系統的重要關鍵。我們將以電機控制為對象的電腦輔助設計工具分為四個層次:馬達設計與模擬軟體、電力電子模擬軟體、控制系統模擬與設計軟體、以及互動式即時控制實驗系統。本文說明馬達控制CAD技術的一些發展現況,同時介紹一個以DSP為控制核心的互動式數位馬達控制實驗系統:DSP-MotorLab,文後並列有一些分類的參考文獻,提供有興趣的讀者進一步閱讀。

關鍵詞:數位馬達控制 (digital motor control)、電腦輔助設計 (computer aided design, CAD)、機電整合設計 (mechatronics integration design)

一、簡 介

近年來由於DSP、電力電子、與馬達控制技術的快速發展,數位馬達驅動已成為伺服技術發展的主流。多軸馬達控制系統在自動化工廠中扮演著關鍵的角色,例如機器人、CNC、紡織機、印刷機、造紙機、抽紗機等等。在晶圓製造工廠中,多軸運動控制系統也運用在多種製程設備如晶圓切割、點線機、Stepper等等。一個包含機械平台、伺服馬達、功率轉換器、與DSP數位控制器的機電系統如圖1所示,由圖中可看出良好的系統整合是設計一個機電系統的主要關鍵。單晶片DSP控制器由於具備強大的計算能力、完整的控制介面、與便宜的價格,因此成為整合機電系統的利器,藉由軟體控制技術,系統工程師幾乎可以將所有的控制功能均已軟體的方式實現,不僅具有靈活性的優點,也可將先進的適應控制方法、訊號處理技術、估計理論、智慧控制等方法應用於實際系統。

1  馬達、功率轉換與DSP數位控制的系統整合

2  傳統以類比式控制為主的馬達驅動定位系統架構圖

馬達驅動系統無論在自動化生產、民生家電、乃至國防武器,均是不可或缺的關鍵組件。近年來由於電力電子、微電子、與網路通訊技術的進步,馬達驅動系統的設計,也有了全新的面貌。馬達驅動系統根據其實現的方式,可分為類比式、混和式、與數位式,圖2是一個傳統的類比-數位混和式的馬達驅動系統。類比式或混和式的馬達驅動系統,由於其通訊介面或類比電路的限制,不僅限制了控制與監控的功能,在實際裝機時,也增加了配線的困難。同時,因為馬達驅動系統通常工作於具有高強度電磁干擾的環境,因此也易於受到雜訊的干擾。

3  全數位式馬達驅動系統

3是一個全數位式馬達驅動系統的示意圖,由於可以數位通訊方式傳遞伺服命令與馬達控制的訊息,因此不僅可大幅的簡化系統的配線,同時因為可以軟體方式控制系統所有的硬體資源,因此可達到最佳的控制效果。在一個多軸馬達驅動系統中,高階的運動控制器,可根據應用情況,下達扭矩、轉速、或是位置命令。新型的全數位式伺服驅動器,可以數位方式下達伺服命令,這種方式,使得高階的運動控制器可以整合更多的控制功能。

4說明一個以PC為發展平台的DSP數位馬達控制設計流程,由圖中可看出,此系統的發展過程是循環的,且藉由PCDSP貫穿整個系統間,PC提供了設計者與系統的人機介面, DSP則用來實現控制功能,實現所謂的嵌入式系統(DSP embedded system),建立這樣的發展環境,是設計一個以韌體發展為主的嵌入式系統的重要前提。在這樣一個必須結合韌體發展的軟體控制(software control)發展環境,設計者通常需要經由不斷反覆的程式設計、偵錯、修改、EPROM燒錄等過程,其過程不僅繁瑣,有時往往難以找出問題出在何處。因此,應用適當的發展工具建立一個整合性的設計環境,是發展高性能機電整合系統非常重要的一個關鍵。忽略此一過程,而直接跳入系統實現的階段,不論其短期成效如何,終將在未來的產品維護與改善階段,付出慘痛的代價。

為了避免上述情況的發生,就必須瞭解數位馬達驅動系統的設計流程,同時建立相關的發展工具。圖5說明一個微電腦數位控制系統的設計流程,沒有經驗的設計者往往會直接進入硬體的實現程序,然後再發展軟體,但是因為缺乏對系統整體的瞭解,在隨後的發展過程中,往往曠日費時的不斷在方法評估、參數調整、程式修改、程式編譯、連結、燒錄、測試等過程打轉,而喪失了產品開發的契機。造成這種現象的原因,一方面固然是因為設計者本身未能建立有效的設計流程,另一方面則是因為缺乏良好的微電腦數位控制發展系統所致。

4  PC為發展平台的DSP數位馬達控制設計流程

以馬達控制系統設計為例,首先應建立馬達與功率放大器的數學模型,其次必須決定控制架構與控制器的設計方法,再經由電腦輔助設計與模擬軟體(MATLABSimulinkMATRIXProgram CCSIMNON)決定控制器的參數。如果設計能符合規格的要求,那麼就可進一步的來實現控制器。在以微電腦為基礎的控制系統,此階段的設計包含了硬體與軟體設計兩部份。硬體設計首先須決定適當的CPU一般考慮主要在於價格、簡單性、界面、與計算能力,單晶片微控器由於符合這些條件,通常是工業控制器主要的選擇。軟體設計則較為複雜,這其中包含了整數化、組合語言程式設計、中斷處理、信號處理等。

5  控制系統的設計步驟流程圖

由於在控制系統的模擬與設計過程中,不易將系統的非線性與不確定性部份納入設計過程,因此通常只能得到控制器大略的參數值,其實際數值仍須經由實驗來調整,這就必須經由一個"具有知識性的嘗試錯誤調整法則"來得到良好的響應。由於這些繁複的過程,因此研製一個微電腦數位控制系統時,往往要花費許多時間。若能將這些步驟整合在一個具有良好界面的單一環境,不僅可提供設計者建立標準的設計流程,也可大幅縮短系統開發的時間。

二、DSP數位馬達控制

2.1 為何選擇DSP?

選擇一個數位控制系統的的核心控制器應該考慮以下五個要素:成本、架構、即時處理能力、計算速度及周邊元件配合度。選用不適當的控制器不僅提高成本,更可能降低整體的性能,所以選用合宜的UPS控制器是相當重要的。由圖6微控器與DSP晶片的效能成本比較圖得知,採用DSP將可有效的降低成本與提高系統之性能,況且以往DSP最讓人詬病的周邊功能的缺乏與設計較為困難等缺點,也因新型的單晶片DSP-TMS320X240出現而有所改觀。

6  微控器vs. DSP實現之效能成本比較圖

目前DSP的旋風正襲捲著整個單晶片的市場,許多原先使用微處理器或微控器的應用場合,現在正嘗試使用DSP取代原先的微處理器或微控器,其原因就是DSP晶片擁有超強的優勢在於執行速度較快,整體效能佳,可達成真正的即時運作(real-time operation);特殊硬體及指令設計,適用於高等控制演算法,容易增加附屬功能;晶片內部設計適用於數位信號處理方面,單一指令週期、多條內部匯流排、特殊之位址解碼模式、零負擔之迴圈運算、可程式化之快取記憶體、整數乘法的硬體計算、多樣的I/O周邊功能、其他特殊內建功能等。這些優點都說明了為何選擇DSP應用於數位控制與電力電子等相關領域。

 

2.2  數位信號處理器的硬體架構

DSP為了達成其快速的計算能力,晶片設計時通常採用16位元的字元長度,並以32位元設計中央處理單元(CPU)內的累積器(accumulator)與暫存器(register)等。在CPU架構設計上亦多有不同,有的採用管線架構(pipeline architecture),有的則採用哈佛架構(Harvard architecture)或特殊設計的硬體架構。

德州儀器所製造的DSP TMS320系列的硬體架構是以16位元為基本資料處理單元,採用16位元的資料與位址匯流排與32位元的暫存器,其核心為32位元的算數運算邏輯單元(ALU)與累積器(ACC),並以硬體方式來實現不同的功能,如乘法器、位移器等,以提升其計算速度。在整數計算方面,為了減少數值計算所衍生的問題如溢位(overflow)與尺規劃(scaling)等,採用硬體式的位移暫存器來提高軟體執行的精確度,這些位移暫存器可以同時配合其他指令一起使用,並不需要耗費額外的執行時間。

TMS320系列的硬體設計採用先進的哈佛結構,此種哈佛架構將程式記憶體和資料記憶體分開,如此會加快處理器的執行速度。內部採取二補數的架構,使用32位元的運算邏輯單位(ALU)和32位元的累加器。此運算邏輯單位使用從資料記憶體或從立即指令所取得的16位元字元,或直接從乘法器取得的32位元。值得注意的是C5x在運算邏輯單元裡,加入了平行邏輯單元,它可以執行邏輯的判斷而不會影響到累加器內的資料。它也提供高速度控制器所需的一個位元的操控能力,因而簡化了控制和狀態暫存器所需的位元設定、清除和測試。

TMS320系列的DSP晶片為了加快其計算速度,在指令集的設計上也加入許多巧思,以配合高速信號處理的需求。數位運算中的單位時間延遲(z -1)運算元(operator)可以單一指令DMOV完成,而MACD指令則可以同時完成四個操作:兩個數的相乘、移動資料、與前一筆資料累加、與載入下一個暫存器。TMS320系列DSP的乘法器是以硬體方式實現,僅需一個指令周期(instruction cycle)即可完成乘法運算。由於這些特殊指令的硬體設計,使得DSP在運算速度上較一般的微處理器快上100倍以上。此外,TMS320系列DSP以累加器飽和模式來解決溢位的問題,使數值運算更為穩定。

2.3 單晶片數位信號處理器 TMS320x24x

自從1982年德州儀器公司發表了第一顆定點式(fixed-point)數位訊號處理器(TMS320C10)之後,十餘年來TMS320系列的產品就一直成為世界上最具代表性的DSP之一。TMS320系列以高性能、可靠度、可程式性與低價格的優勢,使得其應用非常廣泛。近年來由於半導體功率元件、磁性材料與微電子技術的不斷的突破,使得電子電子相關領域採用數位化控制技術也就日益遽增,為了順應此潮流,德州儀器於1996年底推出新一代電力電子系統專用DSP晶片-TMS320X240,其功能方塊圖如圖7所示,此款新型DSP擁有兩大特點:

·     即時處理與運算能力—除了能降低運算所造成的訊號延遲外,亦較易實現高性能的控制方法。

·     內含強大的周邊功能—除了內含CPU之外,還包括了記憶體、I/O介面、A/D轉換器、PWM產生器、通訊介面、和編碼器介面等周邊模組。

TMS320X240乃為16位元定點式的DSP晶片,其外部包裝為QFP-132的形式,大大地減少硬體空間,同時其指令執行速度最快為50ns,亦即整體效能可達20MIPS(million instructions per second)。由於內部硬體設計採用改良式哈佛結構,在晶片內部不僅具有獨立的16位元資料匯流排及程式匯流排,更增加了兩匯流排之間互通的管道,以避免在執行指令時因存取之順序限制而浪費時間。DSPfetch解碼等等的指令解析、位置計算、資料傳送、加乘運算、回圈處理等五項功能能夠同時進行,也因DSP有這種能力,在數位信號處理時,能將不斷輸入之訊號快速地以即時方式處理,這也正是DSP最大的長處。另外,亦具備硬體乘法器、積和演算器與柱形移位暫存器等特殊結構來加強運算速度,並且內含許多合併指令,因此非常適合做即時且複雜之數位訊號方面的運算。

TMS320x24x系列的DSP同時擁有數位信號處理器的快速運算能力與一般微控器的優越週邊處理能力,因此應用於數位控制領域,更可將控制功能發揮得淋漓盡致。尤其值得注意的是在TMS320x24x具有九個可獨立控制的高精密PWM輸出,使用者可隨心所欲地選擇適當的切換頻率與解析度,這在應用於馬達控制與電力轉換控制時是一個相當重要的。

7  TMS320x24x的功能方塊圖

DSP雖然具有強大的運算能力,但是否需要應用DSP於馬達控制常成為爭論的焦點,此一問題,可從幾方面來探討。首先,應當瞭解設計主要來自應用,應用則有其市場上同類產品的競爭,因此產品的性能與價格必須針對目標產品有其市場策略。在馬達驅動系統的應用中,因為不同層次的應用需求,因此,選擇採用DSP控制未必是最佳的策略,到底如何選擇實現的方式,必須進行系統化的全盤考慮。但另一方面,也必須瞭解由於DSP具有先天上硬體架構的優勢,其計算能力是傳統的微控器所無法與之抗衡的,同時目前的單晶片DSP其單價亦已低至5塊美金,由此當可瞭解,單晶片DSP微控制的時代已經來臨了。

由於DSP的高速運算能力,提供了下列三個重要的優點:

·     採用高階語言作為發展工具,大幅縮短產品開發的時間。

·     可以軟體方式實現所有的控制功能,因而具備了完全的靈活性,從回授訊號的處理,到PWM輸出信號的產生,均可以軟體方式控制,因而,不僅可以軟體達到系統整合的目的,同時也可藉由軟體的修改或參數的調整,發展不同的應用或實現具有智慧型的控制器。

·     實現先進的控制功能,提高系統的附加價值。

8是以交流馬達驅動器為例,應用一般微控器與高性能DSP於馬達控制所做的CPU計算效能分析,由圖中可看出,如採用一般的微控器,則80%CPU時間將用於基本的正弦波脈寬調變與頻率控制,但如採用DSP,則包含磁場向量控制與伺服迴路PID控制的數學運算,僅佔用了20%CPU時間。剩下的CPU時間可用於實現另外的控制法則,例如無感測控制、隨機式脈寬調變、電流漣波補償、功率因數修正、自我啟動、錯誤診斷、參數估計、線上參數自動調整、轉速估計等種種的功能。當然,這些高級的控制功能必須視應用情況來發展,但由此當可瞭解,DSP實際上開啟了控制理論實用化的一扇大門,對自動控制技術未來的發展影響深遠。

8  應用數位信號處理器於馬達控制的效能分析

 

 

 


三、馬達設計與模擬軟體

在一個傳統的馬達驅動系統中,馬達通常被視為一個獨立的個體。因此,馬達設計與與驅動器設計,通常是毫不相關的。但對一個積體化智慧型馬達而言,馬達與與驅動器的設計,就必須具有相當程度的整合。馬達設計的主要關鍵在於定子與轉子的磁通分佈,圖9FLUX2D/FLUX3D應用於馬達設計的模擬結果,圖10是由英國Glasgow大學電機系Miller教授所領導的SPEED實驗室,所發展的馬達設計軟體(SPEED),使用者經由參數設定即可定義所設計的馬達,是一個相當容易使用的軟體。

11SIMPLORERFLUX的整合模擬結果,SIMPLORER是一家德國公司針對電力電子應用所發展的模擬軟體,特別適合於功率轉換器與馬達驅動系統的模擬,提供使用者設定的元件模型,模擬效率相當高。此軟體亦可整合數位控制與類比電路的模擬,因此特別適合應用於數位馬達驅動系統的模擬。此軟體的另一個優點,是提供了與FLUX的介面,因此可將數位控制、功率轉換、與馬達磁通分佈進行整合性的模擬。具有這種整合功能的模擬軟體,可分析子系統設計對整體系統所造成的影響。例如,藉由此整合性的模擬,可分析漣波電流對馬達漣波扭矩的產生與與效率所造成的影響,此類問題,在設計高速馬達或高效率馬達時,是相當重要的設計考量因素。

9  電腦輔助馬達設計軟體(FLUX2D, FLUX3D)

10  電腦輔助馬達設計軟體(SPEED)

11  SIMPLORERFLUX的整合模擬

 

 


四、電力電子模擬軟體

在一個馬達驅動系統中,功率轉換器負責提供馬達所需要的電源形式。功率轉換器的效率與產生的電壓波形對一個馬達驅動系統整體性能的影響甚巨,因此有關功率轉換器的脈寬調變策略、柔切技術、電力流向控制、諧振開關技術、多階電壓準位脈寬調變控制等,都是近年來馬達驅動功率轉換器設計重要的研究問題。圖12所示,是一個具有功率因數與雙向電力流向控制的的三相交流驅動系統,此三相功率轉換器具有12個功率開關,經由適當的脈寬調變控制,即可以最佳效率方式提供低諧波、低雜音的馬達驅動控制。由圖中可看出,結合數位控制與電力電子的模擬軟體,在數位馬達驅動系統中的設計過程中,可提供重要的系統設計資訊。

12  具有功率因數與雙向電力流向控制的的三相交流驅動系統

以脈寬調變為主的功率轉換電路的模擬,可分為四個層次:。

·     開迴路的大訊號穩態響應模擬:可將功率開關視為理想元件,此階段主要是模擬轉換器的穩態響應,並以此作為選擇關鍵元件的依據。

·     小訊號模型的控制迴路模擬:將開關元件所造成的非線性特性,經由平均化模型或等效電路,將建立轉換器在特定操作點的小信號線性模型,並以此設計迴路補償器。

·     閉迴路的大訊號暫態響應模擬:可將功率開關視為理想元件,加入迴路補償器,在閉迴路控制的條件下,進行大幅波動的模擬,例如POWER ONPOWER OFF的暫態響應。

·     開關暫態響應模擬:考慮功率元件的高頻特性,在高速dv/dtdi/dt變化下,模擬功率元件的暫態響應,可藉此設計緩振電路(snubber circuit) ,降低電路對功率元件所造成的應力與開關損失。

13是電路模擬軟體SABER的操作畫面,SABER提供完整的元件模型,並可整合類比電路與數位電路的模擬,是相當專業的類比電路模擬軟體。圖14是一個專為電力電子系統設計的模擬軟體 (PSIM),此軟體提供簡化的元件模型,應用於功率轉換器的在系統層次的模擬時,具有快速且精確的模擬效果,是分析功率轉換器基本特性的最佳選擇。SPICE原是為了設計大型積體電路而設計的,將其直接應用於電力電子系統的模擬,並不是很恰當,近年來發展出一些專門為電力電子系統模擬的軟體,如EMTP-APTSimplorerCASPOCPSIM等等,均非常適合應用於電力電子與馬達驅動系統的模擬。

13  電路模擬軟體 (SABER)

 

 

 

14  電路模擬軟體 (PSIM)

五、控制系統模擬與設計軟體

電腦輔助控制系統設計的軟體,近年來蓬勃發展,例如MATLAB/SIMULINKProgram CCSIMNONEASY 5MatrixMathematica等等,這其中最廣為使用的當屬由美國Mathworks公司所發展的MATLABMATLAB(如圖15所示)經過了多年的發展與改良,可以說已成為控制系統設計所採用的主要軟體,利用MATLAB/SIMULINK進行馬達控制模擬與伺服控制器設計,也是數位馬達控制系統設計過程中,不可缺少的工具。

15  控制系統與信號分析軟體 (MATLAB)

六、互動式即時控制實驗系統

6.1 DSP數位馬達控制系統

應用DSP於馬達控制,在教學研究或產品開發階段,發展工具是十分重要的,目前市面上的一些應用於高性能馬達控制的微控器或數位信號處理器,如TMS320x24xDSP56000ADMC401SH7045等,其功能與價格雖然各有千秋,但在發展工具的支援方面,差異卻相當大,這其中德州儀器與類比元件(Analog Devices)提供了較佳的發展工具與技術支援。此外,這兩家公司的DSP也均有為數眾多的第三類公司(third party)提供相關之發展工具與產品開發設計服務,在市場上形成了兩個競爭激烈的集團。圖16與圖17分別是德州儀器與Technosoft針對TMS320x24x所設計的數位馬達控制發工具,圖18Amirix所提供以ADMC系列DSP為核心所發展的數位馬達控制發工具,該公司針對感應馬達、同步馬達、無刷直流馬達設計了模組化的實驗系統,適合教學研究與產品開發。

16  數位馬達控制發展系統 (Texas Instruments)

這些數位馬達控制發工具均以PC為工作平台,以特定的DSP為對象,完成一個整合的發展環境。由於德州儀器本身是DSP的設計與製造商,所設計的DSP內含特殊設計的JTAG通訊介面,經由此介面可使用德州儀器所設計的模擬器(emulator)進行程式偵錯,在產品開發的初期階段,對韌體的偵錯具有相當大的幫助。

17  數位馬達控制發展系統 (Technosoft)

18  數位馬達控制發展系統 (Amirix)

6.2 硬體迴路模擬系統

在發展嵌入式控制系統的過程中,評估其可行性是相當關鍵的一個步驟,在進行系統的軟硬體設計之前,應先確認(verify)控制策略的可行性。設計一個複雜機電控制系統的主要困難,往往在於無法事先確定是否能達到系統在整合後的一些關鍵性能指標。因此,經由硬體迴路模擬(hardware-in-the-loop)系統,可快速完成系統的可行性評估。

近年來,由於PCDSP的進步,所謂的硬體迴路模擬多藉由PCDSP實現,因此出現了所謂的PC-in-the-loopDSP-in-the-loop。藉由PC所提供的人機介面環境與充分的介面控制卡,設計者能在充分的支援下完成硬體迴路模擬系統的設計,並以此為基礎進行系統的可行性評估。

例如美國的國際應用動力 (Applied Dynamics International)Stable Systems、德國的dSPACE等公司均提出了hardware-in-the-loop的系統解決方案,這其中dSPACE提供了最完整的解決方案,圖19dSPACE應用於車輛控制的模擬畫面,dSPACE同時也提供了MATLAB/SIMULAINK的控制通訊介面,使用者可以在MATLAB/SIMULAINK的環境下發展控制法則與進行系統模擬,之後再將發展的控制程式載入目標處理器進行硬體迴路模擬。

19  dSPACE  硬體迴路模擬系統

 


七、數位馬達控制系統:DSP-MotorLab簡介

近年來數位信號處理器(DSP)由於其快速的計算能力,不僅廣泛應用於通訊與視訊信號處理,也逐漸應用各種高級的控制系統如引擎控制、振動控制、噪音控制、磁碟機控制、馬達控制等。為了利用先進的單晶片DSP於數位馬達控制,建立一個以PC為工作平台的發展環境是相當重要的,因此交通大學電力電子與運動控制實驗室,設計了一個以DSP為控制核心的互動式數位信號處理與數位控制發展系統,並將之命名為 DSP-MotorLab

DSP-MotorLab是一個以PC為基礎,在 Microsoft Windows 視窗環境下發展出來的「互動式」數位馬達控制發展系統,此系統包含一個視窗介面監控軟體、一個DSP控制的功率驅動模組、以及一個馬達測試座。系統架構如圖20所示,圖21是完成的原型系統。由於採用RS-232為通訊介面,因此無論在系統安裝與發展方面均十分方便,經由RS-232通訊介面,使用者可直接下載控制程式、調整控制參數、與觀察控制變數,藉由此一系統,使用者可以很方便的實現先進的數位控制法則,完成控制方法的可行性評估。

20  DSP-MotorLab 數位控制發展系統的系統架構

21  DSP-MotorLab 數位馬達控制實驗系統與功能特點

DSP-MotorLab的軟體採用物件導向設計,所發展之軟體具有良好的模組擴充性,具有軟體 IC 的特性。此系統具有下列功能:

1.  軟體與硬體獨立開發,軟體可支援多種硬體。

2.  可對控制器內的任一變數作及時調整(on line tuning)

3.  可觀測控制器內的任一變數。

4.  發展軟體可直接在系統上作修改。

5.  程式編譯完成,可直接在系統上執行,並可在任意時間記錄資料,以觀察變數。

6.  內建多功能多頻道的數位示波器,提供多種方法顯示實驗之變數。

7.  多重圖形輸出界面:示波器量測之波形資料,可輸出到下列設備:

w Matlab Working Platform (ASCII fileBinary fileMata-file)

w Printer

w Windows 剪貼簿

藉由 DSP-MotorLab,控制系統設計工程師可以高階語言撰寫控制法則(control law),再經由編譯、下載、執行等過程,迅速進入實際測試與調整。DSP-MotorLab內含數位示波器功能,可以觀測控制法則中所有的變數,並且將這些變數的波形即時的顯示在螢幕上。此外本系統也提供即時線上調整控制參數功能,使用者可以線上調整控制法則中所有的參數,並藉由內含之示波器立刻看到調整後的系統響應。圖22DSP-MotorLab監控軟體的操作畫面,圖23是示波器顯示畫面,圖24DSP-MotorLab應用於一個電池供電的無刷直流馬達實驗系統的示意圖。由於DSP-MotorLab可直接控制一個多功能的功率驅動模組,因此藉由使用者所發展的控制程式,可呈現出多種不同的應用。此外,DSP-MotorLab也提供了與MATLAB/SIMULINK的電腦介面,經由MATLAB.M file使用者可直接讀取實驗結果,進行分析或設計,並將結果直接傳遞給DSP控制器,形成一個整合的控制環境。藉由此一功能,使用者可在MATLAB的環境下發展適應型或智慧型控制方法。

22  DSP-MotorLab監控軟體的操作畫面

23  DSP-MotorLab的示波器顯示畫面

24  電池供電之無刷直流馬達實驗系統

DSP-MotorLab是一個以PC Windows為發展平台的互動式DSP數位馬達控制實驗系統,此系統以PC為人機介面之控制平台,經由RS-232監控一個內含DSP的數位馬達控制系統,達到以PC監控DSP-in-the-loop的目的。經由特別設計的軟體通訊協定,使用者可藉由高階C語言或組合語言撰寫控制程式,經過編譯後可直接載入DSP,進行即時數位控制。DSP-MotorLab也允許使用者在線上即時觀測變數或調整參數,提供了類似示波器的變數觀測工具,可以數值或圖形方式觀察系統的變數。

八、結 語

近年來電腦的功能/價格比持續提高,提供一個絕佳的機會去發展低價格、功能強大的電腦輔助設計系統。事實上,很多公司已經利用此機會發展出多種電腦輔助設計系統,例如MathWorks1922年發展Matlab環境下的Simulink。有鑒於此,我們研製了一套以 PC 視窗為基礎的互動式DSP數位馬達控制發展系統,並將之命名為 DSP-MotorLab。此系統針對數位信號處理與數位控制提供了一個以PC視窗為基礎的DSP數位馬達控制發展環境,提供設計者一個整合、互動的圖形介面,並可以高階語言發展數位馬達控制系統。

DSP-MotorLab的軟體設計採用了物件導向程式設計方法,因此不僅可有效率的設計出可靠、高品質的軟體,也利於未來進一步的維護與發展。本系統成功的發展出以低價格高性能DSP (TMS320F240)為核心的數位控制發展系統,可以很容易的將學術研究成果如software servo control algorithms移轉至以DSP (TMS320x24x)為核心的工業產品。此系統不僅建立了電腦輔助控制系統設計(MATLAB)DSP數位控制的橋樑,同時也提供一個從學術研究邁向工業應用的管道,相信此一系統在未來各種高性能的馬達驅動、電力電子與工業控制應用領域,均能發揮其系統整合設計的性能。

 


參考文獻

DSP for Motor Control and Power Electronics

[1]     B. K. Bose, Editor, Microcomputer Control of Power Electronics and Drives, IEEE Press, 1987.

[2]     Y. Dote, Servo Motor and Motion Control Using Digital Signal Processors, Prentice Hall and Texas Instruments Digital Signal Processing Series, 1990.

[3]     C. Cecati, "Microprocessors for power electronics and electrical drives applications," IEEE IAS Newsletter, pp. 5-9, Sept. 1999.

[4]     何濂洵, “數位信號處理器在電力電子之應用,” 電力電子技術, 30, pp. 84-95, , 1995 12

[5]     榮世良、鄒應嶼, “UPSDSP數位控制技術,” 電機月刊, 74, pp. 148-161, 19972

[6]     林栩永, 鄒應嶼, 單晶片DSP控制器:智慧型UPS的控制利器, 電子月刊, 43, 19992

[7]     TMS320C24x DSP Controllers Reference Manual, 1997, Texas Instruments, http://www.ti.com/

[8]     ADMC401 Data Book, 1999, Analog Devices, Inc., http://www.analog.com/

[9]     DSP56000 Data Book, 1996, Motorola, Inc., http://www.motorola.com/

[10]   SH7040 Series User's Manual, 1999, Hitachi, Inc., http://www.hitachi.com/

CAD for Electric Machinery

[11]  J. R. Hendershot and TJE Miller, Design of Brushless Permanent-Magnet Motors, Oxford Science Publications, Oxford, 1994.

[12]  Duane C. Hanselman, Brushless Permanent-Magnet Motor Design, McGraw-Hill, Inc., 1994.

[13]  FLUX2D/FLUX3D: Magsoft's electromagnetic and thermal modeling  software takes your project from design to product development quickly, clearly, and easily, based on finite or boundary analysis. http://www.magsoft-flux.com/

[14]  IES developed by BEM company, Canada, 1990.

[15]  Inpolytica developed by P. Sylvester, Canada, 1979.

[16]  Maxwell developed by Zoltan Gendes, USA, 1986.

[17]  SPEED stands for the Scottish Power Electronics and Electric Drives Consortium. The SPEED Laboratory is part of the Department of Electronics and Electrical Engineering at the University of Glasgow. Since its creation in 1987 by Professor TJE Miller, SPEED's  membership has grown to over 50 companies from Britain, Europe, the USA and Japan. About 80% of SPEED's business is overseas. http://www.elec.gla.ac.uk/groups/speed/

[18]  Vector Field developed by Dr. Trowbridure, UK, 1980.

CAD for Power Electronics

[19]  Sam Ben-Yaakov, "Simulation of power conversion systems: from the state of the art to future trends," pp. 13-24, PCIM Proc., Nuremberg, 1999.

[20]  H. Sree, V. Blix, N. Mohan, and J. W. Kolar, "Using SIMPLORER as a power electronics circuit simulator," EPE Conf. Rec., pp. 4.1002-4.1007, 1997.

[21]  S. Chwirrka, "Power converter design using the Saber simulator," Analogy, Inc.

SPICE for Power Electronics

[22]  Steven M. Sandler, SMPS Simulation with Spice 3, McGraw-Hill, 1997.

[23]  M. H. Rashid, Spice for Power Electronics and Electric Power, Prentice-Hall, Inc., 1993.

[24]  G. Massobrio and P. Antognetti, Semiconductor Device Modeling with SPICE, McGraw-Hill, 1993.

[25]  W. Banzhaf, Computer-Aided Circuit Analysis Using PSPICE, Prentice-Hall, Inc., 1992.

[26]  J. Alvin Connelly and Pyung Choi, Macromodeling with SPICE, Prentice-Hall, Inc., 1992.

[27]  M. H. Rashid, Spice for Circuits and Electronics Using PSPICE, Prentice-Hall, Inc., 1990.

[28]  W. Banzhaf, Computer-Aided Circuit Analysis Using PSPICE, Prentice-Hall, Inc., 1989.

[29]  P. W. Tuinenga, SPICE: A Guide to Circuit Simulation & Analysis Using PSPICE, Prentice-Hall, Inc., 1988.

[30]  林志一、曾龍圖編著, IsSpice4電路模擬軟體入門與應用, 益眾資訊有限公司,民國851月初版。

[31]  林志一、曾龍圖編著, IsSpice Version 8 交談式電路模擬分析與應用, 全華科技圖書股份有限公司,民國8612月初版。

Analog Circuit Simulation Software

[32]  EMTP http://www.eeug.de

[33]  SABER (Analogy) http://www.analogy.com

[34]  PSPICE (OrCAD) http://www.orcad.com

[35]  ICAP4 (Intusoft) http://www.intusoft.com

[36]  PSIM http://www.psim.com

[37]  PowerDesigners http://www.powerdesigners.com

[38]  SimPlorer http://www.simplorer.com

[39]  CASPOC http://www.caspoc.com

[40]  Workbech http://www.interactive.com

Computer-Aided Control System Design

[41]  G. A. Korn and J. V. Wait, Digital Continuous-System Simulation, Prentice-Hall Inc., 1978

[42]  K. Ogata, Designing Linear Control Systems with MATLAB, Prentice-Hall, Inc., 1994.

[43]  K. Ogata, Solving Control Engineeringn Problems with MATLAB, Prentice-Hall, Inc., 1994.

[44]  B. Shahian and M. Hassul, Control System Design Using MATLAB, Prentice-Hall, Inc., 1993.

[45]  G. Milne, State-Spaace Identification Tollbox, The Math Works, Inc., 1992.

[46]  A. Grace, A. J. Laub, J. N. Little and C. M. Thompson, Control System Toolbox User's Guide Signal Processing Toolbox User's Guide, The Math Works, Inc., 1992.

[47]  S. Wolfram, A System for Doing Mathematics by Computer, Addison-Wesley Publishing Company, Inc., 1988.

[48]  Visual Science: Interactive Design, Simulate, and Analyze of Complex Dynamic Systems, http://www.acroscience.com/

[49]  SIMNON: User's Guide for MS-DOS Computers, Version 1.0, First edition, 1986.

[50]  Mathematica: a symbolic mathematical computation software, The Mathematica, http://www.mathematica.com/

[51]  SIMULINK: Dynamic System Simulation Software, The Math Works, Inc., 1993.

[52]  MATLAB-SIMULINK: 矩陣運算、控制系統、信號處理、最佳化電腦輔助設計分析模擬軟體, The Mathworks, Inc., http://www.mathworks.com/

[53]  EASY5® is a family of software tools used to model, simulate and analyze dynamic systems. Developed by Boeing, EASY5 is a commercial product sold and used world wide. EASY5 software is used to model and simulate dynamic systems containing hydraulic, pneumatic, mechanical, thermal, electrical and digital sub-systems. http://www.boeing.com/assocproducts/easy5/

[54]  Prorogram CC User's Guide, Version 4, Systems Technology Inc., 1998.

[55]  MATRIXx User's Guide, Version 6, Integrated System Inc, 1996.

Laboratory Education for Digital Control

[56]  G. F. Franklin and J. D. Powell, "Digital control laboratory courses," IEEE Control System Magazine, vol. 9, no. 3, pp. 10-13, April 1989.

[57]  K. Pritchard, "PC-based simulation in control system design," Control Engineering, vol. 40, pp. 31-32, 1993

[58]  Ying-Yu Tzou, Fung-Teng Lu, Wen-Hung Yen and Hau-Jean Hsu, "Window-based interactive digital control development system using digital signal processors," IEEE ISIE Conf. Rec., pp. 224-229, Warsaw, Poland, June 17-20, 1996.

[59]  U. Ozguner, "Three-course control laboratory sequence," IEEE Control System Magazine, vol. 9, no. 3, pp. 14-18, April 1989.

[60]  Workshop Proc. on Development power electronics curriculum: courses, hardware and software laboratories, Orlando, Florida, USA, March 24-26, 1996.

[61]  Yao-Chon Chen and Jason M. Naughton, "An undergraduate laboratory platform for control system design, simulation, and implementation," IEEE Control System Magazine, vol. 20, no. 3, pp. 12-20, June 2000.

[62]  Educational Control Products (ECP) was founded in 1990 by H. Ali Pak and Thomas R. Parks to provide advanced equipment for control systems education in the academic and industrial workplaces. ECP provides integrated, state-of-the-art equipment for the  study of feedback control and system dynamics. http://www.ecpsystems.com/

Development Tools for Digital Motor Control

[63]  Teodor Pana and Maria Imecs, "MATLAB toolbox for speed sensorless vector-controlled synchronous and induction motor drive system," PCIM Europe: Intelligent Motion, pp. 469-476, 1998.

[64]  Rainer Otterbach, Thomas Pohlmann, Andreas Rukgauer, and Jorg Vater, "Rapid prototyping with combined RISC and DSP power for motion control," PCIM Europe:Intelligent Motion, pp. 335-346, 1998.

[65]  Technosoft, http://www.technosoft.ch/

[66]  Amirix, http://www.amirix.com/ 

Hardware-in-the-loop for Control System Design

[67]  Applied Dynamics International provides state-of-the art software and hardware tools to the automotive, aerospace, and defense industries for the design and test of embedded control systems. In 1995, ADI introduced BEACON, a state-of-the-art software development tool for graphical design, code generation, and automated testing. BEACON developed by ADI offers affordable safety-critical software development for embedded controls applications. http://www.adi.com/

[68]  dSPACE, http://www.dspaceinc.de

[69]  Stable Systems is a control system design compant specializes in the design and development of controls for products and systems using embedded processors. Our goals include: minimizing development costs, increasing design quality, and decreasing time to market by introducing methods of hardware-in-the loop simulation to our customer's design and development process. Stable Systems specializes in the design and development of controls for products and systems using embedded processors. Our goals include: minimizing development costs, increasing design quality, and decreasing time to market by introducing methods of hardware-in-the loop simulation to our customer's design and development process. Stable System: http://www.ixpres.com/maborrello/

[70]  PC-CtrLab User's Guide, Sansonic Inc., Taiwan, ROC, 1989.

PEMCLAB相關研究成果

[71]  Eric Chen, Kuang-Yao Cheng, Shiu-Yung Lin, and Ying-Yu Tzou, "Design of a windows-based development environment for advanced digital motion control," PCIM Proc., pp. 337-341, Nuremberg, Germany, June 10-12, 2000.

[72]  呂芳騰、許皓鈞、鄒應嶼, "以視窗為基礎之互動式DSP數位控制發展系統(/)," 新電子科技雜誌, 1996, 3/4.

[73]  黃世勇,碩士論文:控制系統高階模擬控制語言編譯器之設計,交通大學控制工程研究所,新竹,民國七十九年六月。

[74]  馬清文,碩士論文:以視窗為基礎之模糊制系統模擬套裝軟體之研製,交通大學控制工程研究所,新竹,民國八十一年六月。

[75]  Y. Y. Tzou, S. Y. Hwang, H. J. Wu, and I. K. Wang, "PC-based interactive digital controller development system," The 3rd Int. Auto and Contr. Conf., pp. 735-744, July 1989.

[76]  Y. Y. Tzou, S. Y. Hwang, H. J. Wu, and I. K. Wang, "Design and Implementation of an Interactive Digital Controller Development System," IEEE IECON Conf. Rec., 15th Ind. Electro. Society, Philidelphia, U.S.A., pp. 785-791, Nov. 1989.

[77]  Y. Y. Tzou, “Interactive Environment for Digital Control System Development,” International Society for Mini and Microcomputers Conference Record, Las Vegas, U.S.A., March 19-21, 1991.

[78]  黃世勇,碩士論文:控制系統高階模擬控制語言編譯器之設計,交通大學控制工程研究所,新竹,民國七十九年六月。

[79]  馬清文,碩士論文:以視窗為基礎之模糊控制系統模擬套裝軟體之研製,交通大學控制工程研究所,新竹,民國八十一年六月。

[80]  Y. Y. Tzou, “Interactive Environment for Digital Control System Development,” International Society for Mini and Microcomputers Conference Record, Las Vegas, U.S.A., March 19-21, 1991.

[81]  Y. Y. Tzou, S. Y. Hwang, H. J. Wu, and I. K. Wang, “PC-based interactive digital controller development system,” The 3rd Int. Auto. and Contr. Conf., pp. 735-744, July 1989.

[82]  Y. Y. Tzou, S. Y. Hwang, H. J. Wu, and I. K. Wang, “Design and Implementation of an Interactive Digital Controller Development System,” IEEE IECON Conf. Rec., 15th Ind. Electro. Society, Philidelphia, U.S.A., pp. 785-791, Nov. 1989.

 


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