王延年，熊偉，王橋

（西安工程大學 電子信息學院，西安710048）

引 言

伺服控制系統(tǒng)大部分都采用傳統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，控制算法比較固定，而且也無法實現(xiàn)不同工況下的高性能控制算法，難以滿足現(xiàn)代工業(yè)的需求[1-4]?，F(xiàn)階段迫切需要研制一種智能型、具有高可靠性、控制性能更加優(yōu)秀的電液伺服系統(tǒng)。基于DSP與STM32的智能型伺服控制器具有軟硬件結(jié)合程度更加緊密、系統(tǒng)的智能化程度更高、可實現(xiàn)多種控制策略的優(yōu)勢。本系統(tǒng)從實際的需求出發(fā)，結(jié)合精確數(shù)字PID控制算法和Fuzzy控制算法自身的優(yōu)勢，組合成Fuzzy-PID控制算法，根據(jù)偏差的大小范圍選擇合適的控制算法進行調(diào)節(jié)。

本設(shè)計將兩款工控芯片——TI公司的浮點型DSP TMS320F28335和ST公司的ARM7升級版STM32 F103RET6引入智能電液伺服系統(tǒng)，設(shè)計了基于DSP與STM32的智能型伺服控制器，使電液控制技術(shù)進一步朝向數(shù)字化、集成化、智能化、輕量化、高精度、高可靠性、節(jié)能降耗的方向持續(xù)發(fā)展。

1 硬件設(shè)計

1.1 硬件總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)硬件主要由STM32F103RET6和TMS320F28335兩部分組成。STM32F103RET6主要控制外圍電路，包括輸入信號調(diào)理模塊、輸出信號調(diào)理模塊、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、硬件自檢測電路模塊、觸摸屏控制模塊、故障報警模塊；DSP芯片TMS320F28335主要完成算法的計算與以太網(wǎng)通信，包括外擴SRAM模塊、DM9000A以太網(wǎng)通信模塊、EEPROM存儲模塊。兩者通過SPI進行數(shù)據(jù)通信，包括各種參數(shù)、控制輸出量等。顯示模塊采用5.7寸電阻式觸摸屏，用于顯示各部分的工作狀態(tài)及運行情況，完成控制器各種參數(shù)的在線設(shè)定等人機交互。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 I/U變換電路

由于指令輸入信號和反饋信號都是4～20 m A直流信號，所以需要將其轉(zhuǎn)換成STM32F103RET6的A/D轉(zhuǎn)換器可接受的0～3 V直流電壓信號。圖2為I/U變換電路。

電阻R25輸入一個“-2.5 V”參考電壓，由“虛斷”可知，經(jīng)過R25和R26電阻分壓后，在“1”點的電壓為：

圖1 系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2 I/U變換電路設(shè)計

所以U1＝-0.1 V。由“虛短”可知，“2”點的電壓U2＝U1＝ -0.1 V，所以當4～20 m A電流信號輸入后，“3”點的電壓 U3＝I×（R14＋R16）-0.1，即 U3＝0.025×I-0.1。當I＝4 m A時，U3＝0 V；當I＝20 m A時，U3＝0.4 V，這樣就完成了4～20 m A到0～0.4 V的電流/電壓轉(zhuǎn)換。后級運放為同相比例運算放大器，放大倍數(shù)：

所以輸出電壓公式為UO＝7.5×U3。當輸入為4 mA時，UO＝0 V；當輸入為20 mA時，UO＝7.5×0.4＝3 V。經(jīng)過兩級運放，完成了從4～20 mA電流信號向0～3 V電壓信號的轉(zhuǎn)換。

1.3 U/I變換電路

STM32F103RET6的D/A轉(zhuǎn)換輸出為0～3 V的直流電壓信號，要想驅(qū)動伺服閥，必須通過U/I變換，轉(zhuǎn)變成4～20 m A直流電流信號，如圖3所示。

由圖3可知，I0≈I3由“虛斷”和“虛短”可知：

由I2＝I1，可得：

計算可得：

其中，0≤V1≤3V，由于電阻阻值有誤差，為了保證電路能從0～3 V轉(zhuǎn)換為4～20 m A，特意將電阻R44設(shè)置為200Ω的滑動變阻器，用以彌補電阻阻值誤差帶來的影響。

2 軟件設(shè)計

2.1 STM32主程序設(shè)計

待系統(tǒng)上電初始化完成后，首先執(zhí)行故障自診斷程序，當STM32F103RET6（以下簡稱STM32）無故障且外圍硬件電路無故障時，啟動STM32內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器，對指令信號（或本地給定信號）與反饋信號進行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將采集的數(shù)據(jù)通過SPI通信傳給DSP進行運算。DSP再將計算結(jié)果通過SPI傳給STM32，STM32經(jīng)過內(nèi)部的D/A變換輸出模擬量來控制電液伺服閥，并可以通過觸摸屏查詢各種參數(shù)、輸出控制量的曲線圖，判斷計算偏差的大小。若偏差為0，則退出程序；反之，則繼續(xù)執(zhí)行以上過程，直至偏差為0。系統(tǒng)工作的流程如圖4所示。

圖3 U/I變換電路設(shè)計

圖4 STM32主程序流程圖

控制器的軟件設(shè)計采用模塊化編程方案，軟件由STM32部分和DSP部分組成，STM32部分包括了系統(tǒng)初始化子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、D/A轉(zhuǎn)換子程序、系統(tǒng)自檢報警子程序、SPI通信子程序。DSP部分包括控制算法子程序、以太網(wǎng)通信子程序、EEPROM存儲子程序、SPI數(shù)據(jù)通信子程序、系統(tǒng)初始化設(shè)置子程序。

表1 伺服控制器瞬時測試結(jié)果

2.2 DSP主程序設(shè)計

DSP部分的主程序主要的功能是：與STM32進行SPI通信，將STM32采集的數(shù)據(jù)通過控制算法計算出控制輸出量和以太網(wǎng)通信。在主函數(shù)中，首先禁用DSP內(nèi)部看門狗，初始化DSP時鐘；其次，初始化DSP各個內(nèi)部模塊，然后禁用全局中斷，初始化中斷向量表，根據(jù)需求對中斷進行配置；待所有初始化完成后再打開全局中斷，最后程序進入無限循環(huán)等待SPI和以太網(wǎng)中斷。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)設(shè)計了參數(shù)在線設(shè)定、故障自檢測等功能，在系統(tǒng)整體的測試過程中，液晶顯示出故障的部分。經(jīng)過各項測試，測試結(jié)果表明該控制器運行可靠，具備良好的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)品質(zhì)，能夠獲得精密且實時的控制效果。表1為伺服控制器瞬時測試結(jié)果。

其測試條件為：本地控制工作模式下，輸入信號均為4～20 m A，且伺服閥為正作用，位置反饋為正作用。根據(jù)伺服閥電流的變化趨勢來確認控制算法是否正確，在整個測試過程中，當指令信號小于反饋信號時，伺服閥電流呈現(xiàn)減小變化的趨勢；當指令信號大于反饋信號時，伺服閥電流呈現(xiàn)增大變化的趨勢。根據(jù)變化趨勢得出控制算法符合實際的調(diào)節(jié)規(guī)律。本伺服控制器的線性擬合度可達到0.078%，能完全滿足線性擬合度優(yōu)于0.1%的要求，完全達到了預(yù)期設(shè)定的目標。

結(jié) 語

本課題根據(jù)電液伺服控制系統(tǒng)的性能要求，研制了一款采用32位浮點DSP芯片TMS320F28335和Cortex-M3為內(nèi)核的ARM芯片STM32F103RET6為控制核心的智能伺服控制器，并且通過系統(tǒng)測試證明了本控制器的穩(wěn)定性、可靠性及實用性。

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