常用电机微控制器之比较

电机控制是微控制器的一个重要应用领域。近几十年来，随着微电子工艺水平的提高，电机微控制水平有了飞速的发展。世界上著名的集成电路芯片制造商纷纷推出各自的产品，使得电机微控制器种类不断增多，功能日益增强。常见的有Intel公司的 8CX196MC/MD/MH、TI公司的TMS320C24x系列、 Motorola公司的M68HC08/16、ADI公司的ADMCxxx系列微控制器等等。

对于现代高性能的电机控制系统而言，除了要有一个功能强大的计算内核外，还需要一些附加的外部电路，如高分辨率的A/D变换器、多路输入输出I/O口等，尤其需要一个用于产生驱动逆变器功率开关元件的PWM信号的波形发生单元和定时器单元，这也是电机微控制器共同的重要特片。

1 基本结构

1.1 8XC196MC的基本结构

8XC196MC 是Intel公司专门为电机高速控制所设计的一种16位微控制器，基本结构如图1所示。它有1个C196内核（寄存器-寄存器结构），当时钟频率为 16MHz时，进行1次16bit×16bit运算需1.75μs；进行1次32bit/16bit运算需3μs；另外包括488字节的寄存器RAM、 64KB程序空间、中断、7个I/O口共40条I/O口线，PTS工作方式支持串行输入、输出（SIO）功能；片内外设有1个13通道的A/D转换器，可工作在8位或10位模式，采样保持时间、转换时间、阀植检测方式和零偏补偿校正均可编程；2个16位定时器；1个事件处理器阵列（EPA）有4路捕捉/比较模块和独立的4路比较模块，它和定时器共同完成对事件监测与控制，具有125ns的事件处理分辨能力；1个三相波形发生器（Waveform Generator简称WG）和1个脉宽调制单元（PWM）。在运行中可动态选择8位或者16位的总线宽芳，并能通过HOLD/HLDA协议方便地实现多处理器通信。

8XC196MD是8XC196MC的改进型，引脚兼容且基本结构相同，只是在其基础上增加了如下功能；

①1路频率发生器产生的频率可编程的方波，适用于红外遥控通信；

②在EPA中，添加了2路捕捉/比较模块和独立的2路比较模块；

③增加8个I/O引脚，2个数字输入引脚及1个A/D输入引脚。

1.2 TMS320C240 DSP的基本结构

TI（德州仪器）公司于1997年推出的电机微控制TMS320C240，是第1片专门为满足复杂电机控制需求而设计的单片DSP控制器，其结构如图2所示。由于具有硬件乘法器及多总线结构，TMS320C240支持高速指令周期及单周期乘法，16位定点DSP内核的计算速度达20 MIPS（1个指令周期50ns），片内有544字的数据/程序RAM和16K字的程序ROM，外设包括1个专用于电机控制的事件管理器（可用于产生三相 PWM信号和捕捉光电编码器的脉冲信号）、2个8路10位A/D变换器、1个看门狗定时器、1个串行通信接口（SPI）、1个串行外设接口（SCI口）和 4个8位共32路I/O口。

1.3 ADMC331的结构

ADMC3xx 系列是美国ADI（模拟器件）公司生产的单片DSP电机控制器。它们均以1个ADSP-2171DSP为基础内核，配以电机控制所需要的外设单元组成，主要包括ADMC300、ADMC328、ADMC330、ADMC331和ADMC401。其中，ADMC 328属于简单型控制器，仅有28个引脚，主要应用在家用电器或一般较简单的业控制系统中；ADMC300/330/331控制器引脚均为80个，性能居中，可较好地满足一般调速系统的控制要求；ADMC401为高档型DSP控制器，引脚多达144个，功能丰富，可应用于高精度且复杂的调速控制系统中。这里以ADMC331为例简要介绍一下其结构特点。

ADMC331集成了1个26MIPS的16位定点DSP内核ADSP2171和一系列电机控制所需设备。DSP内核并联了3个运算单元，ALU（算术逻辑）、MAC（乘加）和SHIFTER（移位）。ADMC331还提供了2K×24位的程序存储器（ROM）、2K×24位程序存储器（RAM）和1K× 16位数据存储器（RAM），程序及数据存储器RAM内的存储内部可由其串口从外部ROM中以同步或异步方式装入，ROM中还固化了一些常用的电机控制用子程序和常数，为控制系统的程序设计提供了方便。从图3的结构框图中可见，ADMC331的外设包括1个16位三相PWM发生器，能够灵活编程产生精确 PWM信号以驱动逆变器的功率开关；7个模块输入通道，最高分辨率为12位，最高采样频率为32.5kHz；2个辅助8位PWM输出通道，可用来为被控的功率因数校正或其它开关变换器提供开关信号，亦可通过合适的滤波网络作为数模转换的输出；16位的监视定时器和可编程的16位定时器；每位均可设置为输入 /输出或中断的24位数字可编程输入/输出（PIO）端口及2个双缓冲的串行口。再加上丰富的DSP操作指令的支持，单周期指令执行时间可达 38.5ns，使之不失为电机调速控制的理想器件。

2 PWM信号的形成

对于任何种类的三相电机控制系统，均要求产生3对完善的PWM信号以驱动逆变器上下桥臂功率开关元件，并要求每对PWM信号有适当的导通延时，以防止下桥臂功率开关同时导通而毁坏系统。这也正是电机微控制器区别于其它种类微控制器的重要特征。