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小規模
位置控制 先進的位置控制系統已在工業控制應用中使用了數十年。通常這些系統既復雜又昂貴，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的選項。現在可以以經濟實惠的方式提供小規模的先進控制系統，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造了許多選擇，從而減少了材料損失并節省了時間和金錢。本文描述了一個簡單的設計，后來基于該設計創建了一個強大的小型化運動控制系統。 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建小型伺服系統的主要部件。為了提供更多細節，我們將基于這些部分設計一個閉環比例控制器（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。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 的控制環路，可以節省額外的資金。
dsPIC33 固件還將監控來自 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仍然有用。
圖 1：閉環比例控制器示例。
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，但在其他方面創建了強大的伺服系統。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 線性穩壓器（示意圖中未顯示）降壓，進而為板載 3.3 V 線性穩壓器供電。
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 用作開發環境。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。
此處列出的固件執行具有模擬控制輸入和模擬反饋的簡單運動控制系統。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
IFS1bits.T5IF = 0; // 復位定時器 5 中斷標志
?? IPC7bits.T5IP = 5; // 設置 Timer5 中斷優先級為 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，如果發生故障，H 橋將在控制環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） // 檢查控制循環定時器
{
IFS1bits.T5IF = 0; // 清除下一個循環的標志
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
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