電機控制是微控制器的一個重要應用領域。近幾十年來，隨著微電子工藝水平的提高，電機微控制水平有了飛速的發(fā)展。世界上著名的集成電路芯片制造商紛紛推出各自的產(chǎn)品，使得電機微控制器種類不斷增多，功能日益增強。常見的有Intel公司的 8CX196MC/MD/MH、TI公司的TMS320C24x系列、 Motorola公司的M68HC08/16、ADI公司的ADMCxxx系列微控制器等等。
對于現(xiàn)代高性能的電機控制系統(tǒng)而言，除了要有一個功能強大的計算內核外，還需要一些附加的外部電路，如高分辨率的A/D變換器、多路輸入輸出I/O口等，尤其需要一個用于產(chǎn)生驅動逆變器功率開關元件的PWM信號的波形發(fā)生單元和定時器單元，這也是電機微控制器共同的重要特片。
1 基本結構
1.1 8XC196MC的基本結構
8XC196MC 是Intel公司專門為電機高速控制所設計的一種16位微控制器，基本結構如圖1所示。它有1個C196內核（寄存器-寄存器結構），當時鐘頻率為 16MHz時，進行1次16bit×16bit運算需1.75μs；進行1次32bit/16bit運算需3μs；另外包括488字節(jié)的寄存器RAM、 64KB程序空間、中斷、7個I/O口共40條I/O口線，PTS工作方式支持串行輸入、輸出（SIO）功能；片內外設有1個13通道的A/D轉換器，可工作在8位或10位模式，采樣保持時間、轉換時間、閥植檢測方式和零偏補償校正均可編程；2個16位定時器；1個事件處理器陣列（EPA）有4路捕捉/比較模塊和獨立的4路比較模塊，它和定時器共同完成對事件監(jiān)測與控制，具有125ns的事件處理分辨能力；1個三相波形發(fā)生器（Waveform Generator簡稱WG）和1個脈寬調制單元（PWM）。在運行中可動態(tài)選擇8位或者16位的總線寬芳，并能通過HOLD/HLDA協(xié)議方便地實現(xiàn)多處理器通信。
8XC196MD是8XC196MC的改進型，引腳兼容且基本結構相同，只是在其基礎上增加了如下功能；
①1路頻率發(fā)生器產(chǎn)生的頻率可編程的方波，適用于紅外遙控通信；
②在EPA中，添加了2路捕捉/比較模塊和獨立的2路比較模塊；
③增加8個I/O引腳，2個數(shù)字輸入引腳及1個A/D輸入引腳。
1.2 TMS320C240 DSP的基本結構
TI（德州儀器）公司于1997年推出的電機微控制TMS320C240，是第1片專門為滿足復雜電機控制需求而設計的單片DSP控制器，其結構如圖2所示。由于具有硬件乘法器及多總線結構，TMS320C240支持高速指令周期及單周期乘法，16位定點DSP內核的計算速度達20 MIPS（1個指令周期50ns），片內有544字的數(shù)據(jù)/程序RAM和16K字的程序ROM，外設包括1個專用于電機控制的事件管理器（可用于產(chǎn)生三相 PWM信號和捕捉光電編碼器的脈沖信號）、2個8路10位A/D變換器、1個看門狗定時器、1個串行通信接口（SPI）、1個串行外設接口（SCI口）和 4個8位共32路I/O口。
1.3 ADMC331的結構
ADMC3xx 系列是美國ADI（模擬器件）公司生產(chǎn)的單片DSP電機控制器。它們均以1個ADSP-2171DSP為基礎內核，配以電機控制所需要的外設單元組成，主要包括ADMC300、ADMC328、ADMC330、ADMC331和ADMC401。其中，ADMC 328屬于簡單型控制器，僅有28個引腳，主要應用在家用電器或一般較簡單的業(yè)控制系統(tǒng)中；ADMC300/330/331控制器引腳均為80個，性能居中，可較好地滿足一般調速系統(tǒng)的控制要求；ADMC401為高檔型DSP控制器，引腳多達144個，功能豐富，可應用于高精度且復雜的調速控制系統(tǒng)中。這里以ADMC331為例簡要介紹一下其結構特點。
ADMC331集成了1個26MIPS的16位定點DSP內核ADSP2171和一系列電機控制所需設備。DSP內核并聯(lián)了3個運算單元，ALU（算術邏輯）、MAC（乘加）和SHIFTER（移位）。ADMC331還提供了2K×24位的程序存儲器（ROM）、2K×24位程序存儲器（RAM）和1K× 16位數(shù)據(jù)存儲器（RAM），程序及數(shù)據(jù)存儲器RAM內的存儲內部可由其串口從外部ROM中以同步或異步方式裝入，ROM中還固化了一些常用的電機控制用子程序和常數(shù)，為控制系統(tǒng)的程序設計提供了方便。從圖3的結構框圖中可見，ADMC331的外設包括1個16位三相PWM發(fā)生器，能夠靈活編程產(chǎn)生精確 PWM信號以驅動逆變器的功率開關；7個模塊輸入通道，最高分辨率為12位，最高采樣頻率為32.5kHz；2個輔助8位PWM輸出通道，可用來為被控的功率因數(shù)校正或其它開關變換器提供開關信號，亦可通過合適的濾波網(wǎng)絡作為數(shù)模轉換的輸出；16位的監(jiān)視定時器和可編程的16位定時器；每位均可設置為輸入 /輸出或中斷的24位數(shù)字可編程輸入/輸出（PIO）端口及2個雙緩沖的串行口。再加上豐富的DSP操作指令的支持，單周期指令執(zhí)行時間可達 38.5ns，使之不失為電機調速控制的理想器件。
2 PWM信號的形成
對于任何種類的三相電機控制系統(tǒng)，均要求產(chǎn)生3對完善的PWM信號以驅動逆變器上下橋臂功率開關元件，并要求每對PWM信號有適當?shù)膶ㄑ訒r，以防止下橋臂功率開關同時導通而毀壞系統(tǒng)。這也正是電機微控制器區(qū)別于其它種類微控制器的重要特征。
2.1 8XC196MC的PWM信號的形成
片內波形發(fā)生器（WG）是8XC196MC的特色設計之一。這一片內外設簡化了產(chǎn)生PWM波形的控制軟件和外部硬件，通過編程可產(chǎn)生獨立的、具有相同頻率和工作方式的3對PWM波形，并由P6口直接輸出6路PWM信號給逆變器，且三相互補不重疊。在使用 16MHz的晶振時，輸出信號頻率可達8MHz。在采用邊沿觸發(fā)方式時，分辨能力為125ns；中心觸發(fā)時，分辨能力為250ns。WG具有多種可編程頻率、占空比和消隱時間，每路波形輸出的驅動能力很強，輸出極性可編程，并能夠制為高或低電平。為防止同一橋臀上的2個功率開關器件發(fā)生直通現(xiàn)象，還可編程來設置互鎖時間。在使用16MHz的晶振時，互鎖最短時間為0.125μs，最長為125μs。此外，還具有保護功能，當發(fā)生意外事件時，響應外部事件而立即停止輸出。
2.2 TMS320C240的PWM信號的形成
TMS320C240的事件管理器（EV）可產(chǎn)生PWM信號，直接控制電機功率驅動器，如圖4所示。
由圖4可見，3個全比較單元中任一個均可與EV模塊中的GP定時器死區(qū)單元和輸出邏輯一起用于產(chǎn)生一對有可編程死區(qū)和輸出極性的PWM信號。對應于EV模塊中的3個全比較單元共有6個這樣的PWM輸出。
圖5 給出了當GP定時器工作在單個或連續(xù)加/減計數(shù)模式時產(chǎn)生的對稱PWM波形。當GP定時器工作在這兩種模式中的任一種時，波形發(fā)生器的輸出狀態(tài)變化如下：計數(shù)器從0開始計數(shù)，到第1個比較匹配發(fā)生時刻前輸出狀態(tài)保持不變，第1個比較匹配時輸出狀態(tài)切換。隨后保持不變到第2個比較匹配發(fā)生時刻，在第2個比較匹配時輸出狀態(tài)切換，周期結束前輸出狀態(tài)保持不變。如果沒有第2個比較匹配發(fā)生而且下一個周期的新比較值不為0，則在周期結束時輸出復位為0；若比較值為 0，則在周期開始輸出為1，并在第2個比較匹配發(fā)生之前輸出狀態(tài)保持不變。如果周期的其余時間內比較值不為0，在從0到1的第1個轉換時刻之后，輸出一直保持為1到周期結束。當發(fā)生以上這種情況時，如果下一個周期的比較值仍舊為0，輸出仍舊為1，實現(xiàn)了PWM脈沖的占空比連續(xù)無突變地在0～100%之間變化。
2.3 ADMC331的PWM信號的形成
與傳統(tǒng)的單片機查表方法不同，ADMC331的PWM信號的產(chǎn)生是由其內部的靈活可編程的三相PWM 控制器來完成的。通過對PWM單元進行合適的編程并利用 PWM單元中的專用函數(shù)，可使其產(chǎn)生滿足不的電機調速用逆變器開關觸發(fā)模式的數(shù)字PWM波形。圖6為ADMC331三相PWM控制器的功能框圖。
輸出PWM信號的開關頻率、死區(qū)時間和最小脈沖寬度均可分別設置，并且允許用高頻斬波信號對PWM輸出波形進行調制，以便利用變壓器進行隔離和驅動。16位精度的三相PWM發(fā)生器能產(chǎn)生高達38.5ns的邊緣分辨率。
ADMC331 的PWM單元建立在一個獨立的三相定時單元基礎上，由3個確定的周期寄存器控制，分別控制3對PWM輸出。根據(jù)應用的具體要求及所需PWM方案來編制 DSP程序6。路PWM信號的極性可根據(jù)實際應用中門極驅動電路的結構和邏輯由PWMPOL引腳進行設置，每路PWM信號的輸出均可通過獨立的使能寄存器 PWMSEG來決定。PWM控制信號計算見本刊網(wǎng)站補充版。
3 性能比較
目前，越來越多的集成電路芯片制造商紛紛致力于電機微控制器的研制與生產(chǎn)，因而擴大了對對類芯片的選擇空間。在此僅將上文所列舉的三種具有代表性的芯片性能加以比較，如表1所列。
8XC196MC 單片機片內外設豐富。通過對WG的特殊功能寄存器（WG_RELOAD、WG_COM_Px、WG_CON、WG_OUTPUT和WG_PROTECT）進行編程，并利用WG中斷就可產(chǎn)生各種PWM信號，驅動各種電機和其它由電力電子器件構成的設備，它把必需的外接芯片和元件降低最低限度。因此，價格與 DSP器件相比便宜得多。在一些控制要求不太高的場合，它是理想的選擇。
與典型單片機相比，DSP器件集成度高，CPU速度快，存儲容量大。DSP采用改進的哈佛結構，獨立的程序空間和數(shù)據(jù)空間使之允許同時存取程序和數(shù)據(jù)。內置高速的硬件乘法器，增強的多級流水線，使DSP器件具有高速的數(shù)據(jù)處理能力。單片機采用馮·諾依曼結構，程序和數(shù)據(jù)在同一空間，同一時刻只能單獨訪問指令或數(shù)據(jù)。ALU只能作加法，乘法需要用軟件來實現(xiàn)。對一些復雜的運算如sin、cos等，需采用查表方式，因而需要較多的時間和空間。結構差異使DSP 器件比16位的單片機單指令執(zhí)行時間快8～10倍，完成1次乘加運算快16～30倍。TMS320C240和ADMC331都具有DSP內核，從而將 DSP的高速運算能力與面向電機的高效控制能力集于一體，應用于交流電機控制系統(tǒng)中均可獲得較好的控制效果，因而更具有競爭力，但它們價格較為昂貴。
由于ADMC331比TMS320C240出現(xiàn)得晚，所以ADMC331采用了一些新的技術，使其性能更好。如ADMC331的DSP內核為并行的體系結構，加快了程序執(zhí)行速度?？稍?個處理周期內完成乘加運算；它的PWM發(fā)生單元的靈活性和可編程性，使之能夠產(chǎn)生多種PWM信號；其內部程序存儲器固化了許多電機系統(tǒng)矢量控制所必需的子程序，方便了控制系統(tǒng)的程序設計，大大減少了控制系統(tǒng)的開發(fā)時間。 TMS320C240擁有4路捕獲單元，捕獲單元被用于高速I/O的自動管理，它監(jiān)視輸入引腳上信號的變化，記錄輸入事件發(fā)生時的計數(shù)器值，即記錄下所發(fā)生事件的時刻。該部件的工作由內部定時器同步，不用 CPU干預；而ADMC331沒有設計這種捕獲單元，這也是造成它的A/D轉換速度較慢的重要原因。
下載文檔
