高性能的電機(jī)控制器ADMC401

摘要：本文介紹了美國(guó)模擬器件公司推出的用于電機(jī)控制的高檔DSP控制器ADMC401，具體分析了其結(jié)構(gòu)及控制外設(shè)，并提供了使用方法。

關(guān)鍵詞：DSP 電機(jī)控制

ADMC401是美國(guó)模擬器件公司（ADI）推出DSP芯片中的高檔產(chǎn)品，它以ADSP-2171為內(nèi)核，輔以完備的電機(jī)控制外設(shè)。與ADMC331相比，ADMC401在電機(jī)控制外設(shè)上增加了碼盤接口、事件捕獲單元，并提供了外部地址和數(shù)據(jù)擴(kuò)展能力，增強(qiáng)了A/D轉(zhuǎn)換能力，為在高集成環(huán)境中實(shí)施快速的電機(jī)控制開辟了廣闊的空間?？蓮V泛應(yīng)用于交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（ACIM）、永磁同步機(jī)（PMSM）、無刷直流機(jī)（BDCM）和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（SR）等控制系統(tǒng)中。本文重點(diǎn)討論了ADMC401的外設(shè)，并提供了具體的使用方法供讀者參考。

基本結(jié)構(gòu)

ADMC401的功能框圖如圖1所示：

ADMC401采用26MIPS定點(diǎn)ADSP-2171為內(nèi)核，它兼容于ADSP-21XX系列的其他DSP控制器；其指令周期為38.5ns（外接13MHz晶振），在一個(gè)指令周期內(nèi)DSP內(nèi)核可以完成以下功能：

·產(chǎn)生下一個(gè)程序地址

·取下一個(gè)指令

·進(jìn)行一個(gè)或兩個(gè)數(shù)據(jù)移動(dòng)

·更新一個(gè)或兩個(gè)數(shù)據(jù)地址指針

·進(jìn)行一次數(shù)據(jù)運(yùn)算

與此同時(shí)，還可完成從兩個(gè)串行口發(fā)送或接收數(shù)據(jù)、產(chǎn)生PWM信號(hào)、轉(zhuǎn)換A/D輸入信號(hào)、操作碼盤接口等工作。

ADMC401內(nèi)部提供了2K×24位的內(nèi)部程序RAM、2K×24位的內(nèi)部程序RAM和1K×16位的內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM；程序及數(shù)據(jù)RAM的內(nèi)容可由其串口從外部ROM中以同步或異步方式調(diào)入。為了滿足實(shí)際工程的需要，ADMC401還提供了外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展能力，用戶最多可以直接尋址片外14K×24位的程序存儲(chǔ)器用13K×16位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

作為高性能的電機(jī)控制器，ADMC401含有一些機(jī)控制專用的外圍設(shè)備。其中包括：8路12位A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、三相16位PWM產(chǎn)生單元、兩路輔助PWM輸出及用于位置反饋的增量式碼盤接口。另外ADM401還包括12路數(shù)字I/O口，事件捕獲單元及內(nèi)部定時(shí)器等設(shè)施，為開發(fā)快速、高精度的電機(jī)控制系統(tǒng)提供了完善的硬件設(shè)施。下面詳細(xì)討論這一部分。

用于電機(jī)控制的主要外設(shè)

A/D轉(zhuǎn)換單元

ADMC401含有一個(gè)快速、高精度的8路A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，主要功能框圖如圖2所示；

其中VI0到VI7是模擬量輸入端，ASHAN，BSHAN是樣保持器SHA的偏移量輸入端。另外，輸入信號(hào)VI0到VI7被分成兩組，每組各使用一個(gè)采樣保持器SHA A和SHA B，這種結(jié)構(gòu)使得用戶可以同時(shí)采樣兩個(gè)信號(hào)（即下面的工作模式一）。8路轉(zhuǎn)換的全部用時(shí)不足2us（外接13MHz晶振），解決了實(shí)際應(yīng)用中高速A/D轉(zhuǎn)換的問題。A/D轉(zhuǎn)換的輸入電壓范圍由引腳VREF決定，若選用ADMC401內(nèi)部產(chǎn)生的2V參考電壓，則電壓輸入范圍是0—4V。

A/D轉(zhuǎn)換有四種工作模式，由內(nèi)部寄存器ADCCTRL的3、4位確定：

模式1.同步采樣模式

模式2.順序采樣模式

模式3和模式4分別是補(bǔ)償矯正模式和增益矯正模式，用戶可以對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)換。

三相PWM控制器

ADMC401提供的PWM發(fā)生器功能強(qiáng)大、使用簡(jiǎn)單，不僅能產(chǎn)生通用的PWM波，而且還為無刷直流機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)分別提供了專門的PWM波產(chǎn)生方式，通過設(shè)置相應(yīng)的引腳即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同系統(tǒng)的控制。

PWM發(fā)生單元產(chǎn)生3個(gè)高側(cè)控制信號(hào)和3個(gè)低側(cè)控制信號(hào)以及一路用于同步的PWMSYNC信號(hào)。輸出PWM信號(hào)的開關(guān)頻率、死區(qū)時(shí)間和最小脈沖寬度均可通過改動(dòng)相應(yīng)的寄存器值來設(shè)置，并且允許用高頻斬波信號(hào)對(duì)PWM輸出波形進(jìn)行調(diào)制，以便利用變壓器進(jìn)行隔離和驅(qū)動(dòng)。

ADMC401的PWM波有兩種更新模式，在第一種模式下，占空比、死區(qū)時(shí)間等值在一個(gè)PWM周期內(nèi)保持不變，要想設(shè)置不同的值只能在下一個(gè)PWM周期改變；而在第二種模式下，使用者可以根據(jù)實(shí)際的需要，在PWM周期的一半處進(jìn)行以上值的改變，這樣提高了系統(tǒng)的靈活性，但由于PWM波的不對(duì)稱性可能會(huì)產(chǎn)生諧波干擾問題。這一點(diǎn)應(yīng)當(dāng)引起注意。

要想關(guān)斷PWM信號(hào)，可以將PWMTRIP引腳置零或?qū)IO口設(shè)為PWM關(guān)斷源。除了這兩種硬件方式外，用戶還可以通過軟件將PWMSWT的第一位置1來關(guān)斷PWM信號(hào)。

碼盤接口單元

ADMC401提供的增量式碼盤接口是ADMC331所沒有的，它可以方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制中的位置檢測(cè)和測(cè)速，為構(gòu)造高性能的控制系統(tǒng)提供了良好的硬件條件。

碼盤接口單元（EIU）由四個(gè)輸入端，其中EIA、EIB接受碼盤輸出的兩路正交信號(hào)，EIZ、EIS是零使能和選通信號(hào)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：

它主要由三部分組成：接口部分、循環(huán)定時(shí)部分和事件定時(shí)器部分，輸入信號(hào)首先進(jìn)入可編程噪音濾波單元濾波后，A、B信號(hào)進(jìn)入16位積分加減計(jì)數(shù)器，它產(chǎn)生的信號(hào)送入碼盤事件定時(shí)器，結(jié)合循環(huán)定時(shí)信號(hào)共同得到測(cè)速所需的信號(hào)（用戶可以讀取相應(yīng)的寄存器獲得）。所得信息經(jīng)過適當(dāng)?shù)挠?jì)算，可直接用作電機(jī)的速度信號(hào)。

其他外設(shè)

串行口

ADMC401提供了兩個(gè)全雙I同步串行口SORT0、SORT1，用以完成串行通訊和處理機(jī)間的通訊。

可編程數(shù)字I/O口

ADMC401擁有12路可編程數(shù)字I/O品，PI0至PI11，用戶可以通過相應(yīng)的寄存器直接對(duì)端口進(jìn)行操作，另外每一端口都可設(shè)為一個(gè)中斷源。

事件捕獲單元

ADMC401提供了兩種事件捕捉輸入通道ETU0和ETU1，內(nèi)部分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)寄存器。

監(jiān)視定時(shí)器

監(jiān)視定時(shí)器能夠在程序運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)執(zhí)行一次對(duì)DSP和控制外設(shè)的有效的復(fù)位操作，這一方法已在微機(jī)控制系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。

中斷控制器

ADMC401提供的中斷控制器能夠在最短的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)多個(gè)中斷，其中外圍中斷包括PI/O口、A/D轉(zhuǎn)換、PWM中斷等由IRQ2引腳產(chǎn)生。

應(yīng)用舉例

除了完備的硬件設(shè)施外，ADMC401的軟件設(shè)計(jì)環(huán)境也較為寬松，用戶可以利用發(fā)發(fā)裝置中的配套軟件，在WINDOWS下實(shí)現(xiàn)編程及調(diào)試任務(wù)，下面以產(chǎn)生固定占空比的PWM波為例給讀者提供一個(gè)初步的印象。

程序首先初始化PWW寄存器和中斷寄存器，然后為調(diào)用PWMSYNC中斷建立中斷向量表；主程序只做循環(huán)工作，等待中斷的產(chǎn)生；在PWMSYNC中斷服務(wù)程序中，向三個(gè)通道分別寫入不同的占空比。程序運(yùn)行后，用示波器可以看到固定占空比的PWM波形。程序清單從略。

在開發(fā)ADMC401的產(chǎn)品時(shí)，用戶可利用ADI公司提供的開發(fā)套件進(jìn)行調(diào)試研究，套件由連接在一起的處理板和連結(jié)板構(gòu)成，用戶可將處理板上的串行口SORT1與計(jì)算機(jī)的串行口相連，并在計(jì)算機(jī)上安裝提供的開發(fā)軟件，然后就可以進(jìn)行相應(yīng)軟件的開發(fā)調(diào)試；在硬件上，用戶可將輸入輸出信號(hào)接到連接板上相應(yīng)的外設(shè)接口上，這樣用戶就可以利用ADMC401開發(fā)自己的產(chǎn)品了。