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基于SPMC75F2313A的直流伺服驅(qū)動器設(shè)計

作者: 時間:2012-05-02 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

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。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(jī)并行運(yùn)行。

  本文介紹的是和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
  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(jī)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(jī)伺服驅(qū)動方案。
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(jī)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(jī)控制領(lǐng)域有相當(dāng)優(yōu)秀的表現(xiàn)。
SPMC75F2313A的特性如下:

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/171527.htm

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)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(jī)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(hù)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(jī)控制信息。SPMC75F2313A內(nèi)部的電機(jī)驅(qū)動模塊依據(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)動信號,經(jīng)MOSFET功率放大后驅(qū)動電機(jī)運(yùn)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
  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(jī)驅(qū)動所需PWM信號的產(chǎn)生、系統(tǒng)控制、人機(jī)接口等控制功能。
  驅(qū)動電機(jī)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(jī)。
  霍爾電流傳感器提供實時的電機(jī)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(jī)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(jī)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。

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