基于DSP芯片ADMC401的电机控制

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近年来，随着现代电机控制技术的发展和电机驱动系统市场的繁荣，AD公司推出了ADMCxx系列电机控制嵌入式DSP。其中的ADMC401属于高端产品，适合于工业控制、机床控制等高精度应用。目前有一定数量的文献涉及到ADMC401在电气传动中的应用[1~3]，但都侧重于介绍传动系统或者电机控制的算法，没有从芯片的角度系统地介绍ADMC401的原理和特点。ADMC401具有一套完备的外围控制接口和丰富的电机控制外设电路，将DSP的高速运算能力和外设电路的控制能力结合到一起，可以在高度集成环境中实现电机控制。本文将着重阐述ADMC401的原理和特点，并介绍它在工业控制中的应用。

1 ADMC401的体系结构
ADMC401的体系结构图如图1所示，它主要由DSP内核和存储空间及电机控制外设电路组成。对全数字化高性能的电机控制来讲，ADMC401最具特色的电机控制外设电路是它的片内模/数转换系统、脉冲宽度调制单元和光电编码器接口单元。
1.1 DSP内核和存储空间
DSP内核是ADMC401的"大脑"，它基于26MIPS定点ADSP-2171芯片。ADSP-2171芯片是AD公司ADSP-21xx家族的成员，其灵活的结构和完整的指令集允许该处理器能并行执行多种功能[4]。ADMC401被赋予了ADSP-2171的几个系统级的特征，如内存映射、中断系统和低功耗运行等。


ADMC401的DSP内核包含三个计算单元、两个数据地址发生器和一个程序定序器。计算单元包含一个算术逻辑单元ALU、一个乘法－累加器(MAC)和一个桶式移位器。
ADMC401有2K×24bit的片内程序存储RAM、2K×24bit的片内程序存储ROM以及1K×16bit的数据存储RAM。此外，ADMC401可以通过外部地址总线和外部数据总线扩展为14K×24bit的程序存储空间和13K×16bit的数据存储空间。
1.2 模/数转换(ADC)系统
ADC系统在电机控制中扮演着重要的角色。它是控制器的"眼睛"，借助ADC系统，控制器才可以监视和调控电机的运行。ADMC401包含一个快速、高精度、多输入的ADC系统，工作模式十分灵活，其结构示意图如图2所示。


ADMC401的ADC系统有8路专用模拟信号输入，所有信号通过一个12bit的流水线闪速(Pipeline-Flash)模/数转换内核在2μs内全部转换完毕。整个系统在四分之一的系统时钟频率下工作，输入的模拟电压幅度可以达到4V(峰－峰值)。8路输入被分为两组，VIN0~VIN3为一组，VIN4~VIN7为一组。每组都有一个专门的输入端，它连接到采样保持放大器的反相输入端，把模拟量输入偏置到模/数转换内核正常的输入范围。
ADMC401的ADC系统有两种工作模式--同步采样模式和顺序采样模式。采用同步采样模式时，VIN0和VIN4、VIN1和VIN5、VIN2和VIN6、VIN3和VIN7组成四对双通道同步采样输入端，每一对模拟信号被同步采样和保持。采用顺序采样模式时， 8路模拟信号在一个ADC时钟周期(或四个DSP时钟周期)内被逐路采样和保持。
该ADC系统有两种起动模式--内部命令起动模式和外部命令起动模式。内部命令起动是在PWM同步脉冲(PWMSYNC)的上升沿开始A/D转换；外部命令起动是在CONVST引脚出现上升沿时开始A/D转换。两种起动模式可以通过设置控制寄存器的值相互切换。
该ADC系统有两种附加模式--偏置校正模式和增益校正模式，用于校正系统的偏置和增益，以增加整个系统的工作精度。
值得注意的是，在实际应用中要恰当配置与ADC系统相关引脚相连的电容，推荐配置如图3所示，其中C3和C5是钽电容，其余的是瓷片电容。
1.3 脉冲宽度调制(PWM)单元
确定优化的PWM波形是所有的电机控制算法的目的所在。ADMC401具有灵活、简便、高精度的PWM发生单元，输出6路PWM信号(AH至CL)，用以控制逆变器功率开关的动作。如图4所示，PWM信号由四个功能模块控制：三相PWM定时单元、输出控制单元、门极驱动单元及PWM闭锁控制器[5]。




PWM单元具有两种不同的工作模式：单脉冲更新模式和双脉冲更新模式。在单脉冲更新模式中，占空比在每个PWM周期只能更新一次。在双脉冲更新方式中，占空比在每个PWM周期可以更新两次，第二次更新在PWM周期的中点实现。双脉冲更新模式可以产生不对称的PWM信号，用于三相PWM逆变器中抑制高次谐波，也使得闭环控制器以更快的频率改变电机绕组端的平均电压，并获得更快速的闭环带宽。
在PWM单元中，可以设置PWM最小脉冲宽度。因为功率开关在导通和关断转换过程需要一定的时间，所以在逆变器电路中，要求加入死区时间以消除小于一定宽度的PWM信号，从而保证功率开关可靠通断。ADMC401具有一个10bit的最小脉宽设置寄存器，用于设置最小脉宽门槛值TMIN。如果控制器检测到某一PWM信号从导通到关断的时间小于TMIN，那么该PWM脉冲就被删除，并在整个PWM周期内保持关断状态，其互补信号则处于导通状态。
在许多应用场合，基极驱动电路必须采取隔离措施。通常有两种隔离技术：光电隔离器和脉冲变压器。ADMC401的门极驱动单元具有足够的直接驱动隔离器件的能力，而且能够将PWM信号与高频斩波信号相结合，便于同脉冲变压器接口连接。
ADMC401可以用于控制交流电机、直流电机以及开关磁阻(SR)电机。SR电机的驱动方式比较特殊，因此，ADMC401的PWM单元包含了一种SR调制方式。在SR方式中，低侧PWM信号总处于导通状态，与写入控制寄存器的值无关。高侧PWM信号仍由三个工作时间控制寄存器的值确定。利用输出控制单元的交叉特性可以使高侧或低侧PWM信号始终处于ON状态。


1.4 光电编码器接口单元(EIU)
ADMC401内置了一个功能强大的EIU，该单元用于高性能运动控制系统的位置(或速度)反馈，其结构框图如图5所示。


EIU包括一个16位加/减计数器、一个可编程滤波器和一个零标志器。正交编码器信号加到引脚EIA和EIB，零标志器输入和闸门信号分别加到引脚EIZ和EIS上。当在EIZ和EIS引脚上发生外部事件时，EIA和EIB在计数器中的值就被锁存到专用寄存器EIZLATCH和EISLATCH中。EIU内部设有可编程的噪声滤波电路，以消除干扰脉冲对正交计数器正常工作的不良影响。EIU工作的时钟频率等于ADMC401的指令频率，理想情况下，工作的最高频率可达4.33MHz，相应的最大正交信号频率为17.3MHz。
在应用EIU实现电机转子的速度信号反馈时，可以采用T法(又称测频法)，也可以采用M法(又称测周法)。但由于光电编码器制作工艺上的限制，其刻度不可能绝对均匀，有时偏差甚至达到30%，如果不加以软件上的处理，将会大大影响测量精度。要克服光电编码器刻度误差的影响，在较大速度范围内得到高精度的转子速度信号反馈，可以采用改进的T法[2]。
1.5 其它片内外设
除了上述的ADC系统、PWM单元和EIU之外，ADMC401还集成了很多其它的片内外设电路，包括两个串行通讯接口、12路可编程数字I/O、内置上电复位电路和两路辅助PWM等等。这些外设与ADMCxx系列较早出现的其它芯片类似，如ADMC331和ADMC(F)32x等等。文献[5]中对这些片内外设电路做了较为详细的介绍。

2 ADMC401的性能特点
在现代交流传动系统中，由于采用模拟(或模拟数字混和)电路实现的方案有电路复杂、一致性差、零漂等问题，近年来，国外一些公司纷纷推出电机控制专用DSP芯片，使复杂的控制策略得以实现，并且大大简化了系统硬件结构，提高了系统的性能，代表着电气传动控制的发展方向。
目前，国际上的主流电机控制专用微处理器有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]。与其它系列的芯片相比，ADMC401比较突出的特点有：
(1)主频较高，为26MIPS。
(2)采用并行体系结构，可在一个指令周期内完成乘加运算，有利于高效求解电机系统数字控制的差分方程。
(3)其指令编码与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、四舍五入和全局中断屏蔽等指令，有利于减小软件的规模。
(4)内部程序存储器固化了矢量控制所必需的正余弦函数、CLARK和PARK变换及其逆变换等23个子程序，大大简化了数字控制系统的软件设计。
(5)专设了光电编码器接口及相应的计时器和寄存器。
(6)PWM发生单元的灵活性和可编程性能够更好地满足不同方式的PWM方案。
(7)有高速、高精度、多路输入的ADC系统，并且该ADC系统具有双通道同步采样能力。
(8)ADMC401还具备其它一些特点，以适应工业应用的要求，例如有3种程序引导模式、内置上电复位电路以及低功耗运行模式等。

3 基于ADMC401的交流调速系统
一个以ADMC401作为控制核心的异步电动机矢量控制系统的基本结构如图6所示。


在应用中，ADMC401所实现的软件功能主要包括：
(1)接收光电编码器的信号，并依此计算电机的转速。
(2)采集电机端电压和线电流的瞬时值，用以实时估计电机的运行状态，如磁链的大小和角度、转矩的大小和方向、电机的转速和滑差等。
(3)根据负载的变化和指令信号的变化，按照某种调控规律产生PWM信号，控制逆变器的开关动作，从而对电机运行状态进行调控。
(4)当检测到系统处于非正常运行状态时，闭锁PWM信号，对系统进行保护。
(5)与上位机的数据交换与通信。
随着工业界对节能、噪声抑制及工艺精度的日益重视，许多工业产品都趋向于采用交流电机的变频控制技术，特别是性能优越的矢量控制技术。矢量控制属于计算密集型的控制方法，采样控制周期短、控制算法复杂、而且检测和计算精度高。作为新一代电机控制嵌入式DSP芯片，ADMC401完全可以胜任这些复杂精确的计算和控制任务。包括高性能电机控制在内，ADMC401的应用已经延伸到不间断电源(UPS)、电能监测、继电保护等多个工业领域。针对ADMC401的强大的功能，AD公司及其第三方开发商都推出了相应的评估套件，提供了调试硬件电路和软件控制算法的工具，给开发人员带来了极大的便利。