基于DSP芯片ADMC401的電機控制

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)。