電機控制芯片DSPADMC401的原理、特點及應(yīng)用研究

近年來，隨著現(xiàn)代電機控制技術(shù)的發(fā)展和電機驅(qū)動系統(tǒng)市場的繁榮，AD公司推出了ADMCxx系列電機控制嵌入式DSP。其中的ADMC401屬于高端產(chǎn)品，適合于工業(yè)控制、機床控制等高精度應(yīng)用。目前有一定數(shù)量的文獻涉及到ADMC401在電氣傳動中的應(yīng)用［1~3］，但都側(cè)重于介紹傳動系統(tǒng)或者電機控制的算法，沒有從芯片的角度系統(tǒng)地介紹ADMC401的原理和特點。ADMC401具有一套完備的外圍控制接口和豐富的電機控制外設(shè)電路，將DSP的高速運算能力和外設(shè)電路的控制能力結(jié)合到一起，可以在高度集成環(huán)境中實現(xiàn)電機控制。本文將著重闡述ADMC401的原理和特點，并介紹它在工業(yè)控制中的應(yīng)用。
1ADMC401的體系結(jié)構(gòu)
ADMC401的體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，它主要由DSP內(nèi)核和存儲空間及電機控制外設(shè)電路組成。對全數(shù)字化高性能的電機控制來講，ADMC401最具特色的電機控制外設(shè)電路是它的片內(nèi)模/數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、脈沖寬度調(diào)制單元和光電編碼器接口單元。
1.1DSP內(nèi)核和存儲空間
DSP內(nèi)核是ADMC401的“大腦”，它基于26MIPS定點ADSP-2171芯片。ADSP-2171芯片是AD公司ADSP-21xx家族的成員，其靈活的結(jié)構(gòu)和完整的指令集允許該處理器能并行執(zhí)行多種功能［4］。ADMC401被賦予了ADSP-2171的幾個系統(tǒng)級的特征，如內(nèi)存映射、中斷系統(tǒng)和低功耗運行等。
電機控制芯片DSPADMC401的原理、特點及應(yīng)用研究
電機控制芯片DSPADMC401的原理、特點及應(yīng)用研究
ADMC401的DSP內(nèi)核包含三個計算單元、兩個數(shù)據(jù)地址發(fā)生器和一個程序定序器。計算單元包含一個算術(shù)邏輯單元ALU、一個乘法－累加器（MAC）和一個桶式移位器。
ADMC401有2K×24bit的片內(nèi)程序存儲RAM、2K×24bit的片內(nèi)程序存儲ROM以及1K×16bit的數(shù)據(jù)存儲RAM。此外，ADMC401可以通過外部地址總線和外部數(shù)據(jù)總線擴展為14K×24bit的程序存儲空間和13K×16bit的數(shù)據(jù)存儲空間。
1.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）系統(tǒng)
ADC系統(tǒng)在電機控制中扮演著重要的角色。它是控制器的“眼睛”，借助ADC系統(tǒng)，控制器才可以監(jiān)視和調(diào)控電機的運行。ADMC401包含一個快速、高精度、多輸入的ADC系統(tǒng)，工作模式十分靈活，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

ADMC401的ADC系統(tǒng)有8路專用模擬信號輸入，所有信號通過一個12bit的流水線閃速（Pipeline-Flash）模/數(shù)轉(zhuǎn)換內(nèi)核在2μs內(nèi)全部轉(zhuǎn)換完畢。整個系統(tǒng)在四分之一的系統(tǒng)時鐘頻率下工作，輸入的模擬電壓幅度可以達到4V（峰－峰值）。8路輸入被分為兩組，VIN0~VIN3為一組，VIN4~VIN7為一組。每組都有一個專門的輸入端，它連接到采樣保持放大器的反相輸入端，把模擬量輸入偏置到模/數(shù)轉(zhuǎn)換內(nèi)核正常的輸入范圍。
ADMC401的ADC系統(tǒng)有兩種工作模式--同步采樣模式和順序采樣模式。采用同步采樣模式時，VIN0和VIN4、VIN1和VIN5、VIN2和VIN6、VIN3和VIN7組成四對雙通道同步采樣輸入端，每一對模擬信號被同步采樣和保持。采用順序采樣模式時，8路模擬信號在一個ADC時鐘周期（或四個DSP時鐘周期）內(nèi)被逐路采樣和保持。
該ADC系統(tǒng)有兩種起動模式--內(nèi)部命令起動模式和外部命令起動模式。內(nèi)部命令起動是在PWM同步脈沖（PWMSYNC）的上升沿開始A/D轉(zhuǎn)換；外部命令起動是在CONVST引腳出現(xiàn)上升沿時開始A/D轉(zhuǎn)換。兩種起動模式可以通過設(shè)置控制寄存器的值相互切換。
該ADC系統(tǒng)有兩種附加模式--偏置校正模式和增益校正模式，用于校正系統(tǒng)的偏置和增益，以增加整個系統(tǒng)的工作精度。
值得注意的是，在實際應(yīng)用中要恰當(dāng)配置與ADC系統(tǒng)相關(guān)引腳相連的電容，推薦配置如圖3所示，其中C3和C5是鉭電容，其余的是瓷片電容。
1.3脈沖寬度調(diào)制（PWM）單元
確定優(yōu)化的PWM波形是所有的電機控制算法的目的所在。ADMC401具有靈活、簡便、高精度的PWM發(fā)生單元，輸出6路PWM信號（AH至CL），用以控制逆變器功率開關(guān)的動作。如圖4所示，PWM信號由四個功能模塊控制：三相PWM定時單元、輸出控制單元、門極驅(qū)動單元及PWM閉鎖控制器［5］。

PWM單元具有兩種不同的工作模式：單脈沖更新模式和雙脈沖更新模式。在單脈沖更新模式中，占空比在每個PWM周期只能更新一次。在雙脈沖更新方式中，占空比在每個PWM周期可以更新兩次，第二次更新在PWM周期的中點實現(xiàn)。雙脈沖更新模式可以產(chǎn)生不對稱的PWM信號，用于三相PWM逆變器中抑制高次諧波，也使得閉環(huán)控制器以更快的頻率改變電機繞組端的平均電壓，并獲得更快速的閉環(huán)帶寬。
在PWM單元中，可以設(shè)置PWM最小脈沖寬度。因為功率開關(guān)在導(dǎo)通和關(guān)斷轉(zhuǎn)換過程需要一定的時間，所以在逆變器電路中，要求加入死區(qū)時間以消除小于一定寬度的PWM信號，從而保證功率開關(guān)可靠通斷。ADMC401具有一個10bit的最小脈寬設(shè)置寄存器，用于設(shè)置最小脈寬門檻值TMIN。如果控制器檢測到某一PWM信號從導(dǎo)通到關(guān)斷的時間小于TMIN，那么該PWM脈沖就被刪除，并在整個PWM周期內(nèi)保持關(guān)斷狀態(tài)，其互補信號則處于導(dǎo)通狀態(tài)。
在許多應(yīng)用場合，基極驅(qū)動電路必須采取隔離措施。通常有兩種隔離技術(shù)：光電隔離器和脈沖變壓器。ADMC401的門極驅(qū)動單元具有足夠的直接驅(qū)動隔離器件的能力，而且能夠?qū)WM信號與高頻斬波信號相結(jié)合，便于同脈沖變壓器接口連接。
ADMC401可以用于控制交流電機、直流電機以及開關(guān)磁阻（SR）電機。SR電機的驅(qū)動方式比較特殊，因此，ADMC401的PWM單元包含了一種SR調(diào)制方式。在SR方式中，低側(cè)PWM信號總處于導(dǎo)通狀態(tài)，與寫入控制寄存器的值無關(guān)。高側(cè)PWM信號仍由三個工作時間控制寄存器的值確定。利用輸出控制單元的交叉特性可以使高側(cè)或低側(cè)PWM信號始終處于ON狀態(tài)。
1.4光電編碼器接口單元（EIU）
ADMC401內(nèi)置了一個功能強大的EIU，該單元用于高性能運動控制系統(tǒng)的位置（或速度）反饋，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

EIU包括一個16位加/減計數(shù)器、一個可編程濾波器和一個零標(biāo)志器。正交編碼器信號加到引腳EIA和EIB，零標(biāo)志器輸入和閘門信號分別加到引腳EIZ和EIS上。當(dāng)在EIZ和EIS引腳上發(fā)生外部事件時，EIA和EIB在計數(shù)器中的值就被鎖存到專用寄存器EIZLATCH和EISLATCH中。EIU內(nèi)部設(shè)有可編程的噪聲濾波電路，以消除干擾脈沖對正交計數(shù)器正常工作的不良影響。EIU工作的時鐘頻率等于ADMC401的指令頻率，理想情況下，工作的最高頻率可達4.33MHz，相應(yīng)的最大正交信號頻率為17.3MHz。
在應(yīng)用EIU實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)子的速度信號反饋時，可以采用T法（又稱測頻法），也可以采用M法（又稱測周法）。但由于光電編碼器制作工藝上的限制，其刻度不可能絕對均勻，有時偏差甚至達到30%，如果不加以軟件上的處理，將會大大影響測量精度。要克服光電編碼器刻度誤差的影響，在較大速度范圍內(nèi)得到高精度的轉(zhuǎn)子速度信號反饋，可以采用改進的T法［2］。
1.5其它片內(nèi)外設(shè)
2ADMC401的性能特點
在現(xiàn)代交流傳動系統(tǒng)中，由于采用模擬（或模擬數(shù)字混和）電路實現(xiàn)的方案有電路復(fù)雜、一致性差、零漂等問題，近年來，國外一些公司紛紛推出電機控制專用DSP芯片，使復(fù)雜的控制策略得以實現(xiàn)，并且大大簡化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的性能，代表著電氣傳動控制的發(fā)展方向。
目前，國際上的主流電機控制專用微處理器有AD公司的ADMCxx系列，TI公司的TMS320C（F）24x系列，Motorola公司的MC68HC16系列，Intel公司的MC96系列［6］。與其它系列的芯片相比，ADMC401比較突出的特點有：
（1）主頻較高，為26MIPS。
（2）采用并行體系結(jié)構(gòu)，可在一個指令周期內(nèi)完成乘加運算，有利于高效求解電機系統(tǒng)數(shù)字控制的差分方程。
（3）其指令編碼與ADSP-21xxDSP系列和ADMC3xx系列完全兼容，具有良好的可移植性；增加了位操作、平方、四舍五入和全局中斷屏蔽等指令，有利于減小軟件的規(guī)模。
（4）內(nèi)部程序存儲器固化了矢量控制所必需的正余弦函數(shù)、CLARK和PARK變換及其逆變換等23個子程序，大大簡化了數(shù)字控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。
（5）專設(shè)了光電編碼器接口及相應(yīng)的計時器和寄存器。
（6）PWM發(fā)生單元的靈活性和可編程性能夠更好地滿足不同方式的PWM方案。
（7）有高速、高精度、多路輸入的ADC系統(tǒng)，并且該ADC系統(tǒng)具有雙通道同步采樣能力。
（8）ADMC401還具備其它一些特點，以適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用的要求，例如有3種程序引導(dǎo)模式、內(nèi)置上電復(fù)位電路以及低功耗運行模式等。
3基于ADMC401的交流調(diào)速系統(tǒng)
一個以ADMC401作為控制核心的異步電動機矢量控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

在應(yīng)用中，ADMC401所實現(xiàn)的軟件功能主要包括：
（1）接收光電編碼器的信號，并依此計算電機的轉(zhuǎn)速。
（2）采集電機端電壓和線電流的瞬時值，用以實時估計電機的運行狀態(tài)，如磁鏈的大小和角度、轉(zhuǎn)矩的大小和方向、電機的轉(zhuǎn)速和滑差等。
（3）根據(jù)負載的變化和指令信號的變化，按照某種調(diào)控規(guī)律產(chǎn)生PWM信號，控制逆變器的開關(guān)動作，從而對電機運行狀態(tài)進行調(diào)控。
（4）當(dāng)檢測到系統(tǒng)處于非正常運行狀態(tài)時，閉鎖PWM信號，對系統(tǒng)進行保護。
（5）與上位機的數(shù)據(jù)交換與通信。
隨著工業(yè)界對節(jié)能、噪聲抑制及工藝精度的日益重視，許多工業(yè)產(chǎn)品都趨向于采用交流電機的變頻控制技術(shù)，特別是性能優(yōu)越的矢量控制技術(shù)。矢量控制屬于計算密集型的控制方法，采樣控制周期短、控制算法復(fù)雜、而且檢測和計算精度高。作為新一代電機控制嵌入式DSP芯片，ADMC401完全可以勝任這些復(fù)雜精確的計算和控制任務(wù)。包括高性能電機控制在內(nèi)，ADMC401的應(yīng)用已經(jīng)延伸到不間斷電源（UPS）、電能監(jiān)測、繼電保護等多個工業(yè)領(lǐng)域。針對ADMC401的強大的功能，AD公司及其第三方開發(fā)商都推出了相應(yīng)的評估套件，提供了調(diào)試硬件電路和軟件控制算法的工具，給開發(fā)人員帶來了極大的便利。