基于DSP芯片ADMC401的电机控制

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、机床控制等高精度应用。目前有一定数量的文献涉及到ADMC401在电气传动中的应用[1~3]，但都侧重于介绍传动系统或者电机控制的算法，没有从芯片的角度系统地介绍ADMC401的原理和特点。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。本文将着重阐述ADMC401的原理和特点，并介绍它在工业控制中的应用。

1 ADMC401的体系结构

ADMC401的体系结构图如图1所示，它主要由DSP内核和存储空间及电机控制外设电路组成。对全数字化高性能的电机控制来讲，ADMC401最具特色的电机控制外设电路是它的片内模/数转换系统、脉冲宽度调制单元和光电编码器接口单元。

1.1 DSP内核和存储空间

DSP内核是ADMC401的大脑，它基于26MIPS定点ADSP-2171芯片。ADSP-2171芯片是AD公司ADSP-21xx家族的成员，其灵活的结构和完整的指令集允许该处理器能并行执行多种功能[4]。ADMC401被赋予了ADSP-2171的几个系统级的特征，如内存映射、中断系统和低功耗运行等。

ADMC401的DSP内核包含三个计算单元、两个数据地址发生器和一个程序定序器。计算单元包含一个算术逻辑单元ALU、一个乘法－累加器(MAC)和一个桶式移位器。

ADMC401有2K×24bit的片内程序存储RAM、2K×24bit的片内程序存储ROM以及1K×16bit的数据存储RAM。此外，ADMC401可以通过外部地址总线和外部数据总线扩展为14K×24bit的程序存储空间和13K×16bit的数据存储空间。

1.2 模/数转换(ADC)系统

ADC系统在电机控制中扮演着重要的角色。它是控制器的眼睛，借助ADC系统，控制器才可以监视和调控电机的运行。ADMC401包含一个快速、高精度、多输入的ADC系统，工作模式十分灵活，其结构示意图如图2所示。

ADMC401的ADC系统有8路专用模拟信号输入，所有信号通过一个12bit的流水线闪速(Pipeline-Flash)模/数转换内核在2μs内全部转换完毕。整个系统在四分之一的系统时钟频率下工作，输入的模拟电压幅度可以达到4V(峰－峰值)。8路输入被分为两组，VIN0~VIN3为一组，VIN4~VIN7为一组。每组都有一个专门的输入端，它连接到采样保持放大器的反相输入端，把模拟量输入偏置到模/数转换内核正常的输入范围。

ADMC401的ADC系统有两种工作模式--同步采样模式和顺序采样模式。采用同步采样模式时，VIN0和VIN4、VIN1和VIN5、VIN2和VIN6、VIN3和VIN7组成四对双通道同步采样输入端，每一对模拟信号被同步采样和保持。采用顺序采样模式时， 8路模拟信号在一个ADC时钟周期(或四个DSP时钟周期)内被逐路采样和保持。

该ADC系统有两种起动模式--内部命令起动模式和外部命令起动模式。内部命令起动是在PWM同步脉冲(PWMSYNC)的上升沿开始A/D转换；外部命令起动是在CONVST引脚出现上升沿时开始A/D转换。两种起动模式可以通过设置控制寄存器的值相互切换。

该ADC系统有两种附加模式--偏置校正模式和增益校正模式，用于校正系统的偏置和增益，以增加整个系统的工作精度。

值得注意的是，在实际应用中要恰当配置与ADC系统相关引脚相连的电容，推荐配置如图3所示，其中C3和C5是钽电容，其余的是瓷片电容。

1.3 脉冲宽度调制(PWM)单元

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、高精度的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。如图4所示，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[5]。

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周期只能更新一次。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最小脉冲宽度。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的最小脉宽设置寄存器，用于设置最小脉宽门槛值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。

ADMC401可以用于控制交流电机、直流电机以及开关磁阻(SR)电机。SR电机的驱动方式比较特殊，因此，ADMC401的PWM单元包含了一种SR调制方式。在SR方式中，低侧PWM信号总处于导通状态，与写入控制寄存器的值无关。高侧PWM信号仍由三个工作时间控制寄存器的值确定。利用输出控制单元的交叉特性可以使高侧或低侧PWM信号始终处于ON状态。