基于ARM的交流伺服电机控制器的硬件设计与实现

刘源 孙东亚

摘 要：随着交流电机在机电伺服领域的广泛应用，介绍了一种基于ARM的交流伺服电机控制器的硬件设计与实现，利用所选ARM处理器内部的高级定时器、SPI和QEP接口等实现了PWM 信号的产生及控制、转子位置检测和速度控制等；并对该控制器的主要硬件实现方案进行了阐述。该系统结构简单、集成度较高、实时性强，具有较好的实用价值。

关键词：交流伺服电机；ARM；MSK驱动

伴随着电力电子技术、数字信号处理技术、计算机控制技术、传感器技术、电机控制理论等的快速发展，交流伺服系统有了长足的进步，并已逐步成为伺服系统的主流。现代交流伺服系统已经具备了快速动态响应、高精度、宽调速范围、高可靠性等良好的技术优势，并克服了直流电机电刷和换向器的机械磨损、换向火花和电磁干扰的缺点，因此已得到广泛应用。本文采用目前较为流行的ARM处理器实现交流伺服电机的控制，与传统的DSP相比，ARM不但在处理速度及控制精度上能达到要求，满足复杂的控制算法需求，还具有比单片机更丰富的外设接口和电机专用集成芯片的控制电路，能方便地进行实时控制[1]。

1 工作原理及硬件架构

伺服控制器通过RS422总线接收上位机发送的伺服系统位置指令，与当前位置反馈值进行比较，得到误差信号，由控制算法处理得到控制量，再经功率放大产生伺服电机的驱动电流，使得伺服电机按控制量的大小和极性转动，并通过减速器使伺服系统输出相应的转矩和转速，到达指令位置，从而改变流量调节器开度，实现发动机的工况控制。

根据伺服控制系统需求，伺服控制器硬件实现如图1所示，主要由信号处理模块、接口驱动模块、电源模块构成，信号处理模块主要用于完成PWM驱动信号输出、对3路相电流、母线电压、母线电流的模拟量采集调理，2路旋变变压器激励输出及回采调理，电限位信号、时统信号的离散量采集调理，RS422总线通信等功能；接口驱动模块接收信号处理模块输出的PWM信号，通过驱动芯片及调理电路输出三相电机的驱动信号；电源模块作用为接收28V控制电源及40V驱动电源供电，并将控制供电转换成控制器内部电路工作所需的二次电源，将驱动电源经过防护电路后给接口驱动模块调理电路供电。

图1 伺服控制器硬件实现框图

2 硬件设计

2.1 二次电源变换电路

伺服控制器输入的28V控制电源，通过EMI滤波电路及隔离的DC/DC模塊转换为±15V 给模拟量采集调理电路、离散量采集调理电路供电，转换为5V给旋变解算芯片、电平转换电路及电压调整器供电，电压调整器选用TI公司的TPS70351，其转换输出可到1.8V（对应最大输出电流2A）和3.3V（对应最大输出电流1A）的电压，用于给MCU供电，并提供上电复位和电源监控复位两种复位方式[2]。

伺服控制器输入驱动电源电压为40V，经过浪涌电流抑制电路、反电势抑制电路后输出给电机驱动芯片高边供电。

2.2 MCU电路

MCU选用意法半导体公司的ARM CortexM4 处理器STM32F407IGT7，内置1Mb的FLASH，192Kb的SRAM（包括64Kb的CCM data RAM），具备内存保护单元，安全性高；运算速度快，可到168 MHz，运算精度高；具备6路UART、24通道12位 2.4MSPS 3 ADCs、3路可到42 Mbits/s的SPI接口；具备12路16位和2路32位定时器，可配置成3相PWM输出通道和正交编码单元。

2.3 模拟量信号采集电路

模拟量采集电路主要完成三相电机相电流、母线电压、母线电流信号的采集调理，交流伺服电机在额定工作状态时，母线电流约为15A，相电流传感器量程应为额定电流的3～4倍，同时由于绕组中电流可以双向流动，因此选用ACS758LCB100B型霍尔电流传感器，该传感器的量程最大为±100A，其典型工作温度范围为40℃～150℃，带宽可以达到120kHz（环境温度TA=25℃），电流检测误差在高温时（25℃～150℃）为1.3%，低温时（40℃～25℃）为2.4%，满足使用要求，电路采用典型接法。

2.4 离散量信号采集电路

离散量采集电路主要完成对电限位信号、时统信号的采集调理，选用光耦HCPL063L进行处理，HCPL063L为高速LVTTL兼容3.3V光电耦合器，速率可到15MbS，电路采用典型接法，MCU通过读取GPIO状态判断轮载信号。

2.5 旋变激励及采集调理电路

旋变调理电路采用AD公司的单芯片旋变数字转换器，用于输出电机前后旋变工作所需的初级10KHz激励信号，并将调理后的次级信号进行回采，通过内部解算得到电机转子角位置、角速度信息。该R/D转换器集成的激励和解算芯片，避免了外加激励电路；解算精度为10、12、14、16位可选，对于12位设置而言，其跟踪转换速度最高可达60000r/min，速度精度±2LSB，满足本设计的最高转速精度要求；可编程激励频率范围从2kHz至20kHz，幅值范围是3.2V～4.0V（Vpp），无须AGC稳幅、PLL稳频设计，只需外加滤波和缓冲驱动电路即可实现激励输出；3倍格式位置数据，数字速度输出，数字量速度带符号[3]。外围电路采用典型接法，通过SPI及QEP接口完成与MCU的通讯及处理功能。

2.6 电机驱动电路

电机驱动电路驱动芯片选用MSK公司全隔离智能功率三相电机驱动芯片MSK4351，内部结构如图2所示。该芯片采用典型接法，其额定电压500 V，额定电流50A，开关频率可达到20kHz。模块内部集成了可编程死区电路，通过配置OSC OUT引脚和R/C引脚之间的电阻和电容值设置MCU输出的PWM 信号的死区时间，避免了同一相上、下两桥臂功率管同时导通而造成的短路现象；其控制侧供电与驱动侧供电在内部已实现完全的电气隔离，提高了抗干扰能力，大大简化了外围调理电路的设计；逆变桥内部包含6个IGBT 功率晶体管， 并分别并联快速恢复二极管， 在直流母线上的串接采样电阻用于电流监控[4]；通过外围配置温度监测电路监测该芯片温度感应引脚输出的（0～5）V信号可实现对该驱动电路的过温保护。

图2 MSK4351内部结构图

2.7 通讯电路

伺服控制器共有2路RS422通讯电路，主要完成软件在线加载、上位机通讯及参数记录等功能，选用的芯片为MAXIM公司的全双工的高速低功耗收发器芯片MAX490，电路采用典型解法，通过外接匹配电阻，可抑制由过长线路造成的内部干扰信号，增加通信的可靠距离与速度，满足现场试车台工况要求，经过MAX490调理后的电平信号可直接接入MCU处理器的UART接口，无需外接协议芯片或逻辑控制单元。

3 总结

本文提出了一种基于ARM的交流伺服电机控制器的硬件设计与实现，首先介绍了控制系统的工作原理，然后详细介绍了控制器的具体硬件实现方案。经实际使用与联试，伺服控制器设计合理，功能性能良好，满足机电伺服系统的使用与控制需求，同时具有高实时性、高可靠性的优点，对ARM芯片在机电伺服系统上的使用与推广有较好的参考作用。

参考文献：

[1]桂欣.基于ARM的无刷直流电机控制系统设计[J].信息系统工程，2012（03）：3334.

[2]苏涛.高性能DSP与高速实时信号处理[M].2版.西安电子科技大学出版社，2002.

[3]ANALOG DEVICES. AD2S1210 Datasheet. 2008.

[4]李小璐.基于MSK4351的无刷直流电机驱动系统设计[J].信息化研究，2010.36（8）：4041.

作者简介：刘源（1987），男，山东日照人，硕士，工程师，计算机应用。