黃　鵬，杜克奎，榮　鋒，魯　勇（天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津　300387）

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基于自適應(yīng)SENT協(xié)議的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃鵬，杜克奎，榮鋒，魯勇
（天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津300387）

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)電機(jī)的模擬信號(hào)輸出和PWM信號(hào)輸出分辨率不高、抗電磁干擾能力差的問(wèn)題，開發(fā)了一套電機(jī)控制系統(tǒng).該系統(tǒng)兼容模擬信號(hào)輸出和多種SENT協(xié)議的信號(hào)解析方式，以32位的STM32F103VCT6單片機(jī)為核心處理器，接收三軸霍爾傳感器的角度信息，并根據(jù)上位機(jī)下發(fā)的目標(biāo)角度對(duì)電機(jī)進(jìn)行PID閉環(huán)驅(qū)動(dòng).經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)地控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)位置，能夠?qū)崿F(xiàn)多種協(xié)議的兼容.在SENT協(xié)議模式下，電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度誤差均在0.12%以內(nèi)，誤差低于傳統(tǒng)的模擬信號(hào)輸出方式.

關(guān)鍵詞：STM32F103VCT6；自適應(yīng)SENT協(xié)議；電機(jī)控制系統(tǒng)；三軸霍爾傳感器

電動(dòng)機(jī)是發(fā)明和使用最早的電機(jī)之一，可以實(shí)現(xiàn)平滑而經(jīng)濟(jì)地調(diào)速，不需要其他設(shè)備配合，只要改變輸入或勵(lì)磁電壓電流就可實(shí)現(xiàn)調(diào)速，故在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中得到廣泛應(yīng)用[1].

相比于傳統(tǒng)的電機(jī)控制系統(tǒng)，基于三軸霍爾位置傳感器的精確電機(jī)控制系統(tǒng)在一些要求比較高的電機(jī)控制領(lǐng)域逐步得到了應(yīng)用[2].但是一般是基于模擬和PWM的輸出方式.這2種信號(hào)輸出方式抗電磁干擾能力弱，精度不夠高，成本較高.美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）于2008年制定了SENT 2008（SAE J2716-2008）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，2010年又制定了新的SENT 2010（SAE J2716-2010）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，旨在于提供更精確有效并且低成本的電機(jī)控制解決方案. SENT為汽車傳感器新型接口標(biāo)準(zhǔn).相比于模擬信號(hào)輸出和PWM輸出方式，基于SENT協(xié)議的電機(jī)控制是一種可以有效降低成本、節(jié)省線束、節(jié)省插針結(jié)頭的低成本方案，具有很好的EMC特性，并且能傳輸故障代碼從而使傳感器系統(tǒng)具有很強(qiáng)的故障診斷能力.它有助于取代傳感器和微控制器之間的模擬信號(hào)傳輸.本文正是采用了基于這種協(xié)議的電機(jī)系統(tǒng)控制方式，并設(shè)計(jì)了整套的電機(jī)控制系統(tǒng).

本文中用到的霍爾位置傳感器為MLX90324和MLX90367，它們是CMOS Triaxis霍爾傳感器，給出了一個(gè)平行于芯片表面磁場(chǎng)的角位置，是專為非接觸式旋轉(zhuǎn)位置傳感器設(shè)計(jì)的. CMOS Triaxis霍爾傳感器檢測(cè)出定位和轉(zhuǎn)動(dòng)在設(shè)備表面上的一塊小磁鐵的絕對(duì)角位置. MLX90324既能支持模擬輸出，也支持2008版協(xié)議的SENT信號(hào)輸出，而MLX90367只支持2010版協(xié)議的SENT信號(hào)輸出.對(duì)于一個(gè)未知信號(hào)輸出的電機(jī)模塊，MCU如何去自適應(yīng)它將是今后面臨的一個(gè)問(wèn)題.本文將討論這3種信號(hào)輸出方式以及解析方法，并設(shè)計(jì)一套自適應(yīng)SENT協(xié)議的電機(jī)控制系統(tǒng).

1　SENT2008　和SENT2010　協(xié)議分析

SENT協(xié)議的全稱為單邊半字節(jié)傳輸（single edge nibble transmisson）協(xié)議，是一種單線異步串行通信協(xié)議，是一種類PWM的信號(hào)輸出方式. 2008版協(xié)議一幀數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度包含8個(gè)Nibble和1個(gè)校驗(yàn)位（1個(gè)Nibble由4個(gè)Bit組成，Nibble值的范圍是0～15，由12～27個(gè)Tick表示，1個(gè)Tick的范圍是3～10 μs，一般是3 μs左右），如圖1所示.

圖1　Nibble值為0Fig.1 Nibble value is zero

圖1中內(nèi)容分別如下：

Nibble 0：56個(gè)Tick的同步校驗(yàn)位

Nibble 1：狀態(tài)位（判斷芯片是否工作正常）

Nibble 2：角度的高4個(gè)Bit

Nibble 3：角度的中間4個(gè)Bit

Nibble 4：角度的低4個(gè)Bit

Nibble 5：滾動(dòng)計(jì)數(shù)器的高4個(gè)Bit（用來(lái)判斷芯片是否在正常工作）

Nibble 6：滾動(dòng)計(jì)數(shù)器的低4個(gè)Bit

Nibble 7：Nibble 2的反轉(zhuǎn)

Nibble 8：CheckSum位

2010版的SENT報(bào)文包含8個(gè)Nibble，1個(gè)校驗(yàn)位以及1個(gè)可變暫停位，如圖2所示.

圖2　Nibble值為15Fig.2 Nibble value is fifteen

圖2中內(nèi)容分別如下：

Nibble 0：56個(gè)Tick的同步校驗(yàn)位

Nibble 1：狀態(tài)位（判斷芯片是否工作正常）

Nibble 2：角度的高4個(gè)Bit

Nibble 3：角度的中間4個(gè)Bit

Nibble 4：角度的低4個(gè)Bit

Nibble 5：滾動(dòng)計(jì)數(shù)器的高4個(gè)Bit（用來(lái)判斷芯片是否在正常工作）

Nibble 6：滾動(dòng)計(jì)數(shù)器的低4個(gè)Bit

Nibble 7：Nibble 2的反轉(zhuǎn)

Nibble 8：CheckSum位

Nibble 9：可變暫停位（12～768個(gè)Tick）

SENT是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單方向從傳感器到控制端的協(xié)議，每一個(gè)Nibble數(shù)據(jù)被編碼成PWM方式.先輸出5個(gè)Tick的低電平，然后輸出7+n（n的范圍是0～15）個(gè)Tick的高電平.傳感器信號(hào)以一串方波來(lái)傳送，方波下降沿之間時(shí)間的長(zhǎng)短表示信號(hào)的大小.傳感器上電后會(huì)立即發(fā)送數(shù)據(jù)，接收機(jī)不需要任何同步校驗(yàn)信號(hào).設(shè)計(jì)這種協(xié)議的目的是用在與汽車ECU快速交互信息的傳感器上，以此來(lái)取代低精確度的12 bit AD 和PWM.

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以意法半導(dǎo)體公司的STM32F103VCT6為控制核心.驅(qū)動(dòng)器使用的是飛思卡爾的MC33886.控制器與上位機(jī)之間通過(guò)CAN-232轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行通信.如圖3所示.圖3中，上位機(jī)通過(guò)CAN-232模塊向MCU發(fā)送目標(biāo)角度命令，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置，電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中磁鐵與霍爾傳感器的相對(duì)位置發(fā)生變化，MCU可檢測(cè)到電機(jī)當(dāng)前角度. MCU實(shí)時(shí)的將當(dāng)前角度和目標(biāo)角度兩個(gè)參數(shù)送入PID算法中計(jì)算出一個(gè)控制量PWM_OUT.這樣就組成了一個(gè)帶閉環(huán)PID算法的電機(jī)控制系統(tǒng).

圖3　系統(tǒng)整體框圖Fig.3 Overall block diagram of system

2.1硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)了基于MLX90324和MLX90367 的3組電機(jī)信號(hào)輸出電路.信號(hào)處理單元采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn). STM32F103VCT6是ARM公司的STM32增強(qiáng)型系列，內(nèi)部使用32位的Cortex-M3內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高達(dá)128 kB的閃存和20 kB的SRAM，所有型號(hào)的器件均包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN.工作溫度范圍為-40～105℃，供電電壓為2.0～3.6 V.該內(nèi)核是專門設(shè)計(jì)用于滿足集高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用、具有競(jìng)爭(zhēng)性價(jià)格于一體的嵌入式領(lǐng)域的要求[3-4].

2.1.1傳感器設(shè)計(jì)

位置傳感器采用的是Melexis公司的MLX90324 和MLX90367，MLX90324和MLX90367的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）絕對(duì)旋轉(zhuǎn)位置傳感器IC；

（2）Trixis霍爾技術(shù)-非接觸式；

（3）完整的360°角或有限角度的應(yīng)用；

（4）-40～150℃環(huán)境溫度范圍.

3組電機(jī)控制系統(tǒng)如圖4—圖6所示.

圖4　MLX90324模擬信號(hào)輸出Fig.4 MLX90324 analog output

圖5　MLX90324 SENT信號(hào)輸出Fig.5 MLX90324 SENT output

圖6　MLX90367 SENT信號(hào)輸出Fig.6 MLX90367 SENT output

2.1.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用飛思卡爾公司的5 A集成H橋芯片MC33886. MC33886芯片內(nèi)置了控制邏輯、電荷泵、門驅(qū)動(dòng)電路以及低導(dǎo)通電阻的MOSFET輸出電路，適合用來(lái)控制感性直流負(fù)載，可以提供連續(xù)的5 A電流，并且集成了過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、欠壓保護(hù).通過(guò)控制MC33886的四根輸入線可以方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、能耗制動(dòng)及反接制動(dòng).使用2片MC33886并聯(lián)，一方面減小導(dǎo)通電阻對(duì)電機(jī)特性的影響，另一方面減小MC33886內(nèi)部的過(guò)流保護(hù)電路對(duì)電機(jī)啟動(dòng)及制動(dòng)時(shí)的影響[5-6]，如圖7所示.

圖7　MC33886電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig.7 MC33886 motor drive circuit

2.1.3 CAN收發(fā)模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的CAN總線驅(qū)動(dòng)器是由Philips公司生產(chǎn)的TJA1040，該器件設(shè)計(jì)的目的是用以替代82C250的高速CAN總線驅(qū)動(dòng)器. TJA1040提供了CAN控制器與物理總線之間的接口以及對(duì)CAN總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能，同時(shí)還具有極低功耗的待機(jī)模式，以及通過(guò)總線喚醒能力.當(dāng)TJA1040斷電時(shí)，總線反向電流為零，這樣，沒(méi)有接通電源的節(jié)點(diǎn)不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)其他部分造成影響[7-12]，實(shí)際上它們此刻是不可見的.這種特性使得TJA1040非常適用于局部網(wǎng)絡(luò)中的供電與點(diǎn)火開關(guān)相連的節(jié)點(diǎn).設(shè)計(jì)電路如圖8所示.

圖8　CAN總線接口設(shè)計(jì)Fig.8 Design of bus interface

2.2軟件設(shè)計(jì)

由于2010版SENT協(xié)議比2008版SENT協(xié)議多出一個(gè)可變的暫停位，這個(gè)暫停位的變化范圍為12～768 個(gè)Tick.該暫停位可能與幀頭56個(gè)Tick相等，所以就不能用56個(gè)Tick的同步位來(lái)判斷幀頭了.

SENT協(xié)議的解析是使用定時(shí)器來(lái)采集2次下降沿之間時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)解析數(shù)據(jù)大小的，SENT信號(hào)的下降沿觸發(fā)定時(shí)器中斷.當(dāng)采集到56個(gè)Tick的數(shù)據(jù)時(shí)，先暫時(shí)認(rèn)為這是幀頭，當(dāng)再次采集到56個(gè)Tick長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)時(shí)，判斷在這期間觸發(fā)了幾次中斷，若一次，說(shuō)明上次采集到的值是暫定位，這次才是真正的幀頭，并且可以判定連接的是MLX90367.若觸發(fā)了10次，則說(shuō)明上次采集的就是幀頭，而這次采集的是第二幀的開始，并且可以判斷出連接的芯片是MLX90367.若觸發(fā)了9次，則說(shuō)明這2次采集的都是幀頭，而且通過(guò)一幀數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度可以判定出連接的芯片是MLX90324.只要能判定出連接的是哪種芯片，就可以做到2種協(xié)議的兼容.

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖9和圖10所示.

圖9為主函數(shù)流程圖和目標(biāo)角度接收流程圖.通過(guò)CAN中斷接收上位機(jī)發(fā)送的目標(biāo)角度命令.主函數(shù)對(duì)當(dāng)前角度與目標(biāo)角度進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，若當(dāng)前角度與目標(biāo)角度不相等，則PID算法不斷的改變輸出量來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)向目標(biāo)位置旋轉(zhuǎn).當(dāng)前角度與目標(biāo)角度相減滿足一定的誤差范圍便停止輸出，使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng).

圖10為SENT解析流程圖. SENT的解析是通過(guò)定時(shí)器的輸入捕捉中斷功能實(shí)現(xiàn)的，捕捉2次下降沿之間的時(shí)間大小來(lái)解析代表的數(shù)值.

進(jìn)入中斷后先判斷幀頭，然后判斷出所選的芯片是基于哪個(gè)版本的SENT協(xié)議，進(jìn)而可以判斷出需要接收多少個(gè)Nibble的數(shù)據(jù).如果是基于SENT 2008協(xié)議，則需要接收8個(gè)Nibble的信息，如果是基于SENT 2010協(xié)議，則需要接收9個(gè)Nibble的信息.這樣就完成了一幀數(shù)據(jù)的接收.完成一幀數(shù)據(jù)接收后，開始CRC驗(yàn)證，驗(yàn)證通過(guò)后解析SENT信息中的角度.

圖9　主函數(shù)流程圖和目標(biāo)角度接收流程圖Fig.9 Main function flow chart and target angle to receive a flow chart

圖10　SENT解析流程圖Fig.10 SENT analysis flow char

3　測(cè)試結(jié)果與分析

圖11為上位機(jī)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的上位機(jī)界面，圖中的曲線1為目標(biāo)角度的時(shí)間-角度曲線圖，曲線2為實(shí)際角度的時(shí)間-角度曲線圖.電機(jī)按照預(yù)先設(shè)定好的時(shí)間-角度旋轉(zhuǎn).

圖11　上位機(jī)界面Fig.11 PC interface

圖12、圖13和圖14為電機(jī)旋轉(zhuǎn)主控軟件界面，可設(shè)定電機(jī)旋轉(zhuǎn)的目標(biāo)角度，按ENTER鍵電機(jī)就會(huì)旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的角度，并且自動(dòng)設(shè)別出接口類型.

圖12　2008版SENT協(xié)議輸出Fig.12 2008 edition SENT protocol output

圖13　2010版SENT協(xié)議輸出Fig.13 2010 edition SENT protocol output

圖14為捕捉到的處于旋轉(zhuǎn)路徑上的電機(jī)主控軟件界面圖.分別實(shí)測(cè)了3種信號(hào)輸出方式下目標(biāo)角度與實(shí)際角度的數(shù)值，每組重復(fù)測(cè)試了50次，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到，SENT 2008協(xié)議下的角度誤差約為0.116%，SENT 2010協(xié)議下的角度誤差約為0.103%，而模擬信號(hào)輸出方式下的角度誤差約為0.977%，2種SENT協(xié)議下的電機(jī)旋轉(zhuǎn)控制精度明顯高于傳統(tǒng)的模擬信號(hào)輸出方式.

圖14　模擬信號(hào)輸出Fig.14 Analog output

4　結(jié)語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)電機(jī)控制模擬信號(hào)輸出和PWM的基礎(chǔ)上，結(jié)合了近年提出的基于SENT協(xié)議的電機(jī)控制方法，設(shè)計(jì)了一套電機(jī)控制系統(tǒng)，并給出了一種判別電機(jī)模擬信號(hào)輸出和基于SENT協(xié)議信號(hào)輸出的自適應(yīng)方法.經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該套系統(tǒng)能做到信號(hào)輸出模式自適應(yīng).上位機(jī)通過(guò)向MCU發(fā)送目標(biāo)角度，MCU根據(jù)當(dāng)前角度輸出控制量驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，然后實(shí)時(shí)將當(dāng)前角度上傳到上位機(jī)進(jìn)行顯示.測(cè)試結(jié)果表明電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度誤差均在0.12%以內(nèi)，得到了精確控制.

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Design of motor control system based on adaptive SENT protocol

HUANG Peng，DU Ke-kui，RONG Feng，LU Yong
（School of Electronics and Information Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China）

Abstract：To solve the problems such as low resolution ratio，poor ability to resist electromagnetic interference of traditional motor analog signal output and PWM output，a motor control system is designed. The system is compatible with analog output signals and a variety of analytical methods SENT protocol，the system uses a 32 bit microcontroller STM32F103VCT6 as the core processer unit to receive angle information from the triaxis Hall sensor and drive the motor by the target angle sent by the HOST computer as PID closed-loop control. The experiment results show that the system can control the rotational position of the motor precisely and achieve compatibility with multiple protocols. In the SENT protocol mode，the motor rotation angle error is less than 0.12%，lower than the traditional analog signal output.

Key words：STM32F103VCT6；adaptive SENT protocol；motor control system；triaxis Hall sensor

通信作者：黃鵬（1979—），女，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槠囯娮訉W(xué). E-mail：huangpeng@tjpu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61405144）

收稿日期：2015-09-01

DOI：10.3969/j.issn.1671-024x.2016.02.016

中圖分類號(hào)：TN913

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671－024X（2016）02－0083－06