伺服電機(jī)中32位MCU的應(yīng)用

　　本文以32位變頻用MCU V850E/IX3 UPD70F3454為例，闡述其在交流伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用。伺服機(jī)在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)。是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)，可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確。將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。

　　關(guān)于瑞薩電子UPD70F3454

　　UPD70F3454是瑞薩電子開發(fā)的用于變頻控制的32位高性能MCU，使用V850核、RISC架構(gòu)、5級流水線、內(nèi)置DSP功能、最大64MHZ，內(nèi)置256K FLASH ROM及相關(guān)外圍功能，例如DMA控制器，定時器/計數(shù)器，串行接口UART、SPI、IIC，A/D，總線控制器，低壓檢測，片上調(diào)試等。針對變頻控制，UPD70F3454提供有2組六相PWM輸出、兩組獨(dú)立的12位AD轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置比較器和運(yùn)放，兩組編碼器輸入計數(shù)器，高度集成了伺服電機(jī)控制所需的外圍設(shè)備，并且可以實(shí)現(xiàn)用一個MCU實(shí)現(xiàn)對兩個伺服電機(jī)的控制。

　　系統(tǒng)原理

　　1、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)：

　　基于UPD70F3454的伺服控制系統(tǒng)硬件如下圖。主要包括：

　?、?、MCU UPD70F3454及其周邊電路，3454為核心控制器，接收外部信號，判斷系統(tǒng)的工作模式，并轉(zhuǎn)換成逆變器的開關(guān)信號輸出，隔離后后驅(qū)動IPM，EEPROM用于參數(shù)的保存和用戶信息的存儲。RS232模塊負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通信，或者直接通過上位機(jī)發(fā)送速度、方向控制信息；編程、調(diào)試可以通過MINICUBE、MINICUBE2、PG-FP5。

　?、?、IPM驅(qū)動電路，MCU輸出6相PWM信號，經(jīng)過光耦隔離傳送、IPM全橋逆變輸出，驅(qū)動伺服電機(jī)工作的強(qiáng)電電路。

　?、?、電流采樣，系統(tǒng)至少需要采樣兩相電流，如Ia和Ic，采樣電路的信號經(jīng)3454內(nèi)部AD模塊的運(yùn)放、比較器后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

　?、?、轉(zhuǎn)子位置檢測，由增量式光電編碼器輸出的正交編碼信號A、B、Z輸入至MCU的TMT模塊，可以判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和電機(jī)轉(zhuǎn)速信號。

　?、?、傳感器信號的輸入，包括脈沖量輸入、模擬輸入、開關(guān)輸入等及與其他MCU的通信。

　　圖： 瑞薩電子UPD70F3454伺服控制硬件結(jié)構(gòu)圖

　　工作原理

　　伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移，因?yàn)?，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm。

　　直流伺服電機(jī)分為有刷和無刷電機(jī)。有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。 　　無刷電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝?fù)雜，容易實(shí)現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機(jī)免維護(hù)，效率很高，運(yùn)行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。

　　2.交流伺服電機(jī)也是無刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，目前運(yùn)動控制中一般都用同步電機(jī)，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運(yùn)行的應(yīng)用。

　　3.伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機(jī)自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。

　　永磁交流伺服電動機(jī)，20世紀(jì)80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動技術(shù)有了突出的發(fā)展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動機(jī)和伺服驅(qū)動器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機(jī)。90年代以后，世界各國已經(jīng)商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動機(jī)伺服驅(qū)動。交流伺服驅(qū)動裝置在傳動領(lǐng)域的發(fā)展日新月異。

　　2、特點(diǎn)及優(yōu)勢：

　?、?、精細(xì)的全數(shù)字化控制。采用瑞薩電子 32位專用變頻MCU，64MHZ CPU和PWM操作時鐘，高精度頻率輸出。

　?、?、低廉的系統(tǒng)成本。UPD70F3454搭載有上電清零、電壓檢測、穩(wěn)壓器、4個運(yùn)放、8個比較器、編碼器接口等豐富外設(shè)資源。

　?、?、豐富周邊功能。5V單電源、外部總線、DMA控制器。

　?、?、提供安全、安心的高端變頻電機(jī)*價系統(tǒng)，對系統(tǒng)各個模塊有軟件的參考代碼，比如PWM、AD、TMT等模塊，用戶可以很方便的在原系統(tǒng)上進(jìn)行二次開發(fā)。并且有電機(jī)組強(qiáng)大的支持團(tuán)隊(duì)。

　　UPD70F3454除了高速實(shí)時響應(yīng)和單時鐘指令外，還支持乘法指令、飽和運(yùn)算、位操作等為數(shù)字伺服控制系統(tǒng)而優(yōu)化的指令。本文基于UPD70F3454的伺服控制系統(tǒng)，充分利用MCU內(nèi)部資源情況下，電路設(shè)計簡單、外圍器件少，滿足矢量控制的實(shí)時要求，實(shí)現(xiàn)伺服的全數(shù)字化的控制。而低成本高性能的MCU控制特性使得該系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景。

　　目前，UPD70F3454已在客戶的通用伺服、紡織機(jī)械、縫紉機(jī)得到普遍應(yīng)用