随着制造业不断地用自动化版本取代手工流程，伺服电机正在取代气动和液压系统(图1)。它导致了对精密运动控制设计的快速增加和更大的需求。
由于伺服驱动和伺服电机硬件的增强，电机控制和伺服驱动的进步，如逆变器开关从绝缘栅双极晶体管(igbt)向高速氮化镓(GaN)和大功率碳化硅(SiC)技术的转变，仍然是在全球经济竞争中必不可少的。
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1.精密伺服驱动器在工厂楼层普遍存在。（来源：“提供下一代低成本，双轴伺服驱动器，”电子设计）.
在这个快速发展的市场中，伺服驱动制造商一直在寻找性能、连接性、易用性和成本方面的改进。一些应用程序总是需要最高的性能和最高的精度。然而，考虑到数字驱动控制性能已经取得的进展，今天更大的挑战是降低标准运动性能应用程序的成本，而不是速度和位置环的最大可达到的控制带宽。
大多数工业beplay体育手机登录自动化机器都有多个电机轴，因此每轴的成本是合适的措施。由于一些驱动器电子功能 - 以及它们的成本 - 可以在多个轴上共享，因此考虑伺服驱动器可以支持两个或更多轴而不是传统的一次驱动/单电机方法是有意义的。
COTS电动驱动解决方案降低成本，简化设计
When designers began designing servo-motor controllers based on digital technology, they found that the available off-the-shelf microcontrollers (MCUs) couldn’t support some of the specialized requirements, such as intricate protection schemes for the power drivers, complex encoder interfaces, or current loops that were too fast for a software implementation. Consequently, designers added external logic devices to handle these functions.
选项包括现场可编程门阵列(FPGA)或复杂可编程逻辑器件(CPLD)。然而，这些设备虽然速度快，但价格昂贵，而且众所周知难以编程，因为它们需要对底层硬件结构的深入了解和一组专用的开发工具。对FPGA编程或进行更新会增加开发周期的成本和时间。欲了解更多信息，请参阅此详细讨论SOC-VS-FPGA设计权衡。
随着数字控制成为首选方法，MCU制造商开始引入系统片上(SoC)产品，其中包括标准的电机控制构建功能，允许修改的灵活外设，以及使用标准开发环境和编程语言(如C语言)进行更改的能力。
切换到单一的专用设备可以降低物料清单(BOM)成本，减少开发时间，并提供一个单一的接触点来帮助解决棘手的设计问题。
一种用于实时控制的MCU系列
Texas Instruments'C2000是一家高性能32位MCU的家庭，用于实时控制，用于苛刻的应用，如电动汽车，工业驱动和数字控制功率转换。
该家族有两个产品线。这短笛Line包含6个器件，具有高水平的集成，为广泛的闭环控制应用提供了性价比高的性能。这参与四种设备排队为最先进的闭环控制应用提供优质的性能和扩展功能集。
Piccolo F20004x双轴伺服控制器
尽管设计人员总是在不断提高性能水平，但对于许多应用来说，一个更密切相关的挑战是如何以最经济的方式实现多轴伺服电机控制。
这F28004x.MCU系列(图2)是Piccolo投资组合的最新成员;这些器件包含了许多高端Delfino F2837X浮点性能MCU加上AC驱动器和伺服应用的功能。结果是单芯片上的双轴伺服驱动器控制器，可在提供高水平的运动控制性能的同时降低BOM成本。
2.短笛F28004x包含许多用于电机控制的专用块。（来源：TI微控制器：C2000 Piccolo 32位微控制器的）
F28004x是基于TI公司运行在100 MHz的32位C28x CPU，外加用于实时电机控制中常见的几种算法的专用加速器。
例如，三角数学单元(TMU)能够通过三角运算(如转换和扭矩环计算)快速执行算法。Viterbi/复杂数学单元(VCU-I)可以加快通常在编码应用程序中发现的复杂数学操作。可编程控制律加速器(CLA)是一种独立的32位浮点数学加速器，它与C28x主CPU并行执行，可以大大减轻常见任务的负担。
3.F28004x包含几个伺服驱动应用专用块。（来源：TI培训视频:短笛F280049C双轴伺服控制的）
图3.展示了一些专用于实时伺服控制的Piccolo F28004x外围模块。这些包括:
- 八个高分辨率脉冲宽度调制器（HRPWM）：4键入，具有立即PWM更新模式。
- 高度可配置的PWM跳闸逻辑最大的保护选项
- 三种高性能12位ADC在3.5毫班/秒，具有可配置的转换开始触发，用于并发操作
- 一种可配置逻辑块(CLB)，它可以与其他外围块一起工作，实现复杂的功能，而不需要外部逻辑。CLB具有多种功能，如逆变器保护电路;PWM生成;脉冲序列输出(PTO)产生;和绝对编码器协议主逻辑。
- 具有错误检测逻辑的两个增强的正交编码器外设（EQEP）块
- 四个集成的sigma-delta滤波器
- 七个可编程增益放大器（PGA）
看到C2000实时控制外设参考指南有关这些外围设备的更多信息。
循环清除最小化函数之间的延迟
4.实时闭环控制系统必须将数据从一个阶段移动到下一个阶段所需的时间最小化。（来源：TI E2E博客：“C2000 MCU上的循环扫除，第1部分：简介”的）
C2000微控制器包括几种建筑改进，以提供增强的电动机控制性能。在高级别，可以将实时控制系统视为三个块(图4)：
- 这传感阶段获取表征电源系统驱动电压和电流，电机位置等操作的数据 - 从主动或无源传感器的测量值。
- 这处理阶段根据所需的控制输入和传感器级的测量，计算控制输出所需的变化。
- 这驱动阶段从处理阶段取输出，为电力电子计算驱动信号。
工程师在设计实时控制系统时面临的最大挑战之一是最小化这三个阶段之间的时间延迟，以满足系统的时间要求。C2000体系结构包含了“循环清除”的概念。这最大限度地减少了采样到输出的延迟，以帮助满足实时控制回路的性能要求。
中央处理单元（CPU），外围设备和设备架构最小化从采样采集阶段转换所需的CPU周期，以将数据中的数据处理到更新脉冲宽度调制（PWM）计算。周期清除技术的一些例子包括：
样本采集阶段:零等级模数转换器（ADC）传输允许结果一旦可用，就会在单个周期中传输到CPU。每个主站都有专用的数据抽头，因此多个主机可以同时读取ADC输出，而无需等待数据桥接仲裁。
CPU处理阶段：C2000 cpu集成了硬件加速器，可以快速执行复杂的数学运算。例如，TMU可以减少计算正弦、余弦、反正切和1/X函数所需的CPU周期。TMU还可以加速常见的实时控制算法，如Park和逆Park变换、快速傅里叶变换(FFTs)等。周期节省可以是戏剧性的:一个独立的MCU可以很容易地花费超过100个周期来执行一个Park转换;对于TMU，同样的转换可以在13个周期内发生。
PWM更新:C2000微控制器集成了一个硬件块，该硬件块执行谷切换，无需计算密集的软件控制。
在此多部分中了解有关C2000周期扫除技术的更多详细信息博客系列。
设计驱动——拼图的另一块
高性能伺服驱动不仅仅是集成电路的集合。现实世界的需求包括构建处理不同电机拓扑结构的能力，适应一系列编码器类型，满足新的功能安全法规，等等。
Texas Instruments提供Daigndrive，一个集成的硬件和软件资源集，用于C2000 MCU，帮助工程师使用其工业驱动应用程序快速入门。
DesignDrive为各种电机类型，编码器标准，传感技术和通信网络提供支持，以及使用实时以太网通信和功能安全拓扑开发的简单扩展。结果是一个更全面的集成系统解决方案。
还有相关的DesignDRIVE开发工具包，伺服和交流变频器驱动器的参考设计。
实例：双轴伺服
让我们看看这些特性在使用F28004x和DesignDRIVE模块的双轴伺服设计中如何发挥作用。图5.显示关键元素。
5.在这里，F28004x是在双轴伺服控制应用中实现的。（来源：TI“Piccolo C2000 MCU使下一代低成本，双轴伺服驱动器”PDF的）
H桥控制块：永磁同步电动机或交流感应电机电源块中的三相逆变器需要在每个阶段的半桥配置中进行两个开关。
F28004x上的每个EPWM模块都包含一对互补的PWM发电机，可以控制H-Bridge的高端和低端，具有集成的死区以避免射击。
双通道伺服设计中的逆变器只需要八个PWM模块中的六个。F28004x仍然具有两个可用于附加功能的PWM对，例如控制功率因子校正（PFC）电路，为逆变器提供高压DC电源;为编码器接口生成精度时钟;或实现实时制动电路。
控制回路:F28004X具有TI的快速电流环（FCL）架构，可优化以利用C2000架构。FCL首先出现在Delfino上。在F28004x上运行，面向现场控制（FOC）处理所花费的时间将增加，但12位ADC转换时间不会改变。结果，在100MHz的Piccolo上，FCL可以在小于1.6μs的单轴完成。这几乎是比最快的微控制器上的传统电流循环更快的微秒。
通过交织在每个轴之间的ADC采样时，每个轴的采样和FOC处理可以同时运行，允许闭环带宽为5 kHz。FCL消耗少于4％的100μs环路，留下其他任务的其余部分：速度和位置环，通信等。
电流和电压采样：F28004x有3个ADC，每个ADC有4到9个多路模拟输入，这取决于所选设备的引脚。共有多达21个多路输入通道。这种配置提供了灵活性，支持至少四组不同的电流和/或电压传感的交错三相采样，即使在最小的F28004x设备上。其他模拟输入可用来监测直流母线电压、温度或其他信号。
正交编码器接口:使用两个EQEPS，F28004X可以跟踪两个ABZ编码器，这些编码器是许多伺服电机上的标准设备。ABZ编码器跟踪增量位置变化。它们具有两个输出信号，a和b，提供正交编码信号，加上一个z输出，每个旋转给出一次索引位置。ABZ编码器具有低延迟，并且可以跟踪高速，但是它们要求控制器跟踪脉冲以使用Z输出作为参考来确定电机轴的位置。在上电时，控制器不知道电机的位置，直到看到第一个Z脉冲。
绝对编码器接口:为了避免增量式编码器的索引问题，业界正趋向于采用绝对式编码器。绝对编码器对测量负载角特别有帮助;双轴驱动器将需要支持两个接口的绝对编码器。DesignDRIVE绝对编码器位置管理器解决方案结合了CLB和串口，以创建解决方案的EnDat 2.2, BISS-C, Tamagawa T格式，和其他绝对编码器标准。F28004x上的CLB可以处理任何这些协议的两个通道。
在双轴伺服驱动器中，F28004X可以同时处理电机增量编码器和负载角度绝对编码器输入。反馈直接到MCU，无需外部逻辑。
伺服驱动开发人员参考资料
本文已讨论双轴伺服控制使用Piccolo F28004x MCU，但C2000设备涵盖了各种伺服和其他实时控制应用。此外，德州仪器还提供了许多可用于工业伺服驱动器开发人员的资源。电机驱动器主页包含应用包括CNC和机器人伺服驱动器的链接;交流逆变器和变频驱动器;以及有刷和无刷直流驱动器等。
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