采用SPMC75F2313A的直流伺服驅(qū)動器

直流伺服驅(qū)動器憑借其優(yōu)異的驅(qū)動性能，在工業(yè)、醫(yī)療、國防等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。典型的直流伺服驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。整個系統(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)動器使用運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。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)的長足發(fā)展，現(xiàn)代的直流伺服驅(qū)動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)動器不但可以方便實現(xiàn)以前用模擬電路無法實現(xiàn)的控制算法，并且有著結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)調(diào)整方便、系統(tǒng)性能對環(huán)境參數(shù)不敏感等優(yōu)點。同時，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)，實現(xiàn)多機并行運行。

　　本文介紹的是基于SPMC75F2313A和MOSFET功率管（IRF540）實現(xiàn)的直流伺服驅(qū)動器方案。

2 芯片特性簡介
　　SPMC75F2313A是μ’nSP™系列產(chǎn)品的一個新成員，是凌陽科技新推出的專用于電機驅(qū)動的16位微控制器。其擁有性能出色定時器和PWM信號發(fā)生器。可以方便的實現(xiàn)各種電機伺服驅(qū)動方案。
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個可編程的多功能I/O端口；4個通用16位定時器/計數(shù)器（其中有一個電機驅(qū)動專用PWM波形發(fā)生器，一個位置偵測接口定時器），且每個定時器均有PWM發(fā)生的事件捕獲功能；2個專用于定時可編程周期定時器；可編程看門狗；低電壓復(fù)位/監(jiān)測功能；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)動器主要由凌陽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)動器使用20KHz的雙極性PWM，以保證系統(tǒng)良好的動態(tài)性能。

系統(tǒng)工作流程：
　　SPMC75F2313A接受來自各種控制接口的控制信息，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電機控制信息。SPMC75F2313A內(nèi)部的電機驅(qū)動模塊依據(jù)控制信息和電機本身反饋的狀態(tài)信息產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號，經(jīng)MOSFET功率放大后驅(qū)動電機運行。同時，內(nèi)建的保護(hù)電路隨時監(jiān)示系統(tǒng)狀態(tài)，一旦系統(tǒng)異常，保護(hù)電路會立即動作，保護(hù)整個系統(tǒng)不會異常情況而損壞，同時提醒用戶檢查。
4 系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　系統(tǒng)驅(qū)動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)動電路（IRF540組成的功率橋）、MOSFET驅(qū)動保護(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主要實現(xiàn)電機驅(qū)動所需PWM信號的產(chǎn)生、系統(tǒng)控制、人機接口等控制功能。
　　驅(qū)動電機所需的四路PWM信號由SPMC75F2313A內(nèi)部的MCP定時器產(chǎn)生，信號由芯片的IOC端口輸出，經(jīng)柵極驅(qū)動電路后驅(qū)動功率MOSFET（IRF540）。PWM信號經(jīng)IRF540功率合成后輸出驅(qū)動直流伺服電機。
　　霍爾電流傳感器提供實時的電機工作電流信號，電流信號經(jīng)SPMC75F2313A內(nèi)部的ADC模塊AD轉(zhuǎn)換后供給電機驅(qū)動模塊使用。
　　增量編碼器接口使用SPMC75F2313A內(nèi)部的PDC定時器實現(xiàn)，為SPMC75F2313A內(nèi)部固化的電機驅(qū)動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)電路會時刻監(jiān)測系統(tǒng)工作狀態(tài)，一旦系統(tǒng)異常（過壓、欠壓、過流、過載等情況），保護(hù)電路會立時拉低MCP定時器的錯誤保護(hù)輸入端（IOC9），SPMC75F2313A內(nèi)部的驅(qū)動硬件會立即禁止所有PWM輸出（變?yōu)楦咦钁B(tài)），關(guān)斷所有功率器件，確保系統(tǒng)不會因這些異常情況而損壞。同時申請中斷，請求CPU對相應(yīng)的事件進(jìn)行處理。[!--empirenews.page--]

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
　　整個系統(tǒng)軟件分為三部分：
　　1. 伺服電機的核心驅(qū)動模塊，這部分主要是產(chǎn)生電機驅(qū)動所用的PWM信號和相應(yīng)的控制環(huán)路；
　　2. 系統(tǒng)控制程序；
　　3. 人機接口界面程序；
　　電機的核心驅(qū)動模塊的結(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)。整個驅(qū)動模塊分為位置調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、位置計算、速度計算和電流反饋幾部分構(gòu)成。每個環(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)各個環(huán)路的特點而有不同），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。這幾部分是整個系統(tǒng)的核心，其性能也決定了整個驅(qū)動器的性能。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時性。

圖 5-2  PWM周期中斷服務(wù)子程序流程圖
　　系統(tǒng)控制部分是整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)的心臟。整個系統(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)的可靠運行。
人機接口界面程序，這部主要是為用戶提供一個簡單易用的交互接口，以方便用戶對驅(qū)動器的可靠控制。包括驅(qū)動器的起停、各種運行參數(shù)的設(shè)置都在這一層面上進(jìn)行。
6 結(jié)語
　　通常，在開發(fā)伺服驅(qū)動設(shè)備的過程中，需要編寫實時性、程序可讀性強的代碼，這時就需要采用混合編程。而凌陽的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三個定時器和約30個IO口資源，其實SPMC75F2313A的資源相當(dāng)豐富。因其有專業(yè)的電機驅(qū)動硬件支持，電機驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)變得相對簡單。因此，基于SPMC75F2313A的電機伺服驅(qū)動器系統(tǒng)在工業(yè)、醫(yī)療、國防等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。