32位MCU在伺服電機中的設(shè)計和應(yīng)用

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在伺服系統(tǒng)中，由于交流永磁同步電機具備十分優(yōu)良的低速性能、可以實現(xiàn)弱磁高速控制，調(diào)速范圍寬廣、動態(tài)特性和效率都很高，已經(jīng)成為伺服系統(tǒng)的主流之選。目前永磁同步交流伺服技術(shù)已成為工業(yè)自動化的支撐技術(shù)之一。

本文以瑞薩電子32位變頻用MCUV850E/IX3UPD70F3454為例，闡述其在交流伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用。

伺服機在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機。是一種補助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機，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、64MHZ，內(nèi)置256KFLASHROM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、兩組獨立的12位AD轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置比較器和運放，兩組編碼器輸入計數(shù)器，高度集成了伺服電機控制所需的外圍設(shè)備，并且可以實現(xiàn)用一個MCU實現(xiàn)對兩個伺服電機的控制。

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：

⑴、MCUUPD70F3454及其周邊電路，3454為控制器，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)與上位機進(jìn)行通信，或者直接通過上位機發(fā)送速度、方向控制信息；編程、調(diào)試可以通過MINICUBE、MINICUBE2、PG-FP5。

⑵、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)動伺服電機工作的強電電路。

⑶、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模塊的運放、比較器后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

⑷、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，可以判斷電機轉(zhuǎn)子的位置和電機轉(zhuǎn)速信號。

⑸、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，從而實現(xiàn)位移，因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉(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，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很的控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)的定位，可以達(dá)到0.001mm。

直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機成本低，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。電機免維護(hù)，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。

2.交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，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)運行的應(yīng)用。

3.伺服電機內(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。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。

永磁交流伺服電動機，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。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、特點及優(yōu)勢：

①、精細(xì)的全數(shù)字化控制。采用瑞薩電子32位專用變頻MCU，64MHZCPU和PWM操作時鐘，高精度頻率輸出。

②、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個運放、8個比較器、編碼器接口等豐富外設(shè)資源。

③、豐富周邊功能。5V單電源、外部總線、DMA控制器。

④、提供安全、安心的高端變頻電機*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)。并且有電機組強大的支持團(tuán)隊。

UPD70F3454除了高速實時響應(yīng)和單時鐘指令外，還支持乘法指令、飽和運算、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，滿足矢量控制的實時要求，實