伺服驱动器实战方案及MCU必备五大特性

【导读】伺服驱动器是一种集伺服驱动技术、‌PLC技术、‌运动控制技术于一体的全数字化驱动器，通过精确控制电机的位置、‌速度和力矩，‌实现高精度、‌高效率的运动控制，‌是高端装备和智能机器的核心控制部件。‌伺服驱动器的MCU通过高度集成化、‌优化控制算法、‌高性能处理、‌安全性和可靠性以及多轴伺服控制五大特点，‌为伺服驱动系统提供了高效、‌精确和可靠的控制解决方案。

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伺服驱动器的MCU具有以下特点‌

（1）高度集成化

‌MCU（‌微控制单元）‌将中央处理器（‌CPU）‌的频率与规格进行适当缩减，‌并将内存、‌计数器、‌USB、‌A/D转换、‌UART、‌PLC、‌DMA等周边接口，‌甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，‌形成芯片级的计算机，‌为不同的应用场合提供不同组合控制。‌

（2）优化控制算法

‌伺服控制MCU内置针对工业机器人和电机控制进行了优化的IP，‌以促进对伺服电机的高级控制。‌这些MCU具有专用硬件加速器，‌促进在工业机器人和其他工厂自动化应用中实施伺服控制所需的高速位置计算。‌

（3）高性能处理

‌在短至1.5 µs的时间范围内执行的电流控制环路计算，‌使开发人员能够创建低成本的伺服系统。‌这表明伺服控制MCU具有高性能的处理能力，‌能够快速响应并精确控制伺服电机。‌

（4）安全性与可靠性

‌伺服控制MCU集成了硬件加密技术，‌确保工业设计的安全性和可靠性。‌此外，‌新型的AI算法使得开发人员能够在单个MCU中采用诸如电机控制故障检测之类的功能，‌进一步提高系统的安全性和可靠性。‌

（5）多轴伺服控制

‌在多轴伺服控制应用中，‌高性能MCU能够实现单芯片对多个伺服电机的运动控制，‌如三轴伺服数控机床解决方案，‌可以在1分钟内绘制世界地图，‌显示出其对高速和高精度控制的支持。‌

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方案一：基于先楫HPM6E80的驱控一体多轴伺服驱动器实战案例

Samkoon M9是一款模块化可扩展EtherCAT总线伺服驱动器，整流模块支持3-5KW，逆变模块支持400W-750W单双轴以及1500W单轴输出，支持内置抱闸继电器，支持TYPE-C USB调试接口，配合上位机可以实现伺服参数的快速导出导入及曲线波形监视。M9系列伺服以完全国产自主的RISC-V内核的HPM6E80处理器为主控芯片，HPM6E80为双核处理器，每个核主频高达 600MHZ，具有丰富的外设，采用单颗芯片方案即可实现EtherCAT总线伺服系统的应用。

方案优势

• 模块化设计，可扩展EtherCAT总线PLC及总线模块。

• 逆变轴共母线，能量回馈与能量消耗形成动态平衡，节省电能。

• 体积小,功率密度高，4轴节省25%空间，6轴节省35%空间。

• 内置MOS控制抱闸通断，抱闸接线更简单。

• 优化硬件设计，多轴伺服漏电流小。

• 可搭配EtherCAT总线PLC模块，多轴驱动和驱控一体同时覆盖。

• EtherCAT采用单芯片实现，稳定性更好，成本更优。

• 电流环刷新频率64KHZ，速度环带宽3.1KHZ。

应用场景

HPM6E00系列产品致力于将硬件和控制环路小型化，实现了高性能MCU与高实时性、低延时工业以太网的高度集成，避免了信号处理过程中的二次运算，提高了整体效率。十分适合用于高性能伺服电机控制、机器人运动控制、数据传输系统和监控系统等多样化应用中。

方案二：先楫HPM6300低压伺服驱动器应用方案

基于HPM6300的低压伺服驱动器应用方案，具有高性能、高可靠性、高性价比等优点，在不同温度、湿度、振动等工业环境中可实现稳定运行，主控MCU丰富外设接口支持伺服电机系统一体化设计。

典型系统框图

方案特点

• 采用先楫高性能、高实时性的微控制器HPM6300系列，主频高达 648MHz，Coremark 高达 3390，提高了伺服的响应特性。

• 利用HPM6300的 3个独立 16位ADC，可同时采集电机电流和母线电压进行快速采样，提高伺服的控制精度。

• 支持大容量本地存储，128KB ILM (0等待指令SRAM) 和128KB DLM (0等待数据SRAM)，提高代码或数据的访问速度，有助于实现快速电流环。

• 内置16位 FMEC接口，满足与外围FPGA或 EtherCAT从站芯片进行高效通信。

• 完整开源的的位置、速度、电流三环FOC源码，其中，电流环延时仅1.06us，有效缩短客户的产品开发时间，为 ”单芯片” 伺服提供可能性。

• 内置 CAN接口，支持 CANFD通讯。

• 内置 FFT/FIR协处理器，实现快速的FFT计算，对于电流、电压信号进行实时分析，助力电机预维护功能。

产品优势

（1）高性能CPU

• RISC-V 内核，支持双精度浮点运算及强大的 DSP 扩展，主频高达 648MHz。

• 32KB 高速缓存 (I/D Cache) 和高达 256KB 的零等待指令和数据本地存储器 (ILM / DLM)，加上 512KB 通用SRAM。

• 内置快速傅里叶变换和数字滤波器硬件加速引擎，极大提升 FFT 和 FIR 的运算速度。

（2）高性能模拟资源

• 3 个 2MSPS 16 位高精度 ADC，配置为 12 位精度时转换率可达 4MSPS，多达 24个模拟输入通道。

• 2个模拟比较器和 1个 1MSPS 12 位 DAC。

（3）片内资源丰富

• 1 个百兆以太网，支持IEEE1588；1 个内置 PHY 的高速USB；2路CAN/CAN-FD；支持 9路 UART、 4路SPI、 4路I2C 等外设。

• 2 组共 16 路精度达 3.0ns 的 PWM。

（4）安全

• 集成 AES-128/256, SHA-1/256 加速引擎和硬件密钥管理器。

• 基于芯片生命周期的安全管理，以及多种攻击的检测，进一步保护敏感信息。

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