小規(guī)模

　　位置控制 先進(jìn)的位置控制系統(tǒng)已在工業(yè)控制應(yīng)用中使用了數(shù)十年。通常這些系統(tǒng)既復(fù)雜又昂貴，而且是必要的。在當(dāng)今的電子市場中，存在允許非常小且便宜的位置控制系統(tǒng)的選項(xiàng)。現(xiàn)在可以以經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方式提供小規(guī)模的先進(jìn)控制系統(tǒng)，甚至可以圍繞固定的電子硬件定制多種設(shè)計(jì)。這為增強(qiáng)制造控制創(chuàng)造了許多選擇，從而減少了材料損失并節(jié)省了時(shí)間和金錢。本文描述了一個(gè)簡單的設(shè)計(jì)，后來基于該設(shè)計(jì)創(chuàng)建了一個(gè)強(qiáng)大的小型化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。 使用Microchip 的

　　小型化伺服控制器

　　dsPIC 系列 16 位微控制器允許以非常低的硬件成本開發(fā)復(fù)雜的控制方案。對(duì)于該應(yīng)用，選擇了dsPIC33FJ64MC802-I/MM-ND器件作為合適的控制器。選擇該部分的重要原因如下：

　　64K x 8 閃存，16K x 8 RAM

　　Microchip 的 MPLAB C 免費(fèi)評(píng)估版

　　通過 MPLAB ICD3 實(shí)現(xiàn)的低成本調(diào)試器/編程器

　　高達(dá) 40MIPS 的運(yùn)行速度

　　除了這些因素之外，dsPIC33FJ64MC802-I/MM-ND 還具有大量有用的外設(shè)，非常適合許多控制應(yīng)用。這些外設(shè)包括定時(shí)器、正交編碼器硬件、10 位或 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、UART、SPI、I2C、專為電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的 PWM 模塊、看門狗定時(shí)器、帶 PLL 的內(nèi)部振蕩器和許多中斷驅(qū)動(dòng)特性。許多外圍設(shè)備可以映射到各種 IC 焊盤，從而簡化印刷電路板的布線。在此伺服設(shè)計(jì)中，選擇了

　　穩(wěn)健的飛思卡爾 MC33926PNB-ND來提供微控制器和直流電機(jī)之間的接口。然而，幾乎任何H 橋 IC可以插入到這個(gè)設(shè)計(jì)中，一旦控制系統(tǒng)完善，就可以輕松調(diào)整電機(jī)尺寸。選擇 MC33926PNB 的原因如下：

• 　　IC 上提供故障和負(fù)載電流反饋
• 　　工作電壓為 5 至 28 VDC
• 　　PWM 信號(hào)最高可達(dá) 20 KHz
• 　　多種內(nèi)部保護(hù)，包括短路

　　簡化的設(shè)計(jì)示例

　　之前我們討論了選擇用于創(chuàng)建小型伺服系統(tǒng)的主要部件。為了提供更多細(xì)節(jié)，我們將基于這些部分設(shè)計(jì)一個(gè)閉環(huán)比例控制器（見圖 1）。使用 dsPIC33 AD 和 PWM 模塊，我們可以快速生成 12 位模擬控制和模擬反饋系統(tǒng)。通過使用內(nèi)部 RC 振蕩器和 PLL 以 36.85 MIPS 的速度運(yùn)行，以及 250 μS 的控制環(huán)路，可以節(jié)省額外的資金。

　　dsPIC33 固件還將監(jiān)控來自 H 橋 IC 的故障和電流反饋。如果存在故障條件，微控制器將嘗試在每個(gè)控制回路中重置 H 橋。如果電機(jī)負(fù)載電流超過大約 2 A，dsPIC33 固件將關(guān)閉 PWM 信號(hào)。

　　以 20 KHz 運(yùn)行 dsPIC33 PWM 模塊允許 PWM 值介于 0（0% 占空比）和 3685（100% 占空比）之間。這接近 12 位的分辨率，與我們的 12 位模擬測量非常匹配。PWM 信號(hào)是通過將誤差信號(hào)（模擬控制測量 - 模擬反饋測量）乘以比例項(xiàng)常數(shù)生成的。選擇比例項(xiàng)值是通過反復(fù)試驗(yàn)完成的，多種值提供了平滑控制。

　　PWM 輸出 = 比例項(xiàng) *（模擬控制 - 模擬反饋）

　　PWM 輸出必須限制在不超過 +3685 且不低于 -3685 以使其保持在 PWM 模塊的 100% 占空比值的邊界內(nèi)（20 KHz 時(shí)） ）。這也在固件中處理。

　　除了 MC33926PNB-ND 內(nèi)置的保護(hù)功能外，如果負(fù)載電流超過約 2 A，則負(fù)載電流會(huì)受到監(jiān)控以關(guān)閉電機(jī)。MC33926PNB-ND 提供電機(jī)負(fù)載電流的 0.24% 的比例反饋電流。一個(gè) 270 歐姆的電阻器將反饋電流轉(zhuǎn)換為由 dsPIC33 監(jiān)控的電壓。在 2 A 時(shí)，該電壓為 1.296 V，或 1608 位（使用 dsPIC33 上的 12 位 AD）（3.3V/4096 = 0.805mV/位）。反饋電流是粗略測量，在 500 mA 以上時(shí)精度僅為 ±20%。但是，它對(duì)于保護(hù)控制系統(tǒng)仍然有用。

　　圖 1：閉環(huán)比例控制器示例。

　　在測試此設(shè)計(jì)時(shí)，我們使用了具有 65.5:1 齒輪比的 Pittman GM9236S025-R1 12 V 減速電機(jī)。齒輪比阻止了快速響應(yīng)，如下面的斜坡波形測試信號(hào)（圖 3）所示，但在其他方面創(chuàng)建了強(qiáng)大的伺服系統(tǒng)。反饋是通過直接連接到電機(jī)軸的電位計(jì)傳遞的。12 V 電機(jī)電壓由 5 V 線性穩(wěn)壓器（示意圖中未顯示）降壓，進(jìn)而為板載 3.3 V 線性穩(wěn)壓器供電。

　　圖 2：伺服對(duì)正弦控制信號(hào)的響應(yīng)。

　　圖 3：伺服對(duì)斜坡控制信號(hào)的響應(yīng)。

　　物理原型

　　此設(shè)計(jì)的原型被放置在一個(gè) 24 引腳、600 mil 寬的 DIP 封裝中。2 層板的布線包括一個(gè)串行通信端口、限位開關(guān)輸入連接、一個(gè)正交編碼器端口，以及讀取持續(xù)時(shí)間為 5 μs 至 20 ms 的脈沖的能力。

　　電路板上還布置了連接，以允許使用各種 Microchip 工具進(jìn)行調(diào)試。該設(shè)計(jì)是使用 MPLAB ICD3 調(diào)試器 / 編程器完成的。

　　固件

　　本設(shè)計(jì)的固件是使用 Microchip 的 C30 C 編譯器（版本 3.25）的免費(fèi)評(píng)估版編寫的。MPLAB IDE 版本 8.66.00.00 用作開發(fā)環(huán)境。調(diào)試和編程是使用在固件版本 1.26.52 上運(yùn)行的 MPLAB ICD3 完成的。

　　此處列出的固件執(zhí)行具有模擬控制輸入和模擬反饋的簡單運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。比例控制以及過溫、過流和欠壓保護(hù)均在固件或硬件中實(shí)現(xiàn)。下面提供的固件可用作使用相同硬件的更復(fù)雜系統(tǒng)的起點(diǎn)。

　　事實(shí)上，該硬件用于實(shí)現(xiàn)完整的 PID 控制算法，具有串行命令接口和多種控制和反饋選項(xiàng)。該設(shè)計(jì)目前由 Solutions Cubed， LLC 制造，作為 Synaptron 高準(zhǔn)控制器。

　　//------------------------------------------------ ---------

　　//

　　//------------------------- ------------------------------

　　// 應(yīng)包含以下文件在 MPLAB 項(xiàng)目中：

　　//

　　// synaptron_opensource_01.c -- 主源代碼文件

　　// traps.c -- dsPIC33F 陷阱的顯式定義

　　// p33FJ64MC802.h -- dsPIC 的頭文件

　　// p33FJ64MC802.gld -- 鏈接描述文件文件

　　//------------------------------------------------ --------------------

　　// 修訂歷史

　　// 1/10/12 -- synaptron_opensource_01.c -- 初始實(shí)現(xiàn)

　　//-------- -------------------------------------------------- ----------

　　#define FCY 36850000ULL

　　#include “p33FJ64MC802.h” // 寄存器位定義在這里

　　/******************** *************************************************

　　配置位和定義語句

　　************************************************ ***********************/

　　/* 振蕩器設(shè)置 */

　　_FOSCSEL（FNOSC_FRCPLL & IESO_OFF）;

　　_FOSC（F??CKSM_CSDCMD & OSCIOFNC_ON & POSCMD_NONE & IOL1WAY_OFF）;

　　/* 上電復(fù)位 */

　　_FPOR（ PWMPIN_ON & HPOL_OFF & LPOL_OFF & ALTI2C_OFF & FPWRT_PWR32）

　　/* 看門狗定時(shí)器 */

　　_FWDT（FWDTEN_ON & WINDIS_OFF & WDTPRE_PR32 & WDTPOST_PS64）;

　　/* 代碼保護(hù) */

　　_FBS（BWRP_WRPROTECT_OFF）;

　　_FSS（SWRP_WRPROTECT_OFF）;

　　_FGS（GWRP_OFF）;

　　/* 程序/調(diào)試 */

　　_FICD（ICS_PGD1 & JTAGEN_OFF）;

　　/* 應(yīng)用程序定義語句、變量、常量 */

　　#define FAULT PORTBbits.RB12

　　#define ENABLE PORTBbits.RB13

　　#define PWMSTATE_STOPPED 0x0000

　　#define PWMSTATE_FORWARD 0x0201

　　#define PWMSTATE_REVERSE 0x0102

　　unsigned int AnalogControl = 0;

　　無符號(hào)整數(shù)模擬反饋 = 0；

　　無符號(hào)整數(shù)模擬電流 = 0；

　　無符號(hào)整數(shù) ProportionalTerm = 0;

　　整數(shù) PWM 輸出 = 0；

　　/************************************************* ************************

　　初始化例程

　　**************************** *****************************************/

　　/******* ****************************************************** ************

　　函數(shù)：InitTimer5

　　說明：初始化 Timer5 為 250uS 定時(shí)器，無中斷

　　************************* ************************************************/

　　void InitTimer5（ void ）

　　{

　　T5CON = 0; // 確保定時(shí)器 5 處于復(fù)位狀態(tài)

　　IFS1bits.T5IF = 0; // 復(fù)位定時(shí)器 5 中斷標(biāo)志

　　?? IPC7bits.T5IP = 5; // 設(shè)置 Timer5 中斷優(yōu)先級(jí)為 5

　　PR5 = 9212; // 設(shè)置 Timer5 周期寄存器

　　T5CONbits.TCKPS1 = 0; // 選擇 Timer5 輸入時(shí)鐘預(yù)分頻比 1:1

　　T5CONbits.TCS = 0; // 選擇外部定時(shí)器時(shí)鐘

　　T5CONbits.TON = 1; // 啟用定時(shí)器 5 并開始計(jì)數(shù)

　　IEC1bits.T5IE = 0; // 禁用定時(shí)器 5 中斷

　　}

　　/****************************************** ******************************

　　函數(shù)：InitPLL（）

　　說明：初始化振蕩器和PLL設(shè)置并等待鎖定。處理器將以 36.85MIPS 運(yùn)行。

　　****************************************************** *******************/

　　void InitPLL（）

　　{

　　// 7.37MHz / 2 * 40 / 2 FCY = FOSC/2 = 36.85MIPS

　　CLKDIVbits.PLLPRE = 0; //N1 = 2 VCO 分頻器 = /2

　　PLLFBDbits.PLLDIV = 38；//40x 乘數(shù)

　　CLKDIVbits.PLLPOST = 0; //N2 = 2 PLL 輸入分頻器 = 2

　　while（OSCCONbits.LOCK ！= 1）;

　　}

　　/****************************************************** ************************ 函數(shù)：InitIO（）

　　說明：初始化引腳方向（輸入/輸出）和電壓。

　　****************************************************** *******************/

　　void InitIO（）

　　{

　　TRISAbits.TRISA0 = 1; // 控制電壓輸入

　　TRISAbits.TRISA1 = 1; // 反饋電壓輸入

　　LATA = 0xFFFF;

　　TRISBbits.TRISB2 = 1；// 未使用

　　的 TRISBbits.TRISB3 = 1; // 當(dāng)前電壓輸入

　　TRISBbits.TRISB4 = 1; // 未使用

　　的 TRISBbits.TRISB5 = 1; // 沒用過

　　TRISBbits.TRISB6 = 1；// 未使用

　　的 TRISBbits.TRISB7 = 1; // 未使用

　　的 TRISBbits.TRISB8 = 1; // 未使用

　　的 TRISBbits.TRISB9 = 1; // 未使用

　　的 TRISBbits.TRISB10 = 1; // 未使用

　　的 TRISBbits.TRISB11 = 1; // 未使用

　　的 TRISBbits.TRISB12 = 1; // 故障輸入

　　TRISBbits.TRISB13 = 0; // 使能輸出

　　TRISBbits.TRISB14 = 0; // PWM1L 輸出

　　TRISBbits.TRISB15 = 0; // PWM1H 輸出

　　LATB = 0x1FFF;

　　}

　　/****************************************************** ************************

　　函數(shù)：InitADC（）

　　說明：初始化 ADC 模塊以進(jìn)行 12 位操作

　　************* ****************************************************** ******/

　　無效初始化ADC（無效）

　　{

　　AD1CON1 = 0；// 清除控制寄存器

　　AD1CON2 = 0;

　　AD1CON3 = 0；

　　AD1CHS0 = 0x0000；// 通道選擇 AN0

　　AD1PCFGL = 0xFFFF; // 模擬輸入配置為數(shù)字

　　AD1PCFGLbits.PCFG0 = 0; // AN0 模擬

　　AD1PCFGLbits.PCFG1 = 0; // AN1 模擬

　　AD1PCFGLbits.PCFG5 = 0; // AN5 模擬

　　AD1CON1bits.AD12B = 1; // 12 位，1 通道操作

　　AD1CON1bits.FORM = 0; // 整數(shù)結(jié)果

　　AD1CON1bits.SSRC = 0; //清除樣本位開始conv。

　　AD1CON1bits.ASAM = 0；// 設(shè)置采樣位時(shí)采樣

　　AD1CON2bits.CSCNA = 0; // 禁用通道掃描

　　AD1CON2bits.VCFG = 0; // AVDD 和 AVSS 是參考

　　AD1CON3bits.ADRC = 0; // 時(shí)鐘來自系統(tǒng)時(shí)鐘

　　AD1CON3bits.ADCS = 0x2f；// ADC 轉(zhuǎn)換時(shí)鐘

　　AD1CON1bits.ADON = 1; // 開啟 ADC 模塊

　　}

　　/****************************************** ******************************

　　函數(shù)：void InitMCPWM（void）

　　說明：初始化電機(jī)控制脈寬調(diào)制模塊為20KHz。

　　****************************************************** ******************/

　　void InitMCPWM（void）

　　{

　　P1TCON = 0x8000; // PWM 為自由運(yùn)行模式，1:1 TCY

　　PWM1CON1 = 0x0111; // 使能 PWM1L 和 PWM1H

　　// 將它們配置為獨(dú)立模式

　　PWM1CON2 = 0x0000; // 實(shí)現(xiàn) 20 kHz

　　P1DTCON1 = 0x0028; // 2 us 死區(qū)時(shí)間

　　P1DTCON2 = 0x0000;

　　P1FLTACON = 0x0000；// 初始化故障控制

　　PTPER = FCY/20000 - 1；// 計(jì)算周期

　　P1OVDCON = PWMSTATE_STOPPED; // 禁用 PWM1 輸出。

　　P1DC1 = 0; // 將占空比設(shè)置為 0

　　}

　　/********************************************** ******************************

　　程序例程

　　******************** *************************************************/

　　/************************************************* ********************

　　函數(shù)：ReadAnalog（）

　　說明：收集模擬值并對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行比例乘法。如果電流超過 2A +/- 20%，還會(huì)測量電機(jī)電流并關(guān)閉電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

　　****************************************************** *******************/

　　void ReadAnalog（void）

　　{

　　無符號(hào)整數(shù)采樣時(shí)間 = 0；

　　AD1CHS0 = 0x0000；// 通道選擇 AN0 （引腳 RA0）

　　AD1CON1bits.SAMP = 1;

　　while （SampleTime 《 100） // 為采樣時(shí)間提供 》5uS

　　SampleTime++;

　　AD1CON1bits.SAMP = 0；

　　而（！AD1CON1bits.DONE）；

　　模擬控制 = ADC1BUF0；// 將轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)在寄存器

　　AD1CHS0 = 0x0001; // 通道選擇 AN1 （引腳 RA1）

　　AD1CON1bits.SAMP = 1;

　　采樣時(shí)間 = 0；// 提供 》5uS 的采樣時(shí)間 while （SampleTime 《 100）

　　SampleTime++;

　　AD1CON1bits.SAMP = 0；

　　而（！AD1CON1bits.DONE）；

　　模擬反饋 = ADC1BUF0；// 將轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)在寄存器

　　AD1CHS0 = 0x0005; // 通道選擇 AN5 （引腳 RB3）

　　AD1CON1bits.SAMP = 1;

　　采樣時(shí)間 = 0；// 提供 》5uS 的采樣時(shí)間 while （SampleTime 《 100）

　　SampleTime++;

　　AD1CON1bits.SAMP = 0；

　　而（！AD1CON1bits.DONE）；

　　模擬電流 = ADC1BUF0；// 將轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)在寄存器

　　ProportionalTerm = 10; // 設(shè)置比例值

　　PWMOutput=（int（ProportionalTerm*（AnalogControl-AnalogFeedback））;

　　// 確保 PWM 信號(hào)不超過 100%

　　if （PWMOutput 》 3685）

　　PWMOutput = 3685;

　　if （PWMOutput 《 -3685）

　　PWMOutput = -3685 ;

　　if （AnalogCurrent 》 1600） // 1600 大約等于 2A.

　　PWMOutput = 0;

　　}

　　/**************************** *****************************************

　　函數(shù)：MotorControl（）

　　說明：該子程序檢查故障條件，如果存在故障，則禁用 H 橋。如果沒有故障情況，則 H 橋模塊配置為適當(dāng)?shù)姆较?，并?PWMOutput 中的 PWM 信號(hào)應(yīng)用于電機(jī)。請注意，PWM 值被反轉(zhuǎn)以應(yīng)用適當(dāng)?shù)妮敵鲂盘?hào)，如果發(fā)生故障，H 橋?qū)⒃诳刂骗h(huán)路計(jì)時(shí)器結(jié)束后重新啟用。

　　****************************************************** *******************/

　　void MotorControl（void）

　　{

　　if （FAULT == 0） // 故障條件下的故障輸入 0V

　　{

　　PWMOutput = 0; // 如果發(fā)生故障，禁用電機(jī)輸出。

　　啟用 = 0; // 禁用 H 橋

　　}

　　if （PWMOutput》0）

　　P1OVDCON = PWMSTATE_FORWARD；// 設(shè)置為正向

　　if （PWMOutput《0）

　　{

　　P1OVDCON = PWMSTATE_REVERSE; // 設(shè)置為反向

　　PWMOutput = -PWMOutput; // 反轉(zhuǎn) PWM 信號(hào)

　　}

　　if （PWMOutput == 0）

　　P1OVDCON = PWMSTATE_STOPPED; // 停止 H 橋

　　P1DC1 = 3685 - PWMOutput; // 設(shè)置 PWM 值

　　}

　　/************************************************ ******************************

　　主程序

　　********************** ***********************************************/

　　int main （void）

　　{

　　InitPLL（）; // 初始化 PLL，等待 lock

　　InitIO（）; // 初始化 i/os

　　InitADC（）; // 初始化 ADC

　　InitTimer5（）; // 初始化一個(gè)定時(shí)器

　　初始化MCPWM（）; // 初始化 PWM

　　while （1）

　　{

　　asm（“clrwdt”）; // 清除看門狗定時(shí)器

　　if （IFS1bits.T5IF == 1） // 檢查控制循環(huán)定時(shí)器

　　{

　　IFS1bits.T5IF = 0; // 清除下一個(gè)循環(huán)的標(biāo)志

　　ENABLE = 1; // 啟用 H 橋

　　ReadAnalog（）; // 獲取模擬讀數(shù)

　　MotorControl（）; // 設(shè)置 PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)

　　}

　　}

　　}