ADIADSP-CM40xF系列MCU馬達(dá)控制參考設(shè)計(jì)

1、ADI ADSPCM40xF系列MCU馬達(dá)控制參考設(shè)計(jì)ADI公司的ADSP-CM40xF系列是基于ARM® Cortex-M4內(nèi)核的混合信號(hào)處理器,浮點(diǎn)單元工作頻率高達(dá)240MHz,集成了高達(dá)384KB SRAM,2MB閃存,加速器和用于馬達(dá)控制和光伏(PV)逆變器控制的外設(shè),以及包括兩個(gè)16位SAR型ADC和兩個(gè)12位DAC的模擬模塊.主要用在馬達(dá)控制和PV逆變器等.本文介紹了ADSP-CM40xF系統(tǒng)特性,框圖以及包括ADSP-CM408 控制核心板和PMSM FOC 控制功率底板的評(píng)估模塊CM408 MBD運(yùn)動(dòng)控制EVM主要特性,電路圖,材料清單和PCB設(shè)計(jì)文件.The ADS

2、P-CM40xF family of mixed-signal control processorsis based on the ARM® Cortex-M4TM processor core with floatingpointunit operating at frequencies up to 240 MHz and integratingup to 384KB of SRAM memory, 2MB of flash memory,accelerators and peripherals optimized for motor control andphoto-voltai

3、c (PV) inverter control and an analog module consistingof two 16-bit SAR-type ADCs and two 12-bit DACs. TheADSP-CM40xF family operates from a single voltage supply(VDD_EXT/VDD_ANA), generating its own internal voltagesupplies using internal voltage regulators and an external passtransistor.This fami

4、ly of mixed-signal control processors offers low staticpower consumption and is produced with a low-power and lowvoltagedesign methodology, delivering world class processorand ADC performance with lower power consumption.By integrating a rich set of industry-leading system peripheralsand memory, the

5、 ADSP-CM40xF mixed-signalcontrol processors are the platform of choice fornext-generation applications that require RISC programmability,advanced communications and leading-edge signalprocessing in one integrated package. These applications span awide array of markets including power/motor control,

6、embedded industrial, instrumentation, medical and consumer.Each ADSP-CM40xF family member contains the followingmodules. 8 GP timers with PWM output 3-phase PWM units with up to 4 output pairs per unit 2 CAN modules 1 two-wire interface (TWI) module 3 UARTs 1 ADC controller (ADCC) to control on-chip

7、 ADCs 1 DAC controller (DACC) to control on-chip DACs 1 Sinus Cardinalis (SINC) filter 1 Harmonic Analysis Engine (HAE) 1 SPI connected to internal SPI flash memory 1 watchdog timer unit 3 capture timer units 1 cyclic redundancy check (CRC)ADSP-CM40xF系統(tǒng)特性:Up to 240MHz ARM Cortex-M4 with floating-poi

8、nt unit24-channel Analog Front End (AFE) with 16-bit ADCs128K Byte to 384K Byte zero-wait-state L1 SRAM with16K Byte L1 cacheUp to 2M Byte flash memorySingle 3.3 V power supplyPackage Options:176-lead (24 mm × 24 mm) LQFP package120-lead (14 mm × 14 mm) LQFP package212-ball (19 mm × 1

9、9 mm) BGA packageStatic Memory Controller (SMC) with asynchronous memoryinterface that supports 8-bit and 16-bit memoriesEnhanced PWM unitsFour 3rd/4th order SINC filters for glueless connection ofSigma-Delta modulatorsHardware-based Harmonic Analysis Engine10/100 Ethernet MAC with IEEE 1588v2 suppo

10、rtFull Speed USB On-the-Go (OTG)Two CAN (controller area network) 2.0B interfacesThree UART portsTwo Serial Peripheral Interface (SPI-compatible) portsSynchronous serial portEight 32-bit GP timers, three Capture Timing unitsFour Encoder Interfaces, 2 with frequency divisionOne TWI unit, fully compat

11、ible with I2C bus standardLightweight securityANALOG FRONT ENDTwo 16-bit SAR ADCs with up to 24 multiplexed inputs,supporting dual simultaneous conversion in 380 ns (16-bit,no missing codes)ADC controller (ADCC) and DAC controller (DACC)Two 12-bit DACsTwo 2.5 V precision voltage reference outputs圖1.

12、 ADSP-CM40xF系列框圖圖2. ADSP-CM40xF系列Cortex-M4框圖評(píng)估模塊CM408 MBD運(yùn)動(dòng)控制EVMCM408 MBD Motion Control EVM包含Oscar-Skylight Motion Control EVM(PMSM FOC 控制功率底板)和ADI M4 Control Card(ADSP-CM408 控制核心板) 兩部分，設(shè)計(jì)中充分考慮到了工業(yè)上對隔離的要求，具有完全隔離的CAN、RS-485、RS-232、Ethernet通訊接口以及控制部分和高壓功率部分的完全隔離。軟件部分采用了MBD（Model-based design），采用Matla

13、b& Simulink 工具對電機(jī)控制進(jìn)行建模，并自動(dòng)產(chǎn)生控制部分核心代碼，可以大大加速伺服電機(jī)控制軟件的開發(fā)流程，并且提供完善可靠的代碼，可以在前期研發(fā)階段讓工程師更關(guān)注與算法本身而不是陷入復(fù)雜的編碼和修改代碼的過程，以加速產(chǎn)品創(chuàng)新和新技術(shù)研發(fā)的過程。EVM 采用的ADSP-CM408F數(shù)字模擬混合信號(hào)處理器具有以下特點(diǎn)：雙通道16位SAR ADC，無失碼，13+ ENOB，轉(zhuǎn)換速率達(dá)380ns，適應(yīng)于高精度閉環(huán)控制應(yīng)用。 l240 MHz ARM Cortex M4內(nèi)核集成浮點(diǎn)運(yùn)算單元，可支持高級(jí)編程模型和復(fù)雜算法。 l384KB SRAM和2MB閃存，從容應(yīng)對大程序。 l高級(jí)PW

14、M和定時(shí)器功能，可有效提升轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和電機(jī)性能。 lSINC濾波器，可無縫連接AD74xx隔離式轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)高精度隔離電流采樣。 l諧波分析引擎，可兼容并網(wǎng)連接（用于太陽能逆變器設(shè)備）。 l以太網(wǎng)和USB接口，支持網(wǎng)絡(luò)接口。 l2個(gè)CAN接口、3個(gè)UART、2個(gè)SPI、2個(gè)SPORT、8個(gè)32位定時(shí)器、2個(gè)雙線接口和4個(gè)正交編碼器接口。 l16位異步存儲(chǔ)器總結(jié)，可連接外置SRAM或FPGA。 l24x24 176引腳LQFP封裝，搭載91個(gè)GPIO引腳和16個(gè)ADC輸入引腳，專門針對電機(jī)控制應(yīng)用而優(yōu)化。 l最高支持105的環(huán)境工作溫度，適用于工業(yè)應(yīng)用 l圖3.評(píng)估模塊CM408 MBD運(yùn)動(dòng)控制E

15、VM外形圖ADI M4 Control Card(ADSP-CM408 控制核心板) 具有以下功能：完整的ADSP-CM408F最小系統(tǒng)，Boot Switch、時(shí)鐘及復(fù)位電路。 l4個(gè)LED 和3 個(gè)按鍵方便程序調(diào)試使用。 l隔離通訊接口2個(gè)CAN接口、1個(gè)RS-232、1 個(gè)RS-485接口。 lUSB OTG 接口、一個(gè)100M 以太網(wǎng)接口。 lPWM 及ADC 引出，方便對電機(jī)控制信號(hào)進(jìn)行測試。 l2 路SINC 濾波器輸入接口，直接連接連接ADUM74XX 系列-隔離ADC。 lTimer、CNT 等電機(jī)控制需要的引腳均用2.54 排針引出，方便客戶連接自己的功率底板。 lOscar

16、-Skylight Motion Control EVM (PMSM FOC 控制功率底板)具有如下功能：控制板連接接口，可與ADI M4 Control Card 進(jìn)行直接連接，由其提供控制信號(hào)。 l所有控制和反饋信號(hào)均采用ADI 高速磁隔離芯片進(jìn)行隔離。 l功率驅(qū)動(dòng)部分采用仙童FSBB20CH60C 600V/20A智能功率模塊，具有OCPLVO l具有多種相電流采樣方式，可通過- ADC 和ADSP-CM408 內(nèi)置的SINC 濾波器進(jìn)行電流采樣，也可通過霍爾電流傳感器和ADSP-CM408 內(nèi)置16bit ADC 采樣。 l多種傳感器接口，具有霍爾傳感器接口、旋轉(zhuǎn)編碼器接口、旋轉(zhuǎn)變壓器

17、接口（AD2S1210實(shí)現(xiàn)），用來連接傳感器獲取電機(jī)的速度和位置信號(hào)。 l    通過兩塊板子的配合，CM408 MBD Motion Control EVM具有電機(jī)控制需要的基本接口及功能模塊，配合MBD 軟件可以實(shí)現(xiàn)完整的電機(jī)控制功能。圖4.ADI M4 Control Card(ADSP-CM408 控制核心板)外形圖圖5.Oscar-Skylight Motion Control EVM (PMSM FOC 控制功率底板)外形圖針對電機(jī)控制系統(tǒng)，ADI公司能夠提供涵蓋信號(hào)鏈中所有重要器件的完整解決方案，相關(guān)產(chǎn)品包括了模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器、放大器、嵌入式處理器、

18、iCoupler®數(shù)字隔離器和電源管理器件。這些高性能的器件和增加系統(tǒng)集成度有助于實(shí)現(xiàn)更新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為客戶實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的差異化設(shè)計(jì)帶來價(jià)值。ADSP-CM4xx混合信號(hào)控制處理器采用ARM Cortex M4處理器內(nèi)核，集成高精度ADC、數(shù)字加速器和濾波器、SRAM和閃存以及豐富的外設(shè)。ADSP-CM4xx處理器適用于要求高性能實(shí)時(shí)控制和模擬轉(zhuǎn)換的廣泛嵌入式應(yīng)用。CM408 MBD Motion Control 包含EVM  Oscar-Skylight Motion Control EVM (PMSM FOC控制功率底板)  和ADI M4 Control

19、Card (ADSP-CM408控制核心板)兩部分，設(shè)計(jì)中充分考慮到了工業(yè)上對隔離的要求，具有完全隔離的CAN、RS-485、RS-232、Ethernet通訊接口以及控制部分和高壓功率部分的完全隔離。軟件部分采用了MBD（Model-based design），采用Matlab& Simulink工具對電機(jī)控制進(jìn)行建模，并自動(dòng)產(chǎn)生控制部分核心代碼，可以大大加速伺服電機(jī)控制軟件的開發(fā)流程，并且提供完善可靠的代碼，可以在前期研發(fā)階段讓工程師更關(guān)注于算法本身而不是陷入復(fù)雜的編碼和修改代碼的過程，以加速產(chǎn)品創(chuàng)新和新技術(shù)研發(fā)的過程。圖6.Oscar-ADI M4 Control Card電路圖

20、(1)圖7.Oscar-ADI M4 Control Card電路圖(2)圖8.Oscar-ADI M4 Control Card電路圖(3)圖9.Oscar-ADI M4 Control Card電路圖(4)圖10.Oscar-ADI M4 Control Card電路圖(5)圖11.Oscar-ADI M4 Control Card電路圖(6)圖12.Oscar-ADI M4 Control Card電路圖(7)圖13.Oscar-ADI M4 Control Card電路圖(8)圖14.Oscar-ADI M4 Control Card電路圖(9)圖15.Oscar-ADI M4 Con

21、trol Card電路圖(10)圖16.Oscar-ADI M4 Control Card電路圖(11)圖17.Oscar-ADI M4 Control Card電路圖(12)圖18.Oscar-ADI M4 Control Card電路圖(13)圖19.Oscar-ADI M4 Control Card電路圖(14)圖20.Oscar-Skylight Motion Control EVM電路圖(1)圖21.Oscar-Skylight Motion Control EVM電路圖(2)圖22.Oscar-Skylight Motion Control EVM電路圖(3)圖23.Oscar-S

22、kylight Motion Control EVM電路圖(4)圖24.Oscar-Skylight Motion Control EVM電路圖(5)圖25.Oscar-Skylight Motion Control EVM電路圖(6)圖26.Oscar-Skylight Motion Control EVM電路圖(7)圖27.Oscar-Skylight Motion Control EVM電路圖(8)圖28.Oscar-Skylight Motion Control EVM電路圖(9)圖29.Oscar-Skylight Motion Control EVM電路圖(10)圖30.Oscar-Skylight Motion Control EVM電路圖(11)圖31.Oscar-Skylight Motion Control EVM電路圖(12)圖32.Oscar-Skylight Motion Control EVM電路圖(13)圖33.Oscar-Skylight Motion Control EVM電路圖(14)圖34.ADI M4 Control Card PCB設(shè)計(jì)圖(1)圖35.ADI M4 Control Card PCB設(shè)計(jì)圖(2)圖36.ADI M4 Control Card