近年來，隨著現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)市場(chǎng)的繁榮，AD公司推出了ADMCxx系列電機(jī)控制嵌入式DSP。其中的ADMC401屬于高端產(chǎn)品，適合于工業(yè)控制、機(jī)床控制等高精度應(yīng)用。目前有一定數(shù)量的文獻(xiàn)涉及到ADMC401在電氣傳動(dòng)中的應(yīng)用[1~3]，但都側(cè)重于介紹傳動(dòng)系統(tǒng)或者電機(jī)控制的算法，沒有從芯片的角度系統(tǒng)地介紹ADMC401的原理和特點(diǎn)。ADMC401具有一套完備的外圍控制接口和豐富的電機(jī)控制外設(shè)電路，將DSP的高速運(yùn)算能力和外設(shè)電路的控制能力結(jié)合到一起，可以在高度集成環(huán)境中實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制。本文將著重闡述ADMC401的原理和特點(diǎn)，并介紹它在工業(yè)控制中的應(yīng)用。

1 ADMC401的體系結(jié)構(gòu)

ADMC401的體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，它主要由DSP內(nèi)核和存儲(chǔ)空間及電機(jī)控制外設(shè)電路組成。對(duì)全數(shù)字化高性能的電機(jī)控制來講，ADMC401最具特色的電機(jī)控制外設(shè)電路是它的片內(nèi)模/數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、脈沖寬度調(diào)制單元和光電編碼器接口單元。

1.1 DSP內(nèi)核和存儲(chǔ)空間

DSP內(nèi)核是ADMC401的大腦，它基于26MIPS定點(diǎn)ADSP-2171芯片。ADSP-2171芯片是AD公司ADSP-21xx家族的成員，其靈活的結(jié)構(gòu)和完整的指令集允許該處理器能并行執(zhí)行多種功能[4]。ADMC401被賦予了ADSP-2171的幾個(gè)系統(tǒng)級(jí)的特征，如內(nèi)存映射、中斷系統(tǒng)和低功耗運(yùn)行等。

ADMC401的DSP內(nèi)核包含三個(gè)計(jì)算單元、兩個(gè)數(shù)據(jù)地址發(fā)生器和一個(gè)程序定序器。計(jì)算單元包含一個(gè)算術(shù)邏輯單元ALU、一個(gè)乘法－累加器(MAC)和一個(gè)桶式移位器。

ADMC401有2K×24bit的片內(nèi)程序存儲(chǔ)RAM、2K×24bit的片內(nèi)程序存儲(chǔ)ROM以及1K×16bit的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)RAM。此外，ADMC401可以通過外部地址總線和外部數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展為14K×24bit的程序存儲(chǔ)空間和13K×16bit的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。

1.2 模/數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)系統(tǒng)

ADC系統(tǒng)在電機(jī)控制中扮演著重要的角色。它是控制器的眼睛，借助ADC系統(tǒng)，控制器才可以監(jiān)視和調(diào)控電機(jī)的運(yùn)行。ADMC401包含一個(gè)快速、高精度、多輸入的ADC系統(tǒng)，工作模式十分靈活，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

ADMC401的ADC系統(tǒng)有8路專用模擬信號(hào)輸入，所有信號(hào)通過一個(gè)12bit的流水線閃速(Pipeline-Flash)模/數(shù)轉(zhuǎn)換內(nèi)核在2μs內(nèi)全部轉(zhuǎn)換完畢。整個(gè)系統(tǒng)在四分之一的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率下工作，輸入的模擬電壓幅度可以達(dá)到4V(峰－峰值)。8路輸入被分為兩組，VIN0~VIN3為一組，VIN4~VIN7為一組。每組都有一個(gè)專門的輸入端，它連接到采樣保持放大器的反相輸入端，把模擬量輸入偏置到模/數(shù)轉(zhuǎn)換內(nèi)核正常的輸入范圍。

ADMC401的ADC系統(tǒng)有兩種工作模式--同步采樣模式和順序采樣模式。采用同步采樣模式時(shí)，VIN0和VIN4、VIN1和VIN5、VIN2和VIN6、VIN3和VIN7組成四對(duì)雙通道同步采樣輸入端，每一對(duì)模擬信號(hào)被同步采樣和保持。采用順序采樣模式時(shí)， 8路模擬信號(hào)在一個(gè)ADC時(shí)鐘周期(或四個(gè)DSP時(shí)鐘周期)內(nèi)被逐路采樣和保持。

該ADC系統(tǒng)有兩種起動(dòng)模式--內(nèi)部命令起動(dòng)模式和外部命令起動(dòng)模式。內(nèi)部命令起動(dòng)是在PWM同步脈沖(PWMSYNC)的上升沿開始A/D轉(zhuǎn)換；外部命令起動(dòng)是在CONVST引腳出現(xiàn)上升沿時(shí)開始A/D轉(zhuǎn)換。兩種起動(dòng)模式可以通過設(shè)置控制寄存器的值相互切換。

該ADC系統(tǒng)有兩種附加模式--偏置校正模式和增益校正模式，用于校正系統(tǒng)的偏置和增益，以增加整個(gè)系統(tǒng)的工作精度。

值得注意的是，在實(shí)際應(yīng)用中要恰當(dāng)配置與ADC系統(tǒng)相關(guān)引腳相連的電容，推薦配置如圖3所示，其中C3和C5是鉭電容，其余的是瓷片電容。

1.3 脈沖寬度調(diào)制(PWM)單元

確定優(yōu)化的PWM波形是所有的電機(jī)控制算法的目的所在。ADMC401具有靈活、簡(jiǎn)便、高精度的PWM發(fā)生單元，輸出6路PWM信號(hào)(AH至CL)，用以控制逆變器功率開關(guān)的動(dòng)作。如圖4所示，PWM信號(hào)由四個(gè)功能模塊控制：三相PWM定時(shí)單元、輸出控制單元、門極驅(qū)動(dòng)單元及PWM閉鎖控制器[5]。

PWM單元具有兩種不同的工作模式：?jiǎn)蚊}沖更新模式和雙脈沖更新模式。在單脈沖更新模式中，占空比在每個(gè)PWM周期只能更新一次。在雙脈沖更新方式中，占空比在每個(gè)PWM周期可以更新兩次，第二次更新在PWM周期的中點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。雙脈沖更新模式可以產(chǎn)生不對(duì)稱的PWM信號(hào)，用于三相PWM逆變器中抑制高次諧波，也使得閉環(huán)控制器以更快的頻率改變電機(jī)繞組端的平均電壓，并獲得更快速的閉環(huán)帶寬。

在PWM單元中，可以設(shè)置PWM最小脈沖寬度。因?yàn)楣β书_關(guān)在導(dǎo)通和關(guān)斷轉(zhuǎn)換過程需要一定的時(shí)間，所以在逆變器電路中，要求加入死區(qū)時(shí)間以消除小于一定寬度的PWM信號(hào)，從而保證功率開關(guān)可靠通斷。ADMC401具有一個(gè)10bit的最小脈寬設(shè)置寄存器，用于設(shè)置最小脈寬門檻值TMIN。如果控制器檢測(cè)到某一PWM信號(hào)從導(dǎo)通到關(guān)斷的時(shí)間小于TMIN，那么該P(yáng)WM脈沖就被刪除，并在整個(gè)PWM周期內(nèi)保持關(guān)斷狀態(tài)，其互補(bǔ)信號(hào)則處于導(dǎo)通狀態(tài)。

在許多應(yīng)用場(chǎng)合，基極驅(qū)動(dòng)電路必須采取隔離措施。通常有兩種隔離技術(shù)：光電隔離器和脈沖變壓器。ADMC401的門極驅(qū)動(dòng)單元具有足夠的直接驅(qū)動(dòng)隔離器件的能力，而且能夠?qū)WM信號(hào)與高頻斬波信號(hào)相結(jié)合，便于同脈沖變壓器接口連接。

ADMC401可以用于控制交流電機(jī)、直流電機(jī)以及開關(guān)磁阻(SR)電機(jī)。SR電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式比較特殊，因此，ADMC401的PWM單元包含了一種SR調(diào)制方式。在SR方式中，低側(cè)PWM信號(hào)總處于導(dǎo)通狀態(tài)，與寫入控制寄存器的值無關(guān)。高側(cè)PWM信號(hào)仍由三個(gè)工作時(shí)間控制寄存器的值確定。利用輸出控制單元的交叉特性可以使高側(cè)或低側(cè)PWM信號(hào)始終處于ON狀態(tài)。