馬達控制用DSP向系統級芯片方向發展
目前用于馬達控制的IC大致可以分為三大類：馬達控制專用芯片以及針對馬達控制應用的MCU和DSP。近年來，隨著世界對高效、節能和低噪音的呼聲高漲，以及DSP價格的一路下跌，龐大的馬達控制市場向DSP展露出勃勃商機，DSP正由高檔工業馬達控制領域向整個馬達控制市場擴張。根據來自Forward Concepts的統計數據，去年用于馬達控制的DSP銷量為800萬塊，2005年銷量預計將增至3億塊以上。美國模擬器件、德州儀器、摩托羅拉半導體三大DSP巨頭都十分看重DSP的這一新興應用市場，紛紛推出針對馬達控制優化的DSP產品。這些DSP產品的共性是集成模擬電路、PWM馬達控制模塊、閃存和外設等部件，向系統級芯片方向發展。
DSP更適用于高速和大量運算的馬達控制
三類馬達控制用IC的性能和應用范圍各不相同。馬達控制專用IC在小功率的低端應用中具有較大的優勢和市場占有率，其特點是使用簡便，開發周期短，但往往在系統設計的靈活性及性能等方面受到限制。“針對馬達控制應用的MCU和DSP編程方便，非常適用于對控制性能和系統的靈活性有一定要求的場合。IC技術的發展使得MCU、尤其是DSP的成本快速下降，價格最低的可低至2美元，以往因為成本原因無法使用高性能控制的場合也開始使用MCU和DSP。”德州儀器中國辦事處高級應用工程師譚徽介紹道。
針對馬達控制的MCU與DSP在特性上各有不同，MCU側重于I/O接口的數量和可編程存儲器的大小，所以MCU非常適用于有大量的I/O操作的場合。而DSP的特長在于高速運算，側重于運算速度。與MCU相比，DSP具備更強的信號處理構架。通過軟件編程，附加的函數功能和運算法則等，DSP可實現高效率和高級控制過程。但DSP算法復雜，不易掌握。多年來，MCU已經在馬達控制領域得到廣泛應用，工程師們習慣于MCU編程。為此，Microchip公司DSC市場部經理Steven Marsh建議：一般MCU能勝任的馬達控制應用，應該使用MCU。但有些場合需要額外的性能和計算能力，只有DSP才能勝任時則建議使用DSP，如需要強大數字計算能力的無傳感器馬達控制和開關磁阻馬達等。
在無刷直流馬達、無傳感器馬達控制等復雜應用中，為實現良好的控制策略，通常要求較大的運算量和實時運算能力。“與MCU相比，DSP在這一方面具有絕對優勢。乘法和累加指令(MAC)的執行速度是計算控制算法和過濾器算法的關鍵，DSP內核可以在一個處理器時鐘周期中執行一個MAC。MCU內核的設計宗旨是實現邏輯功能，它需要花多個時鐘周期來完成一條乘法指令。基于MCU的馬達控制IC能控制直流馬達和帶霍爾傳感器的無刷馬達，但要實現無傳感器控制或正弦波變頻控制等復雜算法，則勢必需要DSP內核。近年來，隨著DSP價格的進一步降低，很多設計逐漸用DSP代替MCU實現馬達控制。”美國模擬器件公司馬達控制集團產品線總監Aegnus Murray解釋說。
馬達控制成為DSP新興應用領域
多年來，通用DSP一直用于高檔工業馬達控制中，如伺服馬達控制。近年來，隨著人們不斷強調產品的高效、節能和低噪音等特性，無刷直流馬達和交流感應馬達的應用日益廣泛，需要DSP的新型應用正迅速產生。根據來自Forward Concepts的統計數據，去年用于馬達控制的DSP銷量為800萬塊，2005年銷量預計將增至3億塊以上。
隨著馬達控制用DSP的日漸面市和價格的一路下降，DSP正日漸滲透進了整個馬達控制市場，特別是一些綠色家電領域。一些領先的家電制造商開始銷售采用DSP的電器，例如在日本市場上，具有低噪聲和節能特性的變頻冰箱和空調占該兩類產品總銷量的90%。“在空調和冰箱產品中，永磁交流馬達是最高效的解決方案，在該類應用中采用基于DSP的無感應器馬達控制算法。在洗衣機領域，三相交流感應馬達的運行速度比直流馬達或是單向馬達高得多。基于DSP的控制系統除了實現該類馬達控制外，還可以利用DSP的多余運算能力實現均衡檢測和洗滌周期控制等增值功能。風扇也是DSP馬達控制占據優勢的應用，在這些應用中無傳感器控制算法可以提供更為平滑的轉矩和更低的噪音。”美國模擬器件公司Murray稱。
德州儀器、美國模擬器件公司以及摩托羅拉等傳統DSP巨頭正將馬達控制市場作為DSP的新興應用領域。美國模擬器件公司和德州儀器進軍馬達控制市場已經有五、六年的歷史了。面對DSP需求的飛速增長，以往更加專注于馬達控制用MCU業務的摩托羅拉也于去年推出了一系列馬達控制用DSP器件。“為優化程序和提高編碼效率，近期該公司還推出了一種新型集傳統DSP的性能與微控制器的功能的新型內核構架DSP56800E。未來幾個月，摩托羅拉將推出幾款基于該內核的馬達控制用DSP。” 摩托羅拉運輸和標準產品集團DSP標準產品分部市場經理Victor Kwong稱。近期，Microchip也對外宣布了一種集RSIC和DSP的混合架構dsPIC，“該架構是一個16位非流水線式改進型哈佛結構RISC處理器，它將高性能16位微控制器的控制優勢與DSP的高運算速度相結合，采用與MCU相似的單一指令流。馬達控制是該構架的目標應用之一，具體產品將于明年第一季度批量生產。”Microchip公司Marsh透露。
主流馬達控制用DSP芯片及其特性
目前活躍在中國馬達控制IC市場的DSP供應商主要有三家：美國模擬器件、德州儀器及摩托羅拉半導體公司。針對高低檔不同應用，不同DSP產品價格從2美元起不等。馬達控制用DSP的共性是集成度高，最新的馬達控制DSP向系統級芯片發展，集成了模數轉換等模擬電路、PWM馬達控制模塊、閃存和外設集等部件，從而減少了整機系統的元件數和板尺寸，降低了系統的整體成本。
另外，集成有片上閃存的DSP可使用戶的設計更加靈活。由于系統的復雜性，OEM通常花費很多時間進行產品開發，另一方面激烈的競爭迫使OEM不斷推出新產品。這也是基于閃存的DSP芯片的優勢所在，它省去了ROM產品的發貨期和掩膜費用；開發過程可以延伸到生產階段，通過升級閃存中程序，無形中延長了整機產品的壽命。
*美國模擬器件公司
美國模擬器件公司的DSP馬達控制系統主要分高低端兩個領域。高性能馬達控制DSP包括ADMC300和ADMC401。在1萬件時ADMC401價格為18美元，ADMC300為13.5美元。低價馬達控制DSP包括ADMC331和DashDSP系列(ADMCF32x和ADMC32x)。ADMC328(帶ROM)在50萬件時單價為2.95美元。
Aegnus Murray介紹稱：該公司所有的DSP馬達控制IC都集成有一系列針對三相馬達控制優化的外設。三相PWM單元易于編程，經配置可用于三相交流馬達、無刷直流馬達或是開關磁阻馬達。在高性能應用領域，ADMC401是唯一帶有12位A/D轉換器的DSP。這個器件可以同步采樣兩路模擬信號，這是交流馬達控制的基本要求。在低端應用領域，ADMC328是唯一采用28引腳封裝的DSP馬達控制IC。該器件集成了實現無刷直流馬達所需的所有模擬和數字功能，并為OEM提供ADMC328的多種參考設計，已在家電業得到廣泛的應用。該產品系列中的下一個器件ADMC340將集成模擬放大器電路，該電路利用直流鏈路中的單一分流，測量三相中的各相電流。
*德州儀器公司
在馬達控制用DSP中，德州儀器的優勢在于系列品種齊全，涵蓋從低端到高端的一系列應用。譚徽例舉道：“從單個馬達的控制到多個馬達的控制；從價格最低的2美元到運算速度最快的400MIPS；芯片引腳從最少的32腳到132腳，系統控制單元完全可以用單片DSP實現。同時，德州儀器的DSP軟件集成開發環境Code Composer功能強大，可以支持實時調試，使用方便。更為重要的是，這一系列平臺上的應用軟件完全兼容，系統升級非常方便。”
德州儀器相關主要產品是針對于馬達控制優化的TMS320C24xx系列，其第一代為TMS320F/C240，第二代為TMS320C/F241、242和243。譚徽介紹道：這兩代產品的運算速度均為20MIPS，其中的241、242已被國內外眾多的家電廠商所采用。目前的第三代TMS320LF/C240x系列運算速度已達到40MIPS，片內用于馬達控制的事件管理器可以多達兩組，能夠實行多個馬達的控制；同時，模塊封裝形式也非常多樣化，其中TMS320LF2401的尺寸為7mm X 7mm，是目前業界最小的封裝。而第四代TMS320C28x的運算速度高達400MIPS，是用于馬達控制中運算速度最快的DSP。
*摩托羅拉半導體公司
“摩托羅拉的領先優勢之一是長期以來累積的經驗。摩托羅拉供應大量馬達控制產品，以往我們的MCU產品廣泛應用在汽車、工業和消費電子領域的馬達控制系統中。”摩托羅拉的Victor Kwong稱。該公司目前已經推出一系列基于DSP56800構架的馬達控制IC，未來幾個月，摩托羅拉將推出幾款基于其新型DSP56800E內核的馬達控制用DSP。
摩托羅拉的馬達控制用DSP在單芯片上集成了一系列針對馬達系統優化的特性：集成閃存和先進的PWM模塊；集成模數轉換器、板上電壓調整、CAN 2.0 A/B模塊、異步串行通信接口(SCI)、高速同步串行接口(SPI)等混合信號外設；具有ADC PWM同步等特性。“此外，摩托羅拉還提供靈活的系統設計工具以及各式簡單但靈活的解決方案，它支持馬達控制專用硬件、軟件和參考設計，使客戶可以集中精力進行個性化的增值IP設計。”Kwong稱。
如何選擇馬達控制用DSP
在選擇馬達控制用IC時，首先要考慮的是產品的性能和成本要求，這在很大程度上取決于系統的需求。“在工業應用中，A/D性能和核心的運算速度(MIPS)應是最主要的考慮因素。在低檔應用中，總的系統成本是關鍵因素。因此，需要綜合考慮到DSP和所有的外部器件的整體成本。”美國模擬器件公司的Murray稱。
第二，軟件開發工具是一個重要的因素，它關系到易編程性和編程的效率。第三，由于IC行業競爭非常激烈，客戶在考慮DSP平臺時應當選擇具有市場優勢和可以長期穩定供貨能力的供應商；同時要考查IC供應商的產品發展策略，這對OEM構建下一代應用很有幫助。因為這涉及軟件的可重用性，即客戶現在使用的軟件將來是否可以在IC供應商的下一代產品中適用，軟件的可重用性對縮短開發時間和產品的面市時間有影響。此外，在低端應用中，由于很多電器工程師往往對高速處理器缺乏經驗，因此還必須考查供應商是否提供強有力的應用支持。