王 直,丁 超

(1.江蘇科技大學 計算機科學與工程學院,江蘇 鎮江 212003)(2.江蘇科技大學 電子信息學院,江蘇 鎮江 212003)

我國目前在修造船行業中所用到的自動涂裝機主要是靠進口國外價格昂貴的成品進行生產的,因此有必要研制自己的系統.自動涂裝機系統作為一種伺服系統,是以伺服電機為控制對象,以控制器為核心,在自動控制理論的指導下組成的電氣傳動自動控制系統.傳統的自動涂裝機采用單片機和PLC作為控制器對伺服系統進行控制,但單片機易受到工業現場信號等外界因素的變化難于保持伺服電機的穩定性,PLC雖然抗干擾能力比較強，但其成本較高.文中采用一種抗干擾能力較強、價格合理的控制器STM32[1]作為自動涂裝機的控制單元,從而保持伺服電機的運轉穩定.隨著控制理論的發展,一般的單片機或多片微處理器都不能滿足復雜且先進的控制算法,使直流伺服電機的控制難以達到比較高的精度要求.文中研究不僅對自動涂裝機系統的設計與實現有重要應用價值,同時,也可直接應用于現代工業中各種需要實現精確位置控制和速度控制的自動控制領域中.

1 伺服電機控制系統的體系結構

伺服系統是一個閉環的自動控制系統,在伺服控制系統中,處理器除了要控制系統的功率主回路外,同時還要實時監測系統的狀態.本系統由處理器給出脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWM)控制信號,通過驅動電路控制伺服電機的轉動,牽引滾軸絲杠來實現伺服閥門的開度大小.在此過程中又不斷采集電機轉動的位置和伺服閥門出口的壓力,通過PID控制算法實現電機的穩定控制,其總體結構如圖1.

自動涂裝機伺服系統所要實現過程的總體描述如下:

圖1 自動涂裝機伺服系統總體結構Fig.1 Overall block diagram of the automatic painting machine servo system

ET-200S對控制器發出命令,即伺服閥門出口液體壓強的大小為0～10 bar,與4～20 mA的電流對應,控制器接收到命令之后通過向驅動器中發送PWM信號來控制伺服電機的運轉,此時伺服閥門的開度隨著電機的運轉開大或開小.安裝在伺服閥門出口的壓力傳感器的壓力也會隨著閥門的開度增大或者減小,壓力傳感器的電流信號經過A/D轉換之后送入控制器,控制器讀取壓力傳感器傳過來的反饋值與由ET200S對控制器發出命令值進行比較,如果沒有達到設定的值則控制器再進行一定的調節,來達到目的.

據圖1可知,系統主要包括以下幾個部分:

1)主控單元(STM32處理器)模塊:主要由STM32處理器和存儲器構成,完成伺服電機系統地整體控制.此控制器是32位基于ARM核心的帶64或128K字節閃存的微控制器,帶有USB，CAN，7個定時器，2個ADC，9個通信接口,最高72MHz工作頻率[2].

2)伺服電機驅動模塊:采用Lexium05伺服驅動器,內置電磁兼容(electro magnetic compatibility,EMC)濾波器,減少EMC干擾,兼容三相380 V電壓,無需增加變壓器并能根據控制器的PWM波形產生電機驅動信號[3].

3)A/D轉換模塊:STM32F103 Cortex-M3 核MCU系列芯片,集成了2 路12 位逐次比較型 ADC,其時鐘速率最高可達14 MHz,它是由PCLK2經分頻產生.ADC內部集成了校準器,以減小因內部電容器組變化而造成的精度誤差.

4)壓力傳感器模塊:壓力器采用美國的3100系列緊湊型高壓OEM壓力變送器,安裝在伺服閥門的出口.它所測量壓力的范圍是0～10 bar,對應電流輸出是4～20 mA,壓力和電流成線性關系.

2 伺服電機控制系統的硬件電路設計

因為伺服系統中ET-200S發出的命令信號是0～10 bar,對應電流信號是4～20 mA,兩者成線性關系.如果要將此時的電流信號傳送給控制器則需要A/D轉換,由于A/D轉換器是以電壓為參考的,所以必須將電流信號轉化為電壓信號傳送給A/D轉換器的電壓接收端,則電流轉化電壓的硬件電路如圖2,此I/V轉換電路[4]具有抗干擾能力,經實驗驗證能達到比較高的精確度.

此I/V轉換電路的工作原理:在1,2端子處輸入4～20 mA電流經240 Ω的電阻產生電壓為0.96～4.8 V的電壓,R12為調零電位器,由U1A產生的-0.96 V電壓,此時使得U1B輸出0～3.84 V的電壓,該信號經U2A反向放大形成0～3.3 V電壓在端子3處輸出至控制器中自帶的A/D轉換器,R9作用是調節放大器U2A的增益,通過調節R9這個滑動變阻器可以有效的調節3端子的輸出電壓,所以,此I/V電路也可用于其他需要將電流轉換為電壓的場合.控制器根據A/D轉換器轉換后數字信號的大小來調節產生PWM占空比和頻率,如果數字信號的值較大則轉換過來的PWM占空比和頻率也越大,反之則反.此時在伺服閥門出口的壓力傳感器也會將此時閥門出口的壓力經過A/D轉換后反饋給控制器中,將其值與ET-200S傳入控制器的值進行相減,形成誤差信號,控制器根據這個誤差信號,利用數字PID控制算法對伺服電機進行控制.

圖2 I/V轉換電路Fig.2 Conversion circuit

3 伺服控制系統的框圖及模型

文中伺服控制系統如圖3,系統結構如圖4.

此系統由位置反饋環和壓力反饋兩個環組成,壓力反饋將系統的主要反饋值和所要求輸入值Rbar之差產生壓力差信號ebar,此壓差信號被比例這一環節K1放大,并將放大的信號傳給它的下一環節.位置反饋環是整個系統中一個內部反饋環節,主要用于其內部的反饋校正,從而減少伺服系統的振動,提高系統的剛性,并減小外部對內環各種干擾的影響.

圖3 自動涂裝機伺服控制系統Fig.3 Servo control system block diagram of automatic painting machine

圖4 自動涂裝機伺服控制系統結構Fig.4 Servo control system structure diagram of automatic painting machine

由于STM32處理的是數字信號,所以對模擬量的控制量進行離散化,假定采樣時的周期為T,則控制量表示為：

c(z)=[K1Rbar(z)-K1Kbarbar(z)-

將上式轉化為差分方程,可以得到數字控制量:

C(n)=xK1[Rbar(n)-Kbarbar(n)]-xKvV(n)+

bK1[Rbar(n-1)-Kbarbar(n-1)]-bKqQ(n-1)+

C(n-1)

數字控制量C(n)和上一次的采樣值C(n-1)、設定值Rbar(n)、壓力采樣值bar(n)、位置采樣值Q(n)有關,同時也與給定壓力的上一次采樣值Rbar(n-1)、上一次壓力采樣值bar(n-1)、上一次采樣位置Q(n-1)相關[5].

4 系統軟件描述

系統采用基于MDK的開發平臺,使用了STM32F103標準外設固件庫函數.該函數庫是一個固件函數包,它由程序、數據結構和宏組成,包括了微控制器所有外設的性能特征.系統軟件設計包括系統的初始化和各個模塊的實現過程.初始化程序設計包括工作時鐘設置,A/D轉換寄存器的初始化.其他模塊還包括了中斷函數模塊,此模塊的主要作用是不斷檢測是否有新的數據輸入,如果有新數據則對數據進行處理,之后繼續檢測.主程序主要是進行PID調節,輸出PWM的占空比信號.

STM32F103的標準外設固件庫函數[6]是基于32位ARM微控制器STM32F101xx與STM32F103xx的,該固態函數庫通過校驗所有庫函數的輸入值來實現實時錯誤檢測.該動態校驗提高了軟件的魯棒性.實時檢測適合于用戶應用程序的開發和調試.軟件設計包括以下幾個主要方面:

4.1 系統時鐘模塊的設計

系統時鐘模塊所用到的主要固件庫中函數[7]有:

RCC-DeInit();

//復位RCC外部設備寄存器到默認值

RCC-HSEConfig(RCC-HSE-ON)

//打開外部高速晶振RCC-HCLKConfig(RCC-SYSCLK-Div1);

//配置AHB(HCLK)時鐘等于SYSCLK的時鐘RCC-PCLK2Config(RCC-HCLK-Div1);

//配置APB2(PCLK2)時鐘等于AHB的時鐘RCC-PCLK1Config(RCC-HCLK-Div2);

//配置APB1(PCLK1)時鐘等于AHB1/2的時鐘RCC-PLLConfig(RCC-PLLSource-HSE-Div1,RCC-PLLMul-9);

//配置PLLCLK時鐘等于外部高速晶體時鐘為9倍頻等于72 MHz.

在時鐘配置函數中通過調用在MDK中stm32f10x.h的庫函數,就可以配置成各種頻率的時鐘.

4.2 ADC轉換模塊的設計

ADC轉換模塊中所用到的主要固件庫函數有:

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1| RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);

//使能ADC1和GPIOA的時鐘,因為所用的ADC轉換器是ADC1,CPU采集數據的結構是PA1,也就是第一個通道

RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);

//系統時鐘為72MHz/6=12MHz,ADC最大轉換頻率不能超過14MHz

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

//定義GPIO初始化結構體

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=IO_Pin_1;

//定義GPIO的第一個管腳

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;//配置PA1為模擬輸入

ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;

//定義ADC初始化結構體

ADC_InitStructure.ADC_Mode=ADC_Mode_Independent;

//配置ADC1的工作模式為獨立模式

ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode=

ABLE;

//掃描模式開啟,有PA1，PA2模擬輸入引腳

ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode=DISABLE;

//配置為單次轉換工作

ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv=ADC_ExternalTrigConv_None;

//轉換由軟件觸發啟動

ADC_InitStructure.ADC_DataAlign=ADC_DataAlign_RightADC1;

//數據右對齊

ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel=2;

//順序進行規則轉換的ADC通道的數目為2

ADC_ResetCalibration(ADC1);

//重置ADC1的校準寄存器

ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE);

//使能ADC1的軟件轉換啟動功能

對ADC2也是進行同樣的設置.

4.3 PWM輸出模塊的設計

PWM模塊中所用到的關鍵函數[8]有:

TIM_TimeBaseInitTypeDef

TIM_TimeBase_Structure;

//定義TIME結構體來配置PWM

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);

//使能TIM3時鐘,用PWM3來控制PWM產生的頻率

TIM_TimeBase_Structure.TIM_Period=900;

//設置在接下來更新事件時載入重裝載寄存器周期的值

TIM_TimeBase_Structure.TIM_Prescaler=0;

//設置TIMx時鐘的預分頻的值,此時沒有分頻

TIM_TimeBase_Structure.TIM_ClockDivision=0;

//設置TIMx時鐘分割:TDTS=Tck_tim

TIM_TimeBase_Structure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;

//TIMx向上計數模式

TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInit_Structure;

//定義此結構體用來配置定時器

TIM_OCInit_Structure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM2;

//選擇定時器模式:TIM脈沖寬度調制模式2

TIM_OCInit_Structure.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable;

//比較輸出使能

TIM_OCInit_Structure.TIM_Pulse=0;

//設置待裝入捕獲比較寄存器的脈沖值也就是占空比

TIM_OCInit_Structure.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_High;

//輸出極性:TIM輸出比較極性高,當計數器CNT和TIMx_CCRx中的值相等時電平改變

TIM_OC3Init(TIM3,&TIM_OCInit_Structure);

//根據TIM_OCInit_Structure中指定的參數初始化外設TIMx

TIM_OC3PreloadConfig(TIM3,TIM_OCPreload_Enable);

//使能TIMx在CCR3上的預裝載寄存器

TIM_ARRPreloadConfig(TIM3,ENABLE);

//使能TIMx在ARR上的預裝載寄存器

TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);

//使能TIMx外設

由以上程序可以看出系統時鐘配置成72MHz,采用的是系統內部的ADC1模塊,此模塊掛接在STM32內部系統總線APB2上,但ADC1的頻率是12MHz.采用TIM3來控制其第三通道PWM輸出的頻率和占空比.

5 實驗結果

自動涂裝機伺服控制系統,采用Labview作為上位機進行了數據采集顯示,如圖5.

圖5 Labview數據采集顯示畫面Fig.5 Data acquisition and display of the Labview

從上圖可以看出Labview的前面板上主要有給定閥門出口壓力(ET-200S所給定的信號)、閥門出口的壓力(也就是實際測量的閥門出口的壓力值)、兩者波形圖顯示控件和兩者采樣的電流輸出大小對應的采樣電壓值的顯示控件.Labview采集數據并顯示的過程就是通過設計的查找串口VI找到和下位機(STM32)連接的串口,然后將采集到的數據通過查找到的串口進行數據的傳輸,再進行一系列處理,最后進行數據的顯示.當實際測量的壓力值<給定的壓力值 ±0.03bar時,則產生PWM波信號,用示波器的通道1測得的PWM的信號如圖6.

圖6 示波器測量的PWM波形Fig.6 PWM waveform measured by the oscilloscope

此時驅動伺服電機運轉從而使伺服閥門的開口增大.從示波器波形可以看出PWM的的峰-峰值為5.04 V，平均值為2.35 V，周期12.52 us，頻率79.87 kHz,從而驅動伺服電機運轉.

當實際測量的壓力值=給定的壓力值±0.03bar時,如圖7.

由圖7可以看出，當實際測量的壓力值與給定的壓力值之差在±0.03 bar的范圍內時,則不再產生PWM波形,其波形如圖8.

圖7 Labview采集數據顯示畫面Fig.7 Data acquisition and display of the Labview

圖8 示波器測量的PWM波形

Fig.8PWMwaveformmeasuredbytheoscilloscope

從示波器波形可以看出PWM的峰-峰值為320 mV，平均值為89.4 mV,此時的驅動電機的電壓較小不會使伺服電機運轉.同理當實際測量的壓力值> 給定的壓力值±0.03bar時,也會產生PWM波形,其波形和圖6相似,只不過此時伺服電機向著原來運動的反方向運行,同時閥門的開度會變小,且閥門出口的壓力也會變小.通過以上實驗結果可以看出其精度可以達到0.03 bar,完全可以滿足自動涂裝機的要求,與單片機、PLC等作為控制器的涂裝機相比可以達到更高的精度和更經濟的要求.

6 結論

文中所設計的基于STM32的伺服系統,結合控制器內部自帶的ADC轉換模塊,簡化了硬件電路的設計,充分利用以Cotex-M3為內核的STM32的優勢,其豐富的固件庫函數縮短了開發周期,并未增加系統的構建成本,提高了效率.根據涂裝機的特點,對此系統進行了硬件電路的設計和軟件設計,實現了良好的動態性能和穩態性能,符合工業控制的需求.

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