基于ARM的交流伺服電機控制器的硬件設計與實現

劉源 孫東亞

摘 要：隨著交流電機在機電伺服領域的廣泛應用，介紹了一種基于ARM的交流伺服電機控制器的硬件設計與實現，利用所選ARM處理器內部的高級定時器、SPI和QEP接口等實現了PWM 信號的產生及控制、轉子位置檢測和速度控制等；并對該控制器的主要硬件實現方案進行了闡述。該系統結構簡單、集成度較高、實時性強，具有較好的實用價值。

關鍵詞：交流伺服電機；ARM；MSK驅動

伴隨著電力電子技術、數字信號處理技術、計算機控制技術、傳感器技術、電機控制理論等的快速發展，交流伺服系統有了長足的進步，并已逐步成為伺服系統的主流。現代交流伺服系統已經具備了快速動態響應、高精度、寬調速范圍、高可靠性等良好的技術優勢，并克服了直流電機電刷和換向器的機械磨損、換向火花和電磁干擾的缺點，因此已得到廣泛應用。本文采用目前較為流行的ARM處理器實現交流伺服電機的控制，與傳統的DSP相比，ARM不但在處理速度及控制精度上能達到要求，滿足復雜的控制算法需求，還具有比單片機更豐富的外設接口和電機專用集成芯片的控制電路，能方便地進行實時控制[1]。

1 工作原理及硬件架構

伺服控制器通過RS422總線接收上位機發送的伺服系統位置指令，與當前位置反饋值進行比較，得到誤差信號，由控制算法處理得到控制量，再經功率放大產生伺服電機的驅動電流，使得伺服電機按控制量的大小和極性轉動，并通過減速器使伺服系統輸出相應的轉矩和轉速，到達指令位置，從而改變流量調節器開度，實現發動機的工況控制。

根據伺服控制系統需求，伺服控制器硬件實現如圖1所示，主要由信號處理模塊、接口驅動模塊、電源模塊構成，信號處理模塊主要用于完成PWM驅動信號輸出、對3路相電流、母線電壓、母線電流的模擬量采集調理，2路旋變變壓器激勵輸出及回采調理，電限位信號、時統信號的離散量采集調理，RS422總線通信等功能；接口驅動模塊接收信號處理模塊輸出的PWM信號，通過驅動芯片及調理電路輸出三相電機的驅動信號；電源模塊作用為接收28V控制電源及40V驅動電源供電，并將控制供電轉換成控制器內部電路工作所需的二次電源，將驅動電源經過防護電路后給接口驅動模塊調理電路供電。

圖1 伺服控制器硬件實現框圖

2 硬件設計

2.1 二次電源變換電路

伺服控制器輸入的28V控制電源，通過EMI濾波電路及隔離的DC/DC模塊轉換為±15V 給模擬量采集調理電路、離散量采集調理電路供電，轉換為5V給旋變解算芯片、電平轉換電路及電壓調整器供電，電壓調整器選用TI公司的TPS70351，其轉換輸出可到1.8V（對應最大輸出電流2A）和3.3V（對應最大輸出電流1A）的電壓，用于給MCU供電，并提供上電復位和電源監控復位兩種復位方式[2]。

伺服控制器輸入驅動電源電壓為40V，經過浪涌電流抑制電路、反電勢抑制電路后輸出給電機驅動芯片高邊供電。

2.2 MCU電路

MCU選用意法半導體公司的ARM CortexM4 處理器STM32F407IGT7，內置1Mb的FLASH，192Kb的SRAM（包括64Kb的CCM data RAM），具備內存保護單元，安全性高；運算速度快，可到168 MHz，運算精度高；具備6路UART、24通道12位 2.4MSPS 3 ADCs、3路可到42 Mbits/s的SPI接口；具備12路16位和2路32位定時器，可配置成3相PWM輸出通道和正交編碼單元。

2.3 模擬量信號采集電路

模擬量采集電路主要完成三相電機相電流、母線電壓、母線電流信號的采集調理，交流伺服電機在額定工作狀態時，母線電流約為15A，相電流傳感器量程應為額定電流的3～4倍，同時由于繞組中電流可以雙向流動，因此選用ACS758LCB100B型霍爾電流傳感器，該傳感器的量程最大為±100A，其典型工作溫度范圍為40℃～150℃，帶寬可以達到120kHz（環境溫度TA=25℃），電流檢測誤差在高溫時（25℃～150℃）為1.3%，低溫時（40℃～25℃）為2.4%，滿足使用要求，電路采用典型接法。

2.4 離散量信號采集電路

離散量采集電路主要完成對電限位信號、時統信號的采集調理，選用光耦HCPL063L進行處理，HCPL063L為高速LVTTL兼容3.3V光電耦合器，速率可到15MbS，電路采用典型接法，MCU通過讀取GPIO狀態判斷輪載信號。

2.5 旋變激勵及采集調理電路

旋變調理電路采用AD公司的單芯片旋變數字轉換器，用于輸出電機前后旋變工作所需的初級10KHz激勵信號，并將調理后的次級信號進行回采，通過內部解算得到電機轉子角位置、角速度信息。該R/D轉換器集成的激勵和解算芯片，避免了外加激勵電路；解算精度為10、12、14、16位可選，對于12位設置而言，其跟蹤轉換速度最高可達60000r/min，速度精度±2LSB，滿足本設計的最高轉速精度要求；可編程激勵頻率范圍從2kHz至20kHz，幅值范圍是3.2V～4.0V（Vpp），無須AGC穩幅、PLL穩頻設計，只需外加濾波和緩沖驅動電路即可實現激勵輸出；3倍格式位置數據，數字速度輸出，數字量速度帶符號[3]。外圍電路采用典型接法，通過SPI及QEP接口完成與MCU的通訊及處理功能。

2.6 電機驅動電路

電機驅動電路驅動芯片選用MSK公司全隔離智能功率三相電機驅動芯片MSK4351，內部結構如圖2所示。該芯片采用典型接法，其額定電壓500 V，額定電流50A，開關頻率可達到20kHz。模塊內部集成了可編程死區電路，通過配置OSC OUT引腳和R/C引腳之間的電阻和電容值設置MCU輸出的PWM 信號的死區時間，避免了同一相上、下兩橋臂功率管同時導通而造成的短路現象；其控制側供電與驅動側供電在內部已實現完全的電氣隔離，提高了抗干擾能力，大大簡化了外圍調理電路的設計；逆變橋內部包含6個IGBT 功率晶體管， 并分別并聯快速恢復二極管， 在直流母線上的串接采樣電阻用于電流監控[4]；通過外圍配置溫度監測電路監測該芯片溫度感應引腳輸出的（0～5）V信號可實現對該驅動電路的過溫保護。

圖2 MSK4351內部結構圖

2.7 通訊電路

伺服控制器共有2路RS422通訊電路，主要完成軟件在線加載、上位機通訊及參數記錄等功能，選用的芯片為MAXIM公司的全雙工的高速低功耗收發器芯片MAX490，電路采用典型解法，通過外接匹配電阻，可抑制由過長線路造成的內部干擾信號，增加通信的可靠距離與速度，滿足現場試車臺工況要求，經過MAX490調理后的電平信號可直接接入MCU處理器的UART接口，無需外接協議芯片或邏輯控制單元。

3 總結

本文提出了一種基于ARM的交流伺服電機控制器的硬件設計與實現，首先介紹了控制系統的工作原理，然后詳細介紹了控制器的具體硬件實現方案。經實際使用與聯試，伺服控制器設計合理，功能性能良好，滿足機電伺服系統的使用與控制需求，同時具有高實時性、高可靠性的優點，對ARM芯片在機電伺服系統上的使用與推廣有較好的參考作用。

參考文獻：

[1]桂欣.基于ARM的無刷直流電機控制系統設計[J].信息系統工程，2012（03）：3334.

[2]蘇濤.高性能DSP與高速實時信號處理[M].2版.西安電子科技大學出版社，2002.

[3]ANALOG DEVICES. AD2S1210 Datasheet. 2008.

[4]李小璐.基于MSK4351的無刷直流電機驅動系統設計[J].信息化研究，2010.36（8）：4041.

作者簡介：劉源（1987），男，山東日照人，碩士，工程師，計算機應用。