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小規(guī)模
位置控制 先進的位置控制系統(tǒng)已在工業(yè)控制應用中使用了數十年。通常這些系統(tǒng)既復雜又昂貴，而且是必要的。在當今的電子市場中，存在允許非常小且便宜的位置控制系統(tǒng)的選項。現在可以以經濟實惠的方式提供小規(guī)模的先進控制系統(tǒng)，甚至可以圍繞固定的電子硬件定制多種設計。這為增強制造控制創(chuàng)造了許多選擇，從而減少了材料損失并節(jié)省了時間和金錢。本文描述了一個簡單的設計，后來基于該設計創(chuàng)建了一個強大的小型化運動控制系統(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)復雜的控制方案。對于該應用，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 免費評估版
通過 MPLAB ICD3 實現的低成本調試器/編程器
高達 40MIPS 的運行速度
除了這些因素之外，dsPIC33FJ64MC802-I/MM-ND 還具有大量有用的外設，非常適合許多控制應用。這些外設包括定時器、正交編碼器硬件、10 位或 12 位模數轉換器、UART、SPI、I2C、專為電機控制而設計的 PWM 模塊、看門狗定時器、帶 PLL 的內部振蕩器和許多中斷驅動特性。許多外圍設備可以映射到各種 IC 焊盤，從而簡化印刷電路板的布線。在此伺服設計中，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之間的接口。然而，幾乎任何H 橋 IC可以插入到這個設計中，一旦控制系統(tǒng)完善，就可以輕松調整電機尺寸。選擇 MC33926PNB 的原因如下：
簡化的設計示例
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。為了提供更多細節(jié)，我們將基于這些部分設計一個閉環(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)。通過使用內部 RC 振蕩器和 PLL 以 36.85 MIPS 的速度運行，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控制回路中重置 H 橋。如果電機負載電流超過大約 2 A，dsPIC33 固件將關閉 PWM 信號。
以 20 KHz 運行 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 信號是通過將誤差信號（模擬控制測量 - 模擬反饋測量）乘以比例項常數生成的。選擇比例項值是通過反復試驗完成的，多種值提供了平滑控制。
PWM 輸出 = 比例項 *（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（20 KHz 時） ）。這也在固件中處理。
除了 MC33926PNB-ND 內置的保護功能外，如果負載電流超過約 2 A，則負載電流會受到監(jiān)控以關閉電機。MC33926PNB-ND 提供電機負載電流的 0.24% 的比例反饋電流。一個 270 歐姆的電阻器將反饋電流轉換為由 dsPIC33 監(jiān)控的電壓。在 2 A 時，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 以上時精度僅為 ±20%。但是，它對于保護控制系統(tǒng)仍然有用。
圖 1：閉環(huán)比例控制器示例。
在測試此設計時，我們使用了具有 65.5:1 齒輪比的 Pittman GM9236S025-R1 12 V 減速電機。齒輪比阻止了快速響應，如下面的斜坡波形測試信號（圖 3）所示，但在其他方面創(chuàng)建了強大的伺服系統(tǒng)。反饋是通過直接連接到電機軸的電位計傳遞的。12 V 電機電壓由 5 V 線性穩(wěn)壓器（示意圖中未顯示）降壓，進而為板載 3.3 V 線性穩(wěn)壓器供電。
圖 2：伺服對正弦控制信號的響應。
圖 3：伺服對斜坡控制信號的響應。
物理原型
此設計的原型被放置在一個 24 引腳、600 mil 寬的 DIP 封裝中。2 層板的布線包括一個串行通信端口、限位開關輸入連接、一個正交編碼器端口，以及讀取持續(xù)時間為 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 工具進行調試。該設計是使用 MPLAB ICD3 調試器 / 編程器完成的。
固件
本設計的固件是使用 Microchip 的 C30 C 編譯器（版本 3.25）的免費評估版編寫的。MPLAB IDE 版本 8.66.00.00 用作開發(fā)環(huán)境。調試和編程是使用在固件版本 1.26.52 上運行的 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動控制系統(tǒng)。比例控制以及過溫、過流和欠壓保護均在固件或硬件中實現。下面提供的固件可用作使用相同硬件的更復雜系統(tǒng)的起點。
事實上，該硬件用于實現完整的 PID 控制算法，具有串行命令接口和多種控制和反饋選項。該設計目前由 Solutions Cubed， LLC 制造，作為 Synaptron 高準控制器。
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//
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// 應包含以下文件在 MPLAB 項目中：
//
// 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 -- 初始實現
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#define FCY 36850000ULL
#include “p33FJ64MC802.h” // 寄存器位定義在這里
/******************** *************************************************
配置位和定義語句
************************************************ ***********************/
/* 振蕩器設置 */
_FOSCSEL（FNOSC_FRCPLL & IESO_OFF）;
_FOSC（F??CKSM_CSDCMD & OSCIOFNC_ON & POSCMD_NONE & IOL1WAY_OFF）;
/* 上電復位 */
_FPOR（ PWMPIN_ON & HPOL_OFF & LPOL_OFF & ALTI2C_OFF & FPWRT_PWR32）
/* 看門狗定時器 */
_FWDT（FWDTEN_ON & WINDIS_OFF & WDTPRE_PR32 & WDTPOST_PS64）;
/* 代碼保護 */
_FBS（BWRP_WRPROTECT_OFF）;
_FSS（SWRP_WRPROTECT_OFF）;
_FGS（GWRP_OFF）;
/* 程序/調試 */
_FICD（ICS_PGD1 & JTAGEN_OFF）;
/* 應用程序定義語句、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;
無符號整數模擬反饋 = 0；
無符號整數模擬電流 = 0；
無符號整數 ProportionalTerm = 0;
整數 PWM 輸出 = 0；
/************************************************* ************************
初始化例程
**************************** *****************************************/
/******* ****************************************************** ************
函數：InitTimer5
說明：初始化 Timer5 為 250uS 定時器，無中斷
************************* ************************************************/
void InitTimer5（ void ）
{
T5CON = 0; // 確保定時器 5 處于復位狀態(tài)
IFS1bits.T5IF = 0; // 復位定時器 5 中斷標志
?? IPC7bits.T5IP = 5; // 設置 Timer5 中斷優(yōu)先級為 5
PR5 = 9212; // 設置 Timer5 周期寄存器
T5CONbits.TCKPS1 = 0; // 選擇 Timer5 輸入時鐘預分頻比 1:1
T5CONbits.TCS = 0; // 選擇外部定時器時鐘
T5CONbits.TON = 1; // 啟用定時器 5 并開始計數
IEC1bits.T5IE = 0; // 禁用定時器 5 中斷
}
/****************************************** ******************************
函數：InitPLL（）
說明：初始化振蕩器和PLL設置并等待鎖定。處理器將以 36.85MIPS 運行。
****************************************************** *******************/
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
CLKDIVbits.PLLPOST = 0; //N2 = 2 PLL 輸入分頻器 = 2
while（OSCCONbits.LOCK ！= 1）;
}
/****************************************************** ************************ 函數：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：InitADC（）
說明：初始化 ADC 模塊以進行 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; // 整數結果
AD1CON1bits.SSRC = 0; //清除樣本位開始conv。
AD1CON1bits.ASAM = 0；// 設置采樣位時采樣
AD1CON2bits.CSCNA = 0; // 禁用通道掃描
AD1CON2bits.VCFG = 0; // AVDD 和 AVSS 是參考
AD1CON3bits.ADRC = 0; // 時鐘來自系統(tǒng)時鐘
AD1CON3bits.ADCS = 0x2f；// ADC 轉換時鐘
AD1CON1bits.ADON = 1; // 開啟 ADC 模塊
}
/****************************************** ******************************
函數：void InitMCPWM（void）
說明：初始化電機控制脈寬調制模塊為20KHz。
****************************************************** ******************/
void InitMCPWM（void）
{
P1TCON = 0x8000; // PWM 為自由運行模式，1:1 TCY
PWM1CON1 = 0x0111; // 使能 PWM1L 和 PWM1H
// 將它們配置為獨立模式
PWM1CON2 = 0x0000; // 實現 20 kHz
P1DTCON1 = 0x0028; // 2 us 死區(qū)時間
P1DTCON2 = 0x0000;
P1FLTACON = 0x0000；// 初始化故障控制
PTPER = FCY/20000 - 1；// 計算周期
P1OVDCON = PWMSTATE_STOPPED; // 禁用 PWM1 輸出。
P1DC1 = 0; // 將占空比設置為 0
}
/********************************************** ******************************
程序例程
******************** *************************************************/
/************************************************* ********************
函數：ReadAnalog（）
說明：收集模擬值并對誤差信號進行比例乘法。如果電流超過 2A +/- 20%，還會測量電機電流并關閉電機驅動器。
****************************************************** *******************/
void ReadAnalog（void）
{
無符號整數采樣時間 = 0；
AD1CHS0 = 0x0000；// 通道選擇 AN0 （引腳 RA0）
AD1CON1bits.SAMP = 1;
while （SampleTime 《 100） // 為采樣時間提供 》5uS
SampleTime++;
AD1CON1bits.SAMP = 0；
而（！AD1CON1bits.DONE）；
模擬控制 = ADC1BUF0；// 將轉換存儲在寄存器
AD1CHS0 = 0x0001; // 通道選擇 AN1 （引腳 RA1）
AD1CON1bits.SAMP = 1;
采樣時間 = 0；// 提供 》5uS 的采樣時間 while （SampleTime 《 100）
SampleTime++;
AD1CON1bits.SAMP = 0；
而（！AD1CON1bits.DONE）；
模擬反饋 = ADC1BUF0；// 將轉換存儲在寄存器
AD1CHS0 = 0x0005; // 通道選擇 AN5 （引腳 RB3）
AD1CON1bits.SAMP = 1;
采樣時間 = 0；// 提供 》5uS 的采樣時間 while （SampleTime 《 100）
SampleTime++;
AD1CON1bits.SAMP = 0；
而（！AD1CON1bits.DONE）；
模擬電流 = ADC1BUF0；// 將轉換存儲在寄存器
ProportionalTerm = 10; // 設置比例值
PWMOutput=（int（ProportionalTerm*（AnalogControl-AnalogFeedback））;
// 確保 PWM 信號不超過 100%
if （PWMOutput 》 3685）
PWMOutput = 3685;
if （PWMOutput 《 -3685）
PWMOutput = -3685 ;
if （AnalogCurrent 》 1600） // 1600 大約等于 2A.
PWMOutput = 0;
}
/**************************** *****************************************
函數：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 橋模塊配置為適當的方向，并且 PWMOutput 中的 PWM 信號應用于電機。請注意，PWM 值被反轉以應用適當的輸出信號，如果發(fā)生故障，H 橋將在控制環(huán)路計時器結束后重新啟用。
****************************************************** *******************/
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，禁用電機輸出。
啟用 = 0; // 禁用 H 橋
}
if （PWMOutput》0）
P1OVDCON = PWMSTATE_FORWARD；// 設置為正向
if （PWMOutput《0）
{
P1OVDCON = PWMSTATE_REVERSE; // 設置為反向
PWMOutput = -PWMOutput; // 反轉 PWM 信號
}
if （PWMOutput == 0）
P1OVDCON = PWMSTATE_STOPPED; // 停止 H 橋
P1DC1 = 3685 - PWMOutput; // 設置 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（）; // 初始化一個定時器
初始化MCPWM（）; // 初始化 PWM
while （1）
{
asm（“clrwdt”）; // 清除看門狗定時器
if （IFS1bits.T5IF == 1） // 檢查控制循環(huán)定時器
{
IFS1bits.T5IF = 0; // 清除下一個循環(huán)的標志
ENABLE = 1; // 啟用 H 橋
ReadAnalog（）; // 獲取模擬讀數
MotorControl（）; // 設置 PWM 驅動信號
}
}
}
工商網監(jiān)
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