ADI ADSP－CM408电机控制系统参考设计

作者：angelazhang时间：2015-10-06

ADI公司的ADSP-CM40xF系列是基于ARM® Cortex-M4处理核的带浮点单元的混合信号控制处理器,工作频率高达240MHz,集成了高达384KB SRAM,2MB闪存,用于马车控制和光伏(PV)逆变器控制的加速器和外设,以及包括两个16位SAR ADC和12位DAC,主要用在马达控制,仪器仪表,医疗电子和消费类电子.本文介绍了ADSP-CM40xF主要特性, 系列框图, 模拟子系统框图以及电机控制系统参考设计主要特性, ADI M4控制板和 Oscar-Skylight运动控制EVM 框图,电路图,材料清单和PCB设计图.

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 模拟前端:
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

图1. ADSP-CM40xF系列框图

图2. Cortex-M4框图

图3.CM407F/CM408F模拟子系统框图

针对电机控制系统，ADI公司能够提供涵盖信号链中所有重要器件的完整解决方案，相关产品包括了模数/数模转换器、放大器、嵌入式处理器、iCoupler®数字隔离器和电源管理器件。这些高性能的器件和增加系统集成度有助于实现更新型的拓扑结构设计，为客户实现系统的差异化设计带来价值。

ADSP-CM4xx混合信号控制处理器采用ARM Cortex M4处理器内核，集成高精度ADC、数字加速器和滤波器、SRAM和闪存以及丰富的外设。ADSP-CM4xx处理器适用于要求高性能实时控制和模拟转换的广泛嵌入式应用。

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)两部分，设计中充分考虑到了工业上对隔离的要求，具有完全隔离的CAN、RS-485、RS-232、Ethernet通讯接口以及控制部分和高压功率部分的完全隔离。

软件部分采用了MBD（Model-based design），采用Matlab& Simulink工具对电机控制进行建模，并自动产生控制部分核心代码，可以大大加速伺服电机控制软件的开发流程，并且提供完善可靠的代码，可以在前期研发阶段让工程师更关注于算法本身而不是陷入复杂的编码和修改代码的过程，以加速产品创新和新技术研发的过程。

ADSP-CM4xx混合信号控制处理器采用ARM Cortex M4处理器内核，集成高精度ADC、数字加速器和滤波器、SRAM和闪存以及丰富的外设。ADSP-CM4xx处理器适用于要求高性能实时控制和模拟转换的广泛嵌入式应用。

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) 两部分，设计中充分考虑到了工业上对隔离的要求，具有完全隔离的CAN、RS-485、RS-232、Ethernet通讯接口以及控制部分和高压功率部分的完全隔离。

软件部分采用了MBD（Model-based design），采用Matlab& Simulink 工具对电机控制进行建模，并自动产生控制部分核心代码，可以大大加速伺服电机控制软件的开发流程，并且提供完善可靠的代码，可以在前期研发阶段让工程师更关注与算法本身而不是陷入复杂的编码和修改代码的过程，以加速产品创新和新技术研发的过程。

EVM 采用的ADSP-CM408F数字模拟混合信号处理器具有以下特点：

 双通道16位SAR ADC，无失码，13+ ENOB，转换速率达380ns，适应于高精度闭环控制应用。
 240 MHz ARM Cortex M4内核集成浮点运算单元，可支持高级编程模型和复杂算法。
 384KB SRAM和2MB闪存，从容应对大程序。
 高级PWM和定时器功能，可有效提升转矩波动和电机性能。
 SINC滤波器，可无缝连接AD74xx隔离式转换器，实现高精度隔离电流采样。
 谐波分析引擎，可兼容并网连接（用于太阳能逆变器设备）。
 以太网和USB接口，支持网络接口。
 2个CAN接口、3个UART、2个SPI、2个SPORT、8个32位定时器、2个双线接口和4个正交编码器接口。
 16位异步存储器总结，可连接外置SRAM或FPGA。
 24x24 176引脚LQFP封装，搭载91个GPIO引脚和16个ADC输入引脚，专门针对电机控制应用而优化。
 最高支持105℃的环境工作温度，适用于工业应用
　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最小系统，Boot Switch、时钟及复位电路。
 4个LED 和3 个按键方便程序调试使用。
 隔离通讯接口2个CAN接口、1个RS-232、1 个RS-485接口。
 USB OTG 接口、一个100M 以太网接口。
 PWM 及ADC 引出，方便对电机控制信号进行测试。
 2 路SINC 滤波器输入接口，直接连接连接ADUM74XX 系列Σ-Δ隔离ADC。
 Timer 、CNT 等电机控制需要的引脚均用2.54 排针引出，方便客户连接自己的功率底板。
Oscar-Skylight Motion Control EVM (PMSM FOC 控制功率底板)具有如下功能：
 控制板连接接口，可与ADI M4 Control Card 进行直接连接，由其提供控制信号。
 所有控制和反馈信号均采用ADI 高速磁隔离芯片进行隔离。
 功率驱动部分采用仙童FSBB20CH60C 600V/20A智能功率模块，具有OCPLVO
 具有多种相电流采样方式，可通过Σ-Δ ADC 和ADSP-CM408 内置的SINC 滤波器进行电流采样，也可通过霍尔电流传感器和ADSP-CM408 内置16bit ADC 采样。
 多种传感器接口，具有霍尔传感器接口、旋转编码器接口、旋转变压器接口（AD2S1210实现），用来连接传感器获取电机的速度和位置信号。
通过两块板子的配合，CM408 MBD Motion Control EVM具有电机控制需要的基本接口及功能模块，配合MBD 软件可以实现完整的电机控制功能。

图4.ADI M4控制板(ADSP-CM408控制核心板)外形图

图5.Oscar-Skylight运动控制EVM (PMSM FOC控制功率底板)外形图

图6.Oscar-Skylight运动控制EVM框图

EVM OSCAR-SKYLIGHT MOTION CONTROL EVM (PMSM FOC控制功率底板)包括:
完整的 ADSP - CM408F 最小系统，Boot Switch、时钟及复位电路
4 个LED 和 3 个按键方便程序调试使用
隔离通讯接口：2个 CAN接口、1个 RS-232、1 个 RS-485 接口
USB OTG 接口、一个 100 M 以太网接口
PWM 及 ADC 引出，方便对电机控制信号进行测试
2 路 SINC 滤波器输入接口，直接连接 ADUM74XX 系列 Σ-Δ隔离 ADC
Timer、CNT 等电机控制需要的引脚均用 2.54 排针引出，方便客户连接自己的功率底板

图7.ADI M4控制卡(ADSP- CM408 控制核心板)框图

ADI M4 CONTROL CARD (ADSP- CM408 控制核心板)包括:

控制板连接接口，可与ADI M4 Control Card进行直接连接，由其提供控制信号所有控制和反馈信号均采用 ADI 高速磁隔离芯片进行隔离功率驱动部分采用仙童FSBB20CH60C 600V /20A智能功率模块，具有 OCP LVO具有多种相电流采样方式，可通过 Σ-Δ ADC 和 ADSP-CM408 内置的 SINC 滤波器进行电流采样，也可通过霍尔电流传感器和 ADSP-CM408 内置 16bit ADC 采样多种传感器接口，具有霍尔传感器接口、旋转编码器接口、旋转变压器接口（AD2S1210实现），用来连接传感器获取电机的速度和位置信号