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伺服驱动器硬件设计方案
伺服驱动器的硬件研发主要包括控制板和电源板的设计,控制板承担与上位机进行交互
和实时生成精准的 PWM 信号。电源板的作用根据 PWM 信号,利用调制的原理产生特定频
率,特定相位和特定幅值的三相电流以驱动电机以达到最优控制。
一 控制板研发
1) 控制板的架构主要的任务就是核心器件的选择。
安川、西门子等国际知名的公司都是采样 ASIC 的方式的芯片,这样就可以按照自己
的设计需要来制造专用于伺服控制的芯片,由于采样 ASIC 方式,所以芯片的运行速
度非常快,那么就比较容易实现电流环的快速响应,并且可以并行工作,那么也很
容易实现多轴的一体化设计。采样 ASIC 的方式有很多的好处,比如加密等。但是采
样 ASIC 的风险和前期的投入也是非常的巨大的,并且还要受该国的芯片设计和制造
工艺的限制。
根据我国的实际的国情和国际的因素等多种原因,核心芯片比较适宜采样通用的
DSP,ARM 等处理器,比如 Ti 的 C2000 飞思卡尔的 K60,英飞凌的 XE164 等。研究
台达的伺服驱动器发现其架构是采用 Ti 的 DSP 2812+CPLD,这和我们公司 GSK 的方
案基本一样。我们也是采用DSP2812 加 CPLD(EPM570T144)来实现核心的控制功能。
2) 核心器件的控制功能的分工。
DSP 实现位置环、速度环、电流环的控制以及利用事件管理器 PWM 接口实现产生特
定的 PWM 信号。可以利用其灵活的编程特性快速的运算能力实现特定的控制算法等,
还可以利用其自身的 A/D 完成对电机电流的转换,但是 DSP 自身的 A/D 精度普遍较
低,并且还受基准电压电源的纹波 PCB 的 LAYOUT 模数混合电路的处理技巧影响,
所以高档的伺服几乎都采用了外部A/D 来完成电流采样的处理。比如路斯特安川等。
也有一些高档的伺服使用一些特殊的电流传感器,该传感器的输出已经是数字信
号,这样就可以节省了外部 A/D 芯片和增强抗干扰能力。如西门子的变频器采用
ACPL7860,发那克用于机器人的六驱一体的伺服也是采用了 ACPL7860,西门子的伺
服 S120 采用了 Ti 的芯片 AMC1203。
CPLD 的作用是用来协助 DSP 以减少其自身的开销,比如完成速度的计算,位置的
计算,控制外部A/D 对电机电流进行转换,因此当实现位置环速度环电流环所需要
的位置数据,速度数据,电流数据,那么DSP 就可以直接从 CPLD/FPGA 处读取,不
需要耗费 DSP 的宝贵时间来计算这些数据。如果是增量式编码器采用 M/T 法测速效
果是最好的,但 M/T 法对 DSP 处理器的资源开销很大, 而 CPLD/FPGA 可以非常方便
使用 M/T 法进行测速。如果是绝对式编码器也可以非常方便采用 CPLD/FPGA 来解
析通信协议,并实现测速。一些高档的伺服也采用了 CPLD/FPGA 实现总线和以太网
功能。
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