1、前言
直流伺服驅(qū)動(dòng)器憑借其優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)性能，在工業(yè)、醫(yī)療、國(guó)防等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。典型的直流伺服驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。整個(gè)系統(tǒng)是由電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)構(gòu)成的多環(huán)控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)器使用運(yùn)放為核心的模擬電路構(gòu)成，其有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)調(diào)整不易和系統(tǒng)性能易受環(huán)境影響等缺點(diǎn)。隨著微處理器技術(shù)、模擬數(shù)字接口技術(shù)和功率半導(dǎo)體技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，現(xiàn)代的直流伺服驅(qū)動(dòng)器普遍采用由微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)。以微處理器為核心的伺服驅(qū)動(dòng)器不但可以方便實(shí)現(xiàn)以前用模擬電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)的控制算法，并且有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)調(diào)整方便、系統(tǒng)性能對(duì)環(huán)境參數(shù)不敏感等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，數(shù)字控制系統(tǒng)還可以充分利用成熟的網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多機(jī)并行運(yùn)行。
本文介紹的是基于SPMC75F2313A和MOSFET功率管（IRF540）實(shí)現(xiàn)的直流伺服驅(qū)動(dòng)器方案。
2 芯片特性簡(jiǎn)介
SPMC75F2313A是μ’nSP™系列產(chǎn)品的一個(gè)新成員，是凌陽(yáng)科技新推出的專用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的16位微控制器。其擁有性能出色定時(shí)器和PWM信號(hào)發(fā)生器?？梢苑奖愕膶?shí)現(xiàn)各種電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)方案。
SPMC75F2313A在4.5V~5.5V工作電壓范圍內(nèi)的工作速度范圍為0~24MHz，擁有2K字SRAM和32K字閃存ROM；最多33個(gè)可編程的多功能I/O端口；4個(gè)通用16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（其中有一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)專用PWM波形發(fā)生器，一個(gè)位置偵測(cè)接口定時(shí)器），且每個(gè)定時(shí)器均有PWM發(fā)生的事件捕獲功能；2個(gè)專用于定時(shí)可編程周期定時(shí)器；可編程看門狗；低電壓復(fù)位/監(jiān)測(cè)功能；8通道10位模-數(shù)轉(zhuǎn)換。在這些硬件外設(shè)的支持下SPMC75F2313A在電機(jī)控制領(lǐng)域有相當(dāng)優(yōu)秀的表現(xiàn)。
SPMC75F2313A的特性如下：
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1. 高性能的16位CPU內(nèi)核 a) 凌陽(yáng)16位u’nSP處理器(ISA 1.2) b) 片內(nèi)基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生模塊 c) 最高系統(tǒng)頻率Fck：24MHz 2. 片內(nèi)存儲(chǔ)器 a) 32K Words (32K×16bit) Flash b) 2K Words (2K×16bit) SRAM 3. 工作溫度： -40 ℃～85 ℃ 4. 10位ADC模塊 a) 可編程轉(zhuǎn)換速率，最大轉(zhuǎn)換速率100Ksps b) 6個(gè)外部輸入通道 c) 可與PDC或MCP等定時(shí)器聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制中的電參量測(cè)量 5. 串行通訊接口 a) 通用異步串行通訊接口(UART) b) 標(biāo)準(zhǔn)外圍接口(SPI) 6. 33（LQFP44）/31（SDIP42）個(gè)通用輸入輸出腳 7. 可編程看門狗定時(shí)器 8. 內(nèi)嵌在線仿真電路ICE接口：可實(shí)現(xiàn)在線仿真、調(diào)試和下載 9. 通用16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器 |
1. PDC定時(shí)器 a) 兩個(gè)PDC定時(shí)器：PDC0和PDC1 b) 可同時(shí)處理三路捕獲輸入 c) 可產(chǎn)生三路PWM輸出（中心對(duì)稱或邊沿方式） d) BLDC驅(qū)動(dòng)的專用位置偵測(cè)接口 e) 兩相增量碼盤(pán)接口，支持四種工作模式，擁有四倍頻電路 2. MCP定時(shí)器 a) 一個(gè)MCP定時(shí)器：MCP4 b) 能產(chǎn)生三相六路可編程的PWM波形，如三相SPWM、SVPWM等 c) 提供PWM占空比值同步載入邏輯 d) 可選擇與PDC的位置偵測(cè)變化同步 e) 可編程的硬件死區(qū)插入功能，死區(qū)時(shí)間可設(shè)定 f) 可編程的錯(cuò)誤和過(guò)載保護(hù)邏輯 3. TPM定時(shí)器 a) 一個(gè)TPM定時(shí)器：TPM2 b) 可同時(shí)處理二路捕獲輸入 c) 可產(chǎn)生二路PWM輸出（中心對(duì)稱或邊沿方式） 4. 兩個(gè)CMT定時(shí)器 |
3 系統(tǒng)總體方案介紹
本伺服驅(qū)動(dòng)器主要由凌陽(yáng)SPMC75F2313A、由IRF540組成的功率全橋和各種接口模塊組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 3-1所示。驅(qū)動(dòng)器使用帶電流環(huán)的位置伺服結(jié)構(gòu)，其中位置伺服環(huán)可根據(jù)需要選擇是否接入系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)器使用20KHz的雙極性PWM，以保證系統(tǒng)良好的動(dòng)態(tài)性能。
系統(tǒng)工作流程：
SPMC75F2313A接受來(lái)自各種控制接口的控制信息，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電機(jī)控制信息。SPMC75F2313A內(nèi)部的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊依據(jù)控制信息和電機(jī)本身反饋的狀態(tài)信息產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)MOSFET功率放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。同時(shí)，內(nèi)建的保護(hù)電路隨時(shí)監(jiān)示系統(tǒng)狀態(tài)，一旦系統(tǒng)異常，保護(hù)電路會(huì)立即動(dòng)作，保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)異常情況而損壞，同時(shí)提醒用戶檢查。
4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部分的電路原理圖如圖 4-1。電路由主控MCU核心（SPMC75F2313A）、功率驅(qū)動(dòng)電路（IRF540組成的功率橋）、MOSFET驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路、霍爾電流傳感電路、增量編碼器接口電路和DC/DC電源變換電路幾部分構(gòu)成。其中SPMC75F2313A主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需PWM信號(hào)的產(chǎn)生、系統(tǒng)控制、人機(jī)接口等控制功能。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的四路PWM信號(hào)由SPMC75F2313A內(nèi)部的MCP定時(shí)器產(chǎn)生，信號(hào)由芯片的IOC端口輸出，經(jīng)柵極驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)功率MOSFET（IRF540）。PWM信號(hào)經(jīng)IRF540功率合成后輸出驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)。
霍爾電流傳感器提供實(shí)時(shí)的電機(jī)工作電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)SPMC75F2313A內(nèi)部的ADC模塊AD轉(zhuǎn)換后供給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用。
增量編碼器接口使用SPMC75F2313A內(nèi)部的PDC定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，為SPMC75F2313A內(nèi)部固化的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊提供位置和速度信息，從而完成系統(tǒng)的速度和位置控制。
系統(tǒng)保護(hù)電路由SPMC75F2313A內(nèi)部MCP定時(shí)器的硬件保護(hù)邏輯和外部保護(hù)電路兩部分組成。保護(hù)電路會(huì)時(shí)刻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作狀態(tài)，一旦系統(tǒng)異常（過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)載等情況），保護(hù)電路會(huì)立時(shí)拉低MCP定時(shí)器的錯(cuò)誤保護(hù)輸入端（IOC9），SPMC75F2313A內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)硬件會(huì)立即禁止所有PWM輸出（變?yōu)楦咦钁B(tài)），關(guān)斷所有功率器件，確保系統(tǒng)不會(huì)因這些異常情況而損壞。同時(shí)申請(qǐng)中斷，請(qǐng)求CPU對(duì)相應(yīng)的事件進(jìn)行處理。
由于其它模塊屬于通常的一些模塊，此處不再詳述。
5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)軟件分為三部分：
1. 伺服電機(jī)的核心驅(qū)動(dòng)模塊，這部分主要是產(chǎn)生電機(jī)驅(qū)動(dòng)所用的PWM信號(hào)和相應(yīng)的控制環(huán)路；
2. 系統(tǒng)控制程序；
3. 人機(jī)接口界面程序；
電機(jī)的核心驅(qū)動(dòng)模塊的結(jié)構(gòu)如圖 5-1所示，模塊使用經(jīng)典的三環(huán)位置伺服結(jié)構(gòu)。整個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊分為位置調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、位置計(jì)算、速度計(jì)算和電流反饋幾部分構(gòu)成。每個(gè)環(huán)節(jié)均使用改進(jìn)的增量PID調(diào)節(jié)器（結(jié)構(gòu)根據(jù)各個(gè)環(huán)路的特點(diǎn)而有不同），電流環(huán)的反饋速度為0.05ms，速度環(huán)的反饋速度為1ms，位置環(huán)的反饋速度10ms。
各控制環(huán)的核心服務(wù)子程序的流程如圖 5-2所示。這幾部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其性能也決定了整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的性能。因此，這幾部分使用純匯編編寫(xiě)，相應(yīng)的PID算法也根據(jù)不同控制環(huán)的特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)調(diào)整和性能優(yōu)化。以最大限度保證這幾部分程序的性能和實(shí)時(shí)性。
圖 5-2 PWM周期中斷服務(wù)子程序流程圖
系統(tǒng)控制部分是整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)的心臟。整個(gè)系統(tǒng)都在其協(xié)調(diào)下有條不紊的工作。這部分主要是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置和當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)給出相應(yīng)的控制信息，以確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。
人機(jī)接口界面程序，這部主要是為用戶提供一個(gè)簡(jiǎn)單易用的交互接口，以方便用戶對(duì)驅(qū)動(dòng)器的可靠控制。包括驅(qū)動(dòng)器的起停、各種運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置都在這一層面上進(jìn)行。
6 結(jié)語(yǔ)
通常，在開(kāi)發(fā)伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備的過(guò)程中，需要編寫(xiě)實(shí)時(shí)性、程序可讀性強(qiáng)的代碼，這時(shí)就需要采用混合編程。而凌陽(yáng)的m’nSP™ IDE具有良好的編程環(huán)境，它可以很輕松、容易地進(jìn)行混合編程（在C程序中調(diào)用匯編程序，在匯編程序中調(diào)用C程序）。
該系統(tǒng)用了SPMC75F2313A三個(gè)定時(shí)器和約30個(gè)IO口資源，其實(shí)SPMC75F2313A的資源相當(dāng)豐富。因其有專業(yè)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件支持，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)變得相對(duì)簡(jiǎn)單。因此，基于SPMC75F2313A的電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)在工業(yè)、醫(yī)療、國(guó)防等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。