Procesory DSP i ich zastosowanie w układach napędowych

Przyczyniły się do tego ich niewątpliwe zalety, takie jak duża moc obliczeniowa i wbudowane układy peryferyjne. Cechy te pozwalają na implementację złożonych algorytmów. Dzięki temu można zrealizować wyrafinowane metody sterowania układami napędowymi oraz metody wywodzące się z dziedziny przetwarzania sygnałów czy też teorii estymacji.

W efekcie możliwa stała się nawet eliminacja niektórych czujników pomiarowych z układu sterowania. Nie bez znaczenia jest również możliwość implementacji metod adaptacyjnych. Obecnie wytwarzane są specjalne linie procesorów sygnałowych posiadających cechy charakterystyczne dla mikrokontrolerów, co pozwala na bezpośrednie stosowanie w układach napędowych. Dlatego warto przyjrzeć się typowym cechom procesorów DSP oraz innym czynnikom, które przyczyniły się do popularności tej technologii.

Tendencja zastępowania układów elektroniki analogowej technologiami cyfrowymi pojawiła się już kilkadziesiąt lat temu. Procesory sygnałowe (DSP) są aktywnym uczestnikiem tego nurtu. Ich historia sięga lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku, kiedy pojawiły się pierwsze procesory przeznaczone do realizacji metod cyfrowego przetwarzania sygnałów (DSP ang. Digital Signal Processing) [5]. Znamienna jest zbieżność anglojęzycznych skrótów – DSP. Metody powyższe najczęściej służą do przetwarzania sygnałów analogowych, zatem system DSP ma zastępować układ analogowy. W tym przypadku sygnał analogowy (np. sygnał mowy, przebieg mierzonego napięcia) należy zamienić na sygnał cyfrowy, co polega na pobieraniu próbek sygnału analogowego. Proces ten realizuje przetwornik analogowo-cyfrowy (A/C) i odbywa się on najczęściej w stałych odstępach czasowych, zwanych okresem próbkowania.

Przykładowo dla dobrej jakości sygnałów audio okres próbkowania jest rzędu 20 μs. Sygnał cyfrowy ma postać ciągu liczb równych wartościom chwilowym sygnału ciągłego. Dzięki temu przetwarzanie sygnałów realizowane przez procesor DSP sprowadza się do realizacji algorytmów w formie operacji arytmetycznych na liczbach [1]. Wynikiem przetwarzania jest ciąg liczb, który stanowi sygnał wyjściowy. Jest on ponownie zamieniany za pomocą przetwornika cyfrowo-analogowego (C/A) na sygnał ciągły, a po wygładzeniu kierowany jest do odbiornika analogowego (np. układ sterowania, wzmacniacz i głośnik). Cały proces przetwarzania został przedstawiony na rysunku 1. W przypadku układów napędowych zamiast typowego przetwornika C/A stosuje się generację sygnałów o modulowanej szerokości impulsu (PWM ang. Pulse Width Modulation), która pozwala na wysterowanie półprzewodnikowych elementów mocy.

Atrakcyjność stosowania przetwarzania cyfrowego wynika z wielu zalet, takich jak: dostępność i niska cena wydajnych układów cyfrowych, niski koszt wprowadzania modyfikacji, łatwa implementacja algorytmów adaptacyjnych, możliwość stosowania kompresji danych i łatwość ich przechowywania, duża odporność na zakłócenia, niezmienna stabilność pracy z upływem czasu. Zalety te powodują, że obszar zastosowań przetwarzania cyfrowego realizowanego przez procesory DSP jest bardzo szeroki. Obejmuje aplikacje ogólne (jak: filtracja, analiza widmowa, generacja sygnałów), zastosowania w telekomunikacji, aparaturze medycznej, przetwarzanie obrazów, aplikacje militarne, duży wybór zastosowań przemysłowych oraz w sprzęcie powszechnego użytku.