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DSP數位馬達控制技術
Adviser :趙春棠 教授
Student :邱議民
Student ID:
Ma120122
Renewable & Intelligent Power System Lab.
Outline
• I.摘
要
• II. 研究背景
• III. 數位馬達控制技術之發展
• IV. 高性能DSP控制晶片的發展
• V. 結論
Renewable & Intelligent Power System Lab.
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I.摘要
近年來，由於電力電子、DSP、磁場導向控
制方法與近代控制理論的發展，以高性能
DSP為基礎的馬達控制技術發展迅速，數位
馬達驅動器已成為市場與技術發展的主流，
本文說明以DSP為基礎的馬達控制技術的發
展現況與未來發展趨勢。
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II. 研究背景
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、造紙機等等。
伺服技術廣泛應用於自動化生產設備與國防武器系統，伺服技術也是發展相當
成熟的技術。以往，寬頻的伺服放大器均以類比技術實現。然而近年來，由於
微電子技術的快速發展，具有高速運算能力的數位信號處理器，已廣泛應用於
各種語音處理、影像處理、數位通訊、以及伺服系統。由於DSP的高速計算能
力，以往僅能以類比電路實現的控制迴路，也得以數位方式實現，就伺服系統
而言，這包含了扭矩迴路、電流迴路，乃至於功率轉換器的脈寬調變控制。
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III. 達控制技術之發展
數位馬
由於工控電腦的快速發展，採用多軸運動控制系統廣泛應用於機器人、CNC、雕刻機、
SMD裝配機、紡織機、印刷機、造紙機等等。
圖1是一個一個典型機械定位平台的系統方塊圖，伺服馬達驅動系統可以類比式、混和式
、或數位式的方式實現，
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圖2是相對應的伺服定位控制架構圖。類比式的通訊介面不僅限制了高階系統
控制器與低階馬達驅動器之間的控制與監測功能，在實際裝機時，也增加了配
線的困難。同時，因為伺服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。
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圖4則是採用全數位控制方式的數位式伺服驅動系統，由圖中可看出，全數位馬達驅動系
統具有較簡單的硬體控制介面，但卻具有更靈活的軟體控制介面。採用全數位控制方式具
有相當多的優點，其中影響最深遠的是電流控制迴路的數位化，數位式電流控制(digital
current control)可直接產生功率級的脈寬調變訊號，這意味著與馬達特性相關的的一些關
鍵控制參數，均可以軟體控制(software control)方式實現，擴展了未來自調式伺服驅動器
(auto-tuning servo drive)的發展空間。
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圖4是採用以DSP為基礎的全數位式模組化伺服驅動系統，其中的智慧型功率模組如圖5所示。由圖
中可看出，馬達驅動器的硬體技術朝向模組化的方向發展，硬體的簡化與功能的大幅提升，擴展了未
來軟體伺服的發展空間。
基本上一個伺服系統的設計牽涉到伺服馬達與回授感測元件的選擇、微處理器與關鍵功率元件的選擇、
相關軟硬體的設計等，因此要完成一個伺服系統的設計本身就是一個多重技術的整合工作，要整體提
升一個伺服驅動系統的性能諸如效率、功率密度、電流漣波因數、穩定度、頻寬、伺服剛度、強韌度
等，就必須要有整體的考量與均衡的設計，這其中又必須符合價格與可靠度的先決條件，因此馬達控
制可以說是一件既富挑戰性亦具學術性的實務研究工作。
一個先進的馬達驅動系統，可能包含下列控制功能：
1. 空間向量脈寬調變控制、隨機脈寬調變控制
2. 數位式電流控制、自調式電流控制
3. 轉子時間常數補償控制、線上轉子時間常數補償控制
4. 數位式速度迴路控制、自調式速度迴路控制
5. 數位式位置迴路控制、自調式位置迴路控制
6. 自我偵錯與診斷控制
為了要實現這些功能，就必須發展以高性能DSP為核心、以軟體控制為導向的智慧型馬達控制技術。
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IV. 高性能DSP控制晶片的發展
應用於馬達控制的微控器，必須具備價格便宜、高速的運算能力、與完整的馬達控制介。
一般的單晶片微控器如Intel 8051、Intel 80196MC等，已廣泛應用於工業控制領域，其關
鍵主要在於完整的I/O界面， 但應用於馬達控制，則有I/O不足，或運算能力不夠的缺點。
數位信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)的設計主要即在於以數位計算方式進行信
號處理，因而先天上即具有強大的數值計算能力，主要應用於電腦繪圖、儀器量測、影像
語音、控制通訊等領域。DSP也可視為一個具有強大計算能力的微處理器， 因此舉凡微處
理器可以應用的場合，如需要更快速的計算能力，則可考慮使用DSP。
近年來，由於微電子與半導體製程技術的快速發展，在加上未來馬達控制的廣大市場需求
，發展應用於馬達控制的專用DSP晶片已成為多家半導體公司努力的目標。
TI是目前領先的DSP製造公司，由此可看出其結合類比與數位控制IC的發展策略，而這也
是未來控制器積體化的發展趨勢。
以下介紹幾種目前應用於馬達控制，最具發展潛力的高性能單晶片微控器：
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Texas Instruments: TMS320F240
圖6 是TMS320X24 X的功能方塊圖硬體架構圖 ，TMS320X24X是16位元定點式DSP晶片
此DSP採pipe line運算結構，指令執行過程中的指令解析、位置計算、資料傳送、加乘運
算、回圈處理等功能均能同時進行，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快速運算的最大長處。此外，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。TMS320X240系列晶片之設計
主要是以馬達與電力轉換控制為主要應用目標，由於運算快速、完整的馬達控制介面、價
格低廉、以及充分的軟體與服務支援，預料將成為未來馬達與電力轉換控制的主要晶片。
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Hitachi: SH7044/SH7045
日立(Hitachi)公司提供了多種應用於工業控制的微控器，Super H的指令集基本
上是以"C語言"為精簡指令的設計基礎，因此C語言的程式執行效率甚佳。採用高
階語言C語言發展數位馬達控制的即時控制程式，以利於程式發展與維護，可大
幅縮短程式開發時間，已是未來的發展趨勢。
SH7044/SH7045之硬體架構圖如圖10 所示，採用SH2核心，SH7045F包含256
K Bytes之快閃記憶體，包含一個10-位元 8通道6.75ms的A/D轉換器，5個獨立
的PWM產生器(50 nsec解析度)，SH7044/SH7045也具有完整的馬達控制介面。
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V. 結論
基本上，上述兩種高性能的馬達控制晶片均可充分
滿足一般全數位馬達驅動系統的運算需求與周邊介
面，未來在大量生產的情況下，價格相差也不至於
太大，同時兩種DSP控制晶片均強調以C語言為主
的程式發展方式。若從性能的觀點而言，
SH7044/SH7045無疑是兩者中功能最強者，但
TMS320F240則具有最佳的性能/價格比，且服務支
援能力最佳，因此本研究採用TMS320F240發展全
數位的DSP馬達驅動與伺服控制軟體。
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VI. 參考文獻
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THE END THANKS
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