使用ADSP-CM408F ADC控制器的電機(jī)控制反饋采樣時(shí)序

　　簡(jiǎn)介

　　本應(yīng)用筆記介紹ADSP-CM408F模數(shù)轉(zhuǎn)換器控制器(ADCC)模塊的主要特性，重點(diǎn)討論該產(chǎn)品在高性能電機(jī)控制應(yīng)用的電流反饋系統(tǒng)中的相關(guān)性與可用性。

　　本應(yīng)用筆記的目的是為了強(qiáng)調(diào)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(DAC)模塊的關(guān)鍵功能，并提供針對(duì)電機(jī)控制應(yīng)用的配置指南。本文提供演示ADI ADCC驅(qū)動(dòng)器的代碼示例。

　　有關(guān)此ADCC的所有功能、配置寄存器和應(yīng)用程序接口(API)的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱ADSP-CM402F/ADSP-CM403F/ADSP-CM407F/ADSP-CM408F產(chǎn)品頁面和采用ARM Cortex-M4和16位ADC開發(fā)產(chǎn)品的ADSP-CM40x混合信號(hào)控制處理器的產(chǎn)品頁面上提供的《采用ARM Cortex-M4的ADSP-CM40x混合信號(hào)控制處理器硬件參考指南》。

　　雖然本應(yīng)用筆記重點(diǎn)討論電流反饋，類似的配置和應(yīng)用原理同樣適用于其他信號(hào)的反饋與測(cè)量。

　　同樣，雖然本應(yīng)用筆記重點(diǎn)討論ADSP-CM408F，但原理在本質(zhì)上同樣適用于ADSP-CM402F/ ADSP-CM403F/ADSP-CM407F/ADSP-CM408F系列的其他產(chǎn)品。

　　電流反饋系統(tǒng)概述

　　電機(jī)控制應(yīng)用中的電流反饋示例如圖1所示。該配置常用于高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并針對(duì)電機(jī)相位繞組電流采樣，而非對(duì)逆變器低端相位引腳采樣。中高電平時(shí)，電流傳感器或變壓器(CT0和CT1)必須用于電流測(cè)量路徑，因?yàn)樽栊苑至髌鞒叽邕^大而低效。

　　在圖1的配置中，處理器位于安全的隔離柵低壓側(cè)，而信號(hào)隔離通常為CT0和CT1所固有，且微處理器的脈沖寬度調(diào)制PWM輸出和柵極驅(qū)動(dòng)器之間還存在數(shù)字隔離。

　　通常需要在電流傳感器輸出和ADC輸入之間進(jìn)行一些信號(hào)調(diào)理，以便實(shí)現(xiàn)范圍匹配和高頻噪聲濾波。隨后將調(diào)理的電流測(cè)量信號(hào)施加于ADC輸入，用來采樣和轉(zhuǎn)換。對(duì)每個(gè)ADC輸入進(jìn)行一次繞組電流測(cè)量將使能電流測(cè)量的同步采樣以獲得更高的控制環(huán)路精度，從而增強(qiáng)性能。另外，還可在硬件內(nèi)直接配置采樣時(shí)間與PWM sync脈沖的同步。

　　圖1. 電機(jī)控制中ADSP-CM408F ADC的電流反饋

　　這些特性可使能PWM周期中相位電流測(cè)量點(diǎn)的精密時(shí)序。將這些測(cè)量時(shí)刻與零矢量的中間點(diǎn)或PWM周期的中間點(diǎn)對(duì)齊，確保電流采樣電平等效于忽略開關(guān)紋波的瞬時(shí)平均電流。

　　圖2中顯示了零矢量中點(diǎn)和PWM周期中點(diǎn)處的同步U相位和V相位采樣。

　　圖2. 平均電流采樣圖解

　　完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，便可將其通過直接存儲(chǔ)器訪問(DMA)傳輸至控制器靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)，完成傳輸后會(huì)生成一個(gè)中斷。在內(nèi)核模式下，通過存儲(chǔ)器映射寄存器，還可實(shí)現(xiàn)直接ADC狀態(tài)和數(shù)據(jù)讀取，但這種方法需消耗更多的處理器開銷。

　　通常還會(huì)采樣其他模擬信號(hào)，例如直流總線電壓、隔離式柵極雙極性晶體管(IGBT)溫度和電機(jī)位置正弦與余弦輸出。雖然本應(yīng)用筆記重點(diǎn)討論電流反饋，但很多信息也與系統(tǒng)中的其他測(cè)量參數(shù)有關(guān)。

　　ADC模塊概述

　　該ADC采用雙通道、16位、高速、低功耗、逐次逼近型寄存器(SAR)設(shè)計(jì)，精度高達(dá)14位。

　　輸入多路復(fù)用器最多支持連接兩個(gè)獨(dú)立受控ADC的26個(gè)模擬輸入源組合(每個(gè)ADC的12路模擬輸入加上1路DAC回送輸入)，任意時(shí)刻都對(duì)兩個(gè)通道同步采樣。 ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間快達(dá)380 ns。單端模擬輸入所需的電壓輸入范圍為0 V至2.5 V。

　　多路復(fù)用器和ADC之間提供片內(nèi)緩沖器，無需使用額外的外部信號(hào)調(diào)理ADSP-CM408F。此外，每個(gè)ADC都有一個(gè)片內(nèi)2.5 V基準(zhǔn)電壓源，當(dāng)優(yōu)先選擇外部基準(zhǔn)電壓源時(shí)可將其過驅(qū)(通過ADCC_CFG寄存器選擇該選項(xiàng))。

　　ADSP-CM408F中的總模擬子系統(tǒng)的圖形概述如圖3所示。ADSP-CM408F采用多芯片系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)，而ADC硅片制造工藝與處理器硅片工藝有所不同，如圖3所示。

　　ADCC負(fù)責(zé)ADC中與處理器的時(shí)序同步，并管理DMA，將采樣數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊RAM。

　　圖3. ADSP-CM408F模擬子系統(tǒng)

　　電流反饋調(diào)整

　　若要最大限度地正確利用ADC的能力，正確調(diào)整反饋信號(hào)非常重要。信號(hào)通過反饋路徑處理，如圖5所示。雙極性相位繞組電流IW通過電流傳感器(或變壓器)和信號(hào)調(diào)理電路的組合功能轉(zhuǎn)換為ADC輸入端的單極性電壓。

　　電流傳感器的傳遞函數(shù)由下式表示：

　　VIW = KCTIW + V0CT

　　其中：

　　VIW為輸出電壓。

　　KCT是傳感器的線性增益系數(shù)。

　　V0CT是傳感器的零電流失調(diào)電壓。

　　KCT在不同傳感器類型的某些電流水平下表現(xiàn)出非線性，且為了獲得更佳的精度，應(yīng)當(dāng)與IW成函數(shù)關(guān)系，即KCT (IW)。之后，ADC輸入電壓可表示為：

　　VIW_ADC= KSIGVIW = KSIG[KCT(IW)IW + V0CT]

　　其中，KSIG是信號(hào)調(diào)理電路的低頻增益。

　　該單極性電壓轉(zhuǎn)換為16位無符號(hào)整數(shù)，并由DMA傳輸至處理器存儲(chǔ)器，然后發(fā)出中斷，提醒控制程序新數(shù)據(jù)樣本可用。ADC理想化的傳遞函數(shù)如下所示：

　　其中：

　　NIW是ADC數(shù)字輸出字。

　　KADC表示ADC的線性增益，等于

　　根據(jù)輸入電壓范圍劃分的ADC分辨率，如上所示。

　　ADC輸出會(huì)產(chǎn)生一些失調(diào);而在軟件內(nèi)進(jìn)行一些失調(diào)補(bǔ)償(NADC_OFFSET)通常是一個(gè)好辦法，可將ADC自身的所有失調(diào)以及傳感器和信號(hào)調(diào)理電路產(chǎn)生的所有殘余失調(diào)從ADC輸出中去除。該值可在零電流周期(如系統(tǒng)啟動(dòng)或禁用驅(qū)動(dòng)輸出)中動(dòng)態(tài)更新。

　　最后，電流傳感器零電流失調(diào)電壓NCT_OFFSET的數(shù)字表示從ADC輸出信號(hào)中去除，使帶符號(hào)值IW(與實(shí)際相位繞組電流有關(guān))的表達(dá)式為：

　　IW = KADC(KSIG[KCT(IW)IW + V0CT]) – NADC_OFFSET – NCT_OFFSET

　　其中：

　　這個(gè)帶符號(hào)的16位值可轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)值，或直接使用，具體取決于控制器實(shí)現(xiàn)方案。若要最大限度地利用ADC的全范圍，則系統(tǒng)中的正峰值受控電流必須與ADC輸入電壓2.5 V相對(duì)應(yīng)，而負(fù)峰值受控電流與ADC輸入0 V相對(duì)應(yīng)。