羅穎 ，張維存 ，劉立

(1.北京科技大學(xué) 自動化學(xué)院，北京100083；2.北京科技大學(xué) 機械工程學(xué)院)

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DSP和ARM的音圈電機伺服控制系統(tǒng)設(shè)計*

羅穎1，張維存1，劉立2

(1.北京科技大學(xué) 自動化學(xué)院，北京100083；2.北京科技大學(xué) 機械工程學(xué)院)

給出了一種基于數(shù)字信號處理器DSP和嵌入式ARM微處理器的雙核架構(gòu)，采用典型的直流PWM功率驅(qū)動電路，構(gòu)成數(shù)字化的音圈電機伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。DSP主要完成系統(tǒng)初始化、位置環(huán)算法計算等；ARM主要完成PWM波產(chǎn)生、A/D采集、以太網(wǎng)通信、與DSP之間的數(shù)據(jù)交換等。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計要求。

DSP；ARM；音圈電機；伺服控制

引 言

自從1966年美國首次將音圈電機[1](Voice Coil Motor,VCM)用于磁盤機之后，音圈電機便開始進(jìn)入相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域。國內(nèi)從20世紀(jì)70年代起，也逐步開始研究音圈直線電機在某些領(lǐng)域的應(yīng)用，音圈電機的驅(qū)動控制器從傳統(tǒng)的模擬控制器[2-3]逐步向數(shù)字控制器發(fā)展。現(xiàn)在電機數(shù)字控制器廣泛采用數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor，DSP)，并合一些外圍電路來完成電機控制。根據(jù)應(yīng)用場合和要求的不同，出現(xiàn)了一些新的數(shù)字控制器設(shè)計思想。參考文獻(xiàn)[4]給出了一種基于DSP和FPGA的音圈電機數(shù)字控制器設(shè)計方法，用于驅(qū)動電液伺服閥；參考文獻(xiàn)[5]給出一種基于FPGA的音圈電機驅(qū)動器設(shè)計方法，用于擺臂干涉儀中。

為滿足項目在控制性能和通信方式等方面的要求，提出了一種基于浮點DSP和ARM的音圈電機雙核驅(qū)動控制器硬件結(jié)構(gòu)，用于實現(xiàn)激光定位和掃描用音圈電機的位置伺服控制。根據(jù)DSP和ARM的特點，對其進(jìn)行功能劃分和詳細(xì)的設(shè)計。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

驅(qū)動控制器采用DSP+ARM的結(jié)構(gòu)，與信號采集電路和功率驅(qū)動電路配合共同完成音圈電機的驅(qū)動控制。選用TI公司的32位浮點型DSP TMS320F28335作為主處理器，最高工作頻率為150 MHz；選用ST公司的32位互聯(lián)型產(chǎn)品ARM核STM32F107作為協(xié)處理器，最高工作頻率為72 MHz。選用高性能的集成H橋芯片LMD182000，結(jié)合其外圍電路構(gòu)成功率驅(qū)動電路部分。選用集成芯片，一方面可以簡化電路的設(shè)計；另一方面還可以提高電路設(shè)計的可靠性。位置信號檢測選用光耀博晨公司的20位絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器BCE105AK25M，分辨率為7.5角秒。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的要求以及DSP和ARM各自的特點，為了充分利用其資源，對系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的功能劃分和模塊化設(shè)計。

2.1 系統(tǒng)功能劃分

本課題來源于“地下金屬礦設(shè)備精確定位與智能導(dǎo)航”項目，擬通過二維激光定位和導(dǎo)航基站對地下金屬礦設(shè)備進(jìn)行精確定位和導(dǎo)航，音圈電機用于二維基站俯仰方向激光的定位和掃描。系統(tǒng)除了要完成音圈電機的驅(qū)動控制，還需要完成水平方向電機的位置環(huán)控制算法，并與地下金屬礦設(shè)備(以下簡稱上位機)之間進(jìn)行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換。課題中，音圈電機的型號為VARS0022-032-00A，主要參數(shù)如下：總行程為32°，最大輸出轉(zhuǎn)矩為0.22 N·m，最大電流為1.4 A，最大電壓為15.5 V。

TMS320F28335是32位浮點型數(shù)字處理器，指令周期約為6.67 ns，適合復(fù)雜高速的計算。STM32F107是意法半導(dǎo)體的互聯(lián)型系列微控制器產(chǎn)品，集成了很多高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口。其中，包括兩個12位A/D(模數(shù))轉(zhuǎn)換器、1個以太網(wǎng)10/100 Mbps MAC模塊 、3個SPI接口。系統(tǒng)中DSP主要完成系統(tǒng)初始化、位置控制算法，ARM主要完成PWM波產(chǎn)生、A/D采集控制、電流環(huán)計算、以太網(wǎng)通信、電機限位和過流保護(hù)，以及DSP之間的數(shù)據(jù)交換等。從DSP的角度，ARM可以看做是其協(xié)處理器。系統(tǒng)控制功能劃分圖如圖2所示。

圖2 控制功能劃分圖

2.2 ARM功能設(shè)計

根據(jù)2.1節(jié)中的功能劃分，來介紹ARM部分功能模塊的設(shè)計。

2.2.1 PWM模塊設(shè)計

STM320F107[6]具有一個16位的可產(chǎn)生電機控制PWM波的定時器，能設(shè)置死區(qū)時間，同時還能進(jìn)行急停處理，因此采用STM320F107定時器模塊的增減計數(shù)器、比較寄存器和比較器來實現(xiàn)PWM波的產(chǎn)生。為了防止功率驅(qū)動電路中上下管直通造成電源短路，可以通過配置定時器模塊的死區(qū)寄存器，在PWM信號中加入死區(qū)，使同相的上下橋臂驅(qū)動信號錯開一個死區(qū)時間，防止功率器件短路。PWM模塊與LMD182000功率驅(qū)動電路配合使用，即可完成音圈電機的驅(qū)動。功率驅(qū)動芯片LMD182000只需要來自ARM的3個信號驅(qū)動控制信號，分別是PWM信號、方向信號、剎車信號。

2.2.2 通信接口模塊設(shè)計

串行外設(shè)接口[7](SPI)是TMS320F28335中一個高速同步的串行輸入/輸出接口，允許可編程位長的串行位流以可編程的位傳輸率移入或移出設(shè)備。DSP和ARM之間采用SPI進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，連接方式如圖3所示。

圖3 通信接口模塊圖

SPI可以工作于主控制器模式，也可以工作于從控制器模式，工作模式?jīng)Q定了SPICLK信號的來源。系統(tǒng)中設(shè)計DSP為主控制器，控制SPICLK(時鐘)信號引腳，為整個串行通信網(wǎng)絡(luò)提供串行時鐘，可以在任何時刻啟動數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)將從SPISIMO(從控制器輸入，主控制器輸出)引腳輸出，并鎖存SPISOMI(主控制器輸入，從控制器輸出)引腳輸入的數(shù)據(jù)。而SPISTE引腳作為從SPI控制器的片選控制信號，主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)給從控制器之前將SPISTE引腳置為低電平，待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后再將SPISTE引腳置為高電平。為實現(xiàn)系統(tǒng)與其他數(shù)字設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和交換，還設(shè)計了CAN、100 Mbps以太網(wǎng)接口等。

2.2.3 電機限位和過流保護(hù)

考慮到系統(tǒng)運行安全，需要對系統(tǒng)進(jìn)行限位和過流保護(hù)設(shè)計，本設(shè)計通過軟件監(jiān)控來實現(xiàn)保護(hù)。過流保護(hù)，即把每次采樣的電流和允許的最大電流值進(jìn)行比較，當(dāng)采樣值大于最大電流值時，對功率電路進(jìn)行管理。有兩種處理方法：其一，直接封鎖PWM信號，關(guān)斷功率電路的各功率管，并給出過流指示；其二，功率驅(qū)動芯片LMD182000自帶剎車功能，只需通過ARM使能LMD182000的剎車引腳，便可使功率管處于關(guān)斷狀態(tài)，然后給出過流指示。限位保護(hù)，即把每次采集到的實時值和目標(biāo)指令值分別與設(shè)定極限值比較，若實時位置超出設(shè)定極限值，且目標(biāo)指令值在極限值之內(nèi)，則利用位置環(huán)使其跟隨目標(biāo)值。若目標(biāo)指令值超出設(shè)定極限值，則把極限值設(shè)為新的目標(biāo)指令值。

2.3 DSP軟件設(shè)計

按照系統(tǒng)的功能劃分，主要的控制和通信功能已由ARM來完成，DSP主要完成系統(tǒng)初始化、通信、位置控制算法。DSP的軟件設(shè)計遵循自上而下的思路，按功能劃分了軟件模塊。DSP程序包括：主程序、系統(tǒng)初始化子程序、定時器T0中斷服務(wù)程序等。

2.3.1 DSP主程序

圖4 主程序流程圖

DSP主程序主要完成系統(tǒng)的初始化、定時器中斷配置、啟動定時器、等待定時器中斷。系統(tǒng)初始化包括時鐘初始化、外設(shè)初始化、中斷服務(wù)程序初始化等。當(dāng)定時器中斷產(chǎn)生時，程序轉(zhuǎn)向執(zhí)行中斷，完成位置控制算法。定時器時間即位置控制算法的調(diào)節(jié)周期，根據(jù)實時位置的采樣周期來確定。定時器時間若設(shè)置過短，頻繁的調(diào)節(jié)會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定；若過長，則無法達(dá)到好的調(diào)節(jié)效果，本實驗中定時器時間選擇為采樣周期的4倍。主程序流程圖如圖4所示。

2.3.2 定時器T0中斷程序

定時器T0中斷程序主要完成位置環(huán)的計算。根據(jù)課題中音圈電機系統(tǒng)的特點，位置環(huán)采用積分分離式比例和積分(PI)控制算法[8-10]，為減小累計誤差對系統(tǒng)的影響，采用增量式PI控制。

位置調(diào)節(jié)器的輸出可表示為：

ΔPn=Pn-Pn-1=KP(en-en-1)+βKIen

當(dāng)電機的實際位置與給定期望位置的誤差小于一定值時，再恢復(fù)積分校正環(huán)節(jié)，以便消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，保證伺服電機位置控制的精度。

3 實驗結(jié)果

DSP+ARM雙核控制器硬件電路經(jīng)過測試可用，并在控制器上實現(xiàn)了相關(guān)控制算法，驗證了算法的可行性,系統(tǒng)響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)精度高。據(jù)統(tǒng)計，穩(wěn)態(tài)精度能達(dá)到30 s。圖5為階躍響應(yīng)實驗曲線。圖6表明，系統(tǒng)受到外界干擾后能迅速恢復(fù)到原平衡位置，抗干擾能力強。

圖5 階躍響應(yīng)實驗曲線

圖6 外加擾動實驗曲線

結(jié) 語

[1] 興連國,周惠興,候書林,等.音圈電機研究及應(yīng)用綜述[J].微電機,2011, 44(8): 82-87.

[2] Lin J S,Chen C L. Buck/boost Servo Amplifier for Direct-drive-valve Actuation[J]. IEEE Trans Aero and Electron Sys, 1995, 31(3): 960-967.

[3] Oboe R, Antonello R, Capreti'a P. Realization of an Adaptive Voltage Driver for Voice Coil Motor[J]. Microsystem Technologies, 2005,11(8): 663-675．

[4] 王大彧，郭宏.采用DSP和FPGA直驅(qū)閥用音圈電機驅(qū)動控制系統(tǒng)[J].電機與控制學(xué)報，2011,15(4):8-12.

[5] 周麗莞,周永鵬.基于FPGA的擺臂伺服控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2013,39(11):78-82.

[6] 沈建良,賈玉坤,周芬芬.STM32F10X系列ARM微控制器入門與提高[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2013.

[7] 劉陵順,高艷麗,張樹團,等.TMS320F28335 DSP原理及開發(fā)編程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

[8] 周保,張安年,余成林,等.基于復(fù)合控制的位置伺服系統(tǒng)控制方案[J].電機與控制應(yīng)用,2008,35(3):22-28.

[9] Shen Jingchung, Jywe Wenyue, Lu Qunzhong, et al. Control of a High Precision Positioning Stage[C]. IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, 2011: 932-934.

[10] Kazuya Sato, Hideki Honda, Aki Hayakawa, et al. Adaptive PI Control Method for Positioning Control using Linear Slider Feed-forward Control Approach[C]//Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Control Applications, 2002: 588-592.

羅穎(研究生)，研究方向為直流無刷電機的驅(qū)動及控制；張維存(副教授)，研究方向為自適應(yīng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、收斂性分析及設(shè)計方法；劉立(教授)，研究方向為設(shè)備故障診斷、汽車電子及自動化。

Voice Coil Motor Servo Control System Based on DSP and ARM

Luo Ying1,Zhang Weicun1, Liu Li2

(1.School of Automation and Electrical Engineering,University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2.School of Mechanical and Engineering, University of Science and Technology Beijing)

The paper designs a digital voice coil motor control system,which is based on DSP and ARM,combining with the typical PWM direct current power drive circuit.In the system,DSP is mainly used for system initialization and position loop algorithm calculating,ARM is used for generating PWM signal, A/D sampling, ethernet communication, and switching data with DSP.At last,experimental results show that the system can meet the requirements of the design.

DSP;ARM;voice coil motor;servo control

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)(2011AA060408)。

TP368.1

A

士然

2014-08-04)