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ADSP－CM408電機(jī)控制系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)

文章來(lái)源：更新時(shí)間：2015/4/21 10:54:00

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ADI公司的ADSP-CM40xF系列是基于ARM® Cortex-M4處理核的帶浮點(diǎn)單元的混合信號(hào)控制處理器,工作頻率高達(dá)240MHz,集成了高達(dá)384KB SRAM,2MB閃存,用于馬車控制和光伏(PV)逆變器控制的加速器和外設(shè),以及包括兩個(gè)16位SAR ADC和12位DAC,主要用在馬達(dá)控制,儀器儀表,醫(yī)療電子和消費(fèi)類電子.本文介紹了ADSP-CM40xF主要特性, 系列框圖, 模擬子系統(tǒng)框圖以及電機(jī)控制系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)主要特性, ADI M4控制板和 Oscar-Skylight運(yùn)動(dòng)控制EVM 框圖,電路圖,材料清單和PCB設(shè)計(jì)圖.
The ADSP-CM40xF family of mixed-signal control processors is based on the ARM® Cortex-M4TM processor core with floating-point-unit operating at frequencies up to 240 MHz and integrating up to 384KB of SRAM memory, 2MB of flash memory, accelerators and peripherals optimized for motor control and photo-voltaic (PV) inverter control and an analog module consisting of two 16-bit SAR-type ADCs and two 12-bit DACs. TheADSP-CM40xF family operates from a single voltage supply(VDD_EXT/VDD_ANA), generating its own internal voltage supplies using internal voltage regulators and an external passtransistor.
This family of mixed-signal control processors offers low static power consumption and is produced with a low-power and low voltage design methodology, delivering world class processor and ADC performance with lower power consumption.
By integrating a rich set of industry-leading system peripherals and memory, the ADSP-CM40xF mixed-signalcontrol processors are the platform of choice fornext-generation applications that require RISC programmability, advanced communications and leading-edge signalprocessing in one integrated package. These applications span a wide array of markets including power/motor control, embedded industrial, instrumentation, medical and consumer.
Each ADSP-CM40xF family member contains the followingmodules.
• 8 GP timers with PWM output
• 3-Phase PWM units with up to 4 output pairs per unit
• 2 CAN modules
• 1 two-wire interface (TWI) module
• 3 UARTs
• 1 ADC controller (ADCC) to control on-chip ADCs
• 1 DAC controller (DACC) to control on-chip DACs
• 1 Sinus Cardinalis (SINC) filter
• 1 Harmonic Analysis Engine (HAE)
• 1 SPI connected to internal SPI flash memory
• 1 watchdog timer unit
• 1 cyclic redundancy check (CRC)

ADSP-CM40xF主要特性:
SYSTEM FEATURES
Up to 240MHz ARM Cortex-M4 with floating-point unit
24-channel Analog Front End (AFE) with 16-bit ADCs
128K Byte to 384K Byte zero-wait-state L1 SRAM with
16K Byte L1 cache
Up to 2M Byte flash memory
Single 3.3 V power supply
Package Options:
176-lead (24 mm × 24 mm) LQFP package
120-lead (14 mm × 14 mm) LQFP package
212-ball (19 mm × 19 mm) BGA package
Static Memory Controller (SMC) with asynchronous memory interface that supports 8-bit and 16-bit memories
Enhanced PWM units
Four 3rd/4th order SINC filters for glueless connection of Sigma-Delta modulators
Hardware-based Harmonic Analysis Engine
10/100 Ethernet MAC
Full Speed USB On-the-Go (OTG)
Two CAN (controller area network) 2.0B interfaces
Three UART ports
Two Serial Peripheral Interface (SPI-compatible) ports
Eight 32-bit general-purpose timers
Four Encoder Interfaces, 2 with frequency division
ADSP-CM40xF 模擬前端:
Two 16-bit SAR ADCs with up to 24 multiplexed inputs,supporting dual simultaneous conversion in 380 ns (16-bit,no missing codes)
ADC controller (ADCC) and DAC controller (DACC)
Two 12-bit DACs
Two 2.5 V precision voltage reference outputs

圖1. ADSP-CM40xF系列框圖

圖2. Cortex-M4框圖

圖3.CM407F/CM408F模擬子系統(tǒng)框圖
針對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)，ADI公司能夠提供涵蓋信號(hào)鏈中所有重要器件的完整解決方案，相關(guān)產(chǎn)品包括了模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器、放大器、嵌入式處理器、iCoupler®數(shù)字隔離器和電源管理器件。這些高性能的器件和增加系統(tǒng)集成度有助于實(shí)現(xiàn)更新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為客戶實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的差異化設(shè)計(jì)帶來(lái)價(jià)值。
ADSP-CM4xx混合信號(hào)控制處理器采用ARM Cortex M4處理器內(nèi)核，集成高精度ADC、數(shù)字加速器和濾波器、SRAM和閃存以及豐富的外設(shè)。ADSP-CM4xx處理器適用于要求高性能實(shí)時(shí)控制和模擬轉(zhuǎn)換的廣泛嵌入式應(yīng)用。
CM408 MBD Motion Control 包含EVM Oscar-Skylight Motion Control EVM (PMSM FOC控制功率底板) 和ADI M4 Control Card (ADSP-CM408控制核心板)兩部分，設(shè)計(jì)中充分考慮到了工業(yè)上對(duì)隔離的要求，具有完全隔離的CAN、RS-485、RS-232、Ethernet通訊接口以及控制部分和高壓功率部分的完全隔離。
軟件部分采用了MBD（Model-based design），采用Matlab& Simulink工具對(duì)電機(jī)控制進(jìn)行建模，并自動(dòng)產(chǎn)生控制部分核心代碼，可以大大加速伺服電機(jī)控制軟件的開發(fā)流程，并且提供完善可靠的代碼，可以在前期研發(fā)階段讓工程師更關(guān)注于算法本身而不是陷入復(fù)雜的編碼和修改代碼的過(guò)程，以加速產(chǎn)品創(chuàng)新和新技術(shù)研發(fā)的過(guò)程。
ADSP-CM4xx混合信號(hào)控制處理器采用ARM Cortex M4處理器內(nèi)核，集成高精度ADC、數(shù)字加速器和濾波器、SRAM和閃存以及豐富的外設(shè)。ADSP-CM4xx處理器適用于要求高性能實(shí)時(shí)控制和模擬轉(zhuǎn)換的廣泛嵌入式應(yīng)用。
CM408 MBD Motion Control EVM包含Oscar-Skylight Motion Control EVM(PMSM FOC 控制功率底板)和ADI M4 Control Card(ADSP-CM408 控制核心板) 兩部分，設(shè)計(jì)中充分考慮到了工業(yè)上對(duì)隔離的要求，具有完全隔離的CAN、RS-485、RS-232、Ethernet通訊接口以及控制部分和高壓功率部分的完全隔離。
軟件部分采用了MBD（Model-based design），采用Matlab& Simulink 工具對(duì)電機(jī)控制進(jìn)行建模，并自動(dòng)產(chǎn)生控制部分核心代碼，可以大大加速伺服電機(jī)控制軟件的開發(fā)流程，并且提供完善可靠的代碼，可以在前期研發(fā)階段讓工程師更關(guān)注與算法本身而不是陷入復(fù)雜的編碼和修改代碼的過(guò)程，以加速產(chǎn)品創(chuàng)新和新技術(shù)研發(fā)的過(guò)程。

EVM 采用的ADSP-CM408F數(shù)字模擬混合信號(hào)處理器具有以下特點(diǎn)：
 雙通道16位SAR ADC，無(wú)失碼，13+ ENOB，轉(zhuǎn)換速率達(dá)380ns，適應(yīng)于高精度閉環(huán)控制應(yīng)用。
 240 MHz ARM Cortex M4內(nèi)核集成浮點(diǎn)運(yùn)算單元，可支持高級(jí)編程模型和復(fù)雜算法。
 384KB SRAM和2MB閃存，從容應(yīng)對(duì)大程序。
 高級(jí)PWM和定時(shí)器功能，可有效提升轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和電機(jī)性能。
 SINC濾波器，可無(wú)縫連接AD74xx隔離式轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)高精度隔離電流采樣。
 諧波分析引擎，可兼容并網(wǎng)連接（用于太陽(yáng)能逆變器設(shè)備）。
 以太網(wǎng)和USB接口，支持網(wǎng)絡(luò)接口。
 2個(gè)CAN接口、3個(gè)UART、2個(gè)SPI、2個(gè)SPORT、8個(gè)32位定時(shí)器、2個(gè)雙線接口和4個(gè)正交編碼器接口。
 16位異步存儲(chǔ)器總結(jié)，可連接外置SRAM或FPGA。
 24x24 176引腳LQFP封裝，搭載91個(gè)GPIO引腳和16個(gè)ADC輸入引腳，專門針對(duì)電機(jī)控制應(yīng)用而優(yōu)化。
 最高支持105℃的環(huán)境工作溫度，適用于工業(yè)應(yīng)用
　功能Feature
ADI M4 Control Card(ADSP-CM408 控制核心板) 具有以下功能：
 完整的ADSP-CM408F最小系統(tǒng)，Boot Switch、時(shí)鐘及復(fù)位電路。
 4個(gè)LED 和3 個(gè)按鍵方便程序調(diào)試使用。
 隔離通訊接口2個(gè)CAN接口、1個(gè)RS-232、1 個(gè)RS-485接口。
 USB OTG 接口、一個(gè)100M 以太網(wǎng)接口。
 PWM 及ADC 引出，方便對(duì)電機(jī)控制信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。
 2 路SINC 濾波器輸入接口，直接連接連接ADUM74XX 系列Σ-Δ隔離ADC。
 Timer 、CNT 等電機(jī)控制需要的引腳均用2.54 排針引出，方便客戶連接自己的功率底板。
Oscar-Skylight Motion Control EVM (PMSM FOC 控制功率底板)具有如下功能：
 控制板連接接口，可與ADI M4 Control Card 進(jìn)行直接連接，由其提供控制信號(hào)。
 所有控制和反饋信號(hào)均采用ADI 高速磁隔離芯片進(jìn)行隔離。
 功率驅(qū)動(dòng)部分采用仙童FSBB20CH60C 600V/20A智能功率模塊，具有OCPLVO
 具有多種相電流采樣方式，可通過(guò)Σ-Δ ADC 和ADSP-CM408 內(nèi)置的SINC 濾波器進(jìn)行電流采樣，也可通過(guò)霍爾電流傳感器和ADSP-CM408 內(nèi)置16bit ADC 采樣。
 多種傳感器接口，具有霍爾傳感器接口、旋轉(zhuǎn)編碼器接口、旋轉(zhuǎn)變壓器接口（AD2S1210實(shí)現(xiàn)），用來(lái)連接傳感器獲取電機(jī)的速度和位置信號(hào)。
通過(guò)兩塊板子的配合，CM408 MBD Motion Control EVM具有電機(jī)控制需要的基本接口及功能模塊，配合MBD 軟件可以實(shí)現(xiàn)完整的電機(jī)控制功能。

圖4.ADI M4控制板(ADSP-CM408控制核心板)外形圖

圖5.Oscar-Skylight運(yùn)動(dòng)控制EVM (PMSM FOC控制功率底板)外形圖

圖6.Oscar-Skylight運(yùn)動(dòng)控制EVM框圖

EVM OSCAR-SKYLIGHT MOTION CONTROL EVM (PMSM FOC控制功率底板)包括:
完整的 ADSP - CM408F 最小系統(tǒng)，Boot Switch、時(shí)鐘及復(fù)位電路
4 個(gè)LED 和 3 個(gè)按鍵方便程序調(diào)試使用
隔離通訊接口：2個(gè) CAN接口、1個(gè) RS-232、1 個(gè) RS-485 接口
USB OTG 接口、一個(gè) 100 M 以太網(wǎng)接口
PWM 及 ADC 引出，方便對(duì)電機(jī)控制信號(hào)進(jìn)行測(cè)試
2 路 SINC 濾波器輸入接口，直接連接 ADUM74XX 系列 Σ-Δ隔離 ADC
Timer、CNT 等電機(jī)控制需要的引腳均用 2.54 排針引出，方便客戶連接自己的功率底板

圖7.ADI M4控制卡(ADSP- CM408 控制核心板)框圖

ADI M4 CONTROL CARD (ADSP- CM408 控制核心板)包括:
控制板連接接口，可與ADI M4 Control Card進(jìn)行直接連接，由其提供控制信號(hào)所有控制和反饋信號(hào)均采用 ADI 高速磁隔離芯片進(jìn)行隔離功率驅(qū)動(dòng)部分采用仙童FSBB20CH60C 600V /20A智能功率模塊，具有 OCP LVO具有多種相電流采樣方式，可通過(guò) Σ-Δ ADC 和 ADSP-CM408 內(nèi)置的 SINC 濾波器進(jìn)行電流采樣，也可通過(guò)霍爾電流傳感器和 ADSP-CM408 內(nèi)置 16bit ADC 采樣多種傳感器接口，具有霍爾傳感器接口、旋轉(zhuǎn)編碼器接口、旋轉(zhuǎn)變壓器接口（AD2S1210實(shí)現(xiàn)），用來(lái)連接傳感器獲取電機(jī)的速度和位置信號(hào)