張壽春

（上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306）

在工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中，電動(dòng)執(zhí)行器能夠?qū)⒔邮盏目刂菩盘?hào)（4～20 mA電流信號(hào)或 1－5 V的電壓信號(hào)或1－10 V）轉(zhuǎn)換成輸出軸的角位移、直線(xiàn)位移從而控制閥門(mén)的位置[1]。傳統(tǒng)的電動(dòng)執(zhí)行器控制器是通過(guò)可控硅來(lái)驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)來(lái)，而由于交流電機(jī)本身的特點(diǎn)，制動(dòng)時(shí)的慣性較大而導(dǎo)致控制精度較差，同時(shí)要帶動(dòng)大力矩，電機(jī)本身的體積大，很難進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。隨著電子電路以及大規(guī)模集成電路的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，出現(xiàn)了各種高性能的電子器件和微處理器，同時(shí)近年來(lái)電機(jī)控制理論和稀土永磁材料的迅速發(fā)展使得無(wú)刷直流電機(jī)以其體積小，可靠性高，輸出轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)，使得直流無(wú)刷電機(jī)在許多領(lǐng)域內(nèi)獲得應(yīng)用[2]。

文中采用ARM核的LPC2132[3]和選用無(wú)刷直流電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)采用C8051F410[4]來(lái)高精度地采集信號(hào)。系統(tǒng)采用硬件濾波和數(shù)字濾波相結(jié)合的技術(shù)使輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的采集精度得到很大的提高，同時(shí)通過(guò)芯片LPC2132來(lái)控制無(wú)刷直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)，同時(shí)對(duì)執(zhí)行器的運(yùn)行位置進(jìn)行實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化定位。

1 系統(tǒng)工作原理

ARM（Advanced RISC Machine）是設(shè)計(jì)這種處理器內(nèi)核的公司的名字。ARM內(nèi)核不是芯片。它與其他部件，如RAM、ROM、片內(nèi)外設(shè)，組合在一起才構(gòu)成現(xiàn)實(shí)的芯片。ARM作為一類(lèi)微處理器的通稱(chēng)，作為一種低功耗、高性能的32位嵌入式微處理器，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中[5-6]。

文中選用的ARM芯片LPC2132是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16／32位ARMTTDMI-S CPU，帶有64 KB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。它有極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、2路10位ADC、PWM通道以及多達(dá)9個(gè)外部中斷和47個(gè)GPIO使它們廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、工業(yè)控制等領(lǐng)域[7]。

控制系統(tǒng)采用LPC2132芯片及數(shù)字化的方法來(lái)控制電動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)行。通過(guò)面板按鈕及液晶菜單，使得操作人員既可以在現(xiàn)場(chǎng)完成各種參數(shù)的設(shè)置。控制器可以預(yù)先設(shè)定閥門(mén)的回差、速度和行程等參數(shù)，接受C8051F410發(fā)送來(lái)的所采集的閥門(mén)開(kāi)度給定信號(hào)。

在閥門(mén)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，控制器實(shí)時(shí)比較設(shè)定信號(hào)與反饋信號(hào)，當(dāng)輸入與輸出在一定范圍內(nèi)時(shí)電機(jī)停止。由LPC2132及時(shí)采集霍爾的信號(hào)，通過(guò)測(cè)量霍爾的脈沖寬度來(lái)計(jì)算電機(jī)的速度，將采集的速度與設(shè)定的速度值進(jìn)行比較，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PWM的值，以達(dá)到控制速度的目的。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of system principle

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用雙MCU結(jié)構(gòu)，主要電路有二部分組成：一是直流無(wú)刷電機(jī)霍爾采集電路及驅(qū)動(dòng)電路；二是信號(hào)采集電路。利用C8051F410的ADC模塊把電位器的位置反饋信號(hào)和遠(yuǎn)程送來(lái)的控制信號(hào)（如4－20 MA）轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳輸給lpc2132主控制器，同時(shí)在雙處理器之間采用光電隔離電路增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。在本系統(tǒng)中位置檢測(cè)是位置控制的關(guān)鍵，它不僅能夠向控制器提供電機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)，而且能夠反映出電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。實(shí)際應(yīng)用中為達(dá)到更好的精度和避免干擾，只有上電初始化時(shí)采集位置信號(hào)，從而首先確定位置。將該位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)的當(dāng)前的計(jì)數(shù)脈沖數(shù)。電路如圖2和圖3所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路圖Fig.2 Circuit diagram of drive

圖3 信號(hào)采集電路圖Fig.3 Circuit diagram of collecting data

在圖2中，場(chǎng)效應(yīng)管IRF3205上管的驅(qū)動(dòng)電源采用電源變換模塊LM2575輸出5 V時(shí)，利用PWM原理產(chǎn)生39 V的高壓。用74HC14芯片來(lái)采集霍爾信號(hào)，三個(gè)信號(hào)連接LPC2132 的 P0.27，P0.28，P0.29 口，P0.27 引腳設(shè)置第二功能捕獲，當(dāng)來(lái)一個(gè)脈沖時(shí)產(chǎn)生中斷，在二個(gè)中斷之間進(jìn)行計(jì)數(shù)。通過(guò)計(jì)算定時(shí)值可以獲得電機(jī)的速度。設(shè)計(jì)中取C8015F410的P2.5口測(cè)量輸入信號(hào)，用P0.26口測(cè)量反饋電位器的電壓值。測(cè)量電路須盡可能靠近C8051F410的I/O口，可以減少干擾。通過(guò)串口獲得LPC2132發(fā)送來(lái)的反饋輸出百分比，使用C8051F410的PWM引腳通過(guò)光耦控制反饋輸出4～20 MA。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主處理器LPC2132的軟件設(shè)計(jì)主要有：串口處理程序，按鍵和液晶菜單顯示程序，電機(jī)驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)程序，速度計(jì)算程序等。在電機(jī)運(yùn)動(dòng)中根據(jù)霍爾傳感器的6個(gè)狀態(tài)的不同進(jìn)行計(jì)數(shù)值的加減。假設(shè)零位和滿(mǎn)度之間電機(jī)需要走3 000個(gè)脈沖，那么上電時(shí)通過(guò)采集電位器的值換算成相應(yīng)的脈沖數(shù)（如行程的50%，現(xiàn)在位置的數(shù)是1 500）。如果給定信號(hào)百分比是100，那么電機(jī)需向上走1 500個(gè)脈沖。以下的代碼主要實(shí)現(xiàn)速度的計(jì)算。選用6槽電機(jī)，每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)2。通過(guò)T0定時(shí)器的捕獲功能，獲得一個(gè)脈沖的脈寬，從而計(jì)算出電機(jī)的實(shí)時(shí)速度。系統(tǒng)將設(shè)定的速度（存在變量set_sd中）與測(cè)量的速度（存在變量sdd_da中）進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速。

系統(tǒng)的另一個(gè)微處理器C8051F410的軟件設(shè)計(jì)主要有串口處理程序，AD測(cè)量程序等。下面的代碼主要是測(cè)量程序，初始化時(shí)選定二個(gè)AD通道，輪流切換進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果放在FeedBack和Input變量中。為了減少工頻干擾，1 ms測(cè)量16次，測(cè)量80 ms，將采集的進(jìn)行數(shù)據(jù)均值濾波處理得到測(cè)量值。通過(guò)串口發(fā)送給主處理器。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)時(shí)執(zhí)行器電位器選用1K歐姆精度為5‰，直流電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分。 用信號(hào)源輸入4MA；8MA；12MA；16MA；20 MA，分別對(duì)應(yīng)百分比如表1。液晶實(shí)時(shí)顯示電機(jī)的位置。首先設(shè)定行程，即電機(jī)從關(guān)位到滿(mǎn)度的運(yùn)動(dòng)區(qū)間（直行程5 cm）。

表1 輸入輸出誤差比較Tab.1 Input and output error comparison

通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于電位器的精度和線(xiàn)性度的影響，控制系統(tǒng)所采集的位置并不是很準(zhǔn)，目前一般廠家考慮到成本不采用高品質(zhì)的電位器。采用霍爾計(jì)數(shù)的方式，由于電機(jī)轉(zhuǎn)一圈發(fā)出6個(gè)脈沖，可以將電機(jī)運(yùn)動(dòng)誤差控制在不超過(guò)1個(gè)脈沖。對(duì)于100 cm的長(zhǎng)行程來(lái)說(shuō)，由于電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，計(jì)數(shù)脈沖多，那么精度更高。為了保證在短行程應(yīng)用中也能高精度控制，可采用改變機(jī)械齒輪的變比，以使行程的脈沖數(shù)不少于一定值。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于現(xiàn)場(chǎng)干擾源多，采用上電采集位置信息轉(zhuǎn)換為電機(jī)脈沖數(shù)來(lái)判斷電機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置方法，提高了系統(tǒng)的精度，系統(tǒng)抗干擾能力也使得到提高，避免電機(jī)在運(yùn)動(dòng)中由于電位器的故障導(dǎo)致誤動(dòng)作。在對(duì)給定信號(hào)采集中采用模擬濾波與數(shù)字濾波相結(jié)合的方法，同時(shí)通過(guò)光電隔離的串口傳輸使主控微處理器與數(shù)據(jù)采集模塊相隔離，減少了相互影響。通過(guò)電子限位以及ARM核異常處理來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)本身的自診斷和處理，增加了系統(tǒng)本身的可靠性。文中所設(shè)計(jì)的電動(dòng)執(zhí)行器雙核控制系統(tǒng)，已投入使用，到目前為止工作可靠，性能穩(wěn)定。系統(tǒng)在對(duì)甚高頻的電磁干擾，以及電位器長(zhǎng)時(shí)間使用中的誤差最優(yōu)處理等仍然有不足，可以進(jìn)一步研究以達(dá)到最佳效果。

[1]慈兆會(huì)，孔令成，方穎，等.基于TMS320F2812的智能電動(dòng)執(zhí)行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2010，10（29）:55-57.

CI Zhao-hui，KONG Ling-cheng，F(xiàn)ANG Ying，et al.Control system of intelligent electric actuator based on TMS320F2812 [J].Measurement& Control Technology，2010，10（29）:55-57.

[2]楊蘋(píng)，胡郴龍，姜華.基于可變參數(shù)PI控制的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2010，3（26）:11-13.

YANG Ping，HU Chen-long，JIANG Hua.Brushless DC motor speed adjustment system based on PI control with variable parameter[J].Microcomputer&Information，2010，3（26）:11-13.

[3]PhilipsSemiconductors.LPC2132 Productdata[EB/OL].[2009-11-07].http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/99073/PHILIPS/LPC2132.html.

[4]Silicon laboratories.C8051F410/1/2/3[EB/OL].[2010-10-02].http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/C8051F410.html.

[5]周立功.ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[6]周立功，張華等.深入淺出ARM7——LPC213x/LPC214x（下冊(cè)）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[7]周立功，張華等.深入淺出ARM7——LPC213x/LPC214x（上冊(cè)）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.