摘? 要: 新一代電機控制" title="電機控制">電機控制嵌入式DSP芯片ADMC401的原理與結構,描述了其A/D轉換系統、脈沖寬度調制單元和光電編碼器" title="光電編碼器">光電編碼器接口單元等電機控制外設" title="外設">外設電路的獨特之處和應用中的技術關鍵。還將ADMC401與其它國際主流產品相比較,并結合電機控制技術的發展趨勢,介紹了ADMC401在交流調速系統中的應用。

　　關鍵詞: 嵌入式DSP? 電機控制? 交流調速

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　　近年來,隨著現代電機控制技術的發展和電機驅動系統市場的繁榮,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,適合于工業控制、機床控制等高精度應用。目前有一定數量的文獻涉及到ADMC401在電氣傳動中的應用[1～3],但都側重于介紹傳動系統或者電機控制的算法,沒有從芯片的角度系統地介紹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,可以在高度集成環境中實現電機控制。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/數轉換系統、脈沖寬度調制單元和光電編碼器接口單元。

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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行多種功能[4]。ADMC401被賦予了ADSP-2171的幾個系統級的特征,如內存映射、中斷系統和低功耗運行等。

　　ADMC401的DSP內核包含三個計算單元、兩個數據地址發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的數據存儲RAM。此外,ADMC401可以通過外部地址總線和外部數據總線擴展為14K×24bit的程序存儲空間和13K×16bit的數據存儲空間。

1.2 模/數轉換(ADC)系統

　　ADC系統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,控制器才可以監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,工作模式十分靈活,其結構示意圖如圖2所示。

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　　ADMC401的ADC系統有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/數轉換內核在2μs內全部轉換完畢。整個系統在四分之一的系統時鐘頻率下工作,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/數轉換內核正常的輸入范圍。

　　ADMC401的ADC系統有兩種工作模式——同步采樣" title="同步采樣">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,用于校正系統的偏置和增益,以增加整個系統的工作精度。

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。

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1.3 脈沖寬度調制(PWM)單元

　　確定優化的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]。

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　　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。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" title="導通">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,其互補信號則處于導通狀態。

　　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,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。

1.4 光電編碼器接口單元(EIU)

　　ADMC401內置了一個功能強大的EIU,該單元用于高性能運動控制系統的位置(或速度)反饋,其結構框圖如圖5所示。

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　　EIU包括一個16位加/減計數器、一個可編程濾波器和一個零標志器。正交編碼器信號加到引腳EIA和EIB,零標志器輸入和閘門信號分別加到引腳EIZ和EIS上。當在EIZ和EIS引腳上發生外部事件時,EIA和EIB在計數器中的值就被鎖存到專用寄存器EIZLATCH和EISLATCH中。EIU內部設有可編程的噪聲濾波電路,以消除干擾脈沖對正交計數器正常工作的不良影響。EIU工作的時鐘頻率等于ADMC401的指令頻率,理想情況下,工作的最高頻率可達4.33MHz,相應的最大正交信號頻率為17.3MHz。

　　在應用EIU實現電機轉子的速度信號反饋時,可以采用T法(又稱測頻法),也可以采用M法(又稱測周法)。但由于光電編碼器制作工藝上的限制,其刻度不可能絕對均勻,有時偏差甚至達到30%,如果不加以軟件上的處理,將會大大影響測量精度。要克服光電編碼器刻度誤差的影響,在較大速度范圍內得到高精度的轉子速度信號反饋,可以采用改進的T法^[2]。

1.5 其它片內外設

　　除了上述的ADC系統、PWM單元和EIU之外,ADMC401還集成了很多其它的片內外設電路,包括兩個串行通訊接口、12路可編程數字I/O、內置上電復位電路和兩路輔助PWM等等。這些外設與ADMCxx系列較早出現的其它芯片類似,如ADMC331和ADMC(F)32x等等。文獻[5]中對這些片內外設電路做了較為詳細的介紹。

2 ADMC401的性能特點

　　在現代交流傳動系統中,由于采用模擬(或模擬數字混和)電路實現的方案有電路復雜、一致性差、零漂等問題,近年來,國外一些公司紛紛推出電機控制專用DSP芯片,使復雜的控制策略得以實現,并且大大簡化了系統硬件結構,提高了系統的性能,代表著電氣傳動控制的發展方向。

　　目前,國際上的主流電機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比較突出的特點有:

　　(1)主頻較高,為26MIPS。

　　(2)采用并行體系結構,可在一個指令周期內完成乘加運算,有利于高效求解電機系統數字控制的差分方程。

　　(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模。

　　(4)內部程序存儲器固化了矢量控制所必需的正余弦函數、CLARK和PARK變換及其逆變換等23個子程序,大大簡化了數字控制系統的軟件設計。

　　(5)專設了光電編碼器接口及相應的計時器和寄存器。

　　(6)PWM發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,并且該ADC系統具有雙通道同步采樣能力。

　　(8)ADMC401還具備其它一些特點,以適應工業應用的要求,例如有3種程序引導模式、內置上電復位電路以及低功耗運行模式等。

3 基于ADMC401的交流調速系統

　　一個以ADMC401作為控制核心的異步電動機矢量控制系統的基本結構如圖6所示。

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　　在應用中,ADMC401所實現的軟件功能主要包括:

　　(1)接收光電編碼器的信號,并依此計算電機的轉速。

　　(2)采集電機端電壓和線電流的瞬時值,用以實時估計電機的運行狀態,如磁鏈的大小和角度、轉矩的大小和方向、電機的轉速和滑差等。

　　(3)根據負載的變化和指令信號的變化,按照某種調控規律產生PWM信號,控制逆變器的開關動作,從而對電機運行狀態進行調控。

　　(4)當檢測到系統處于非正常運行狀態時,閉鎖PWM信號,對系統進行保護。

　　(5)與上位機的數據交換與通信。

???? 隨著工業界對節能、噪聲抑制及工藝精度的日益重視,許多工業產品都趨向于采用交流電機的變頻控制技術,特別是性能優越的矢量控制技術。矢量控制屬于計算密集型的控制方法,采樣控制周期短、控制算法復雜、而且檢測和計算精度高。作為新一代電機控制嵌入式DSP芯片,ADMC401完全可以勝任這些復雜精確的計算和控制任務。包括高性能電機控制在內,ADMC401的應用已經延伸到不間斷電源(UPS)、電能監測、繼電保護等多個工業領域。針對ADMC401的強大的功能,AD公司及其第三方開發商都推出了相應的評估套件,提供了調試硬件電路和軟件控制算法的工具,給開發人員帶來了極大的便利。

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參考文獻

1 曹 坤,郝 奎,夏超英.ADMC401測速分析及實用算法.電氣自動化，2001(4)

2 郝 奎,曹 坤,夏超英.基于DSP的感應電動機矢量控制系統.電力電子技術，2001；35[5]：42～44

3 伍兵芳,朱志紅,賈正春等.基于ADMC401的全數字伺服系統研究.微特電機,2002(1):24～25

4 譚茀娃,金如麟,李 川.電機控制專用? DSP講座——§2 DSP的結構特點——ADSP21xx系列.微特電機,2001(3):41～44

5 譚茀娃,金如麟,李 川.電機控制專用DSP講座——§1?電機控制專用DSP概述.微特電機,2001(1):41~45

6 楊貴杰,崔乃政,王 強.集成DSP電機控制器ADMC331與TMS320C240的比較.微特電機,2000(4)