基于DSPIC33F的馬達控制方案

Microchip公司的dsPIC33F系列是高性能16位數字信號控制器（DSC），采用改進的哈佛架構，高達40MIPS，16位數據通路，24位指令，工作電壓3.0V~3.6V，主要用在各種馬達控制如無刷DC馬達，單相和三相馬達與開關磁阻電動機。此外也可用在UPS、逆變器、開關電源、功率因素修正以及服務器、通信設備和其他工業設備的電源管理模塊。

DSPIC33FJXXXMCX06A/X08A/X10A系列器件可支持多種電機的控制應用，如無刷直流電機，單相和三相感應電機，開關磁阻電機。dsPIC33F電機控制產品也非常適合于不間斷電源（UPS），逆變器，交換式電源供應器，功率因數校正以及服務器、電信設備和其他工業設備中的電源管理模塊的控制。

圖1 dsPIC33F系列方框圖

圖2 Cerebot MC7馬達控制板框圖

DSPIC33F主要特性

工作范圍：

•最高可達40 MIPS的操作（3.0V~3.6V）：

-工業級溫度范圍（-40℃~85℃）

-擴展級溫度范圍（-40℃~125℃）

•最高可達20 MIPS的操作（3.0V~3.6V）：

-高溫范圍（-40℃~150℃）

高性能DSC CPU：

•改進型哈佛架構

• C編譯器優化指令集

• 16位寬數據總線

• 24位寬指令

•可尋址最大4M指令字的線性程序存儲空間

•可尋址最大64kB線性數據存儲器

• 83條基本指令：多數為單字節/ 單周期指令

•兩個40位累加器：

-帶舍入和飽和選擇

•靈活和強大的尋址模式：

-間接尋址、模尋址和位反轉尋址

•軟件棧

16位×16位小數/整數乘法運算

• 32/16位和16/16位除法運算

•單周期乘法和累加運算：

- DSP操作的累加器回寫

-雙數據取操作

•可將最多40 位數據左移或右移最多16 位

直接內存訪問（DMA）：

• 8通道硬件DMA

• 2 kB雙端口DMA緩沖區（DMA RAM）以存儲通過DMA傳輸的數據：

-允許CPU執行代碼時在RAM和外 設之間進行數據傳輸（不額外占用周期）

•大多數外設支持DMA

中斷控制器：

•中斷響應延時5個周期

•最多67個可用中斷源

•最多五個外部中斷

• 7個可編程優先級

•五個處理器異常響應數字I/O：

•最多85個可編程數字I/O引腳

•最多24個引腳上具有喚醒/變化中斷功能

•輸出引腳可驅動3.0V~3.6V電壓

• 5V容限的引腳呈漏極開路配置，最 高其有5.5V輸出，并有一個外部上拉

•所有I/O引腳具有4mA的電流吸入 能力

片上閃存和SRAM：

•閃存程序存儲器，最大256 kB

•數據SRAM，最高30kB（包括2kB的DMA RAM空間）

系統管理：

•靈活的時鐘選項：

-外部晶振，諧振器和內部RC

-全集成PLL

-極低抖動PLL

•上電定時器

•振蕩器啟動定時器/穩定器

•自帶RC振蕩器的看門狗定時器

•故障保護時鐘監視器（FSCM）

•多個復位源

電源管理：

•片上2.5V穩壓器

•實時時鐘源切換

•可快速喚醒的空閑，休眠和打盹模式定時器/捕捉/比較/PWM：

•定時器/計數器，最多9個16位定時器：

-最多可以配對成4個32位定時器

- 1個定時器，可依靠外部32.768 kHz振蕩器用作實時時鐘（RTC）

-可編程的預分頻器

•輸入捕捉（最多八通道）：

-可捕捉上升沿，下降沿或上升/下降沿

- 16位捕捉輸入功能

-每路捕捉都有4字深度的FIFO緩沖

•輸出比較（最多八通道）：

- 一個或兩個16位比較模式

- 16位無毛刺PWM模式

通信模塊：

• 3線SPI（2個模塊）：

-幀支持簡單編解碼的I/O接口

-支持8位和16位數據

-支持所有串行時鐘格式和采樣模式

• I2C（2個模塊）：

- 完全支持多主從模式

- 7位和10位尋址

-總線沖突檢測和仲裁

-集成信號調理

-從地址掩碼

• UART（2個模塊）：

-檢測到地址位時產生中斷

-檢測UART錯誤產生中斷

-檢測到啟動位時將器件從休眠模式喚醒

- 4字符的發送和接收FIFO緩沖區

- LIN/J2602支持

-硬件IrDA編碼和解碼

-高速波特率模式

-使用CTS和RTS的硬件流控制

•增強型CAN（ECAN技術）2.0B

active版本（多達2個模塊）：

-多達8個發送緩沖區以及32個接收緩沖區

- 16個接收濾波器和3個屏蔽寄存器

-用于診斷和總線監視的環回模式、

監聽模式和監聽所有報文模式

-收到CAN報文時喚醒器件

-自動處理遠程傳輸請求

-使用DMA的 FIFO模式

- DeviceNet尋址支持

-電機控制外設：

•電機控制PWM（最多八通道）：

- 4個占空比發生器

-獨立或互補模式

-可編程死區時間和輸出極性

-邊緣或中心對齊

-手動輸出優先控制

-兩個故障輸入

- ADC轉換的觸發

-16位分辨率的PWM頻率（40MIPS）

=1220Hz邊沿對齊模式，610Hz中 心對齊模式

- 11位分辨率的PWM頻率

（40MIPS）=39.1 kHz的邊沿對齊模式，19.55 kHz的中心對齊模式

•正交編碼器接口（QEI）模塊：

- A相、B相和檢索脈沖輸入

- 16位上升沿/下將沿位置計數器

-計數方向狀態

-位置測量（x2和x4）模式

-輸入端的可編程數字噪聲濾波器

-備用16位定時器/計數器模式

-位置計數器計滿上/下溢中斷

模擬/數字轉換器（ADC）：

•器件中最多兩個ADC模塊

• 10位，1.1 Msps或12位，500ksps的轉換：

-兩個，四個或八個同時采樣

-最多32個帶自動掃描的輸入通道

-轉換啟動可手動進行或與4個觸發

源中的一個同步進行

-休眠模式下也可進行轉換

-積分非線性誤差最大為±1 LSb

-微分非線性誤差最大為±1 LSb

CMOS閃存技術：

•低功耗，高速閃存技術

•全靜態設計

• 3.3V（±10％）工作電壓

•工業級溫度級和擴展級級溫度

•低功耗

封裝：

•100引腳TQFP（14mm×14mm×1mm和12mm×12mm×1mm）

• 80引腳TQFP（12mm×12mm×1mm）

• 64引腳TQFP（10mm×10mm×1mm）

• 64引腳QFN（9mm×9mm×0.9mm）

Cerebot MC7馬達控制板

Cerebot MC7板是基于Microchip dsPIC 16位數字信號控制器的微控制器開發板。

Cerebot MC7主要是作為機電器件控制器，如，直流電機。該微控制器采用的是經過電機控制優化的dsPIC系列的dsPIC33FJ128MC706A。

Cerebot MC7具有4個半橋電路，其額定電壓在5A時為24V。每一個半橋電路都連接到dsPIC A/D轉換器，以測量閉環反饋控制的電壓和電流。這些半橋可以用來控制兩個有刷直流電機，兩個兩極步進電機，一個直流無刷電機，一個單極步進電機。此外，該板可用于實現開關DC/DC轉換器的控制器。

圖3 Cerebot MC7馬達控制板電路圖（1）

圖4 Cerebot MC7馬達控制板電路圖（2）

Cerebot MC7馬達控制板主要特性

• dsPIC33FJ128MC706A微控制器

•四個24V/5A帶電流和電壓反饋的半

橋式電路，并提供過電流中斷

•電源電壓最高24V

• 5V/4A開關電源

•集成的編程/調試電路

• CAN網絡接口

•用于Digilent外設模塊板的3個Pmod連接器

•八個RC伺服連接器

•兩個I2C菊花鏈連接器

• 256kbits I2C EEPROM

•兩個按鈕和四個LED

•所有I/O引腳的ESD保護和短路保 護