1、前言
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：
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1. 高性能的16位CPU內(nèi)核 a) 凌陽16位u’nSP處理器(ISA 1.2) b) 片內(nèi)基于鎖相環(huán)的時鐘發(fā)生模塊 c) 最高系統(tǒng)頻率Fck：24MHz 2. 片內(nèi)存儲器 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個外部輸入通道 c) 可與PDC或MCP等定時器聯(lián)動，實現(xiàn)電機控制中的電參量測量 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）個通用輸入輸出腳 7. 可編程看門狗定時器 8. 內(nèi)嵌在線仿真電路ICE接口：可實現(xiàn)在線仿真、調(diào)試和下載 9. 通用16位定時/計數(shù)器 |
1. PDC定時器 a) 兩個PDC定時器：PDC0和PDC1 b) 可同時處理三路捕獲輸入 c) 可產(chǎn)生三路PWM輸出（中心對稱或邊沿方式） d) BLDC驅(qū)動的專用位置偵測接口 e) 兩相增量碼盤接口，支持四種工作模式，擁有四倍頻電路 2. MCP定時器 a) 一個MCP定時器：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的位置偵測變化同步 e) 可編程的硬件死區(qū)插入功能，死區(qū)時間可設(shè)定 f) 可編程的錯誤和過載保護邏輯 3. TPM定時器 a) 一個TPM定時器：TPM2 b) 可同時處理二路捕獲輸入 c) 可產(chǎn)生二路PWM輸出（中心對稱或邊沿方式） 4. 兩個CMT定時器 |
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)建的保護電路隨時監(jiān)示系統(tǒng)狀態(tài)，一旦系統(tǒng)異常，保護電路會立即動作，保護整個系統(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)保護電路由SPMC75F2313A內(nèi)部MCP定時器的硬件保護邏輯和外部保護電路兩部分組成。保護電路會時刻監(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），保護電路會立時拉低MCP定時器的錯誤保護輸入端（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
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。