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ADSP－CM408電機控制系統參考設計

文章來源：更新時間：2015/4/21 10:54:00

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ADI公司的ADSP-CM40xF系列是基于ARM® Cortex-M4處理核的帶浮點單元的混合信號控制處理器,工作頻率高達240MHz,集成了高達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,以及包括兩個16位SAR ADC和12位DAC,主要用在馬達控制,儀器儀表,醫療電子和消費類電子.本文介紹了ADSP-CM40xF主要特性, 系列框圖, 模擬子系統框圖以及電機控制系統參考設計主要特性, ADI M4控制板和 Oscar-Skylight運動控制EVM 框圖,電路圖,材料清單和PCB設計圖.
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模擬子系統框圖
針對電機控制系統，ADI公司能夠提供涵蓋信號鏈中所有重要器件的完整解決方案，相關產品包括了模數/數模轉換器、放大器、嵌入式處理器、iCoupler®數字隔離器和電源管理器件。這些高性能的器件和增加系統集成度有助于實現更新型的拓撲結構設計，為客戶實現系統的差異化設計帶來價值。
ADSP-CM4xx混合信號控制處理器采用ARM Cortex M4處理器內核，集成高精度ADC、數字加速器和濾波器、SRAM和閃存以及豐富的外設。ADSP-CM4xx處理器適用于要求高性能實時控制和模擬轉換的廣泛嵌入式應用。
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，設計中充分考慮到了工業上對隔離的要求，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工具對電機控制進行建模，并自動產生控制部分核心代碼，可以大大加速伺服電機控制軟件的開發流程，并且提供完善可靠的代碼，可以在前期研發階段讓工程師更關注于算法本身而不是陷入復雜的編碼和修改代碼的過程，以加速產品創新和新技術研發的過程。
ADSP-CM4xx混合信號控制處理器采用ARM Cortex M4處理器內核，集成高精度ADC、數字加速器和濾波器、SRAM和閃存以及豐富的外設。ADSP-CM4xx處理器適用于要求高性能實時控制和模擬轉換的廣泛嵌入式應用。
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，設計中充分考慮到了工業上對隔離的要求，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 工具對電機控制進行建模，并自動產生控制部分核心代碼，可以大大加速伺服電機控制軟件的開發流程，并且提供完善可靠的代碼，可以在前期研發階段讓工程師更關注與算法本身而不是陷入復雜的編碼和修改代碼的過程，以加速產品創新和新技術研發的過程。

EVM 采用的ADSP-CM408F數字模擬混合信號處理器具有以下特點：
 雙通道16位SAR ADC，無失碼，13+ ENOB，轉換速率達380ns，適應于高精度閉環控制應用。
 240 MHz ARM Cortex M4內核集成浮點運算單元，可支持高級編程模型和復雜算法。
 384KB SRAM和2MB閃存，從容應對大程序。
 高級PWM和定時器功能，可有效提升轉矩波動和電機性能。
 SINC濾波器，可無縫連接AD74xx隔離式轉換器，實現高精度隔離電流采樣。
 諧波分析引擎，可兼容并網連接（用于太陽能逆變器設備）。
 以太網和USB接口，支持網絡接口。
 2個CAN接口、3個UART、2個SPI、2個SPORT、8個32位定時器、2個雙線接口和4個正交編碼器接口。
 16位異步存儲器總結，可連接外置SRAM或FPGA。
 24x24 176引腳LQFP封裝，搭載91個GPIO引腳和16個ADC輸入引腳，專門針對電機控制應用而優化。
 最高支持105℃的環境工作溫度，適用于工業應用
　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，Boot Switch、時鐘及復位電路。
 4個LED 和3 個按鍵方便程序調試使用。
 隔離通訊接口2個CAN接口、1個RS-232、1 個RS-485接口。
 USB OTG 接口、一個100M 以太網接口。
 PWM 及ADC 引出，方便對電機控制信號進行測試。
 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 進行直接連接，由其提供控制信號。
 所有控制和反饋信號均采用ADI 高速磁隔離芯片進行隔離。
 功率驅動部分采用仙童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Σ-Δ ADC 和ADSP-CM408 內置的SINC 濾波器進行電流采樣，也可通過霍爾電流傳感器和ADSP-CM408 內置16bit ADC 采樣。
 多種傳感器接口，具有霍爾傳感器接口、旋轉編碼器接口、旋轉變壓器接口（AD2S1210實現），用來連接傳感器獲取電機的速度和位置信號。
通過兩塊板子的配合，CM408 MBD Motion Control EVM具有電機控制需要的基本接口及功能模塊，配合MBD 軟件可以實現完整的電機控制功能。

圖4.ADI M4控制板(ADSP-CM408控制核心板)外形圖

圖5.Oscar-Skylight運動控制EVM (PMSM FOC控制功率底板)外形圖

圖6.Oscar-Skylight運動控制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，Boot Switch、時鐘及復位電路
4 個LED 和 3 個按鍵方便程序調試使用
隔離通訊接口：2個 CAN接口、1個 RS-232、1 個 RS-485 接口
USB OTG 接口、一個 100 M 以太網接口
PWM 及 ADC 引出，方便對電機控制信號進行測試
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進行直接連接，由其提供控制信號所有控制和反饋信號均采用 ADI 高速磁隔離芯片進行隔離功率驅動部分采用仙童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 Σ-Δ ADC 和 ADSP-CM408 內置的 SINC 濾波器進行電流采樣，也可通過霍爾電流傳感器和 ADSP-CM408 內置 16bit ADC 采樣多種傳感器接口，具有霍爾傳感器接口、旋轉編碼器接口、旋轉變壓器接口（AD2S1210實現），用來連接傳感器獲取電機的速度和位置信號