1 引 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,?！ ?br />
1-1
2 芯片特性簡介
SPMC752313A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,。
3-1
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SPM C75F2313A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,。
4-1
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,?！ ?br />
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,?！ ?/p>
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,。
5-1
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,。
參考文獻
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