基于SPMC75F2313A的直流伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

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。可以方便的實(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：
 

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，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。