Новое поколение изделий компании Texas Instruments для управляемого электропривода Э Л Е М Е Н Т Н А Я Б А З А Э Л Е К Т Р О Н И К И Новое поколение изделий компании Texas А.Лапин В условиях сегодняшней популярности интеллек туального электропривода, применяемого в раз личных отраслях промышленности, бытовой тех нике и специальной аппаратуре, компания Texas Instruments проводит собственную техническую политику в этой области. Новые решения ведущей фирмы сейчас востребованы отечественным поль зователем, поскольку в России происходит бурное развитие систем интеллектуального электроприво да, обусловленное интересом к экономии энерго ресурсов и внедрением мобильных систем. Instruments со стыковым интерфейсом к хост2компьютеру или к системе высшего уровня отличаются повышенной конкурен2 тоспособностью и обеспечивают управление электродвигателями с высокими точностью и КПД. В комплекте с микросхемами и дру2 гими полупроводниковыми компонентами Texas Instruments постав2 ляет соответствующее программное обеспечение и организует его техническую поддержку. РЕШЕНИЯ TEXAS INSTRUMENTS ДЛЯ УПРАВЛЯЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА Тенденции развития управляемого электропривода направлены на повышение КПД системы при снижении её себестоимости. Очередное продвижение в этом направлении возможно при вне2 дрении нового поколения продукции Texas Instruments – аналого2 вых и цифровых решений, высокопроизводительных цифровых сигнальных контроллеров, микропроцессоров с ультранизким по2 треблением, специализированных АЦП и ЦАП, интерфейсов CAN, RS2232, RS2485, предназначенных для промышленного оборудова2 ния, станков, бортовой и автомобильной аппаратуры, бытовой техники. Аналогово2цифровые и цифроаналоговые решения Texas Табл. 1. Характеристики специализированных DSP6контроллеров Рис.1. Цифровые сигнальные контроллеры для управляемого элект6 ропривода. C24x и C28x – серии приборов семейства TMS320C2000 К предлагаемым компанией изделиям для управляемого элект2 ропривода относятся цифровые сигнальные микроконтроллеры семейства TMS320C2000, сочетающие высокую эффективность, широкий спектр выполняемых функций и низкие цены (рис.1). Их применение позволяет оптимизировать реактивную мощность, потребляемую электроприводом переменного тока от сети. А се2 мейство микроконтроллеров с ультранизким потреблением MSP430 идеально для применения в 162бит системах управления электроприводом с высокими требованиями к энергетическим параметрам. Серия Формат данных Описание TMS320C24x DSP 16 бит, фикс. точка SCI, SPI, CAN, 102бит АЦП, менеджер событий, сторожевой таймер, flash2память, 20–40 MIPS TMS320C28x DSP 32 бит, фикс. точка SCI, SPI, CAN, 122–бит АЦП, менеджер событий, сторожевой таймер, flash2–память, до 150 MIPS Табл. 2. Специализированные программные решения [4] Instruments для управляемого электропривода Система Двигатель Датчики Описание C24x C28x ACI12–1 Однофазный переменного тока Да Тахогенератор, VHz/SinePWM/Closed Loop Speed PID Да Нет ACI321 Трехфазный переменного тока Да Тахогенератор, VHz/SinePWM/Closed Loop Speed PID Да Да ACI322 Трехфазный переменного тока Нет MRAS (Датчик скорости), VHz/SinePWM/Closed Loop Speed PID Да Да ACI323 Трехфазный переменного тока Да Тахогенератор, FOS/SinePWM/Closed Loop Current PID for D, Q/Closed Loop Speed PID Да Да ACI32–4 переменного тока Нет Датчик скорости, FOC/Sine PWM/Closed Loop Current PID for D, Q/losed Loop Speed PID Да Да PMSM321 Трехфазный Синхронизированный Да QEP, FOC/Sine PWM/Closed Loop Current PID for D, Q/Closed Loop Speed PID Да Да PMSM322 Трехфазный Синхронизированный Нет Sliding Mode Observer, Датчик положения, FOC/Sine PWM/Closed Loop Current PID for D, Q/Closed Loop Speed PID Да Да PMSM323 Трехфазный Синхронизированный Да Резольвер, FOC/Sine PWM/Closed Loop Current PID for D, Q/Closed Loop Speed PID Нет Да PMSM324 Трехфазный Синхронизированный. Да QEP, FOC, управление положением Нет Да BLDC321 Трехфазный Синхронизированный. Да Датчики Холла, Closed Loop Current PID for D, Q/Closed Loop Speed PID Да Да BLDC322 Трехфазный Синхронизированный. Нет Датчик нулевого положения, Closed Loop Current PID for D, Q/Closed Loop Speed PID Да Да DCmotor DC, щёточный Да Управление скоростью и положением Нет Да ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 6/2005 Рис.3. Управляемый электропривод. Ядро систем 6 цифровой сиг6 нальный контроллер семейства TMS320C2000, работающий под упра6 влением пользовательской программы через CAN6интерфейс. Управ6 ление электродвигателем осуществляется через гальваноразвязанную Рис.2. Программное обеспечение управляемого электропривода: или негальваноразвязанную силовую часть. В цепь обратной связи нижний уровень – монитор реального времени и BIOS; верхний от двигателя к контроллеру входит схема на основе датчика Холла, уровень 6 целевая программа пользователя; реализация – мо6 энкодера и цепи контроля напряжения питания двигателя. Узел Power дульная библиотека функций, драйвера периферии и прочего Management контролирует питание системы для отработки аварийных ситуаций (запоминание текущего состояния, приведение механической ПОЛНОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ АППАРАТНО6ПРОГРАММНЫЕ части в безопасное состояние) РЕШЕНИЯ Texas Instruments предлагает полнофункциональные решения для всех типов двигателей: синхронных с постоянным током (Permanent Magnet Synchronous Motors – PMSM), асинхронных переменного тока (AC Induction – ACI), бесщёточных постоянного тока (DC Brushless – BLDC), коммутируемых реактивных (Switched Reluctance – SR) и других. Управление осуществляется с использованием обратной связи от двигателя к контроллеру. Для реализации алгоритма управления предназначен программный пакет DMCLib, в который заложена поддержка ультрабыстрых прерываний и выполнение операций чтения – модификации – записи за один цикл. Удобство работы с пакетом и его многофункциональность обеспечивают высокую скорость разработки пользовательского ПО и системы в целом, а также их модификацию, что очень важно для современных рыно2 чных условий (рис.2) [1]. Производительность, низкое энергопотребление, гиб кость вприменении – основные свойства 16/322бит сигнальных микроконтроллеров семейства TMS320C2000 (табл.1), делающие их идеальным вариантом для реализации автоматизированных уп2 равляемых электроприводов распределённых систем управления промышленного и специального назначения (рис.2,3). Микросхемы контроллеров компании Texas Instruments для управляемого элек2 тропривода базируются на запатентованной технологии цифровых сигнальных контроллеров C2000, отвечающих критериям мик2 росхем класса система на кристалле с высокой степенью интегра2 ции периферийных устройств и памяти, что позволяет уменьшить новременном снижении ее стоимости. Их применение облегчает наличие встроенных АЦП и специализированной периферии. Основные области применения микроконтроллеров семейства TMS320C2000 – промышленное и высокоответственное специаль2 ное оборудование. число используемых компонентов и площадь микросхемы при од2 Рис.4. Структурная схема цифровых сигнальных контроллеров TMS320C28x. Табл. 3. Инструменты разработчика [4] Наименование Обозначение Описание LF240A eZdsp TMDSEZD2401/TMDSEZD240120E Code Composer Studio™ v2.21 DSK version LF2407A EVM Development Bundle TMDS3P70106A/TMDS3P70106AE Code Composer Studio (CCStudio) v2.2, XDS510PP+ LF2407 eZdsp TMDSEZD2407/TMDSEZD240720E CCStudio v2.21 DSK version F2812 eZdsp TMDSEZD2812/TMDXEZD28122E CCStudio v2.12 DSK version F2812 eZdsp (DSP in Socket) TMDSEZS2812/TMDXEZS281220E CCStudio v2.12 DSK version R2812 eZdsp Starter Kit TMDXEZR2812/TMDXEZR28122OE CCStudio, USB cable, 2562Kbit socket EEPROM DMC1500 Spectrum Digital 701228/9 Driver platform for AC induction/DC brushless, switch reluctance motors DMC550 Spectrum Digital 701230 Driver platform for DC brushless motors F2812 2 комплект средств проектирования TMDSEVP2812/TMDXEVP281220E F2812 eZdsp (DSP in socket), CCStudio v2.2, XDS510PP+ с эмулятором XDS510PP+ F2812 Комплект средств проектирования TMDSEVU2812/TMDXEVU281220E F2812 eZdsp (DSP in socket), CCStudio v2.2, XDS510™ USB Emulator с USB2эмулятором Э Л Е М Е Н Т Н А Я Б А З А Э Л Е К Т Р О Н И К И Фирма Категория продукта Продукт Softronics Инструментальные платы и эмуляторы Эмуляторы, целевые платы, Flash2–комплект Spectrum Digital Инструментальные платы и эмуляторы Эмуляторы, оценочные платы, макетные платы Technosoft Инструментальные платы и алгоритмы Разработчик цифровых систем управления электродвигателями, комплект проектирования International Rectifier Инструментальные платы Система проектирования iNTERO NFO Control AB Инструментальные платы Услуги по разработке аппаратных и программных средств Hyperception Графическая среда разработки RIDE, VAB MathWorks Графическая среда разработки MATLAB, SIMULINK, комплекты проектировщика Visual Solutions Графическая среда разработки VisSim™ – Высокоскоростная программа созДания опытного образца на базе DSP2микроконтроллеров C2000 компанииTI ML Electronics Инженерный сервис Разработка аппаратных и программных средств Aria Controls Инженерный сервис Разработка аппаратных и программных средств Wiley Electronics Инженерный сервис Библиотеки и платы управления двигателями d3 Engineering Инженерный сервис Разработка аппаратных и программных средств Port GmbH CAN2драйвера ANSI2C пакет драйвера CANopen Schmidhauser AG CAN2драйвера Dynamic Transverse Controller, ACS Servo Controller Vector CANtech CAN2драйвера Комплекты программ для изготовителей сложного автомобильного оборудования ETAS Операционные системы OSEK2compliant Pumpkin Операционные системы Salvo Windmill Innovations Инструментальные платы и Ethernet TCP/IP Stack National Instruments Графическая среДа разработки LabVIEW Data I/O Программирование Flash2памяти Программаторы BP Microsystems Программирование Flash2памяти Программаторы ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 6/2005 Рис.6. Стартовый комплект eZdsp DSP Starter Kit полняется на языке C/C++, обеспечивающем генерацию высокоэффективного кода при2 кладной программы. ке по соотношению цена2качество. Расширения ( • ( • Рис.5. Блок6схема цифрового сигнального контроллера TMS320LF2407A, входящего в серию TMS320C24 Недорогие сигнальные контроллеры производительностью до 150 MIPS именно для вашего приложения TMS320F2810, TMS320F2811 и TMS320F2812 (рис.4) – первые промышленные 322бит микроконтроллеры с возможностью ис2 пользования внешней flash2памяти и с производительностью до 150 MIPS. Серия С28x – мировой лидер на рынке изделий для высококачественных сложных управляемых электроприводов. Характеристики микроконтроллеров серии оптимизированы именно для этого приложения. Предусмотрена поддержка обратной связи через датчики в условиях работы электропривода в распределённой системе управления (см. рис.3). Учитываются современные требо2 вания к регулированию фактора мощности. Программирование вы2 Микросхемы серии TMS320C24x (рис.5) – 162бит микроконтрол2 леры, предназначенные для недорогих систем высокоэффектив2 ного управляемого электропривода с отличными массогабаритны2 ми характеристиками. Производительность 20–40 MIPS наряду с встроенной flash2памятью позволяет реализовывать сложные алгоритмы управления. Благодаря этому разработчики могут ис2 пользовать более эффективные двигатели меньших габаритов, предоставляя заказчикам высокопроизводительные, энергосбе2 регающие, "тихие" системы. Микросхемы серии – лидеры на рын2 Аппаратные и программные инструменты разработчика. Texas Instruments предлагает полнофункциональные инструмен2 ты для разработчиков автоматизированного электропривода табл.2,3) [2]. К ним относятся следующие: плата контроллера электродвигателя DM1500, совместимая с комплектом разработчика LF2407 и F2812eZdsp Starter Kit рис.6). Предусмотрен цифровой ввод/вывод с гальваноразвя2 зкой. Силовые цепи постоянного тока рассчитаны на номиналь2 ное напряжение 350 В и номинальный ток 5 А (1 А в импульсе). Поддерживает двигатели ACI, BLDC, SR; плата контроллера электродвигателя DMC550 (рис.7), совмести2 мая с комплектом разработчика LF2407 и F2812eZdsp Starter Kit. Табл. 4. Некоторые совместимые с TMS320C24x/C28x продукты независимых производителей [5] Табл. 5. Характеристики микроконтроллеров семейства MSP430 Наиме нование* Объем памяти, Кбайт Дис кретный ввод/выв од, бит Драйвер ЖКД (число сегментов дисплея Сторо жевой таймер, 16 бит Число ка налов 16–бит таймера, B USART, число каналов I2 C SVS Сброс MPY Компара тор АЦП Число каналов 12бит ЦАП Корпус Flash –память программ Объем памяти, Кбайт MSP430F1101A 1 128 14 – + – – – – – – + Slope – 20DGV, DW, PW, 24RGE MSP430C1101 1 128 14 – + – – – – – – + Slope – 20DGV, DW, PW, 24RGE MSP430F1111A 2 128 14 – + – – – – – – + Slope – 20DGV, DW, PW, 24RGE MSP430C1111 2 128 14 – + – – – – – – + Slope – 20DGV, DW, PW, 24RGE MSP430F1121A 4 256 14 – + – – – – – – + Slope – 20DGV, DW, PW, 24RGE MSP430C1121 4 256 14 – + – – – – – – + Slope – 20DGV, DW, PW, 24RGE MSP430F1122 4 256 14 – + – – – – + – – 102бит, 8 каналов – 20DW, PW, 32RHB MSP430C1122 4 256 14 – + – – – – + – – – 20DW, PW MSP430F1132 8 256 14 – + – – – – + – – – 20DW, PW, 32RHB MSP430C1132 8 256 14 – + – – – – + – – – 20DW, PW MSP430F122 4 256 22 – + – 1 – – – – + Slope – 28DW, PW, 32RHB MSP430F123 8 256 22 – + – 1 – – – – + Slope – 28DW, PW, 32RHB MSP430F1222 4 256 22 – + – 1 – – + – – 102бит, 8 каналов – 28DW, PW, 32RHB MSP430F1232 8 256 22 – + – 1 – – + – – 102бит, 8 каналов – 28DW, PW, 32RHB MSP430F133 8 256 48 – + 3 1 – – – – + 122бит, 8 каналов – 64PM, RTD, PAG MSP430C1331 8 256 48 – + 3 1 – – – – + slope – 64PM, RTD MSP430F135 16 512 48 – + 3 1 – – – – + 122бит, 8 каналов – 64PM, RTD, PAG MSP430C1351 16 512 48 – + 3 1 – – – – + Slope – 64PM, RTD MSP430F147 32 1024 48 – + 7 2 – – – + + 122бит, 8 каналов – 64PM, RTD, PAG MSP430F1471 32 1024 48 – + 7 2 – – – + + Slope – 64PM, RTD MSP430F148 48 2048 48 – + 7 2 – – – + + 122бит, 8 каналов – 64PM, RTD, PAG MSP430F1481 48 2048 48 – + 7 2 – – – + + Slope – 64PM, RTD MSP430F149 60 2048 48 – + 7 2 – – – + + 122бит, 8 каналов – 64PM, RTD, PAG MSP430F1491 60 2048 48 – + 7 2 – – – + + Slope – 64PM, RTD MSP430F155 16 512 48 – + 3 1 + + + – + 122бит, 8 каналов 2 64PM MSP430F156 24 1024 48 – + 3 1 + + + – + 2 64PM MSP430F157 32 1024 48 – + 3 1 + + + – + 2 64PM MSP430F167 32 1024 48 – + 7 2 + + + + + 2 64PM MSP430F168 48 2048 48 – + 7 2 + + + + + 2 64PM MSP430F169 60 2048 48 – + 7 2 + + + + + 2 64PM MSP430F1610 32 5120 48 – + 7 2 + + + + + 2 64PM MSP430F1611 48 10240 48 – + 7 2 + + + + + 2 64PM MSP430F1612 55 5120 48 – + 7 2 + + + + + 2 64PM MSP430F412 4 256 48 + (96) + – – – + + – + Slope – 64PM, RTD MSP430C412 4 256 48 + (96) + – – – + + – + – 64PM, RTD MSP430F413 8 256 48 + (96) + – – – + + – + – 64PM, RTD MSP430C413 8 256 48 + (96) + – – – + + – + – 64PM, RTD MSP430F423 8 256 14 + (128) + – 1 – + + – – 162бит, 3 канала** – 64PM MSP430F425 16 512 14 + (128) + – 1 – + + – – – 64PM MSP430F427 32 1024 14 + (128) + – 1 – + + – – – 64PM MSP430F435 16 512 48 + (128/160) + 3 1 – + + – + 122бит,8 каналов – 80PN, 100PZ MSP430F436 24 1024 48 + (128/160) + 3 1 – + + – + – 80PN, 100PZ MSP430F437 32 1024 48 + (128/160) + 3 1 – + + – + – 80PN, 100PZ MSP430F447 32 1024 48 + (160) + 7 2 – + + + + – 100PZ MSP430F448 48 2048 48 + (160).. + 7 2 – + + + + – 100PZ MSP430F449 60 2048 48 + (160).. + 7 2 – + + + + – 100PZ Примечание: *C – для приборов с памятью программ на ПЗУ, F – для приборов с flash2памятью программ. ** Сигма2дельта АЦП. Э Л Е М Е Н Т Н А Я Б А З А Э Л Е К Т Р О Н И К И Рис.8. Структурная схема цифрового сигнального контроллера MSP430F449 Силовые цепи постоянного тока рассчитаны на напряжение 24 В и ток 2,5 А. Поддерживает двигатели BLDC. Стартовые комплекты и платы2прототипы позволяют быстро вне2 дрять системы управления на базе микроконтроллеров семейства С2000 в уникальное оборудование, надёжно и быстро разрабатывать серийное оборудование. О стабильности и популярности продукции TI свидетельствуют представленные на рынке совместимые продукты независимых производителей (табл.4) [4]. СИГНАЛЬНЫЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ С УЛЬТРАНИЗКОЙ ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТЬЮ СЕМЕЙСТВА MSP430 Микроконтроллеры с ультранизкой потребляемой мощностью семейства MSP430 содержат 162бит RISC2процессорное ядро об2 работки смешанного сигнала и различные наборы периферийных устройств, обеспечивающих выполнение требований конкретных Рис. 9. Структурная схема цифрового сигнального контроллера MSP430F169 ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 6/2005 приложений. Микропроцессоры семейства пред2 ставляют собой систему на кристалле, предназна2 ченную для измерительных систем с батарейным питанием, их основное назначение – анализ ана2 логовых и дискретных сигналов и управление ис2 полнительными устройствами. Гибкий генератор с цифровым управлением позволяет переходить из состояния ожидания в высокопроизводительный активный режим обработки сигнала менее чем за 6 мкс. Самым высоким уровнем интеграции аналого2 вых устройств в сочетании с наименьшим в про2 мышленности энергопотреблением отличаются микросхемы серий MSP430F43x/MSP430F44x, представляющие собой завершенную систему на кристалле со встроенной flash2памятью [5]. Flash2микроконтроллер MSP430F449 (рис.8), входящий в серию, характеризуется самой низкой потребляемой энергией для ре2 шений система на кристалле и предназначен для реализации встроенных средств сбора и отображения данных в индустриальных приложениях. Микросхема MSP430F449 содержит высокопроиз2 водительный микроконтроллер (200 Квыборок/с), 122бит АЦП и драйвер ЖК2дисплея. 162бит RISC2процессор позволяет реализо2 вывать новые приложения с минимальным увеличением размера кода. В состав микросхемы входят также flash2память программ и данных емкостью 60 Кбайт и 256 байт, соответственно, и ОЗУ емкостью 2 Кбайт. Программируемая в системе flash2память про2 грамм позволяет вносить изменения в код "в последнюю минуту" и модернизировать устройство в условиях эксплуатации. Потребляе2 мый ток микросхемы не превышает 1 мкА (в "спящем" режиме), что и обеспечивает экономию ресурса батарей [6]. Flash2микроконтроллер MSP430F169 – первая в промышленно2 сти микросхема на основе процессорного ядра с ультранизким энергопотреблением, позволяющим реализовать систему на кри2 сталле, предназначенную для оборудования с батарейным питанием (рис.9). При напряжении питания 2,2 В ток, потребляемый в актив2 ном режиме, составляет 330 мкА, в режиме ожидания – 1,1 мкА, в нерабочем режиме – 0,2 мкА. В состав микросхемы входят 82ка2 нальный 162бит АЦП с производительностью 2000 Квыборок/с, компаратор, таймер, два порта UART2интерфейса, порт I2C2ин2 терфейса, 162бит аппаратный умножитель (удобный для спек2 Рис.10. Внешний вид flash6эму6 трального анализа и других лятора. приложений), супервизор на2 пряжения питания. Для вывода аналоговых данных в её состав включён двухканальный ЦАП. Объем flash2памяти программ и дан2 ных 60К и 256 байт, соответственно, ОЗУ 2 2 Кбайт. Обмен массива2 ми данных обеспечивает встроенный контроллер прямого доступа к памяти [7]. Микросхема идеально подходит для приложений с ограничени2 ями по потребляемой мощности, массогабаритным характеристи2 кам, себестоимости. Контроллеры семейства MSP430 могут быть укомплектованы эмулятором flash2памяти MSP2FET430 Flash Emulation Tool, который содержит эмулятор памяти реального времени (через интерфейс JTAG), все необходимые кабели и переходники, а также программ2 ное обеспечение (ассемблер, линкер, симулятор, C2компилятор, рис. 10, табл. 5). 8 ЛИТЕРАТУРА 1. www.ti.com/2000dmclib 2. www.ti.com/c2000appsw 3. www.ti.com/mcdevboards 4. www.ti.com/3dparty 5. www.ti.com/sc/device/msp430 6. www.ti.com/sc/device/msp430f449