【技术大神】基于RZ/T1的伺服应用——定时器功能应用解析篇

2019-07-27 技术大神活动文章

RZ/T1是瑞萨电子2014年推出的高性能MPU系列芯片,采用ARM Cortex-R4F CPU核,频率高达600MHz,拥有很强的运行能力和卓越的实时性。该系列芯片内置了R-IN引擎和EtherCAT从站控制器,支持包括EtherCAT在内的多种工业以太网通信协议,同时还内置了绝对值编码器接口模块,支持多种电机编码器协议。因此利用RZ/T1可以单芯片实现支持工业以太网的AC伺服解决方案。


图1:RZ/T1伺服驱动示意框图


上图是RZ/T1的伺服驱动示意框图,可以看到RZ/T1的资源很丰富,伺服系统需要的资源应有尽有,如驱动电机的PWM输出、电流反馈的12位精度的ADC和DSMIF、位置反馈的增量编码器和绝对值编码器、可以与PLC进行工业以太网通信的EtherCAT和EtherMAC模块、等等。


RZ/T1的定时器种类繁多,有CMT、CMTW、TPU、MTU、GPT等,而且每种定时器都有很多个通道。这么多的定时器单元,大家可能会晕了,不知道该怎么用,本文主要介绍一下这些定时器的功能和应用。


1)CMT和CMTW
RZ/T1上有6个16位的CMT和2个32位的CMTW,都是比较定时器。CMT功能比较单一,只有比较定时功能,即计数器使用外围模块时钟分频作为计数源,当增加到与比较寄存器的值一致时,计数器自动清零,并同时可以产生中断。


CMTW除了有CMT的比较定时功能,另外每个CMTW还有两个比较输出功能和两个捕捉输入功能。比较输出功能,即当计数器与两个比较寄存器值一致时,分别修改输出引脚的电平,如下图2。


图2


而捕捉输入功能,还是使用内部的时钟分频为计数源,当相应的引脚电平转变时,自动把当前计数器的值锁存到相应的捕捉寄存器里,如下图3。


图3


CMT和CMTW因为功能比较简单,主要用于比较定时功能,如系统需要周期处理的任务定时。尤其是CMTW因支持32位寄存器,能计时比较长的时间,可以用于操作系统时钟功能。


2)TPU
RZ/T1上有12个16位的TPU通道。TPU除了具备CMTW定时器具有输入捕捉和比较输出功能外,还有组合、同步和缓存等功能。组合的比较简单,顾名思义,两个16位的定时器可以组合成一个定时器,这样组合后定时器变成32位的。同步和缓存的功能很重要,他们能让定时器的功能变得更丰富和强大,下面分别描述。


对于同步功能,即多个计数器能同时进行写操作和清零操作,这样多个定时器组合,能实现多个有同步要求的PWM波形输出,或者多个输入信号捕捉。如下图4所示,TPU0、TPU1和TPU2设置在同步模式,同时被TPU0.TGRB清零,如此便可得到如下三个相同周期(TPU0.TGRB)不同相位和不同Duty的PWM波形。


图4


对于缓存操作,TPU对于比较寄存器和捕捉寄存器,有相应的缓存寄存器,比如,TPUm.TGRC和TGRD分别为TGRA和TGRB的缓存寄存器。对于比较输出模式和捕捉输入模式时,二者功能有所差别。在比较输出模式时,当计时器值与比较寄存器的值一致时,自动把缓存寄存器的值装载到比较寄存器里,这样就可以实现动态修改PWM波形的Duty和周期了。在捕捉输入模式时,当输入信号触发捕捉动作时,这时会把旧的捕捉寄存器的值复制到缓存寄存器,捕捉寄存器装载新的捕捉值。


TPU还有一个重要的功能:相位计数。该功能可用于增量编码器的脉冲输入解析,直接获得转子的位置信息。TPU1和TPU2、TPU4和TPU5、TPU7和TPU8、TPU10和TPU11分别可以组合成4组同步定时器,分别支持增量编码器的AB相输入,而且TPU支持多达5种模式的脉冲输入的计数功能。


3)MTU
RZ/T1有8个16位定时器(MTU0~MTU7)和一个32位定时器MTU8,另外MTU1和MTU2也可以组合成1个32位的定时器。MTU除了具备TPU的全部功能,还有用于驱动电机的6相互补PWM输出、增量编码器解析等功能。MTU由于功能繁多,按照伺服的需求,可以参考如下图的分配使用:


图5


如上图所示,MTU1和MTU2分别可以接一组增量编码器的AB相脉冲信号,也可以组合成一组32位的增量编码器接口。另外,MTU3和MTU4、MTU6和MTU7分别组合,可以实现6相互补的PWM输出功能(带死区控制),如下图6所示。MTU3.TGRA作为PWM波形的周期,MTU3.TCNT和MTU4.TCNT相差死区的设置值,MTU3.TGRB与MTU3.TCNT的比较输出用于U相正极的PWM,MTU3.TGRB与MTU4.TCNT的比较输出用于U相负极的PWM,如此类推,MTU4.TGRA和MTU4.TGRB分别用于输出V相和W相。而且MTU3和MTU4的比较寄存器都有缓存寄存器,可以设置在波峰或者波谷或同时平滑地更新PWM的Duty。


图6


值得注意的是,MTU5和MTU8都有ADC转换启动触发功能,而MTU4和MTU7则可以延时触发。


4)GPT
RZ/T1上有4个16位的GPT定时器。GPT除了没有双脉冲相位计数功能外,TPU的其他所有功能均具备。除此之外,GPT本身还具备一些特色功能,每个GPT有两个输入输出引脚,有独立的PWM周期定时器和自动死区寄存器,包括比较寄存器在内,他们都有双缓存寄存器。因此GPT可以输出多达8个独立的PWM或者4对同步的带自动死区的PWM(死区可以非对称)。


因此GPT也可以输出控制马达的6相互补的PWM,它的原理与MTU有点不同,如下图7所示。


图7


另外,GPT还可以为同步的多个定时器设置不同的相位差,因此还可以用于DC/DC或者PFC模块的PWM输出,如图8即为DC/DC的示例。


图8


上面只是对RZ/T1的定时器的功能和作用做了一个概要描述,以便使用户在理解和分配RZ/T1的定时器资源时起引导帮助作用。而且本文对定时器的功能描述较为粗略,具体怎么使用和设置寄存器,请参考《Renesas RZ/T1 MPU实时处理器数据手册》。


作者:陈绪典

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  • 小倾听 Lv7. 资深专家 2018-04-11
    学习
  • 三3三 Lv8. 研究员 2017-09-09
    写的好详细
  • 风一样的男子 Lv5. 技术专家 2017-07-27
    支持一下哈
  • 饮水者 Lv8. 研究员 2017-07-15
    写的挺实用
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