基于DSP芯片ADMC401的電機(jī)控制

1.4 光電編碼器接口單元(EIU)

ADMC401內(nèi)置了一個(gè)功能強(qiáng)大的EIU，該單元用于高性能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的位置(或速度)反饋，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

EIU包括一個(gè)16位加/減計(jì)數(shù)器、一個(gè)可編程濾波器和一個(gè)零標(biāo)志器。正交編碼器信號(hào)加到引腳EIA和EIB，零標(biāo)志器輸入和閘門(mén)信號(hào)分別加到引腳EIZ和EIS上。當(dāng)在EIZ和EIS引腳上發(fā)生外部事件時(shí)，EIA和EIB在計(jì)數(shù)器中的值就被鎖存到專用寄存器EIZLATCH和EISLATCH中。EIU內(nèi)部設(shè)有可編程的噪聲濾波電路，以消除干擾脈沖對(duì)正交計(jì)數(shù)器正常工作的不良影響。EIU工作的時(shí)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(dá)4.33MHz，相應(yīng)的最大正交信號(hào)頻率為17.3MHz。

在應(yīng)用EIU實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的速度信號(hào)反饋時(shí)，可以采用T法(又稱測(cè)頻法)，也可以采用M法(又稱測(cè)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(duì)均勻，有時(shí)偏差甚至達(dá)到30%，如果不加以軟件上的處理，將會(huì)大大影響測(cè)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(nèi)得到高精度的轉(zhuǎn)子速度信號(hào)反饋，可以采用改進(jìn)的T法[2]。

1.5 其它片內(nèi)外設(shè)

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

2 ADMC401的性能特點(diǎn)

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(wèn)題，近年來(lái)，國(guó)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(jiǎn)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(guó)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(jiǎn)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(kāi)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(cè)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(cè)和計(jì)算精度高。作為新一代電機(jī)控制嵌入式DSP芯片，ADMC401完全可以勝任這些復(fù)雜精確的計(jì)算和控制任務(wù)。包括高性能電機(jī)控制在內(nèi)，ADMC401的應(yīng)用已經(jīng)延伸到不間斷電源(UPS)、電能監(jiān)測(cè)、繼電保護(hù)等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。針對(duì)ADMC401的強(qiáng)大的功能，AD公司及其第三方開(kāi)發(fā)商都推出了相應(yīng)的評(píng)估套件，提供了調(diào)試硬件電路和軟件控制算法的工具，給開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)了極大的便利。