基于DSP芯片ADMC401的電機控制

近年來，隨著現(xiàn)代電機控制技術的發(fā)展和電機驅動系統(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(shù)量的文獻涉及到ADMC401在電氣傳動中的應用[1~3]，但都側重于介紹傳動系統(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(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電路是它的片內模/數(shù)轉換系統(tǒng)、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(zhí)行多種功能[4]。ADMC401被賦予了ADSP-2171的幾個系統(tǒng)級的特征，如內存映射、中斷系統(tǒng)和低功耗運行等。

ADMC401的DSP內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的片內程序存儲RAM、2K×24bit的片內程序存儲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，其結構示意圖如圖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)轉換內核在2μs內全部轉換完畢。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)轉換內核正常的輸入范圍。

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)內被逐路采樣和保持。

該ADC系統(tǒng)有兩種起動模式--內部命令起動模式和外部命令起動模式。內部命令起動是在PWM同步脈沖(PWMSYNC)的上升沿開始A/D轉換；外部命令起動是在CONVST引腳出現(xiàn)上升沿時開始A/D轉換。兩種起動模式可以通過設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，在實際應用中要恰當配置與ADC系統(tǒng)相關引腳相連的電容，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，可以設置PWM最小脈沖寬度。因為功率開關在導通和關斷轉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，從而保證功率開關可靠通斷。ADMC401具有一個10bit的最小脈寬設置寄存器，用于設置最小脈寬門檻值TMIN。如果控制器檢測到某一PWM信號從導通到關斷的時間小于TMIN，那么該PWM脈沖就被刪除，并在整個PWM周期內保持關斷狀態(tài)，其互補信號則處于導通狀態(tài)。

在許多應用場合，基極驅動電路必須采取隔離措施。通常有兩種隔離技術：光電隔離器和脈沖變壓器。ADMC401的門極驅動單元具有足夠的直接驅動隔離器件的能力，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、直流電機以及開關磁阻(SR)電機。SR電機的驅動方式比較特殊，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)，與寫入控制寄存器的值無關。高側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或低側PWM信號始終處于ON狀態(tài)。