浅谈高性能的电机控制器ADMC401

　　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。