摘 要: 介紹了以ADI最新推出的ADMC328 DSP電機控制器為控制核心構成的電壓型SPWM變頻器的電路特點和實驗結果，以及ADMC328 DSP芯片應用中的若干體會。
關鍵詞: ADMC328 數字信號處理器 交流異步機 變頻調速
ADMC328芯片是美國模擬器件公司(簡稱ADI)最新推出的ADMC3XX系列單片DSP電機控制器中最簡單的一種[1]，它可用于交流感應電動機、永磁同步電動機和無刷直流電動機的高性能控制，在冰箱、空調和洗衣機等家用電器及風機、泵或一般工業變速傳動控制中，以其結構緊湊、使用便捷、可靠性高、功能強、成本低等優勢贏得廣大用戶的關注。
ADMC328僅有28個引腳，其內部除有一個與ADSP-2100系列兼容的20MIPS定點DSP的ADSP-2171內核外，還包括了512×24位的程序存儲器RAM，4K×24位的程序存儲器ROM，512×16位的數據存儲器RAM，三相6路輸出的16位精度的PWM發生器，6路最高轉換精度可達12位的模擬輸入通道，2路可用于數模轉換的輔助PWM輸出，1個雙緩沖串行端口，9位可編程多功能復用的輸入/輸出PIO端口，16個中斷源以及上電復位電路和16位監視定時器等。這為用戶對變頻器控制系統進行優化設計帶來了很大方便[1][2]。
因ADMC328是ADI公司最新推出的產品，迄今為止國內尚未見到關于用其實現變頻調速的報道。我們注意到該芯片的特點，對其進行了應用研究和開發。在北京市英賽爾器件集團的支持下，我們利用ADI的ADMC32X評估板，設計了異步機通用變頻器的接口電路和主電路，進行了帶標準鼠籠式異步機的調速試驗，取得了較好的控制效果。實驗結果表明，ADMC328 DSP電機控制器在調節性能、運算處理能力、可靠性及使用的方便程度等方面都具有良好的特性，不失為電機變速控制的理想解決方案。
1 變頻調速系統的電路結構
用ADI公司開發的ADMC32X
評估板并設計配置了相應的外圍電路、主電路及驅動保護電路，構成了異步機U/f比開環速度控制系統，電路原理圖見圖1。
ADMC32X評估板(如圖1虛線框內所示)可將ADMC328的全部功能向用戶開放，此外，該板內部還提供了復位、晶振、串行ROM和計算機通訊接口(為突出重點，評估板上其他一些相關電路未在圖中給出)，用戶可利用這些資源進行先期開發。
主電路為標準的電壓型PWM變頻器，用IGBT功率器件構成逆變器，將PWM開關頻率設置在20kHz。利用適當阻值的取樣電阻R檢測直流母線電流，當逆變器發生過流或短路時，ADMC328的ISENSE端會因檢測到的電流過大而產生過流保護信號，并關閉逆變器，實現對變頻器的保護。通過分壓電阻檢測直流母線電壓，該測量值由ADMC328的模擬輸入端口V1讀入，以實現測量、調節或控制功能。IGBT的驅動、保護(未在圖中畫出)宜選用EXB841或TLP250等光電隔離型器件，IGBT驅動電路檢測到的過流和短路保護信號由ADMC328的PWMTRIP端監測，一旦過流或短路發生，ADMC328的內部中斷立即關閉逆變器輸出。整個主電路與控制電路的公共端僅在一點連接，這樣可有效地抑制外部干擾。當變頻器容量較大時，最好將取樣電阻換成霍爾元件，實現主電路與控制電路的電隔離。
在ADMC32X評估板上外接的發光二極管(LED)顯示電路由串行LED驅動器件和8位數碼管組成，可分別顯示變頻器的設定頻率、輸出頻率、輸出電壓或輸出電流(通過取樣電阻R間接得到)等參量。電位器W1的模擬量由模擬輸入端口V2讀入，作為變頻器輸出頻率的設定值。因ADMC328的開關量I/O端口有限，硬件設計時可用有關器件擴展I/O端口或利用其不用的3位模擬輸入端口(分別為VAUX0~VAUX2)作為開關量檢測端。本電路采用第二種方案，K1~K33個開關和按鍵分別用來實現變頻調速系統的起/停控制、電機的正/反轉設置以及選擇LED顯示內容等功能。與I/O端口復用的輔助PWM的AUX0輸出端可用于產生制動等開關控制信號，或者在AUX0端加濾波器后作為模擬量輸出，用來實現模擬量指示或調節。用計算機進行編程和調試，當完成應用程序的開發后，可將程序寫入評估板上的串行ROM，系統即可脫機單獨運行。
由圖1可見，該變頻調速控制系統已具有通用SPWM(正弦脈寬調制)變頻器的主要功能，而其控制電路結構卻大為簡化。
2 應用程序
為便于用戶使用ADMC328 DSP芯片，ADI公司在其開發軟件中提供了相當一部分庫函數及若干應用實例。一方面，用戶通過這些庫函數和實例可很快熟悉該軟件開發環境;另一方面，用戶在編制自己的監控程序時可以直接利用它們。這的確給用戶的開發帶來了便利。此外，ADSP-2171內核極快的判斷和運算速度及處理能力，以及各功能寄存器的方便設置，都使用戶的編程相對容易。
在486及以上檔次的計算機以及DOS和Windows 95操作系統的支持下，利用ADI提供的C語言或匯編語言開發工具軟件，即可對用戶文件進行編譯、連接或調試。
在完成如圖1所示硬件電路的基礎上，編制了U/f比控制的通用變頻器的監控程序，主程序和PWMSYNC中斷服務程序分別見圖2的(a)和(b)。
3 應用考慮
·為方便用戶使用ADMC328 DSP芯片，ADI公司提供了相應的開發工具——評估板(仿真器)，其中的CPU為更高一檔次的ADMC331芯片。在該評估板上，ADMC331不僅可全功能仿真ADMC328，且其不少引腳均已引出，用戶可利用這些引腳構成輔助電路，豐富控制功能[4]。
·與其他A/D轉換電路不同的是，在ADMC328內部，ADC單元的操作是與PWM單元相連的[2]，A/D轉換的有效分辨率是PWM開關頻率的函數，故該A/D轉換的分辨率不是一個常數，而在9～12位間變化。還需說明的是，在6個模擬輸入通道中，只有3個通道是獨立的，而其他3個通道通過多路開關共用一個比較器，所以這就只允許同時最多有4路模擬量被采集。應當注意的是，芯片內與模擬輸入信號比較用的鋸齒波斜率是通過外配電容(接于ICONST端與GND端之間)來調節的，根據不同的PWM開關頻率，選擇不同的外配電容值，該電容應為高精度和高穩定的。最后還應強調，A/D轉換的輸入電壓范圍是0.3～3.5V，而不是通常情況下的0~5V或0~10V，在模擬輸入接口電路設計時應引起注意。
· PWM發生單元有兩種工作模式:單更新模式和雙更新模式。在單更新模式下PWM輸出脈沖以PWM周期的中心對稱;在雙更新模式下，按照某種控制規則，輸出PWM脈沖的前后沿與PWM周期中心不對稱，這種不對稱的PWM輸出，更能減少三相PWM逆變器的諧波失真和獲得更寬的系統閉環控制帶寬。建議在使用時，優先選用雙更新工作模式。
· ADMC328內含兩個輸出頻率和占空比均可變的8位精度的輔助PWM定時器，其兩個輸出引腳分別定義為AUX0和AUX1，可用來為被控的開關變換器提供開關信號;通過合適的濾波網絡亦可作為數模轉換的輸出，典型應用見圖3，在此參數下，兩級濾波器的截止頻率為1.2kHz，模擬輸出電壓Vo的幅度范圍為0～5V。
·ADMC328的復用PIO端口僅有9位，且已被串口1和串行ROM占去5位，必要時可通過選用I2C或SPI等串行接口芯片或多路數據選擇器件擴展I/O端口和其他功能。
·在變頻器裝置容量允許的條件下，逆變器功率器件最好使用IGBT等高頻全控型器件，這樣可將逆變器開關調制頻率設定在16kHz以上，避免變頻器本身產生的高頻噪聲，也更利于輸出電流正弦化。
4 實驗結果
將ADMC32X評估板與檢測和控制等接口電路以及IGBT電壓型PWM變頻器連接(見圖1)，電機選用1.1kW普通鼠籠異步機，以渦流閘和摩擦負荷為負載。分別按圖4中的a和b設定壓頻比曲線，監控程序中可修改起始點A的值。調節W1可使變頻器輸出基頻在0.5～60Hz范圍內變化(重新設定控制參數，可使變頻器輸出基頻范圍變為0.5～400Hz)，電機的轉速相應被改變。在電機較高轉速下調節負荷大小，電機均能平穩運行。變頻器輸出基頻為10Hz和50Hz時，電機線電流波形分別見圖5(a)和(b)。
因PWM開關頻率較高且載波比不為定值，輸出電壓和基頻很難測量。實驗中分別用輔助PWM模擬輸出和LED指示輸出電壓和輸出頻率。在電機變頻或變負荷時，實驗結果均較好地符合圖4所示的壓頻比特性。通過功能開關，可以方便地選擇電機的正反轉。此外，在監控程序中設置了多種軟起動和軟停車控制曲線，起動或停車時間可根據需要任意設定;在程序中還編入了多檔轉速控制或程序控制功能，使電機的轉速能根據設定值自動改變。實驗中均得到了很好的驗證。人為設置的起動、變速和停車的轉速模擬曲線見圖6。
實驗結果表明，ADMC328 DSP芯片具有優異的控制性能，調節特性十分理想。該調速系統主要功能已達到通用變頻器的水平，而控制電路的規模和成本卻大幅度下降。
ADMC328及其他ADMC3XX系列新型嵌入式DSP電機控制器已經隨著人們對高性能變速傳動設備的需求而推向了市場，性能價格比高、使用便捷的ADMC328芯片為家用電器和工業應用中電機的變速控制提供了一個優化選擇方案，試驗研究的結果也初步證明了該DSP控制器的實用性。
參考文獻
1 李旭春.ADMC3XX系列單片DSP電機控制器. 電子 技術應用，1999；24(12)
2 Analog Devices Inc.ADMC328 28-Lead ROM-Based DSP Motor Controller.Data Sheet.1998
3 Analog Devices Inc.ADMC331Single Chip DSP Motor Controller. Data Sheet，1998
4 Analog Devices Inc.ADMC32X EMULATION BOARD. Data Sheet，1998
5 Analog Devices Inc.ADSP-2100 Family User＇s Manual，Third Edition. 1995