伺服電機中32位MCU的應用

　　本文以32位變頻用MCU V850E/IX3 UPD70F3454為例，闡述其在交流伺服系統中的應用。伺服機在伺服系統中控制機械元件運轉的發(fā)動機。是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機，可使控制速度，位置精度非常準確。將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。

　　關于瑞薩電子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、5級流水線、內置DSP功能、最大64MHZ，內置256K FLASH ROM及相關外圍功能，例如DMA控制器，定時器/計數器，串行接口UART、SPI、IIC，A/D，總線控制器，低壓檢測，片上調試等。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轉換器，內置比較器和運放，兩組編碼器輸入計數器，高度集成了伺服電機控制所需的外圍設備，并且可以實現用一個MCU實現對兩個伺服電機的控制。

　　系統原理

　　1、系統硬件結構：

　　基于UPD70F3454的伺服控制系統硬件如下圖。主要包括：

　?、拧CU UPD70F3454及其周邊電路，3454為核心控制器，接收外部信號，判斷系統的工作模式，并轉換成逆變器的開關信號輸出，隔離后后驅動IPM，EEPROM用于參數的保存和用戶信息的存儲。RS232模塊負責與上位機進行通信，或者直接通過上位機發(fā)送速度、方向控制信息；編程、調試可以通過MINICUBE、MINICUBE2、PG-FP5。

　?、啤PM驅動電路，MCU輸出6相PWM信號，經過光耦隔離傳送、IPM全橋逆變輸出，驅動伺服電機工作的強電電路。

　　⑶、電流采樣，系統至少需要采樣兩相電流，如Ia和Ic，采樣電路的信號經3454內部AD模塊的運放、比較器后進行模數轉換。

　?、取⑥D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，可以判斷電機轉子的位置和電機轉速信號。

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

　　圖： 瑞薩電子UPD70F3454伺服控制硬件結構圖

　　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1個脈沖對應的角度，從而實現位移，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一個角度，都會發(fā)出對應數量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉動，從而實現精確的定位，可以達到0.001mm。

　　直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機成本低，結構簡單，啟動轉矩大，調速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），產生電磁干擾，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，響應快，速度高，慣量小，轉動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝碗s，容易實現智能化，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，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，最高轉動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運行的應用。

　　3.伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數）。

　　永磁交流伺服電動機，20世紀80年代以來，隨著集成電路、電力電子技術和交流可變速驅動技術的發(fā)展，永磁交流伺服驅動技術有了突出的發(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動器系列產品并不斷完善和更新。交流伺服系統已成為當代高性能伺服系統的主要發(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，世界各國已經商品化了的交流伺服系統是采用全數字控制的正弦波電動機伺服驅動。交流伺服驅動裝置在傳動領域的發(fā)展日新月異。

　　2、特點及優(yōu)勢：

　　①、精細的全數字化控制。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。

　?、凇⒌土南到y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資源。

　?、邸⒇S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，對系統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上進行二次開發(fā)。并且有電機組強大的支持團隊。

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

　　目前，UPD70F3454已在客戶的通用伺服、紡織機械、縫紉機得到普遍應用