基于SPMC75F2313A的直流伺服驅動器設計

直流伺服驅動器憑借其優(yōu)異的驅動性能，在工業(yè)、醫(yī)療、國防等領域有著廣泛應用。典型的直流伺服驅動器的結構如圖1-1所示。整個系統是由電流環(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。隨著微處理器技術、模擬數字接口技術和功率半導體技術的長足發(fā)展，現代的直流伺服驅動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器不但可以方便實現以前用模擬電路無法實現的控制算法，并且有著結構簡單、參數調整方便、系統性能對環(huán)境參數不敏感等優(yōu)點。同時，數字控制系統還可以充分利用成熟的網絡連接技術，實現多機并行運行。

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

2芯片特性簡介
　　SPMC75F2313A是μ’nSP™系列產品的一個新成員，是凌陽科技新推出的專用于電機驅動的16位微控制器。其擁有性能出色定時器和PWM信號發(fā)生器。可以方便的實現各種電機伺服驅動方案。
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個可編程的多功能I/O端口；4個通用16位定時器/計數器（其中有一個電機驅動專用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；低電壓復位/監(jiān)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，其結構框圖如圖 3-1所示。驅動器使用帶電流環(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。驅動器使用20KHz的雙極性PWM，以保證系統良好的動態(tài)性能。

系統工作流程：
　　SPMC75F2313A接受來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內部的電機驅動模塊依據控制信息和電機本身反饋的狀態(tài)信息產生PWM驅動信號，經MOSFET功率放大后驅動電機運行。同時，內建的保護電路隨時監(jiān)示系統狀態(tài)，一旦系統異常，保護電路會立即動作，保護整個系統不會異常情況而損壞，同時提醒用戶檢查。
4系統硬件設計
　　系統驅動部分的電路原理圖如圖 4-1。電路由主控MCU核心（SPMC75F2313A）、功率驅動電路（IRF540組成的功率橋）、MOSFET驅動保護電路、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成。其中SPMC75F2313A主要實現電機驅動所需PWM信號的產生、系統控制、人機接口等控制功能。
　　驅動電機所需的四路PWM信號由SPMC75F2313A內部的MCP定時器產生，信號由芯片的IOC端口輸出，經柵極驅動電路后驅動功率MOSFET（IRF540）。PWM信號經IRF540功率合成后輸出驅動直流伺服電機。
　　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SPMC75F2313A內部的ADC模塊AD轉換后供給電機驅動模塊使用。
　　增量編碼器接口使用SPMC75F2313A內部的PDC定時器實現，為SPMC75F2313A內部固化的電機驅動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)測系統工作狀態(tài)，一旦系統異常（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內部的驅動硬件會立即禁止所有PWM輸出（變?yōu)楦咦钁B(tài)），關斷所有功率器件，確保系統不會因這些異常情況而損壞。同時申請中斷，請求CPU對相應的事件進行處理。