第二章 永磁式交流同步馬達控制與硬體架構
2.3 硬體介紹
2.3.2 與 Power stage 及連接外部控制器之介面電路
伺服驅動器的硬體通常被分成前級板與後級板兩部份，也有少部分的日 系伺服馬達公司會將硬體整合在一片，以降低成本，例如本論文採用的伺服 馬達，其搭配的伺服驅動器就是如此。通常只要power stage 以外的都歸類為 前級板部分，包含控制核心DSP、與 power stage 介面電路及與上層控制器連 接的介面電路等三部份，其示意圖如圖 2-7 所示。本論文將 DSP 以外的部份 整合為一片電路板，大致包括3.3↔5V 電壓準位轉換、編碼器介面電路、接 收上層控制器信號的介面電路、ADC 介面電路，邏輯運算及 RS-232 介面電 路等，並送至外面公司進行 Layout，以減少雜訊干擾，下列分別介紹此電路 板之功能及外部連接埠定義。
Z Dynamic
On
2CN 1CN3CN
圖 2-7 DSP F2812 與 Power stage 介面電路之示意圖
A. ALTERA 的 CPLD
我們選用 ALTERA 的 MAX3000A 系列中的 EPM3256ATC144-10N，它具 5000 個 Usable gates、256 個 Macrocells 及 116 支 I/O 腳位可使用，其 I/O 電 壓準位如表 2-2 所示，我們採用VCCIO = 3.3V，這樣 CPLD 本生就具有 5 轉 3.3V 的功用。
表 2-2 ALTERA MAX3000A 系列的 I/O 電壓準位 Input signal Output signal VCCIO
2.5V 3.3V 5V 2.5V 3.3V
2.5V √ √ √ √
3.3V √ √ √ √
MAX3000A 系列僅提供 JTAG mode download，圖 2-8 為 ALTERA 燒錄埠之 圖樣，其每隻腳位的定義標示於表 2-3 中，其中 VCC = 3.3V。目前我們在 CPLD 上讓它執行多工器、邏輯運算、除頻及 buffer(5 轉 3.3V)等電路，為了
日後擴增硬體功能，對於沒有使用到的 I/O 腳位皆設計為連接1KΩ再接地，
這樣就可以先以跳線的方式擴增電路。
圖 2-8 ALTERA 燒錄埠之圖樣
表 2-3 ALTERA 燒錄埠之定義
Pin no. 信號名稱 說明
1 TCK Clock signal
2 GND Signal ground
3 TDO Data from device 4 VCC Target power supply
5 TMS JTAG state machine control
6~8 - No connect
9 TDI Data to device
10 GND Signal ground
B. 3.3↔5V 電壓轉位轉換
由於 DSP F2812 的 I/O 準位為 3.3V，但是後級板的 I/O 準位為 5V，故兩 者間的溝通必須做電壓準位的轉換，才能使電路正常工作與增加使用壽命。
對於3.3 轉 5V 的電路主要將 DSP 所產生的 PWM 信號必須轉換為 5V 來驅動 後級板的智慧型功率模組(intelligent power module, IPM)；另外還包含 Servo on 與 Dynamic brake 信號也要轉換為 5V，電路如圖 2-9 所示。對於 5 轉 3.3V 的電路主要將 IPM 的警報信號回授至 DSP，此部份就交給 ALTERA 的 CPLD 處理。
Pin 1
Pin 2 Pin 10
R55 2K
PWM3 PWM4
dy namic brake
PWM6
VCCGND
PWM1
dy namic brake
+3.3 器原理與介面電路可參考文獻[11]；本文將針對 Tamagawa 串列輸出編碼器做 個簡單地介紹。
對於解析度不高的編碼器，一般是採用並列輸出，其接收信號的介面電路 簡單，而且傳輸速率高，其最大的缺點在於傳輸線較多條，特別是絕對型編 碼器，所以高精度的編碼器都改成串列輸出，而大多日系伺服馬達即使是低 解析度編碼器也都改成串列輸出。Tamagawa 公司的轉換晶片有 AU5561 與 AU5688 兩款，可以支援所有 Tamagawa 串列輸出的編碼器，圖 2-10 為 Tamagawa 轉換晶片 AU5561 之圖樣，其串列輸出的編碼器多半採用電子工業 協 會(Electronic Industries Association, EIA)所制定的非同步傳輸標準介面 RS-485 作為輸出級(並列輸出的編碼器多半採用 RS-422 作為輸出級)，因此 AU5561 的接收端必需採用與 RS-485 相容的 IC，本文使用 TI 的 SN75176，
完整的介面電路如圖 2-11 所示，使用者可以根據自己的硬體規格選擇通訊 模式，16 位元或 32 位元的 PC 或 DSP 模式。
圖 2-10 Tamagawa 轉換晶片 AU5561 之圖樣
圖 2-11 Tamagawa 轉換晶片 AU5561 之應用電路
D. 接收上層控制器信號的介面電路
為了使伺服驅動器結合上層控制器，應用於多軸運動控制，勢必需要由上 層控制器發號命令，基本介面包含 Servo on、Pulse command、伺服警報及位 置回授等。接收外部信號的介面電路主要是由隔離電路組成，防止外部電路 操作不當，而燒毀伺服驅動器，我們利用 SHARP 公司 PC357 光耦合器接收 外部數位輸入信號，其電路如圖 2-12 所示；另外 Pulse command 為較高速的 數位信號，利用SHARP 公司 PC410 高速型的光耦合器接收，其電路如圖 2-13 所示，最後這些接收下來的信號再連接至 DSP 或 CPLD。圖 2-14 為編碼器 回授至上層控制器之應用電路，透過 TI 的 26LS31 將處理過的編碼器 ABZ 信 號轉換成差動信號回授至上層控制器，防止信號在傳輸過程受雜訊影響。
R110 10K
R121 2K External GND
DSP, GPIO or CPLD U26
PC357 1
2 3
4 D11
HER105
+5
External digital input
圖 2-12 外部數位輸入之應用電路
DSP, QEP R81 10K
CW+
R79 10K
C27 10n +3.3
+5
U23
PC410 1
3
6
5
CW- 4
C26 10n R80 10K
R82 330 R83 10K
圖 2-13 接收上層控制器的 Pulse command 之應用電路
External output, A+
External output, Z+
External output, B+
CPLD
External output,
A-External output,
Z-+5
External output, B-CPLD
AM26LS31 U21
3 2 1
4
7 6
5
8
11 10 9
12
15 14
13
16
1B 1A 1X
G
2X 2A
2B
GND
3B 3A 3X
G'
4X 4A
4B
Vcc
CPLD
+5
圖 2-14 編碼器回授至上層控制器之應用電路
E. ADC 介面電路
圖 2-15 為霍爾電流感測器之類比信號進入 DSP ADC 之前的介面電路。
因為馬達的最大瞬間電流可達 9.3 安培，故選定之霍爾電流感測器為±10安 培轉換為± 伏特；由於霍爾電流感測器是用電磁感測原理感測電流大小，4 因此霍爾電流感測器相當容易受到 PWM 信號切換智慧功率模組時的切換雜 訊(switching noise)干擾或是外界環境的雜訊干擾，尤其在電流非常小時雜訊 對電流量測的影響更加明顯，會嚴重影響控制的平穩度，故先在霍爾電流感 測器的輸入端加入兩層一階低通濾波器(low pass filter)，將部份的雜訊干擾降 低，設計之截止頻率(-3 dB point)約為 3 .5KHz 左右。因為 DSP ADC 的輸入 範圍僅0 至 3 伏特，故介面電路需把所得的信號縮小至±1.5伏特，再由箝位 電路將信號拉升至 0~3 伏特的範圍中進入 DSP 的 ADC 通道。介面電路最後 需再加上兩個電壓限制二極體和一個串聯的限流電阻，以防止瞬間過大的電 壓和電流燒毀 DSP 的 ADC。
圖 2-15 霍爾電流感測器之類比信號進入 DSP ADC 之前的介面電路
DSP, SCITX
C16 100n DSP, SCIRX
C15 100n
CN3
Dty pe9P 5 C14 100n
C12
GNDVCC R1IN
R2IN
Hall current sensor output
D5
DSP, ADC R48
G. 與外部連接之定義 1
CN ：I/O 連接端
圖 2-17 為編碼器連接端之圖樣，其每隻腳位的定義標示於表 2-4 中。
圖 2-17 I/O 連接端之圖樣
表 2-4 I/O 連接端之定義
Pin no. 信號名稱 符號 說明
1 伺服開機 SON
SON 與 DG 短路，進入運轉 狀態，與 DG 開路為退出運 轉狀態。
2~13 未使用
14 PP
15 指令脈衝P 輸入
PN
16 DP
17 指令脈衝D 輸入
DN
指 令 脈 衝 輸 入 型 態 為 CCW
CW / 脈衝列。
18~25 未使用
26 速度指令輸入 SIN 輸 入 電 壓 10V 時 ， 轉 速 為 3000 rpm。
27~28 未使用
29 類比接地 AG 類比信號的接地。
30~31 未使用
32 類比接地 AG 類比信號的接地。
33 +15V 34 外部電壓輸出
-15V
提供±15V 的輸出電壓。
Pin 1
Pin 50
Pin 2
35 編碼器 A 相輸出 PA 36 編碼器 A 相輸出 PA 37 編碼器 B 相輸出 PB 38 編碼器 B 相輸出 PB 39 編碼器 Z 相輸出 PZ 40 編碼器 Z 相輸出 PZ
編碼器輸出。
41~44 未使用
45 24V 24V 外部控制器I/O 用 24V 電源 輸入端。
46~49 數位接地(24V) DG 外部控制器I/O 用接地。
50 隔離線接點 FG 接電纜的隔離網。
2
CN ：編碼器連接端
圖 2-18 為編碼器連接端之圖樣，其每隻腳位的定義標示於表 2-5 中。
圖 2-18 編碼器連接端之圖樣
表 2-5 編碼器連接端之定義
Pin no. 信號名稱 符號 說明
1,2 電源輸出- 0V 3,4 電源輸出+ +5V
編碼器用5V 電源。
5 A 相輸入 A 並列編碼器 A 相輸出。
Pin 1
Pin 20
Pin 2
6 A 相輸入 A 並列編碼器 A 相輸出。
7 B 相輸入 B 並列編碼器 B 相輸出。
8 B 相輸入 B 並列編碼器 B 相輸出。
9 Z 相輸入 Z 並列編碼器 Z 相輸出。
10 Z 相輸入 Z 並列編碼器 Z 相輸出。
11~16 未使用
17 SIG+輸入 SIG+ 串列編碼器SIG+輸出。
18 SIG-輸入 SIG- 串列編碼器SIG-輸出。
19 未使用
20 隔離線接點 FG 接電纜的隔離網。
3
CN ：RS-232 連接端
圖 2-19 為編碼器連接端之圖樣，其每隻腳位的定義標示於表 2-6 中。
圖 2-19 RS-232 連接端之圖樣
表 2-6 RS-232 連接端之定義
Pin no. 信號名稱 符號 說明
1, 4, 6~9 未使用
2 Receiver RX PC 接收 DSP 的資訊。
3 Transmitter TX PC 傳送資訊給 DSP。
5 接地 AG 信號的接地。
Pin 1
Pin 9 Pin 2