常用電機(jī)微控制器之比較

電機(jī)控制是微控制器的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。近幾十年來，隨著微電子工藝水平的提高，電機(jī)微控制水平有了飛速的發(fā)展。世界上著名的集成電路芯片制造商紛紛推出各自的產(chǎn)品，使得電機(jī)微控制器種類不斷增多，功能日益增強(qiáng)。常見的有Intel公司的 8CX196MC/MD/MH、TI公司的TMS320C24x系列、 Motorola公司的M68HC08/16、ADI公司的ADMCxxx系列微控制器等等。

對于現(xiàn)代高性能的電機(jī)控制系統(tǒng)而言，除了要有一個(gè)功能強(qiáng)大的計(jì)算內(nèi)核外，還需要一些附加的外部電路，如高分辨率的A/D變換器、多路輸入輸出I/O口等，尤其需要一個(gè)用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)逆變器功率開關(guān)元件的PWM信號的波形發(fā)生單元和定時(shí)器單元，這也是電機(jī)微控制器共同的重要特片。

1 基本結(jié)構(gòu)

1.1 8XC196MC的基本結(jié)構(gòu)

8XC196MC 是Intel公司專門為電機(jī)高速控制所設(shè)計(jì)的一種16位微控制器，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。它有1個(gè)C196內(nèi)核（寄存器-寄存器結(jié)構(gòu)），當(dāng)時(shí)鐘頻率為 16MHz時(shí)，進(jìn)行1次16bit×16bit運(yùn)算需1.75μs；進(jìn)行1次32bit/16bit運(yùn)算需3μs；另外包括488字節(jié)的寄存器RAM、 64KB程序空間、中斷、7個(gè)I/O口共40條I/O口線，PTS工作方式支持串行輸入、輸出（SIO）功能；片內(nèi)外設(shè)有1個(gè)13通道的A/D轉(zhuǎn)換器，可工作在8位或10位模式，采樣保持時(shí)間、轉(zhuǎn)換時(shí)間、閥植檢測方式和零偏補(bǔ)償校正均可編程；2個(gè)16位定時(shí)器；1個(gè)事件處理器陣列（EPA）有4路捕捉/比較模塊和獨(dú)立的4路比較模塊，它和定時(shí)器共同完成對事件監(jiān)測與控制，具有125ns的事件處理分辨能力；1個(gè)三相波形發(fā)生器（Waveform Generator簡稱WG）和1個(gè)脈寬調(diào)制單元（PWM）。在運(yùn)行中可動(dòng)態(tài)選擇8位或者16位的總線寬芳，并能通過HOLD/HLDA協(xié)議方便地實(shí)現(xiàn)多處理器通信。

8XC196MD是8XC196MC的改進(jìn)型，引腳兼容且基本結(jié)構(gòu)相同，只是在其基礎(chǔ)上增加了如下功能；

①1路頻率發(fā)生器產(chǎn)生的頻率可編程的方波，適用于紅外遙控通信；

②在EPA中，添加了2路捕捉/比較模塊和獨(dú)立的2路比較模塊；

③增加8個(gè)I/O引腳，2個(gè)數(shù)字輸入引腳及1個(gè)A/D輸入引腳。

1.2 TMS320C240 DSP的基本結(jié)構(gòu)

TI（德州儀器）公司于1997年推出的電機(jī)微控制TMS320C240，是第1片專門為滿足復(fù)雜電機(jī)控制需求而設(shè)計(jì)的單片DSP控制器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于具有硬件乘法器及多總線結(jié)構(gòu)，TMS320C240支持高速指令周期及單周期乘法，16位定點(diǎn)DSP內(nèi)核的計(jì)算速度達(dá)20 MIPS（1個(gè)指令周期50ns），片內(nèi)有544字的數(shù)據(jù)/程序RAM和16K字的程序ROM，外設(shè)包括1個(gè)專用于電機(jī)控制的事件管理器（可用于產(chǎn)生三相 PWM信號和捕捉光電編碼器的脈沖信號）、2個(gè)8路10位A/D變換器、1個(gè)看門狗定時(shí)器、1個(gè)串行通信接口（SPI）、1個(gè)串行外設(shè)接口（SCI口）和 4個(gè)8位共32路I/O口。

1.3 ADMC331的結(jié)構(gòu)

ADMC3xx 系列是美國ADI（模擬器件）公司生產(chǎn)的單片DSP電機(jī)控制器。它們均以1個(gè)ADSP-2171DSP為基礎(chǔ)內(nèi)核，配以電機(jī)控制所需要的外設(shè)單元組成，主要包括ADMC300、ADMC328、ADMC330、ADMC331和ADMC401。其中，ADMC 328屬于簡單型控制器，僅有28個(gè)引腳，主要應(yīng)用在家用電器或一般較簡單的業(yè)控制系統(tǒng)中；ADMC300/330/331控制器引腳均為80個(gè)，性能居中，可較好地滿足一般調(diào)速系統(tǒng)的控制要求；ADMC401為高檔型DSP控制器，引腳多達(dá)144個(gè)，功能豐富，可應(yīng)用于高精度且復(fù)雜的調(diào)速控制系統(tǒng)中。這里以ADMC331為例簡要介紹一下其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

ADMC331集成了1個(gè)26MIPS的16位定點(diǎn)DSP內(nèi)核ADSP2171和一系列電機(jī)控制所需設(shè)備。DSP內(nèi)核并聯(lián)了3個(gè)運(yùn)算單元，ALU（算術(shù)邏輯）、MAC（乘加）和SHIFTER（移位）。ADMC331還提供了2K×24位的程序存儲器（ROM）、2K×24位程序存儲器（RAM）和1K× 16位數(shù)據(jù)存儲器（RAM），程序及數(shù)據(jù)存儲器RAM內(nèi)的存儲內(nèi)部可由其串口從外部ROM中以同步或異步方式裝入，ROM中還固化了一些常用的電機(jī)控制用子程序和常數(shù)，為控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)提供了方便。從圖3的結(jié)構(gòu)框圖中可見，ADMC331的外設(shè)包括1個(gè)16位三相PWM發(fā)生器，能夠靈活編程產(chǎn)生精確 PWM信號以驅(qū)動(dòng)逆變器的功率開關(guān)；7個(gè)模塊輸入通道，最高分辨率為12位，最高采樣頻率為32.5kHz；2個(gè)輔助8位PWM輸出通道，可用來為被控的功率因數(shù)校正或其它開關(guān)變換器提供開關(guān)信號，亦可通過合適的濾波網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)模轉(zhuǎn)換的輸出；16位的監(jiān)視定時(shí)器和可編程的16位定時(shí)器；每位均可設(shè)置為輸入 /輸出或中斷的24位數(shù)字可編程輸入/輸出（PIO）端口及2個(gè)雙緩沖的串行口。再加上豐富的DSP操作指令的支持，單周期指令執(zhí)行時(shí)間可達(dá) 38.5ns，使之不失為電機(jī)調(diào)速控制的理想器件。

2 PWM信號的形成

對于任何種類的三相電機(jī)控制系統(tǒng)，均要求產(chǎn)生3對完善的PWM信號以驅(qū)動(dòng)逆變器上下橋臂功率開關(guān)元件，并要求每對PWM信號有適當(dāng)?shù)膶?dǎo)通延時(shí)，以防止下橋臂功率開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通而毀壞系統(tǒng)。這也正是電機(jī)微控制器區(qū)別于其它種類微控制器的重要特征。