浅谈高性能的电机控制器ADMC401

时间:2011-06-15

  近年来,随着现代电机控制技术的发展和电机驱动系统市场的繁荣,AD公司推出了ADMCxx系列电机控制嵌入式DSP。其中的ADMC401属于高端产品,适合于工业控制、机床控制等高应用。ADMC401具有一套完备的外围控制接口和丰富的电机控制外设电路,将DSP的高速运算能力和外设电路的控制能力结合到一起,可以在高度集成环境中实现电机控制。可广泛应用于交流感应电动机(ACIM)、永磁同步机(PMSM)、无刷直流机(BDCM)和开关磁阻电动机(SR)等控制系统中。本文重点讨论了ADMC401的外设,并提供了具体的使用方法供读者参考。

  基本结构

  ADMC401的功能框图如图1所示:

  ADMC401采用26MIPS定点ADSP-2171为内核,它兼容于ADSP-21XX系列的其他DSP控制器;其指令周期为38.5ns(外接13MHz晶振),在一个指令周期内DSP内核可以完成以下功能:

  ADMC401内部提供了2K×24位的内部程序RAM、2K×24位的内部程序RAM和1K×16位的内部数据RAM;程序及数据RAM的内容可由其串口从外部ROM中以同步或异步方式调入。为了满足实际工程的需要,ADMC401还提供了外部存储器的扩展能力,用户多可以直接寻址片外14K×24位的程序存储器用13K×16位的数据存储器。

  作为高性能的电机控制器,ADMC401含有一些机控制专用的外围设备。其中包括:8路12位A/D转换系统、三相16位PWM产生单元、两路辅助PWM输出及用于位置反馈的增量式码盘接口。另外ADM401还包括12路数字I/O口,事件捕获单元及内部定时器等设施,为开发快速、高的电机控制系统提供了完善的硬件设施。下面详细讨论这一部分。

  用于电机控制的主要外设

  A/D转换单元

  ADMC401含有一个快速、高的8路A/D转换系统,主要功能框图如图2所示:

  其中VI0到VI7是模拟量输入端,ASHAN,BSHAN是样保持器SHA的偏移量输入端。另外,输入信号VI0到VI7被分成两组,每组各使用一个采样保持器SHA A和SHA B,这种结构使得用户可以同时采样两个信号(即下面的工作模式一)。8路转换的全部用时不足2us(外接13MHz晶振),解决了实际应用中高速A/D转换的问题。A/D转换的输入电压范围由引脚VREF决定,若选用ADMC401内部产生的2V参考电压,则电压输入范围是0—4V。

  A/D转换有四种工作模式,由内部寄存器ADCCTRL的3、4位确定:

  模式1.同步采样模式

  模式2.顺序采样模式

  模式3和模式4分别是补偿矫正模式和增益矫正模式,用户可以对采样的数据进行适当的补偿,以实现高的转换。

  三相PWM控制器

  确定优化的PWM波形是所有的电机控制算法的目的所在。ADMC401具有灵活、简便、高的PWM发生单元,输出6路PWM信号(AH至CL),用以控制逆变器功率开关的动作。PWM信号由四个功能模块控制:三相PWM定时单元、输出控制单元、门极驱动单元及PWM闭锁控制器。

  PWM单元具有两种不同的工作模式:单脉冲更新模式和双脉冲更新模式。在单脉冲更新模式中,占空比在每个PWM周期只能更新。在双脉冲更新方式中,占空比在每个PWM周期可以更新两次,第二次更新在PWM周期的中点实现。双脉冲更新模式可以产生不对称的PWM信号,用于三相PWM逆变器中抑制高次谐波,也使得闭环控制器以更快的频率改变电机绕组端的平均电压,并获得更快速的闭环带宽。

  在PWM单元中,可以设置PWM脉冲宽度。因为功率开关在导通和关断转换过程需要一定的时间,所以在逆变器电路中,要求加入死区时间以消除小于一定宽度的PWM信号,从而保证功率开关可靠通断。

  ADMC401具有一个10bit的脉宽设置寄存器,用于设置脉宽门槛值TMIN。如果控制器检测到某一PWM信号从导通到关断的时间小于TMIN,那么该PWM脉冲就被删除,并在整个PWM周期内保持关断状态,其互补信号则处于导通状态。 在许多应用场合,基极驱动电路必须采取隔离措施。通常有两种隔离技术:光电隔离器和脉冲变压器。ADMC401的门极驱动单元具有足够的直接驱动隔离器件的能力,而且能够将PWM信号与高频斩波信号相结合,便于同脉冲变压器接口连接。

  码盘接口单元

  ADMC401提供的增量式码盘接口是ADMC331所没有的,它可以方便的实现电机控制中的位置检测和测速,为构造高性能的控制系统提供了良好的硬件条件。

  码盘接口单元(EIU)由四个输入端,其中EIA、EIB接受码盘输出的两路正交信号,EIZ、EIS是零使能和选通信号,其结构框图如图3所示:

  它主要由三部分组成:接口部分、循环定时部分和事件定时器部分,输入信号首先进入可编程噪音滤波单元滤波后,A、B信号进入16位积分加减计数器,它产生的信号送入码盘事件定时器,结合循环定时信号共同得到测速所需的信号(用户可以读取相应的寄存器获得)。所得信息经过适当的计算,可直接用作电机的速度信号。

  其他外设

  串行口:ADMC401提供了两个全双I同步串行口SORT0、SORT1,用以完成串行通讯和处理机间的通讯。

  可编程数字I/O口:ADMC401拥有12路可编程数字I/O品,PI0至PI11,用户可以通过相应的寄存器直接对端口进行操作,另外每一端口都可设为一个中断源。

  事件捕获单元:ADMC401提供了两种事件捕捉输入通道ETU0和ETU1,内部分别对应两个寄存器。

  监视定时器:监视定时器能够在程序运行出错时执行对DSP和控制外设的有效的复位操作,这一方法已在微机控制系统中被广泛应用。

  中断控制器:ADMC401提供的中断控制器能够在短的时间内响应多个中断,其中外围中断包括PI/O口、A/D转换、PWM中断等由IRQ2引脚产生。

  应用举例

  除了完备的硬件设施外,ADMC401的软件设计环境也较为宽松,用户可以利用发发装置中的配套软件,在WINDOWS下实现编程及调试任务,下面以产生固定占空比的PWM波为例给读者提供一个初步的印象。

  程序首先初始化PWW寄存器和中断寄存器,然后为调用PWMSYNC中断建立中断向量表;主程序只做循环工作,等待中断的产生;在PWMSYNC中断服务程序中,向三个通道分别写入不同的占空比。程序运行后,用示波器可以看到固定占空比的PWM波形。程序清单从略。

  在开发ADMC401的产品时,用户可利用ADI公司提供的开发套件进行调试研究,套件由连接在一起的处理板和连结板构成,用户可将处理板上的串行口SORT1与计算机的串行口相连,并在计算机上安装提供的开发软件,然后就可以进行相应软件的开发调试;在硬件上,用户可将输入输出信号接到连接板上相应的外设接口上,这样用户就可以利用ADMC401开发自己的产品了。


  
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