電機(jī)控制嵌入式DSP芯片ADMC401及其應(yīng)用

電機(jī)控制嵌入式DSP芯片ADMC401及其應(yīng)用摘要：新一代電機(jī)控制嵌入式DSP芯片ADMC401的原理與結(jié)構(gòu)，描述了其A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、脈沖寬度調(diào)制單元和光電編碼器接口單元等電機(jī)控制外設(shè)電路的獨(dú)特之處和應(yīng)用中的技術(shù)關(guān)鍵。還將ADMC401與其它國際主流產(chǎn)品相比較，并結(jié)合電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢，介紹了ADMC401在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：嵌入式DSP電機(jī)控制交流調(diào)速近年來，隨著現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)市場的繁榮，AD公司推出了ADMCxx系列電機(jī)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(jī)床控制等高精度應(yīng)用。目前有一定數(shù)量的文獻(xiàn)涉及到ADMC401在電氣傳動(dòng)中的應(yīng)用[1~3]，但都側(cè)重于介紹傳動(dòng)系統(tǒng)或者電機(jī)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(diǎn)。ADMC401具有一套完備的外圍控制接口和豐富的電機(jī)控制外設(shè)電路，將DSP的高速運(yùn)算能力和外設(shè)電路的控制能力結(jié)合到一起，可以在高度集成環(huán)境中實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。本文將著重闡述ADMC401的原理和特點(diǎn)，并介紹它在工業(yè)控制中的應(yīng)用。1ADMC401的體系結(jié)構(gòu)ADMC401的體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，它主要由DSP內(nèi)核和存儲(chǔ)空間及電機(jī)控制外設(shè)電路組成。對(duì)全數(shù)字化高性能的電機(jī)控制來講，ADMC401最具特色的電機(jī)控制外設(shè)電路是它的片內(nèi)模/數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、脈沖寬度調(diào)制單元和光電編碼器接口單元。1.1DSP內(nèi)核和存儲(chǔ)空間DSP內(nèi)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(jié)構(gòu)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(gè)系統(tǒng)級(jí)的特征，如內(nèi)存映射、中斷系統(tǒng)和低功耗運(yùn)行等。ADMC401的DSP內(nèi)核包含三個(gè)計(jì)算單元、兩個(gè)數(shù)據(jù)地址發(fā)生器和一個(gè)程序定序器。計(jì)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(nèi)程序存儲(chǔ)RAM、2K×24bit的片內(nèi)程序存儲(chǔ)ROM以及1K×16bit的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)RAM。此外，ADMC401可以通過外部地址總線和外部數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展為14K×24bit的程序存儲(chǔ)空間和13K×16bit的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。1.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)系統(tǒng)ADC系統(tǒng)在電機(jī)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(diào)控電機(jī)的運(yùn)行。ADMC401包含一個(gè)快速、高精度、多輸入的ADC系統(tǒng)，工作模式十分靈活，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。ADMC401的ADC系統(tǒng)有8路專用模擬信號(hào)輸入，所有信號(hào)通過一個(gè)12bit的流水線閃速(Pipeline-Flash)模/數(shù)轉(zhuǎn)換內(nèi)核在2μs內(nèi)全部轉(zhuǎn)換完畢。整個(gè)系統(tǒng)在四分之一的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率下工作，輸入的模擬電壓幅度可以達(dá)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(zhuǎn)換內(nèi)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(shí)，VIN0和VIN4、VIN1和VIN5、VIN2和VIN6、VIN3和VIN7組成四對(duì)雙通道同步采樣輸入端，每一對(duì)模擬信號(hào)被同步采樣和保持。采用順序采樣模式時(shí)，8路模擬信號(hào)在一個(gè)ADC時(shí)鐘周期(或四個(gè)DSP時(shí)鐘周期)內(nèi)被逐路采樣和保持。該ADC系統(tǒng)有兩種起動(dòng)模式--內(nèi)部命令起動(dòng)模式和外部命令起動(dòng)模式。內(nèi)部命令起動(dòng)是在PWM同步脈沖(PWMSYNC)的上升沿開始A/D轉(zhuǎn)換；外部命令起動(dòng)是在CONVST引腳出現(xiàn)上升沿時(shí)開始A/D轉(zhuǎn)換。兩種起動(dòng)模式可以通過設(shè)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(gè)系統(tǒng)的工作精度。值得注意的是，在實(shí)際應(yīng)用中要恰當(dāng)配置與ADC系統(tǒng)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。在現(xiàn)代交流傳動(dòng)系統(tǒng)中，由于采用模擬(或模擬數(shù)字混和)電路實(shí)現(xiàn)的方案有電路復(fù)雜、一致性差、零漂等問題，近年來，國外一些公司紛紛推出電機(jī)控制專用DSP芯片，使復(fù)雜的控制策略得以實(shí)現(xiàn)，并且大大簡化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的性能，代表著電氣傳動(dòng)控制的發(fā)展方向。目前，國際上的主流電機(jī)控制專用微處理器有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]。與其它系列的芯片相比，ADMC401比較突出的特點(diǎn)有：(1)主頻較高，為26MIPS。(2)采用并行體系結(jié)構(gòu)，可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成乘加運(yùn)算，有利于高效求解電機(jī)系統(tǒng)數(shù)字控制的差分方程。(3)其指令編碼與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、四舍五入和全局中斷屏蔽等指令，有利于減小軟件的規(guī)模。(4)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器固化了矢量控制所必需的正余弦函數(shù)、CLARK和PARK變換及其逆變換等23個(gè)子程序，大大簡化了數(shù)字控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

(5)專設(shè)了光電編碼器接口及相應(yīng)的計(jì)時(shí)器和寄存器。(6)PWM發(fā)生單元的靈活性和可編程性能夠更好地滿足不同方式的PWM方案。(7)有高速、高精度、多路輸入的ADC系統(tǒng)，并且該ADC系統(tǒng)具有雙通道同步采樣能力。(8)ADMC401還具備其它一些特點(diǎn)，以適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用的要求，例如有3種程序引導(dǎo)模式、內(nèi)置上電復(fù)位電路以及低功耗運(yùn)行模式等。3基于ADMC401的交流調(diào)速系統(tǒng)一個(gè)以ADMC401作為控制核心的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。在應(yīng)用中，ADMC401所實(shí)現(xiàn)的軟件功能主要包括：(1)接收光電編碼器的信號(hào)，并依此計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速。(2)采集電機(jī)端電壓和線電流的瞬時(shí)值，用以實(shí)時(shí)估計(jì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，如磁鏈的大小和角度、轉(zhuǎn)矩的大小和方向、電機(jī)的轉(zhuǎn)速和滑差等。(3)根據(jù)負(fù)載的變化和指令信號(hào)的變化，按照某種調(diào)控規(guī)律產(chǎn)生PWM信號(hào)，控制逆變器的開關(guān)動(dòng)作，從而對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控。(4)當(dāng)檢測到系統(tǒng)處于非正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，閉鎖PWM信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。(5)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換與通信。隨著工業(yè)界對(duì)節(jié)能、噪聲抑制及工藝精度的日益重視，許多工業(yè)產(chǎn)品都趨向于采用交流電機(jī)的變頻控制技術(shù)，特別是性能優(yōu)越的矢量控制技術(shù)。矢量控制屬于計(jì)算密集型的控制方法，采樣控制周期短、控制算法復(fù)雜、而且檢測和計(jì)算精度高。作為新一代電機(jī)控制嵌入式DSP芯片，ADMC401完全可以勝任