伺服电机中32位MCU的应用

本文以32位变频用MCU V850E/IX3 UPD70F3454为例，阐述其在交流伺服系统中的应用。伺服机在伺服系统中控制机械元件运转的发动机。是一种补助马达间接变速装置。伺服电机，可使控制速度，位置精度非常准确。将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。

　　关于瑞萨电子UPD70F3454

　　UPD70F3454是瑞萨电子开发的用于变频控制的32位高性能MCU，使用V850核、RISC架构、5级流水线、内置DSP功能、最大64MHZ，内置256K FLASH ROM及相关外围功能，例如DMA控制器，定时器/计数器，串行接口UART、SPI、IIC，A/D，总线控制器，低压检测，片上调试等。针对变频控制，UPD70F3454提供有2组六相PWM输出、两组独立的12位AD转换器，内置比较器和运放，两组编码器输入计数器，高度集成了伺服电机控制所需的外围设备，并且可以实现用一个MCU实现对两个伺服电机的控制。

　　系统原理

　　1、系统硬件结构：

　　基于UPD70F3454的伺服控制系统硬件如下图。主要包括：

　　⑴、MCU UPD70F3454及其周边电路，3454为核心控制器，接收外部信号，判断系统的工作模式，并转换成逆变器的开关信号输出，隔离后后驱动IPM，EEPROM用于参数的保存和用户信息的存储。RS232模块负责与上位机进行通信，或者直接通过上位机发送速度、方向控制信息；编程、调试可以通过MINICUBE、MINICUBE2、PG-FP5。

　　⑵、IPM驱动电路，MCU输出6相PWM信号，经过光耦隔离传送、IPM全桥逆变输出，驱动伺服电机工作的强电电路。

　　⑶、电流采样，系统至少需要采样两相电流，如Ia和Ic，采样电路的信号经3454内部AD模块的运放、比较器后进行模数转换。

　　⑷、转子位置检测，由增量式光电编码器输出的正交编码信号A、B、Z输入至MCU的TMT模块，可以判断电机转子的位置和电机转速信号。

　　⑸、传感器信号的输入，包括脉冲量输入、模拟输入、开关输入等及与其他MCU的通信。

　　图： 瑞萨电子UPD70F3454伺服控制硬件结构图

　　工作原理

　　伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。

　　直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。 　　无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。

　　2.交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。

　　3.伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。

　　永磁交流伺服电动机，20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国着名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。

　　2、特点及优势：

　　①、精细的全数字化控制。采用瑞萨电子 32位专用变频MCU，64MHZ CPU和PWM操作时钟，高精度频率输出。

　　②、低廉的系统成本。UPD70F3454搭载有上电清零、电压检测、稳压器、4个运放、8个比较器、编码器接口等丰富外设资源。

　　③、丰富周边功能。5V单电源、外部总线、DMA控制器。

　　④、提供安全、安心的高端变频电机*价系统，对系统各个模块有软件的参考代码，比如PWM、AD、TMT等模块，用户可以很方便的在原系统上进行二次开发。并且有电机组强大的支持团队。

　　UPD70F3454除了高速实时响应和单时钟指令外，还支持乘法指令、饱和运算、位操作等为数字伺服控制系统而优化的指令。本文基于UPD70F3454的伺服控制系统，充分利用MCU内部资源情况下，电路设计简单、外围器件少，满足矢量控制的实时要求，实现伺服的全数字化的控制。而低成本高性能的MCU控制特性使得该系统具有很好的应用前景。

　　目前，UPD70F3454已在客户的通用伺服、纺织机械、缝纫机得到普遍应用。