王尚宇，岳鳳英，趙帆，張仰成

（1.中北大學 電氣與控制工程學院，太原 030051；2.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

隨著電機在探測、鉆取領(lǐng)域運用的越來越廣泛，且對電機運動控制精度要求越來越高。目前存在大量復雜環(huán)境探測實驗的進行，為在模擬復雜環(huán)境中進行測試驗證，本文設計了一種新型測試系統(tǒng)總控單元。自主流程主控模塊以ARM 芯片為核心，利用端口映射連接下級的采集存儲模塊和進給機構(gòu)控制模塊，執(zhí)行全局控制。采集存儲模塊以FPGA 作為控制核心，主要負責模擬量采集、存儲，以及LVDS數(shù)據(jù)的接收存儲分發(fā)。為避免底層控制模塊的故障對主流程的影響，進給機構(gòu)控制模塊采用獨立控制方式，選用DSP 作為主控芯片。上位機通過Qt 軟件設計開發(fā)，采用模塊化設計思想，充分考慮了系統(tǒng)維護性和可擴展性，以及測試效率，從而減少了后期系統(tǒng)維護的周期與成本。

1 總控單元整體設計

總控單元由于控制任務多，實時性強，因此將總控單元分為自頂向下的兩級控制結(jié)構(gòu)。總控單元功能結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該結(jié)構(gòu)主要由自主流程主控模塊、采集存儲模塊、進給機構(gòu)控制模塊組成。自主流程主控模塊負責整個測試流程控制，包括時序控制、時統(tǒng)管理、指令控制、上位機交互等功能的實現(xiàn)。采集存儲模塊負責所有測試數(shù)據(jù)的采集及處理，包括1553B 總線數(shù)據(jù)接收、上傳顯示及遙測下傳、LVDS 數(shù)據(jù)接收及存儲、傳感器數(shù)據(jù)采集與存儲。進給機構(gòu)控制模塊負責進給機構(gòu)電機的運動控制，包含運動模式、運動參數(shù)等內(nèi)容，同時監(jiān)測限位開關(guān)觸發(fā)信號、采集電機轉(zhuǎn)速。

圖1 總控單元結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall control unit structure diagram

2 進給機構(gòu)控制模塊

為避免測試流程命令收發(fā)、數(shù)據(jù)存儲與進給機構(gòu)控制相互影響，進給機構(gòu)控制由進給機構(gòu)控制模塊單獨控制，內(nèi)置恒速控制與速度曲線模擬控制雙模式，控制方式為PWM 位置指令控制；機構(gòu)總行程由結(jié)構(gòu)設計保證，行程到位控制有兩種方式，第一種由編碼器旋轉(zhuǎn)角度確定到位，第二種由行程到位開關(guān)確定到位[1]。兩種方式均可由進給機構(gòu)控制模塊獲取，觸發(fā)停機狀態(tài)并向電機驅(qū)動器發(fā)出停機抱閘指令。

進給機構(gòu)伺服電機的運動控制主要由進給機構(gòu)控制系統(tǒng)模塊來負責，這里選擇TI 公司的TMS320F28335作為電機運動控制芯片。這是一款TI 公司生產(chǎn)的高性能TMS320C28X 系列32 位浮點DSP 處理器，其浮點運算單元，用戶可快速編寫控制算法而無需在處理小數(shù)操作上耗費過多的時間和精力[2-3]。該芯片具有150 MHz 的高速處理能力，有多達18 路的PWM輸出，其中6 路為專有的高精度HRPWM 輸出，12位16 道ADC，可以充分發(fā)揮DSP 在電機控制方面的優(yōu)勢。

2.1 進給機構(gòu)控制原理

配置安川伺服單元SGD7S-5R5A 系列為進給機構(gòu)所選伺服電機。根據(jù)進給機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)形式，進給機構(gòu)伺服電機進行速度控制時，歸根結(jié)底是按時間進行位置控制，故電機控制方式選擇為位置環(huán)控制。由于單獨的電機加伺服獨立成閉環(huán)，因此對編碼器輸出位置脈沖信號的接收僅起到監(jiān)測作用，不參與整體模塊控制[4]。電機控制原理如圖2所示。

圖2 電機控制原理圖Fig.2 Motor control schematic diagram

通過DSP 產(chǎn)生的PWM 波形對電機進行控制，同時電機自帶的編碼器反饋的位置信號通過伺服單元，進入進給機構(gòu)控制模塊的QEP 端口進行脈沖計數(shù)，并讀取QEP 當前的計數(shù)值，用來實時監(jiān)測電機速度偏差[5]。伺服電機尾部安裝的24 位編碼器每圈可輸出16777216 個脈沖，伺服單元可接受的CCW格式脈沖位置指令最大頻率為4 MHz。進給機構(gòu)要求的最大移動速度為0.1 m/s，假設進給機構(gòu)的絲杠導程為4 mm，則可換算要達到最大移動速度，電機瞬時角速度最大為25 圈/s。若脈沖位置指令頻率與編碼器輸出脈沖頻率為1∶1，最大電機瞬時角速度對應的脈沖位置指令頻率脈沖頻率為419430400 Hz，遠遠大于可接受頻率4 MHz。因此，需至少設置脈沖頻率比為419.430400/4≈105，放大取整為200，在該設置條件下，每輸入一個位置脈沖，電機轉(zhuǎn)動200個編碼器脈沖角度，由編碼器每圈輸出1677216 個脈沖可折合約為0.004°。故理論上伺服電機在最大速度運動的條件下，單脈沖可實現(xiàn)角度調(diào)整精度0.004°，極大的提高了電機運動控制的精度。

2.2 進給機構(gòu)電路設計

進給機構(gòu)控制模塊主要負責電機的運動控制，從而帶動進給機構(gòu)運動。DSP 芯片內(nèi)部具有QEP 模塊，可用于電機自帶的編碼器脈沖信號的接收，其內(nèi)部集成的SPI 接口可用于與其它模塊高速通信[6]；豐富的GPIO 引腳和中斷引腳可用于握手通信控制。根據(jù)外圍設備功能，該進給機構(gòu)控制模塊包括時鐘電路、PWM 驅(qū)動電路、QEP 接收部分接口電路、進給機構(gòu)限位開關(guān)電路、SPI 接口電路、急?？刂齐娐贰＿M給機構(gòu)速度提升、行進段速度調(diào)節(jié)范圍與行程機械設計、電機性能、驅(qū)動器性能有關(guān)，對于所選的電機控制芯片DSP，速度控制和其控制精度均可以達到良好的效果。

2.2.1 時鐘電路

DSP 的時鐘電路，一共有兩種方案可供選擇：第一種是使用外部時鐘源，即有源晶振，將晶振連接到X1 引腳上或者XCLKIN 引腳上，X2 接地。另一種是由振蕩器產(chǎn)生時鐘，用一個晶體和兩個電容組成的電路分別連接到X1 和X2 引腳上。在本時鐘電路設計中采用25 MHz 有源晶振給DSP 提供時鐘。

2.2.2 PWM 驅(qū)動電路

DSP 通過PWM 端口向伺服單元發(fā)送脈沖位置指令，由于電平的不匹配和隔離的需要，PWM 信號不能直接驅(qū)動伺服單元的PWM 接收端口[7]。查所選安川伺服電機手冊，伺服單元的脈沖指令接收電路為光耦隔離輸入，故選用同類線性驅(qū)動器SN65ALS189芯片。

2.2.3 QEP 接口電路

DSP 通過QEP 端口接收伺服單元的編碼器脈沖信號，由于電平的不匹配和隔離的需要，編碼器脈沖信號不能由QEP 端口接收[8]。伺服單元的脈沖驅(qū)動電路為差分線驅(qū)動器輸出，參照其設計，選擇高速光電耦合器6N137，將6N137 的輸出信號進行電阻分壓，以匹配DSP 的I/O 接口電壓。

2.2.4 SPI 通信接口

DSP 通過SPI 接口與自主流程控制模塊內(nèi)STM32進行連接，其中STM32 為通信主機，DSP 為從機，為支持由從機發(fā)起的通信需求，特定義DSP 芯片的GPIO53 管腳為從機發(fā)起通信的握手信號，由該引腳連接STM32 的外部中斷引腳，通知主機狀態(tài)的STM32由從機發(fā)起通信。為在啟動信號觸發(fā)自主流程的同時控制電機運行，特將GPIO52 映射為外部中斷輸入引腳，一旦測試流程控制模塊送來啟動信號，進給機構(gòu)可以迅速響應。

2.2.5 進給機構(gòu)限位開關(guān)

為提高進給機構(gòu)運動的安全性，在進給機構(gòu)導軌零點位設置上限位保護開關(guān)，終點位設置下限位保護開關(guān)。限位開關(guān)輸出為數(shù)字量，OC 門輸出，引入控制器后，供電為+12 V，將負載替換為20 k 電阻，控制輸出電流0.6 mA，遠小于限位開關(guān)負載電流，并用5.1 k 電阻進行分壓電平轉(zhuǎn)換。

2.2.6 急停斷電抱閘控制電路

為防止進給機構(gòu)超軌運動，進給機構(gòu)結(jié)構(gòu)上設計了急停開關(guān)，配合伺服電機制動器緊急情況下執(zhí)行制動。其制動器電源為電壓24 V，功耗為10 W，電流不超過0.5 A。為防止制動器動作時電源波動對其他共用電源設備的干擾，故采用獨立直流電源對制動器單獨供電。

2.2.7 伺服單元接口

進給機構(gòu)控制模塊接一個PCB 板DB37 插座，與伺服單元的CN1 口相連。伺服單元控制電機輸入輸出接口信號定義如表1 所示。

表1 伺服單元接口定義Tab.1 Servo unit interface definition

3 軟件設計

3.1 進給機構(gòu)運動控制設計

使用CCS 軟件對進給機構(gòu)控制系統(tǒng)測試流程進行開發(fā)。實現(xiàn)在機構(gòu)負載條件下對進給機構(gòu)電機的控制與調(diào)速功能，具備恒速控制，速度曲線模擬控制，以及與自主流程控制軟件和采集存儲軟件的數(shù)據(jù)交互。進給機構(gòu)控制模塊的軟件流程如圖3 所示。

圖3 軟件設計流程Fig.3 Software design flow chart

3.2 上位機界面設計

上位機測試軟件基于Windows 平臺，使用目前應用比較廣泛、發(fā)展較快、功能強大的圖形化編輯軟件QT 進行編寫。軟件結(jié)構(gòu)包括系統(tǒng)初始化模塊、控制參數(shù)設置模塊、控制器數(shù)據(jù)回讀模塊、模擬與數(shù)字量采集模塊、數(shù)據(jù)顯示與存儲模塊、數(shù)據(jù)管理模塊等。其中，系統(tǒng)初始化模塊主要負責初始化控制器參數(shù)及接口，并在軟件啟動后進行系統(tǒng)自檢，控制參數(shù)設置模塊主要負責進給機構(gòu)電機控制參數(shù)、觸發(fā)模式初始化。

4 系統(tǒng)測試

4.1 模擬測試平臺

使用輔助軟件SigmaWin+對進給機構(gòu)模塊進行性能測試，該軟件可以對伺服電機進行初始化設置，并具有速度波形追蹤和電機轉(zhuǎn)速顯示功能。進給機構(gòu)測試平臺實物圖如圖4 所示，測試設備上方為伺服電機且電機轉(zhuǎn)軸連接進給機構(gòu)行程導軌，導軌上配備有配重鋁板以模擬真實探測裝備。

圖4 進給機構(gòu)測試平臺Fig.4 Feed mechanism testing platform

4.2 速度超調(diào)測試

速度超調(diào)體現(xiàn)在進給機構(gòu)加速到勻速階段時的速度超調(diào)程度。伺服電機運動的速度超調(diào)不超過3%。速度超調(diào)主要測試方法是在電機不同的運動工況下通過SigmaWin+軟件對進給機構(gòu)的速度曲線進行追蹤，進給機構(gòu)從0.08 m/s 減速到0 的速度追蹤曲線，如圖5 所示。

圖5 0.08 m/s 減速到0 的速度曲線Fig.5 Speed curve for deceleration to 0 at 0.08 m/s

此工況下伺服電機轉(zhuǎn)速為1200 r/min，如圖6所示，將勻速運行階段進行放大觀察，根據(jù)勻速運動曲線可知電機轉(zhuǎn)速偏差最大為1170 r/min，可得該工況下的速度超調(diào)為2.5%，故測試結(jié)果控制系統(tǒng)的響應性好。

圖6 速度超調(diào)抓取Fig.6 Speed overshoot grab

4.3 速度穩(wěn)定性測試

速度穩(wěn)定性體現(xiàn)在電機從加速到勻速階段時的速度抖動程度。基于進給機構(gòu)控制系統(tǒng)的測試結(jié)果的高標準、嚴要求，伺服電機運動的速度平穩(wěn)性即可調(diào)速范圍內(nèi)平穩(wěn)性優(yōu)于5%。速度穩(wěn)定性的測試方法同速度超調(diào)，為了體現(xiàn)普遍適用性，選取另一種工況進行測試，選擇進給機構(gòu)從0.08 m/s 減速到0.052 m/s 的速度曲線。

該工況下，如圖7 所示，將其勻速運行階段放大觀察，從速度曲線中可以獲取電機最大速度和最小速度，經(jīng)計算可知該工況下的進給機構(gòu)速度穩(wěn)定性為0.45%，故測試結(jié)果控制系統(tǒng)穩(wěn)定性高。

自主流程主控模塊接收到系統(tǒng)啟動信號觸發(fā)后，進給機構(gòu)控制模塊將電機運行中采集的模擬量數(shù)據(jù)傳送給采集存儲模塊進行處理，BES 數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖8 所示，前8 幀為時間戳，其中51 和4F表示電機速度達到0.08 m/s。

圖8 電機模擬量采集Fig.8 Motor analog signal acquisition

5 結(jié)語

本文提出了一種基于ARM+FPGA+DSP 的新型測試系統(tǒng)總控單元的設計與實現(xiàn)方案，重點介紹了總控單元中進給機構(gòu)控制系統(tǒng)的硬件設計、軟件流程及性能驗證。對目前存在的控制系統(tǒng)的電路及其驗證過程進行優(yōu)化設計。該進給機構(gòu)控制系統(tǒng)的速度超調(diào)和速度穩(wěn)定性均得到優(yōu)化，電機控制精度得到了保證。故該進給機構(gòu)控制系統(tǒng)的電路和軟件設計合理，且具備實際工程的使用價值。