使用ADSP-CM408F ADC控制器的電機控制反饋采樣時序

　　簡介

　　本應用筆記介紹ADSP-CM408F模數轉換器控制器(ADCC)模塊的主要特性，重點討論該產品在高性能電機控制應用的電流反饋系統中的相關性與可用性。

　　本應用筆記的目的是為了強調模數轉換器(DAC)模塊的關鍵功能，并提供針對電機控制應用的配置指南。本文提供演示ADI ADCC驅動器的代碼示例。

　　有關此ADCC的所有功能、配置寄存器和應用程序接口(API)的更多詳細信息，請參閱ADSP-CM402F/ADSP-CM403F/ADSP-CM407F/ADSP-CM408F產品頁面和采用ARM Cortex-M4和16位ADC開發產品的ADSP-CM40x混合信號控制處理器的產品頁面上提供的《采用ARM Cortex-M4的ADSP-CM40x混合信號控制處理器硬件參考指南》。

　　雖然本應用筆記重點討論電流反饋，類似的配置和應用原理同樣適用于其他信號的反饋與測量。

　　同樣，雖然本應用筆記重點討論ADSP-CM408F，但原理在本質上同樣適用于ADSP-CM402F/ ADSP-CM403F/ADSP-CM407F/ADSP-CM408F系列的其他產品。

　　電流反饋系統概述

　　電機控制應用中的電流反饋示例如圖1所示。該配置常用于高性能電機驅動，并針對電機相位繞組電流采樣，而非對逆變器低端相位引腳采樣。中高電平時，電流傳感器或變壓器(CT0和CT1)必須用于電流測量路徑，因為阻性分流器尺寸過大而低效。

　　在圖1的配置中，處理器位于安全的隔離柵低壓側，而信號隔離通常為CT0和CT1所固有，且微處理器的脈沖寬度調制PWM輸出和柵極驅動器之間還存在數字隔離。

　　通常需要在電流傳感器輸出和ADC輸入之間進行一些信號調理，以便實現范圍匹配和高頻噪聲濾波。隨后將調理的電流測量信號施加于ADC輸入，用來采樣和轉換。對每個ADC輸入進行一次繞組電流測量將使能電流測量的同步采樣以獲得更高的控制環路精度，從而增強性能。另外，還可在硬件內直接配置采樣時間與PWM sync脈沖的同步。

　　圖1. 電機控制中ADSP-CM408F ADC的電流反饋

　　這些特性可使能PWM周期中相位電流測量點的精密時序。將這些測量時刻與零矢量的中間點或PWM周期的中間點對齊，確保電流采樣電平等效于忽略開關紋波的瞬時平均電流。

　　圖2中顯示了零矢量中點和PWM周期中點處的同步U相位和V相位采樣。

　　圖2. 平均電流采樣圖解

　　完成數據轉換后，便可將其通過直接存儲器訪問(DMA)傳輸至控制器靜態隨機存取存儲器(SRAM)，完成傳輸后會生成一個中斷。在內核模式下，通過存儲器映射寄存器，還可實現直接ADC狀態和數據讀取，但這種方法需消耗更多的處理器開銷。

　　通常還會采樣其他模擬信號，例如直流總線電壓、隔離式柵極雙極性晶體管(IGBT)溫度和電機位置正弦與余弦輸出。雖然本應用筆記重點討論電流反饋，但很多信息也與系統中的其他測量參數有關。

　　ADC模塊概述

　　該ADC采用雙通道、16位、高速、低功耗、逐次逼近型寄存器(SAR)設計，精度高達14位。

　　輸入多路復用器最多支持連接兩個獨立受控ADC的26個模擬輸入源組合(每個ADC的12路模擬輸入加上1路DAC回送輸入)，任意時刻都對兩個通道同步采樣。 ADC轉換時間快達380 ns。單端模擬輸入所需的電壓輸入范圍為0 V至2.5 V。

　　多路復用器和ADC之間提供片內緩沖器，無需使用額外的外部信號調理ADSP-CM408F。此外，每個ADC都有一個片內2.5 V基準電壓源，當優先選擇外部基準電壓源時可將其過驅(通過ADCC_CFG寄存器選擇該選項)。

　　ADSP-CM408F中的總模擬子系統的圖形概述如圖3所示。ADSP-CM408F采用多芯片系統級封裝(SiP)，而ADC硅片制造工藝與處理器硅片工藝有所不同，如圖3所示。

　　ADCC負責ADC中與處理器的時序同步，并管理DMA，將采樣數據傳輸到SRAM。

　　圖3. ADSP-CM408F模擬子系統

　　電流反饋調整

　　若要最大限度地正確利用ADC的能力，正確調整反饋信號非常重要。信號通過反饋路徑處理，如圖5所示。雙極性相位繞組電流IW通過電流傳感器(或變壓器)和信號調理電路的組合功能轉換為ADC輸入端的單極性電壓。

　　電流傳感器的傳遞函數由下式表示：

　　VIW = KCTIW + V0CT

　　其中：

　　VIW為輸出電壓。

　　KCT是傳感器的線性增益系數。

　　V0CT是傳感器的零電流失調電壓。

　　KCT在不同傳感器類型的某些電流水平下表現出非線性，且為了獲得更佳的精度，應當與IW成函數關系，即KCT (IW)。之后，ADC輸入電壓可表示為：

　　VIW_ADC= KSIGVIW = KSIG[KCT(IW)IW + V0CT]

　　其中，KSIG是信號調理電路的低頻增益。

　　該單極性電壓轉換為16位無符號整數，并由DMA傳輸至處理器存儲器，然后發出中斷，提醒控制程序新數據樣本可用。ADC理想化的傳遞函數如下所示：

　　其中：

　　NIW是ADC數字輸出字。

　　KADC表示ADC的線性增益，等于

　　根據輸入電壓范圍劃分的ADC分辨率，如上所示。

　　ADC輸出會產生一些失調;而在軟件內進行一些失調補償(NADC_OFFSET)通常是一個好辦法，可將ADC自身的所有失調以及傳感器和信號調理電路產生的所有殘余失調從ADC輸出中去除。該值可在零電流周期(如系統啟動或禁用驅動輸出)中動態更新。

　　最后，電流傳感器零電流失調電壓NCT_OFFSET的數字表示從ADC輸出信號中去除，使帶符號值IW(與實際相位繞組電流有關)的表達式為：

　　IW = KADC(KSIG[KCT(IW)IW + V0CT]) – NADC_OFFSET – NCT_OFFSET

　　其中：

　　這個帶符號的16位值可轉換為浮點值，或直接使用，具體取決于控制器實現方案。若要最大限度地利用ADC的全范圍，則系統中的正峰值受控電流必須與ADC輸入電壓2.5 V相對應，而負峰值受控電流與ADC輸入0 V相對應。