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近年來(lái)，隨著(zhù)現代電機控制技術(shù)的發(fā)展和電機驅動(dòng)系統市場(chǎng)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用。目前有一定數量的文獻涉及到ADMC401在電氣傳動(dòng)中的應用[1~3]，但都側重于介紹傳動(dòng)系統或者電機控制的算法，沒(méi)有從芯片的角度系統地介紹ADMC401的原理和特點(diǎn)。ADMC401具有一套完備的外圍控制接口和豐富的電機控制外設電路，將DSP的高速運算能力和外設電路的控制能力結合到一起，可以在高度集成環(huán)境中實(shí)現電機控制。本文將著(zhù)重闡述ADMC401的原理和特點(diǎn)，并介紹它在工業(yè)控制中的應用。 1 ADMC401的體系結構 ADMC401的體系結構圖如圖1所示，它主要由DSP內核和存儲空間及電機控制外設電路組成。對全數字化高性能的電機控制來(lái)講，ADMC401最具特色的電機控制外設電路是它的片內模/數轉換系統、脈沖寬度調制單元和光電編碼器接口單元。 1.1 DSP內核和存儲空間 DSP內核是ADMC401的"大腦"，它基于26MIPS定點(diǎn)ADSP-2171芯片。ADSP-2171芯片是AD公司ADSP-21xx家族的成員，其靈活的結構和完整的指令集允許該處理器能并行執行多種功能[4]。ADMC401被賦予了ADSP-2171的幾個(gè)系統級的特征，如內存映射、中斷系統和低功耗運行等。 ADMC401的DSP內核包含三個(gè)計算單元、兩個(gè)數據地址發(fā)生器和一個(gè)程序定序器。計算單元包含一個(gè)算術(shù)邏輯單元ALU、一個(gè)乘法－累加器(MAC)和一個(gè)桶式移位器。 ADMC401有2K×24bit的片內程序存儲RAM、2K×24bit的片內程序存儲ROM以及1K×16bit的數據存儲RAM。此外，ADMC401可以通過(guò)外部地址總線(xiàn)和外部數據總線(xiàn)擴展為14K×24bit的程序存儲空間和13K×16bit的數據存儲空間。 1.2 模/數轉換(ADC)系統 ADC系統在電機控制中扮演著(zhù)重要的角色。它是控制器的"眼睛"，借助ADC系統，控制器才可以監視和調控電機的運行。ADMC401包含一個(gè)快速、高精度、多輸入的ADC系統，工作模式十分靈活，其結構示意圖如圖2所示。 ADMC401的ADC系統有8路專(zhuān)用模擬信號輸入，所有信號通過(guò)一個(gè)12bit的流水線(xiàn)閃速(Pipeline-Flash)模/數轉換內核在2μs內全部轉換完畢。整個(gè)系統在四分之一的系統時(shí)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(gè)專(zhuān)門(mén)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/數轉換內核正常的輸入范圍。 ADMC401的ADC系統有兩種工作模式--同步采樣模式和順序采樣模式。采用同步采樣模式時(shí)，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(shí)， 8路模擬信號在一個(gè)ADC時(shí)鐘周期(或四個(gè)DSP時(shí)鐘周期)內被逐路采樣和保持。 該ADC系統有兩種起動(dòng)模式--內部命令起動(dòng)模式和外部命令起動(dòng)模式。內部命令起動(dòng)是在PWM同步脈沖(PWMSYNC)的上升沿開(kāi)始A/D轉換；外部命令起動(dòng)是在CONVST引腳出現上升沿時(shí)開(kāi)始A/D轉換。兩種起動(dòng)模式可以通過(guò)設置控制寄存器的值相互切換。 該ADC系統有兩種附加模式--偏置校正模式和增益校正模式，用于校正系統的偏置和增益，以增加整個(gè)系統的工作精度。 值得注意的是，在實(shí)際應用中要恰當配置與ADC系統相關(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(jiǎn)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(kāi)關(guān)的動(dòng)作。如圖4所示，PWM信號由四個(gè)功能模塊控制：三相PWM定時(shí)單元、輸出控制單元、門(mén)極驅動(dòng)單元及PWM閉鎖控制器[5]。 PWM單元具有兩種不同的工作模式：?jiǎn)蚊}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(gè)PWM周期只能更新一次。在雙脈沖更新方式中，占空比在每個(gè)PWM周期可以更新兩次，第二次更新在PWM周期的中點(diǎn)實(shí)現。雙脈沖更新模式可以產(chǎn)生不對稱(chēng)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，可以設置PWM最小脈沖寬度。因為功率開(kāi)關(guān)在導通和關(guān)斷轉換過(guò)程需要一定的時(shí)間，所以在逆變器電路中，要求加入死區時(shí)間以消除小于一定寬度的PWM信號，從而保證功率開(kāi)關(guān)可靠通斷。ADMC401具有一個(gè)10bit的最小脈寬設置寄存器，用于設置最小脈寬門(mén)檻值TMIN。如果控制器檢測到某一PWM信號從導通到關(guān)斷的時(shí)間小于TMIN，那么該PWM脈沖就被刪除，并在整個(gè)PWM周期內保持關(guān)斷狀態(tài)，其互補信號則處于導通狀態(tài)。 在許多應用場(chǎng)合，基極驅動(dòng)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(mén)極驅動(dòng)單元具有足夠的直接驅動(dòng)隔離器件的能力，而且能夠將PWM信號與高頻斬波信號相結合，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(kāi)關(guān)磁阻(SR)電機。SR電機的驅動(dòng)方式比較特殊，因此，ADMC401的PWM單元包含了一種SR調制方式。在SR方式中，低側PWM信號總處于導通狀態(tài)，與寫(xiě)入控制寄存器的值無(wú)關(guān)。高側PWM信號仍由三個(gè)工作時(shí)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或低側PWM信號始終處于ON狀態(tài)。 1.4 光電編碼器接口單元(EIU) ADMC401內置了一個(gè)功能強大的EIU，該單元用于高性能運動(dòng)控制系統的位置(或速度)反饋，其結構框圖如圖5所示。 EIU包括一個(gè)16位加/減計數器、一個(gè)可編程濾波器和一個(gè)零標志器。正交編碼器信號加到引腳EIA和EIB，零標志器輸入和閘門(mén)信號分別加到引腳EIZ和EIS上。當在EIZ和EIS引腳上發(fā)生外部事件時(shí)，EIA和EIB在計數器中的值就被鎖存到專(zhuān)用寄存器EIZLATCH和EISLATCH中。EIU內部設有可編程的噪聲濾波電路，以消除干擾脈沖對正交計數器正常工作的不良影響。EIU工作的時(shí)鐘頻率等于A(yíng)DMC401的指令頻率，理想情況下，工作的最高頻率可達4.33MHz，相應的最大正交信號頻率為17.3MHz。 在應用EIU實(shí)現電機轉子的速度信號反饋時(shí)，可以采用T法(又稱(chēng)測頻法)，也可以采用M法(又稱(chēng)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(shí)偏差甚至達到30%，如果不加以軟件上的處理，將會(huì )大大影響測量精度。要克服光電編碼器刻度誤差的影響，在較大速度范圍內得到高精度的轉子速度信號反饋，可以采用改進(jìn)的T法[2]。 1.5 其它片內外設 除了上述的ADC系統、PWM單元和EIU之外，ADMC401還集成了很多其它的片內外設電路，包括兩個(gè)串行通訊接口、12路可編程數字I/O、內置上電復位電路和兩路輔助PWM等等。這些外設與ADMCxx系列較早出現的其它芯片類(lèi)似，如ADMC331和ADMC(F)32x等等。文獻[5]中對這些片內外設電路做了較為詳細的介紹。 2 ADMC401的性能特點(diǎn) 在現代交流傳動(dòng)系統中，由于采用模擬(或模擬數字混和)電路實(shí)現的方案有電路復雜、一致性差、零漂等問(wèn)題，近年來(lái)，國外一些公司紛紛推出電機控制專(zhuān)用DSP芯片，使復雜的控制策略得以實(shí)現，并且大大簡(jiǎn)化了系統硬件結構，提高了系統的性能，代表著(zhù)電氣傳動(dòng)控制的發(fā)展方向。 目前，國際上的主流電機控制專(zhuān)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(diǎn)有： (1)主頻較高，為26MIPS。 (2)采用并行體系結構，可在一個(gè)指令周期內完成乘加運算，有利于高效求解電機系統數字控制的差分方程。 (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模。 (4)內部程序存儲器固化了矢量控制所必需的正余弦函數、CLARK和PARK變換及其逆變換等23個(gè)子程序，大大簡(jiǎn)化了數字控制系統的軟件設計。 (5)專(zhuān)設了光電編碼器接口及相應的計時(shí)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(mǎn)足不同方式的PWM方案。 (7)有高速、高精度、多路輸入的ADC系統，并且該ADC系統具有雙通道同步采樣能力。 (8)ADMC401還具備其它一些特點(diǎn)，以適應工業(yè)應用的要求，例如有3種程序引導模式、內置上電復位電路以及低功耗運行模式等。 3 基于A(yíng)DMC401的交流調速系統 一個(gè)以ADMC401作為控制核心的異步電動(dòng)機矢量控制系統的基本結構如圖6所示。 在應用中，ADMC401所實(shí)現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速。 (2)采集電機端電壓和線(xiàn)電流的瞬時(shí)值，用以實(shí)時(shí)估計電機的運行狀態(tài)，如磁鏈的大小和角度、轉矩的大小和方向、電機的轉速和滑差等。 (3)根據負載的變化和指令信號的變化，按照某種調控規律產(chǎn)生PWM信號，控制逆變器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而對電機運行狀態(tài)進(jìn)行調控。 (4)當檢測到系統處于非正常運行狀態(tài)時(shí)，閉鎖PWM信號，對系統進(jìn)行保護。 (5)與上位機的數據交換與通信。 隨著(zhù)工業(yè)界對節能、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雜精確的計算和控制任務(wù)。包括高性能電機控制在內，ADMC401的應用已經(jīng)延伸到不間斷電源(UPS)、電能監測、繼電保護等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。針對ADMC401的強大的功能，AD公司及其第三方開(kāi)發(fā)商都推出了相應的評估套件，提供了調試硬件電路和軟件控制算法的工具，給開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)了極大的便利。 |
