ADSP-CM408实现电机控制器的主机处理器简介

将更快速的控制环路移至运动控制器提出了从网络主机直到电机终端全程同步的要求。总体思路是使所有轴的I/O与网络同步，以使它们全都在一个同步域中运行。显示了一个位于网络控制器和电机控制器之间的I/O事件调度器。I/O事件调度器的主要功能是为所有外设生成同步/复位脉冲，使它们与网络流量保持同步。I/O事件调度器获取帧同步信号，该信号来源于网络控制器的本地时钟，并为必须与网络保持同步的所有I/O输出适当的硬件触发信号。

I/O调度器将同步域绑定在一起

每个I/O都有自己的一组时序/复位要求，这意味着I/O事件调度器必须为每个I/O提供定制的触发信号。虽然触发信号的要求不同，但它们仍拥有一些通用法则。首先，所有触发信号必须以帧同步为基准。其次，存在与每个触发信号相关联的延迟/偏移。该延迟与I/O的固有延迟有关，例如，ADC的转换时间或sinc滤波器的群延迟。第三，存在I/O响应时间，例如，来自ADC的数据传输。I/O事件调度器掌握每个I/O的时序要求，并根据本地时钟连续调整触发/复位脉冲。生成I/O事件调度器每个输出脉冲的原理概述如图7所示。

I/O调度器生成触发脉冲

在大多数网络运动控制系统中，帧速率以及帧同步速率等于或低于电机控制器的PWM更新速率。这意味着I/O事件调度器必须每帧周期提供至少一个、也可能是多个触发脉冲。

下半部分显示了PWM同步的一个示例时序图。请注意，本例中帧同步频率是PWM频率的倍数以及I/O触发信号抖动是如何减小的。

实现方案

网络主机采用Beckhoff CX2020 PLC，并连接到PC用于开发和部署PLC程序。实时网络协议(红色箭头)为EtherCAT。电机控制器主要采用ADI的fido5200和ADSP-CM408。两者结合，为网络连接的电机驱动器提供高度集成的芯片组。

fido5200是一个带有两个以太网端口的实时以太网多协议(REM)交换芯片。它在主机处理器和工业以太网物理层之间提供一个灵活的接口。fido5200包括一个可配置的定时器控制单元(TCU)，可针对各种工业以太网协议实现先进的同步方案。还可以借助专用定时器引脚实现输入捕获和方波信号输出等附加功能。定时器输入/输出与本地同步时间保持同相，因此也与网络流量保持同相。这使其不仅可以同步单个从机节点的I/O，而且可以同步整个网络中的从机节点。

REM交换芯片有两个以太网端口，因此可连接两个Phys(PHY1和PHY2)。该拓扑支持环形和线形网络。但在本实验设置中，作为演示说明，仅使用一个从机节点，并且只有一个以太网端口处于活动状态。

REM交换芯片通过并行存储器总线与主机处理器通信，确保了高吞吐量和低延迟。

用于实现电机控制器的主机处理器采用ADSP-CM408。它是基于ARM®Cortex®-M4F内核的专用处理器，用于实现控制和应用功能。该处理器包括支持工业控制应用的外设，如用于PWM逆变器控制的定时器、ADC采样和位置编码器接口。为了使所有外设与网络保持同步，采用了一个灵活的触发路由单元(TRU)。TRU将fido5200的TCU生成的触发信号重定向至ADSP-CM408上的所有时序关键型外设。这些外设包括脉宽调制器、用于相电流测量的sinc滤波器、ADC和绝对编码器接口。同步I/O的原理如下图所示。

为I/O生成同步事件

在上图中，请注意如何利用REM交换芯片上的TCU和电机控制处理器上的TRU来实现I/O事件调度器。换言之，该功能由两个集成电路实现。

电机控制器反馈三相伺服电机的相电流和转子位置。相电流使用隔离式-ΔADC测量，转子位置则使用EnDat绝对编码器测量。-ΔADC和编码器都直接连接至ADSP-CM408，无需任何外部FPGA或CPLD。

PWM开关频率为10 kHz，每个PWM周期执行一次控制算法。如本文所述，TCU在每个PWM周期内为ADSP-CM408提供一次同步脉冲。

实验结果

实验设置照片如图10所示。为了说明系统的同步功能，设置PLC使之运行一个持续200μs的程序任务。任务时间还决定了EtherCAT网络上的帧速率。电机控制器以PWM方式运行，并且控制更新周期为100μs(10kHz)，因此需要以此速率生成同步脉冲。结果如图11所示。

Data Ready(数据就绪)信号指示REM交换芯片何时向电机控制应用提供网络数据。信号每200μs置位一次，与EtherCAT帧速率相对应。PWM同步信号也由REM交换芯片产生，用于使电机控制器的I/O与网络流量保持同步。由于PWM周期为100μs，REM交换芯片每个EtherCAT帧调度两次PWM同步脉冲。图11中下方的两个信号HSPWM和LSPWM是其中一个电机相位的高端和低端PWM。请注意PWM信号是如何与网络流量同步的。