基于SPMC75F2313A的直流伺服驅動(dòng)器

直流伺服驅動(dòng)器憑借其優(yōu)異的驅動(dòng)性能，在工業(yè)、醫療、國防等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛應用。典型的直流伺服驅動(dòng)器的結構如圖1-1所示。整個(gè)系統是由電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)構成的多環(huán)控制系統。傳統的伺服驅動(dòng)器使用運放為核心的模擬電路構成，其有結構復雜、參數調整不易和系統性能易受環(huán)境影響等缺點(diǎn)。隨著(zhù)微處理器技術(shù)、模擬數字接口技術(shù)和功率半導體技術(shù)的長(cháng)足發(fā)展，現代的直流伺服驅動(dòng)器普遍采用由微處理器為核心的數字控制系統。以微處理器為核心的伺服驅動(dòng)器不但可以方便實(shí)現以前用模擬電路無(wú)法實(shí)現的控制算法，并且有著(zhù)結構簡(jiǎn)單、參數調整方便、系統性能對環(huán)境參數不敏感等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，數字控制系統還可以充分利用成熟的網(wǎng)絡(luò )連接技術(shù)，實(shí)現多機并行運行。

　　本文介紹的是基于SPMC75F2313A和MOSFET功率管（IRF540）實(shí)現的直流伺服驅動(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(zhuān)用于電機驅動(dòng)的16位微控制器。其擁有性能出色定時(shí)器和PWM信號發(fā)生器?？梢苑奖愕膶?shí)現各種電機伺服驅動(dòng)方案。
SPMC75F2313A在4.5V~5.5V工作電壓范圍內的工作速度范圍為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/計數器（其中有一個(gè)電機驅動(dòng)專(zhuān)用PWM波形發(fā)生器，一個(gè)位置偵測接口定時(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(zhuān)用于定時(shí)可編程周期定時(shí)器；可編程看門(mén)狗；低電壓復位/監測功能；8通道10位模-數轉換。在這些硬件外設的支持下SPMC75F2313A在電機控制領(lǐng)域有相當優(yōu)秀的表現。
SPMC75F2313A的特性如下：

3系統總體方案介紹
　　本伺服驅動(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，其結構框圖如圖 3-1所示。驅動(dòng)器使用帶電流環(huán)的位置伺服結構，其中位置伺服環(huán)可根據需要選擇是否接入系統。驅動(dòng)器使用20KHz的雙極性PWM，以保證系統良好的動(dòng)態(tài)性能。

系統工作流程：
　　SPMC75F2313A接受來(lái)自各種控制接口的控制信息，并轉換成相應的電機控制信息。SPMC75F2313A內部的電機驅動(dòng)模塊依據控制信息和電機本身反饋的狀態(tài)信息產(chǎn)生PWM驅動(dòng)信號，經(jīng)MOSFET功率放大后驅動(dòng)電機運行。同時(shí)，內建的保護電路隨時(shí)監示系統狀態(tài)，一旦系統異常，保護電路會(huì )立即動(dòng)作，保護整個(gè)系統不會(huì )異常情況而損壞，同時(shí)提醒用戶(hù)檢查。
4系統硬件設計
　　系統驅動(dòng)部分的電路原理圖如圖 4-1。電路由主控MCU核心（SPMC75F2313A）、功率驅動(dòng)電路（IRF540組成的功率橋）、MOSFET驅動(dòng)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成。其中SPMC75F2313A主要實(shí)現電機驅動(dòng)所需PWM信號的產(chǎn)生、系統控制、人機接口等控制功能。
　　驅動(dòng)電機所需的四路PWM信號由SPMC75F2313A內部的MCP定時(shí)器產(chǎn)生，信號由芯片的IOC端口輸出，經(jīng)柵極驅動(dòng)電路后驅動(dòng)功率MOSFET（IRF540）。PWM信號經(jīng)IRF540功率合成后輸出驅動(dòng)直流伺服電機。
　　霍爾電流傳感器提供實(shí)時(shí)的電機工作電流信號，電流信號經(jīng)SPMC75F2313A內部的ADC模塊AD轉換后供給電機驅動(dòng)模塊使用。
　　增量編碼器接口使用SPMC75F2313A內部的PDC定時(shí)器實(shí)現，為SPMC75F2313A內部固化的電機驅動(dòng)模塊提供位置和速度信息，從而完成系統的速度和位置控制。
　　系統保護電路由SPMC75F2313A內部MCP定時(shí)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(huì )時(shí)刻監測系統工作狀態(tài)，一旦系統異常（過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)載等情況），保護電路會(huì )立時(shí)拉低MCP定時(shí)器的錯誤保護輸入端（IOC9），SPMC75F2313A內部的驅動(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，確保系統不會(huì )因這些異常情況而損壞。同時(shí)申請中斷，請求CPU對相應的事件進(jìn)行處理。