精密控制伺服电机的最佳解决方案

伺服电机提供精确的运动控制

伺服电机是使用伺服机构的电机的总称。所谓伺服系统是一种根据指令命令运行的控制装置，应用于电机的伺服控制。在电机和被控机器上安装了传感器，并将检测结果返回到伺服放大器，与指令值进行比较。它不同于通过输入脉冲信号控制的步进电机，伺服电机是通过反馈信号进行控制的。

伺服电机的动作特性包括位置定位控制和动作速度控制。其主要特点是速度可以被精确控制，速度控制范围广（不仅能够在恒速下稳定且运行平稳），可以根据需求随时改变速度，能够以极低的速度稳定旋转，并能够实现正反向旋转以及快速加速和减速。在从静态到动态操作或从动态到静态操作的转换过程中，伺服电机所需时间非常短，即使受到外力干扰也能保持其位置，并在额定容量范围内瞬间产生大扭矩，具备大输出功率和高效率的特性。

支持工业以太网的伺服驱动解决方案

为了更精确和快速地控制伺服电机，Arrow Electronics开发了ARROW-ADI ADP伺服电机控制系统──基于ADI产品的ADSP-CM4xx混合信号控制处理器。该处理器采用了ARM Cortex M4处理器内核，集成了高精度ADC、数字加速器和滤波器、SRAM和闪存，以及丰富的外设。ADSP-CM4xx处理器适用于广泛的嵌入式应用，这些应用需要高性能的实时控制和模拟信号转换。

ARROW-ADI ADP SERVO 采用了240 MHz的ARM Cortex M4内核，集成了浮点运算单元，可支持高级编程模型和复杂算法。内置384KB SRAM和2MB闪存，可以轻松应对大型程序。它拥有双通道16位SAR ADC，无漏码，13+ ENOB，转换速率达到380ns，适用于高精度闭环控制应用。配备谐波分析引擎（HAE），兼容电网连接，并支持高级PWM和定时器功能，可有效改善转矩波动和电机性能。内置SINC滤波器，可无缝连接AD74xx隔离转换器，并支持2路CAN接口、3路UART接口、2路SPI接口、8个32位定时器、2个两线接口和4个正交编码器接口。ARROW-ADI ADP SERVO 采用24x24 176引脚LQFP封装，拥有91个GPIO引脚和16个ADC输入引脚，针对电机控制应用进行了优化。

多种核心芯片实现高性能应用

ARROW-ADI ADP伺服系统包括一个电源板和一个控制板。电源板主要用于高压和强电信号的输入和输出处理，而控制板包括ADI的DSP（ADSP-CM408）、ADI的工业以太网接口芯片（FIDO5200）以及Altera的FPGA（10CL025）。控制板主要负责读取检测回路信号并输出控制信号，同时具备辅助功能，如串口通信、显示和按键交互。

CM40X DSP 功能模块包括一个 ADC 和模拟电路，而 CM40x 系列处理器最大的优势之一在于其片上 SAR ADC 的精度。以 CM403 为例，CM403 共有 26 个模拟输入，其中只有 24 个可用于接收外部模拟信号。另两个通道分别连接到两个内部 DAC 的输出，这在某些需要自诊断的应用中用于检测 ADC 是否正常工作。CM403 中 ADC 的最高采样率可达 2.6Msps，在以 2.6M 的采样率轮询 0~11 个模拟输入时，其 SINAD 可达到 81dB。

ADI 的 fido5000 多协议 (REM) 交换芯片有两个型号，fido5100 和 fido5200。这两个型号之间的唯一区别是它们支持的以太网协议。fido5100 支持除 EtherCAT 之外的各种主流工业以太网协议，而 fido5200 支持包括 EtherCAT 在内的各种主流工业以太网协议。

FPGA 是现场可编程门阵列 (Field Programmable Gate Array) 的缩写。它是一种半导体集成电路，可以改变设备中的大量电气功能。设计工程师可以在 PCB 装配过程中更改它，或者在设备出货给客户后“现场”进行更改。ARROW-ADI ADP SERVO 采用了 Altera 的 10CL025YE144I8 芯片，该芯片具有 24,624 个逻辑单元 (LEs) 和 76 个通用 IO，可实现多种复杂功能。

DEMO板加速产品开发

艾睿电子基于ADI产品开发了ADI伺服电机控制解决方案，这是一种基于ADSP-CM408和FIDO5200的工业以太网解决方案的伺服驱动器。ADI提供了一个完整的产品组合，包括数据转换器、放大器、嵌入式处理器、iCoupler®数字隔离器和电源管理设备。该演示板主要包括电源模块、控制模块和显示模块。

ADI伺服电机控制解决方案支持200 ~ 240VAC输入电压，转速<= 3000rpm，输出电流<8A，具有高精度和快速动态响应。核心芯片采用ADI的CM408F、AD7403、ADuM130E、ADuM141E、ADM809、ADM3483、LT1529IQ-3.3、ADP1706ardz-2.5、ADP1706ardz-1.2、FIDO5200BBCZ以及Altera的10CL025。还包括STMicroelectronics (ST) 的Viper53-E、STTH108A、L78L05、L78M24CV、STPS1150A、STTH1R02U，英飞凌的IKCM30F60GA、IKW30N60DTP、GBU8M；onsemi的FOD3184、FOD817、74ACT244SC；SiT8208，Nexperia的74HC165D、74HC595D、74VHC14D、74LVC1G08GV；以及TE的RZ03-1A3、USB_1734035、D_sub-26-5178238、RJ45-6116353等。

结论

在工业4.0快速发展的时代，越来越多的工业应用开始使用高精度伺服电机，并需要结合工业以太网来完成系统连接功能，这改变了工业应用的未来发展。鉴于日益增长的市场需求，Arrow Electronics推出了基于ADI的伺服电机控制解决方案，这将助力工业4.0应用的快速发展，值得相关产品开发者深入了解该解决方案，并加大力度投入相关应用市场。