ADMC328DSP控制器在交流异步机变频调速中的应用———ADMC328DSP

　摘  要: 介绍了以ADI最新推出的ADMC328 DSP电机控制器为控制核心构成的电压型SPWM变频器的电路特点和实验结果，以及ADMC328 DSP芯片应用中的若干体会。
  关键词: ADMC328 数字信号处理器 交流异步机 变频调速
   　　ADMC328芯片是美国模拟器件公司(简称ADI)最新推出的ADMC3XX系列单片DSP电机控制器中最简单的一种[1]，它可用于交流感应电动机、永磁同步电动机和无刷直流电动机的高性能控制，在冰箱、空调和洗衣机等家用电器及风机、泵或一般工业变速传动控制中，以其结构紧凑、使用便捷、可靠性高、功能强、成本低等优势赢得广大用户的关注。
  　　ADMC328仅有28个引脚，其内部除有一个与ADSP-2100系列兼容的20MIPS定点DSP的ADSP-2171内核外，还包括了512×24位的程序存储器RAM，4K×24位的程序存储器ROM，512×16位的数据存储器RAM，三相6路输出的16位精度的PWM发生器，6路最高转换精度可达12位的模拟输入通道，2路可用于数模转换的辅助PWM输出，1个双缓冲串行端口，9位可编程多功能复用的输入/输出PIO端口，16个中断源以及上电复位电路和16位监视定时器等。这为用户对变频器控制系统进行优化设计带来了很大方便[1][2]。
  　　因ADMC328是ADI公司最新推出的产品，迄今为止国内尚未见到关于用其实现变频调速的报道。我们注意到该芯片的特点，对其进行了应用研究和开发。在北京市英赛尔器件集团的支持下，我们利用ADI的ADMC32X评估板，设计了异步机通用变频器的接口电路和主电路，进行了带标准鼠笼式异步机的调速试验，取得了较好的控制效果。实验结果表明，ADMC328 DSP电机控制器在调节性能、运算处理能力、可靠性及使用的方便程度等方面都具有良好的特性，不失为电机变速控制的理想解决方案。
  1 变频调速系统的电路结构
  　　用ADI公司开发的ADMC32X
  　　评估板并设计配置了相应的外围电路、主电路及驱动保护电路，构成了异步机U/f比开环速度控制系统，电路原理图见图1。
  
   
  　　ADMC32X评估板(如图1虚线框内所示)可将ADMC328的全部功能向用户开放，此外，该板内部还提供了复位、晶振、串行ROM和计算机通讯接口(为突出重点，评估板上其他一些相关电路未在图中给出)，用户可利用这些资源进行先期开发。
  　　主电路为标准的电压型PWM变频器，用IGBT功率器件构成逆变器，将PWM开关频率设置在20kHz。利用适当阻值的取样电阻R检测直流母线电流，当逆变器发生过流或短路时，ADMC328的ISENSE端会因检测到的电流过大而产生过流保护信号，并关闭逆变器，实现对变频器的保护。通过分压电阻检测直流母线电压，该测量值由ADMC328的模拟输入端口V1读入，以实现测量、调节或控制功能。IGBT的驱动、保护(未在图中画出)宜选用EXB841或TLP250等光电隔离型器件，IGBT驱动电路检测到的过流和短路保护信号由ADMC328的PWMTRIP端监测，一旦过流或短路发生，ADMC328的内部中断立即关闭逆变器输出。整个主电路与控制电路的公共端仅在一点连接，这样可有效地抑制外部干扰。当变频器容量较大时，最好将取样电阻换成霍尔元件，实现主电路与控制电路的电隔离。
  　　在ADMC32X评估板上外接的发光二极管(LED)显示电路由串行LED驱动器件和8位数码管组成，可分别显示变频器的设定频率、输出频率、输出电压或输出电流(通过取样电阻R间接得到)等参量。电位器W1的模拟量由模拟输入端口V2读入，作为变频器输出频率的设定值。因ADMC328的开关量I/O端口有限，硬件设计时可用有关器件扩展I/O端口或利用其不用的3位模拟输入端口(分别为VAUX0~VAUX2)作为开关量检测端。本电路采用第二种方案，K1~K33个开关和按键分别用来实现变频调速系统的起/停控制、电机的正/反转设置以及选择LED显示内容等功能。与I/O端口复用的辅助PWM的AUX0输出端可用于产生制动等开关控制信号，或者在AUX0端加滤波器后作为模拟量输出，用来实现模拟量指示或调节。用计算机进行编程和调试，当完成应用程序的开发后，可将程序写入评估板上的串行ROM，系统即可脱机单独运行。
  　　由图1可见，该变频调速控制系统已具有通用SPWM(正弦脉宽调制)变频器的主要功能，而其控制电路结构却大为简化。
  2 应用程序
  　　为便于用户使用ADMC328 DSP芯片，ADI公司在其开发软件中提供了相当一部分库函数及若干应用实例。一方面，用户通过这些库函数和实例可很快熟悉该软件开发环境;另一方面，用户在编制自己的监控程序时可以直接利用它们。这的确给用户的开发带来了便利。此外，ADSP-2171内核极快的判断和运算速度及处理能力，以及各功能寄存器的方便设置，都使用户的编程相对容易。
  　　在486及以上档次的计算机以及DOS和Windows 95操作系统的支持下，利用ADI提供的C语言或汇编语言开发工具软件，即可对用户文件进行编译、连接或调试。
  在完成如图1所示硬件电路的基础上，编制了U/f比控制的通用变频器的监控程序，主程序和PWMSYNC中断服务程序分别见图2的(a)和(b)。
  
  3 应用考虑
  　　·为方便用户使用ADMC328 DSP芯片，ADI公司提供了相应的开发工具--评估板(仿真器)，其中的CPU为更高一档次的ADMC331芯片。在该评估板上，ADMC331不仅可全功能仿真ADMC328，且其不少引脚均已引出，用户可利用这些引脚构成辅助电路，丰富控制功能[4]。
  　　·与其他A/D转换电路不同的是，在ADMC328内部，ADC单元的操作是与PWM单元相连的[2]，A/D转换的有效分辨率是PWM开关频率的函数，故该A/D转换的分辨率不是一个常数，而在9～12位间变化。还需说明的是，在6个模拟输入通道中，只有3个通道是独立的，而其他3个通道通过多路开关共用一个比较器，所以这就只允许同时最多有4路模拟量被采集。应当注意的是，芯片内与模拟输入信号比较用的锯齿波斜率是通过外配电容(接于ICONST端与GND端之间)来调节的，根据不同的PWM开关频率，选择不同的外配电容值，该电容应为高精度和高稳定的。最后还应强调，A/D转换的输入电压范围是0.3～3.5V，而不是通常情况下的0~5V或0~10V，在模拟输入接口电路设计时应引起注意。
  　　· PWM发生单元有两种工作模式:单更新模式和双更新模式。在单更新模式下PWM输出脉冲以PWM周期的中心对称;在双更新模式下，按照某种控制规则，输出PWM脉冲的前后沿与PWM周期中心不对称，这种不对称的PWM输出，更能减少三相PWM逆变器的谐波失真和获得更宽的系统闭环控制带宽。建议在使用时，优先选用双更新工作模式。
  　　· ADMC328内含两个输出频率和占空比均可变的8位精度的辅助PWM定时器，其两个输出引脚分别定义为AUX0和AUX1，可用来为被控的开关变换器提供开关信号;通过合适的滤波网络亦可作为数模转换的输出，典型应用见图3，在此参数下，两级滤波器的截止频率为1.2kHz，模拟输出电压Vo的幅度范围为0～5V。
   
  
  　　·ADMC328的复用PIO端口仅有9位，且已被串口1和串行ROM占去5位，必要时可通过选用I2C或SPI等串行接口芯片或多路数据选择器件扩展I/O端口和其他功能。
  　　·在变频器装置容量允许的条件下，逆变器功率器件最好使用IGBT等高频全控型器件，这样可将逆变器开关调制频率设定在16kHz以上，避免变频器本身产生的高频噪声，也更利于输出电流正弦化。
  4 实验结果
  　　将ADMC32X评估板与检测和控制等接口电路以及IGBT电压型PWM变频器连接(见图1)，电机选用1.1kW普通鼠笼异步机，以涡流闸和摩擦负荷为负载。分别按图4中的a和b设定压频比曲线，监控程序中可修改起始点A的值。调节W1可使变频器输出基频在0.5～60Hz范围内变化(重新设定控制参数，可使变频器输出基频范围变为0.5～400Hz)，电机的转速相应被改变。在电机较高转速下调节负荷大小，电机均能平稳运行。变频器输出基频为10Hz和50Hz时，电机线电流波形分别见图5(a)和(b)。
   
  
   
  
  　　因PWM开关频率较高且载波比不为定值，输出电压和基频很难测量。实验中分别用辅助PWM模拟输出和LED指示输出电压和输出频率。在电机变频或变负荷时，实验结果均较好地符合图4所示的压频比特性。通过功能开关，可以方便地选择电机的正反转。此外，在监控程序中设置了多种软起动和软停车控制曲线，起动或停车时间可根据需要任意设定;在程序中还编入了多档转速控制或程序控制功能，使电机的转速能根据设定值自动改变。实验中均得到了很好的验证。人为设置的起动、变速和停车的转速模拟曲线见图6。
  
   
  　　实验结果表明，ADMC328 DSP芯片具有优异的控制性能，调节特性十分理想。该调速系统主要功能已达到通用变频器的水平，而控制电路的规模和成本却大幅度下降。
  　　ADMC328及其他ADMC3XX系列新型嵌入式DSP电机控制器已经随着人们对高性能变速传动设备的需求而推向了市场，性能价格比高、使用便捷的ADMC328芯片为家用电器和工业应用中电机的变速控制提供了一个优化选择方案，试验研究的结果也初步证明了该DSP控制器的实用性。
   
  参考文献
  1 李旭春.ADMC3XX系列单片DSP电机控制器. 电子  技术应用，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