MATLAB交流伺服系统ARM单片机制软件设计及仿真(3)
直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制。直流伺服电机存在机械结构复杂、文护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈[11]。交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性[12]。所以交流伺服系统在工厂自动化（FA）等各个领域得到了广泛的应用。从伺服驱动产品当前的应用来看，直流伺服产品正逐渐减少，交流伺服产品则日渐增加，市场占有率逐步扩大。在实际应用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服产品已经成为主流产品。
2.2 交流伺服系统总体结构
本文对位置交流伺服系统进行研究，伺服系统的原理框图如图2.1所示。
图2.1 交流伺服系统原理框图
本系统为交流伺服系统，执行元件是永磁同步伺服电机，ARM单片机作为数字控制器，采用闭环位置反馈控制，位置反馈采用的是RDC旋转变压器为测角元件。
系统的工作过程为：首先由ARM单片机计算当前的控制信号，经过D/A转换后，传递给伺服放大器；在伺服放大器中对输入信号进行调理，然后传送到交流伺服调速系统中；交流变频器根据输入信号的大小，通过速度反馈来调节交流同步电机的转速；最后减速器把机械动力传到负载中。负载的实际位置再次通过旋转变压器和RDC模块反馈给ARM单片机，构成一个完整的闭环控制，实现对目标位置的跟踪。
整个交流伺服系统包括五个部分：ARM单片机、数据采集卡、旋转变压器和RDC转换模块、伺服放大电路、交流调速系统。
2.3 ARM单片机概述
ARM是Advanced RISC Machines的缩写，既是一个公司的名称，也是一类微处理器的通称，也可以认为是一种技术的名字。1985年4月26日，第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有限公司诞生，由美国加州的San Jose VLSI技术公司制造。20世纪80年代后期，ARM成为了Acorn的台式机产品。20世纪90年代初，ARM公司在剑桥成立，设计出了大量高性能、廉价、低耗的RISC处理器和相关软件。但是ARM公司既不生产芯片也不销售芯片，它只出售芯片的技术授权[13]。
世界诸多半导体厂商从ARM公司购买其设计的ARM处理器核，然后根据各自不同的需要和应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。利用这种关系，ARM迅速发展成为许多全球性企业RISC标准的缔造者。当前，应用ARM技术知识产权核的微处理器，已经遍及工业控制、消费类电子产品、网络系统、通信系统、无线移动等各类产品市场，尤其是在低成本、低功耗和低性能的嵌入式系统的应用领域占据领先地位[14]。
2.4 Cortex-M3处理器特点
ARM Cortex系列处理器是基于ARMv7架构的，分为Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M三类。Cortex-M系列主要用于微控制器单片机领域，是为了那些对功耗和成本敏感同时对性能要求不断增加的嵌入式应用而设计和实现的。
Cortex-M3是一个32位的单片机核，是一种低功耗的处理器，具有门数少、中断延迟小、调试容易等特点，主要用于微控制器系统、汽车电子与车身控制系统、工业控制、医疗机械、无线网络、玩具和各种家电等[15]。归纳起来，Cortex-M3处理器有以下特点。
（1）高性能
Cortex-M3处理器基于ARMv-7体系结构，是一个可综合、高度可配置的处理器。处理器核心基于哈佛架构的3级流水线内核，此内核集中了分支预测、单周期乘法、硬件除法等诸多功能，使其在Dhrystone benchmark上具有出色的表现（1.25DMIPS/MHz）。可提供1.25DMIPS/MHz的突出性能，在一个具有32个物理中断的标准处理器上（0.13 Metro 50MHz），达到了优异的0.06mW/MHz能效比。