А. Соловьев, М. Веселов

Семейство DSP-микроконтроллеров фирмы Analog Devices для встроенных систем управления двигателями

Введение

    Сегодня в мире ежегодно выпускается порядка 7 млрд электродвигателей. Электродвигатели потребляют порядка 70% общего количества произведенной электроэнергии и, соответственно, являются основными ее потребителями. Поэтому в настоящее время достаточно остро стоит задача оптимального управления электродвигателями не только с технологической точки зрения, но и с точки зрения экономии электроэнергии. Приблизительные подсчеты говорят о том, что если эффективность управления мощными электродвигателями повысить всего лишь на 1%, то отпадет необходимость в электроэнергии мощностью порядка 100 МВт. Если осуществить оптимальное (или почти оптимальное) управление всеми электродвигателями, то это позволит сохранить мощности порядка 36000 МВт. Стоит упомянуть также о том, что в развитых странах мира введены законы, требующие экономии электроэнергии и выпуска энергосберегающего оборудования (в США к 2001 году планируется снизить общее потребление электроэнергии на 30%). И это только одна сторона проблемы. С другой стороны развитие современной техники предъявляет все более жесткие требования к электроприводу. Современные технологии требуют от электропривода повышения точности движения (как в статике, так и в динамике), быстродействия, надежности, эффективности привода, понижения вносимых приводом искажений в сетевое напряжение. Это в свою очередь требует применения как “новых” двигателей (вентильных, вентильно-индукторных, бесколлекторных), так и новых, более сложных методов управления электроприводом, что влечет за собой применение новой элементной базы (силовой и управляющей), позволяющей реализовать данные алгоритмы. При этом на фоне быстрого развития электроники и снижения цен на нее от системы управления электроприводом в целом также требуют снижения ее стоимости.
    Существовавшая до недавнего времени электроника не могла удовлетворить сегодняшние потребности рынка. Однокристальные микроконтроллеры со встроенными функциями управления двигателями, представленные на рынке, не обладали мощной вычислительной способностью и не могли реализовывать сложные алгоритмы управления (бездатчиковое управление, векторное управление), требуемые потребителем. С другой стороны, мощные вычислительные процессоры (RISC или DSP), способные выполнить расчет необходимых алгоритмов управления, не обладают интегрированными периферийными устройствами, позволяющими осуществлять эффективное управление электродвигателями (аналого-цифровыми преобразователями, ШИМ-генераторами и т.п.). Для построения систем управления на базе мощных вычислительных процессоров необходимо было дополнительно устанавливать недостающие периферийные устройства (в виде отдельных компонентов или в виде сопроцессоров (например, ADMC200 и ADMC201)), что делает систему управления более сложной, громоздкой, дорогой и менее надежной. Поэтому системы управления, построенные на базе мощных вычислительных процессоров, не подходят для массового рынка бытовой техники и недорогих промышленных приводов.
    В последнее время на рынке появилась элементная база, которая позволяет создавать недорогие системы управления электроприводами, удовлетворяющие современным требованиям. Одной из первых новую элементную базу для построения систем управления электроприводом предложила фирма Analog Devices, которая является крупнейшим поставщиком высоко производительных микроконтроллеров со встроенными средствами управления двигателями. Фирма Analog Devices предложила потребителям семейство DSP-микроконтроллеров ADMCххх, предназначенное для эффективного управления современными электроприводами. Микроконтроллеры данного семейства ориентированы для применения во встраиваемых приложениях:

транспорт:

• главный привод электромобилей, электровелосипедов, электротранспортеров и т.п.,
  
• гидроусилители руля,
  
• кондиционеры воздуха в салонах транспортных средств,
  
• активная подвеска автомобилей;
  

бытовая техника:

• стиральные машины,
  
• холодильники,
  
• насосы бытовых отопительных систем,
  
• вентиляторы,
  
• кондиционеры;
  

источники питания:

• бесперебойные источники питания,
  
• источники резервного питания,
  
• источники питания повышенной частоты (аэродромные и т.п.);
  

промышленные привода:

    Выше перечислены далеко не все возможные применения данных DSP-микроконтроллеров, которые используются как в недорогих массовых, так и высокопроизводительных промышленных приводах (глубоко регулируемых и следящих системах). Такое разнообразие применений микроконтроллеров основано на достаточно сильном различии их внутри семейства.
    В настоящее время в рамках DSP-семейства ADMCхxx фирма Analog Devices выпустила 3 микроконтроллера ADMC300, ADMC330 и ADMC331. В 1999 году фирма планирует выпустить внутри данного семейства еще 8 микроконтроллеров ADMC32х и ADMC40х, чтобы наиболее полно удовлетворить потребности рынка.
    Микроконтроллеры данного семейства представляют собой широко распространенный целочисленный 16-битный процессор цифровой обработки сигналов (DSP) ADSP-2171 с набором интегрированных на кристалле периферийных устройств. В качестве процессорного ядра для данного семейства микроконтроллеров не случайно выбран DSP-процессор. Процессоры цифровой обработки сигналов оптимизированы для выполнения операций умножения с одновременным накоплением результатов. Данные операции используются для эффективной реализации цифровых регуляторов (фильтров). Микроконтроллеры внутри семейства различаются быст-родействием процессорного ядра, типом и количеством интегрированной на кристалл памяти, а также набором интегрированных периферийных устройств, предназначенных для управления двигателями (аналого-цифровой преобразователь, ШИМ-генератор, дискретный ввод/вывод, интерфейс с импульсными датчиками, мониторинг питания и т.п.). Архитектура микроконтроллеров семейства ADMCхxx достаточно подробно была рассмотрена в журнале ра-нее [1] на примере микросхем ADMC300/330. Микроконтроллер ADMC330 разработан для применения в регулируемых приводах с асинхронными и электронно-коммутируемыми синхронными двигателями. Микроконтроллер ADMC300 разработан для применения в высокопроизводительных и следящих приводах с асинхронными двигателями, двигателями с постоянными магнитами и бесколлекторными двигателями постоянного тока. Вследствие различия в областях применения микроконтроллеры содержат различный набор периферийных устройств. В настоящее время фирма Analog Devices приступила к массовому производству нового DSP-микроконт-роллера из того же семейства — ADMC331. Поэтому в данной статье будут подробно рассмотрены его основные отличия от других членов семейства.

1 Микроконтроллер ADMC331

    Микроконтроллер ADMC331 (рис. 1) разработан для управления асинхронными двигателями, синхронными двигателями с постоянными магнитами, бесколлекторными машинами постоянного тока, вентильно-индукторными (SRD) двигателями и предназначен для применения в электроприводах бытовой техники (бездатчиковое управление двигателями, применяемыми в стиральных машинах, компрессорах холодильников, кондиционерах, вентиляторах, насосах) и недорогих регулируемых промышленных электроприводах.

Рис. 1 Структурная схема DSP-микроконтроллера ADMC331

    Микроконтроллер состоит из процессорного ядра, по-строенного на базе процессора ADSP-2171, интегрированной на кристалле памяти (2 Кслов кодового ПЗУ, 2 Кслов кодового ОЗУ, 1 Кслов ОЗУ данных) и набора периферийных устройств, таких как:

• 3-канальный 16-битовый ШИМ-генератор с режимами двукратного обновления параметров сигнала за период ШИМ и формированием специальных управляющих сигналов для вентильно-индукторных двигателей;
  
• 7-канальный 12-битовый аналого-цифровой преобразователь;
  
• источник опорного напряжения 2,5 В (точность 2%);
  
• 24-битовый порт дискретного ввода/вывода;
  
• два дополнительных таймера, генерирующие ШИМ-сигналы высокой частоты;
  
• сторожевой таймер.
  
  

    Все перечисленные периферийные устройства уже рассматривались в [1], поэтому далее остановимся на имеющихся отличиях и усовершенствованиях.

1.1 Генератор ШИМ-сигналов

    На рис. 2 показана структурная схема генератора ШИМ-сигналов, встроенного в микроконтроллер ADMC331. Внешне она не сильно отличается от схемы генератора микроконтроллера ADMC300. Изменения касаются прежде всего блока формирования ШИМ-сигналов, работа которого стала зависеть от внешнего сигнала на выводе PWMSR# микроконтроллера. С помощью этого с игнала (активный уровень – низкий) ШИМ-генератор переводится в режим работы с вентильно-индукторными двигателями (SRD). При этом сигналы, формируемые блоком формирования временных сигналов для нижних ключей, вне зависимости от содержания регистров скважности находятся все время в активном (включенном) состоянии. Сигналы для верхних ключей формируются как обычно в соответствии со значениями, записанными в регистры задания скважности ШИМ. Используя возможности блока управления выходами, можно дополнительно кроссировать сигналы, предназначенные для ключей одной стойки инвертора и тем самым подавать постоянно активные сигналы на верхние ключи (причем делать это индивидуально для каждой стойки инвертора). Данный режим необходим тогда, когда обмотки двигателя подключены непосредственно к шинам звена постоянного тока через два силовых ключа и два обратных диода. Такая полумостовая схема включения обмоток является типовой при управлении вентильно-индукторными двигателями, шаговыми двигателями, а также бесколлекторными двигателями постоянного тока.

Рис. 2 Струтурная схема ШИМ-генератора

    Другим изменением в ШИМ-генераторе стало введение в его структуру регистра, отвечающего за длительность синхроимпульсов PWMSYNC. Введенный дополнительно 8-битовый регистр PWMSYNCWT позволяет регулировать длительность импульса синхронизации от 38,5 нс до 9,84 мкс (при частоте сигнала CLKOUT 26 МГц).
    Более важным усовершенствованием ШИМ-генератора является введение режима двукратного обновления всех параметров сигнала. В микроконтроллере ADMC331 ШИМ-генератор может работать как в режиме однократного обновления параметров (так же, как и ШИМ-генератор в микроконтроллерах ADMC300/330), так и в режиме двукратного обновления. Переход между режимами осуществляется программно с помощью регистра управления периферийными устройствами MODECTRL. В режиме однократного обновления (рис. 3) параметры формируемого ШИМ-сигнала (период, мертвое время, режим стирания узкого импульса, длительность синхроимпульсов, режим включения кроссировки) считываются из соответствующих регистров во внутренние регистры ШИМ-генератора (обновляются) только один раз за период. В результате, на выходе ШИМ-генератора получается сигнал, симметричный относительно середины периода ШИМа.
    В режиме двукратного обновления параметры сигнала обновляются повторно в середине периода ШИМ. Это дает возможность генерировать асимметричные ШИМ-сигналы, которые при управлении 3-х фазными инверторами напряжения позволяют снизить гармониче-ские искажения в кривой выходного напряжения. Кроме того, данный режим работы позволяет быстрее изменять среднее значение выходного напряжения, что в замкнутых системах привода обеспечивает повышение частоты пропускания привода. В режиме двукратного обновления параметров синхроимпульсы дополнитель но формируются в середине периода ШИМа, в то время как в режиме однократного обновления — только в начале каждого периода ШИМа. При работе в режиме двукратного обновления параметров необходимо знать, в какой временной области работы ШИМ-генератора (первый или второй полупериод ШИМ) находится программа. Для этого в регистре контроля состояния системы SYSSTAT введен флаг, указывающий на конкретный полупериод ШИМ. К недостаткам режима двукратного обновления параметров можно отнести требование к вдвое более быстрому вычислению задания для ШИМ-генератора для следующего обновления параметров по сравнению с режимом однократного обновления. С учетом заложенных в данный микроконтроллер вычислительных возможностей, данное требование является вполне выполнимым.

Рис. 3 Формирование ШИМ-сигналов в режиме однократного обновления параметров

    Так как в режиме однократного обновления параметров одни и те же значения скважности сигнала используются для обоих полупериодов ШИМ-сигнала, то эффективное разрешение ШИМ-генератора при создании ШИМ-сигналов вдвое больше по сравнению с режимом двукратного обновления параметров (при частоте сигнала CLKOUT 26 МГц разрешение ШИМ-генератора составляет соответственно 76,9 и 38,5 нс). В табл. 1 приведены данные по эффективному разрешению ШИМ-генератора при различных режимах работы и частотах несущего сигнала.

Рис. 4 Формирование ШИМ-сигналов в режиме двукратного обновления параметров

Таблица 1 Эффективное разрешение ШИМ-генератора

    Необходимо также отметить изменения, внесенные в систему блокировки ШИМ-генератора при обнаружении аварии. В микроконтроллерах ADMC300/330 ШИМ-генератор мог быть заблокирован при приеме сигнала внешней аварии по входу PWMTRIP# или по любому дискретному входу. В микроконтроллере ADMC331 исключен прием сигнала внешней аварии по линиям дискретных входов. Взамен добавлена возможность программной блокировки ШИМ-генератора. Для этого введен специальный однобитовый регистр PWMSWT. Модификация значения, записанного в этот регистр, не влияет на работу цепи аппаратной блокировки ШИМ-генератора по линии PWMTRIP#.

1.2 Аналого-цифровой преобразователь

    Микроконтроллер ADMC331 содержит 7-канальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), структурная схема которого изображена на рис. 5. Данный АЦП отличается от АЦП микроконтроллера ADMC300, описанного в [1], но является точной копией АЦП, встроенного в микроконтроллер ADMC330.

Рис. 5 Струтурная схема аналого-цифрового преобразователя

    Изображенный на рис. 5 АЦП состоит из 4-х независимых каналов, по которым происходит одновременное преобразование данных. Один из каналов с помощью встроенного в микроконтроллер аналогового мультиплексора размножен на 4 канала (вследствие получаем общее число аналоговых входов 3+1·4=7). Переключение между мультиплицированными каналами осуществляется программно с помощью регистра управления периферийными устройствами MODECTRL.

Рис. 6 Работа аналого-цифрового преобразователя

    Принцип работы АЦП (рис. 6) заключается в сравнении измеряемого сигнала в синхронизированные моменты времени с аналоговым пилообразным опорным сигналом с использованием простейших компараторов. Аналоговая “пила” формируется с помощью встроенного в микроконтроллер источника тока, внешнего конденсатора, величина которого зависит от частоты ШИМ, и цепи разряда конденсатора, встроенной в микроконтроллер и состоящей из транзистора, открываемого с помощью импульсов синхронизации ШИМ-генератора PWMSYNC. Наклон “пилы” зависит от тока, которым заряжается конденсатор, и его емкости. Максимальное напряжение на конденсаторе определяется периодом ШИМ-сигнала, а также длительностью синхронизирующего импульса. Сформированная таким образом аналоговая “пила” подается на один из входов компаратора. На другой вход компаратора подается измеряемый аналоговый сигнал соответствующего канала. При превышении напряжением конденсатора значения входного аналогового сигнала компаратор выдает активный (высокий) сигнал, по которому значение внутреннего инкрементального счетчика защелкивается во внутреннем регистре результата. 12-битовый счетчик подсчитывает импульсы входного тактирующего сигнала, частота которого задается в регистре управления периферийными устройствами MODECTRL (частота тактового сигнала равна или в два раза меньше внутренней частоты работы процессора CLKOUT). В момент разряда внешнего конденсатора (сигнал PWMSYNC имеет активный высокий уровень) внутренний счетчик обнуляется, а измеренные значения из внутренних регистров результата переписываются в теневые регистры результата, из которых считываются центральным процессором. При этом во внутренние регистры происходит запись текущего значения периода ШИМ-сигнала.

Таблица 2 Разрядность АЦП в зависимости от частоты ШИМ

    Таким образом, точность аналого-цифрового преобразователя зависит от периода ШИМ. В табл. 2 приведены значения эффективной разрядности АЦП при различных режимах тактирования внутреннего счетчика.

1.3 Дополнительные таймеры, генерирующие ШИМ-сигналы

    В микроконтроллере ADMC331 усовершенствован блок дополнительных ШИМ-генераторов. В предыдущем исполнении данный блок представлял собой 8-битный таймер, позволяющий генерировать выходные сигналы с фиксированной несущей частотой и переменной скважностью в диапазоне от 0 до 96,6%.
    Микроконтроллер ADMC331 имеет два дополнительных ШИМ-сигнала, допускающих регулировку несущей частоты ШИМ. Эти сигналы могут быть использованы для управления различными преобразовательными устройствами в системе управления двигателями. В качестве таких преобразовательных устройств могут выступать корректоры коэффициента мощности, импульсные прерыватели и т.п. При добавлении простейшего пассивного фильтра низкой частоты на базе ШИМ-генератора может быть получен простой 8-битовый цифро-аналоговый преобразователь.
    Блок дополнительных ШИМ-сигналов может работать в двух режимах. В первом, независимом режиме работы, для каждого канала можно определить собственную несущую частоту и скважность в диапазоне от 0 до 100% (получение 100% скважности на выходе возможно, если записать в регистр задания скважности значение, превышающее значение периода сигнала). Во втором режиме работы (режим фазового сдвига) несущая частота сигналов по обоим каналам одинакова. Для каждого канала устанавливается своя скважность выходного сигнала в том же диапазоне возможных значений скважности, что и в режиме независимой работы каналов. Пользователь имеет также возможность установить величину фазового смещения двух сигналов друг относительно друга.
    Все перечисленные выше усовершенствования в устройстве микроконтроллера ADMC331 делают его наиболее привлекательным для потребителей, разрабатывающих разомкнутые привода, а также привода с бездатчиковым управлением. Контроллер имеет высокое значение показателя “производительность плюс функциональные возможности/цена”.

2 Будущее семейства DSP-микроконтроллеров ADMCxxx

    Как уже было сказано выше, выпуском модели DMC331 фирма Analog Devices не закончила разработку и производство новых DSP-микроконтроллеров. В ближайшее время должны быть выпущены еще 8 новых микроконтроллеров серии ADMC32x и ADMC40x. Общее число микроконтроллеров, ориентированных на эффективное управление двигателями, достигнет 11. Тем самым фирма Analog Devices подтверждает свое лидирующее положение на рынке высокопроизводительных микроконтроллеров и старается наиболее полно и оптимально удовлетворить существующие потребности. Кратко опишем функциональные особенности микроконтроллеров, предполагаемых к выпуску в 1999 году.
    Серия DSP-микроконтроллеров ADMC32х предназначена для применения в электроприводах бытовой техники и недорогих промышленных электроприводах. Микроконтроллеры серии ADMC32х будут поставляться в 28-выводных корпусах (DIP или SOIC) и состоять из стандартного 16-битового целочисленного DSP-ядра производительностью 20 MIPS (миллионов целочисленных операций в секунду), интегрированного с 12 Кбайтами масочного ПЗУ и ОЗУ данных и программ емкостью 1 Кбайт. Для разработки систем, отладки макетных образцов и мелкосерийного производства будут выпущены версии контроллеров с флэш-памятью, а для массового производства — с масочным ПЗУ.

Таблица 3 Сравнительные параметры семейства микроконтроллеров ADMCxxx

(1) Зависит от несущей частоты ШИМ и режима работы ШИМ-генератора
(2) При CLKIN 13МГц
(3) Выделенный аналоговый вход Isense в ADMC328
(4) При CLKIN 10 MHz

    Микроконтроллеры серии ADMC32х содержат индивидуально оптимизированные периферийные устройства, предназначенные для управления двигателями, такие как 12-битовый аналого-цифровой преобразователь, 16-битовый генератор ШИМ-сигналов, устройство коррекции мощности, генератор сброса и усилитель измеряемого тока. Данные периферийные устройства разработаны для управления бесколлекторными двигателями постоянного тока (BLDC), синхронными двигателями с постоянными магнитами (PMSM), асинхронными (ACIM) и вентильно-индукторными двигателями (SRD). Образцы микроконтроллеров доступны с начала 1999 г., а массовое производство предполагается начать в апреле. Средства разработки, эмулирующие работу микроконтроллеров семейства ADMC32х и содержащие ОЗУ вместо ПЗУ, доступны уже сегодня.
    Серия микроконтроллеров ADMC40х разработана для применения в промышленных приводах, в которых требуется высокий уровень производительностии и богатый набор интерфейсных возможностей. Микроконт-роллеры серии ADMC40x содержат 16-битный целочисленный DSP-процессор с производительностью 26 MIPS. Эти микроконтроллеры содержат интегрированный, истинно 12-разрядный высокоскоростной аналого-цифровой преобразователь, который обеспечивает высокую точность и преобразование по всем 8 каналам за 2 мкс. Микроконтроллеры ADMC40x содержат также гибкую систему интерфейса с импульсными датчиками положения и полный набор периферийных устройств, необходимых для прямого цифрового управления двигателями. Эти новые устройства оптимизированы для высокопроизводительного управления асинхронными и вентильно-индукторными двигателями, синхронными двигателями с постоянными магнитами, бесконтактными двигателями постоянного тока в таких промышленных применениях, как робототехника и станкостроение. Микроконтроллер ADMC401 поставляется в 144-выводном корпусе типа TQFP и имеет выведенные шины адреса и данных. Микроконтроллер ADMC402 поставляется в 80-выводном корпусе типа TQFP (шины не выведены). Образцы данных микроконтроллеров доступны с начала 1999 года, а массовое их производство планируется начать в апреле.
    В заключение приводим сводную таблицу основных технических характеристик микроконтроллеров семейства ADMCxxx, по которым разработчик может осуществить выбор конкретного микроконтроллера для своей прикладной задачи — табл. 3. Более полное описание технических характеристик перечисленных микроконтроллеров можно найти в [2] и технических паспортах (DataSheets) на данные микроконтроллеры, которые расположены в свободном доступе на сайте фирмы в сети Internet.

    Литература

• Козаченко В., Соловьев А. Новые DSP-микроконтроллеры фирмы Analog Devices ADMC300/330 для высокопроизводительных систем векторного управления электроприводами переменного тока// CHIP NEWS. — 1998. — № 5. — С. 16-21.
  
• ADSP-2100 Family User’s Manual. Third Edition.
  
  

«АРГУССОФТ Компани»,
официальный дистрибьютор
продукции фирмы Analog Devices в России
Тел./факс 216-5929, E-mail: solo@argussoft.ru
МЭИ, кафедра Автоматизированного электропривода
Тел. 362-7151, E-mail: Ves@aep.mpei.ac.ru