基于STM32的小型化伺服控制器設(shè)計(jì)

張 珂,郭 棟,秦文甫

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院,洛陽(yáng) 471099)

基于STM32的小型化伺服控制器設(shè)計(jì)

張 珂,郭 棟,秦文甫

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院,洛陽(yáng) 471099)

針對(duì)伺服控制器多選用DSP為核心的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式處理器 STM32的伺服控制器。采用PID增量控制，在實(shí)現(xiàn)對(duì)直流有刷電動(dòng)機(jī)控制的同時(shí)達(dá)到伺服控制器小型化的目的。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，控制器在閉環(huán)系統(tǒng)中穩(wěn)定性好，各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足要求。

伺服控制器；STM32；PID；直流電動(dòng)機(jī)

0 引 言

伺服控制系統(tǒng)中數(shù)字控制方式已占據(jù)主導(dǎo)地位，以TMS320F2812為代表的DSP憑借其控制精度高、內(nèi)部資源豐富等優(yōu)勢(shì)成為伺服系統(tǒng)數(shù)字控制器主控單元的首選[1]。但在一些要求伺服系統(tǒng)低成本，對(duì)體積控制嚴(yán)格的場(chǎng)合，就不再適合選用DSP進(jìn)行控制。

本文的研究目的在于設(shè)計(jì)一種新型伺服系統(tǒng)數(shù)字控制器，既能滿(mǎn)足控制精度，響應(yīng)速度等性能要求，又要控制成本和體積。系統(tǒng)采用STM32為主控單元，以最簡(jiǎn)方式配置外圍電路；算法上采用PID+前饋的控制方式，通過(guò)脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。

1 總體方案設(shè)計(jì)

總體方案框圖如圖1所示。控制器以STM32 F103C8為核心，采用直流有刷電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行單元，并以MOSFET組成H橋式電路進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)?？刂破鞴ぷ鲿r(shí)，通過(guò)RS-422通訊電路接收并處理控制信號(hào)，位置反饋信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路后輸入主控單元，在與控制信號(hào)綜合后，輸出控制電機(jī)運(yùn)行的PWM信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)位置跟隨。

2 控制算法原理

PID控制是伺服控制中常用的一種控制算法，具有調(diào)節(jié)方便、技術(shù)成熟、無(wú)需知道被控對(duì)象準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型等優(yōu)點(diǎn)，因此在伺服控制器軟件中引入了PID控制作為其控制算法的基礎(chǔ)。

經(jīng)典PID算法表達(dá)式：

(1)

式中:u(t)為伺服控制器輸出信號(hào)；e(t)為控制器的輸入偏差信號(hào)，它等于測(cè)量值與給定值之差；Kp為比例系數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)。

采用數(shù)值逼近法對(duì)式(1)中連續(xù)型的微分方程變換成離散型的差分方程，用增量代替積分項(xiàng)，并將其表示成矩形積分的形式，同時(shí)將連續(xù)時(shí)間值t用一系列采樣時(shí)刻點(diǎn)kT替換，以增量代替微分項(xiàng)，并將其表示成后向差分的形式，可得增量式PID算法[2]：

(2)

積分環(huán)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差，但KI過(guò)大也會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，引起系統(tǒng)超調(diào)量的增加；比例環(huán)節(jié)的作用是對(duì)偏差瞬間做出快速反應(yīng)，增大Kp數(shù)值，可以使控制效果得到加強(qiáng)，但過(guò)大的Kp值會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩[3]；微分環(huán)節(jié)的作用有助于系統(tǒng)穩(wěn)定，減小系統(tǒng)的超調(diào)量，但是引入KD后使得系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的噪聲變得很敏感，因此調(diào)試過(guò)程先不加微分環(huán)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，再適當(dāng)調(diào)節(jié)微分參數(shù)。

控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)原理框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控單元電路設(shè)計(jì)

伺服控制器的主控單元電路采用基于ARM CortexTM-M3 32位RISC、內(nèi)核頻率高達(dá)72 MHz的數(shù)字信號(hào)控制器STM32F103C8芯片為核心，其特點(diǎn)是采用高速嵌入存儲(chǔ)器(SRAM和閃存程序存儲(chǔ)器分別高達(dá)20 kB和128 kB)，其增強(qiáng)的I/O端口均連接到兩條APB外設(shè)總線(xiàn)。STM32F103C8提供1個(gè)PWM定時(shí)器和3個(gè)通用16位定時(shí)器，2個(gè)12位ADC，配備了標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口。

在仿真接口的設(shè)計(jì)上，主控電路采用SWD方式，僅以4根針腳就能實(shí)現(xiàn)程序下載及在線(xiàn)調(diào)試，與傳統(tǒng)JTAG接口模式相比，能夠在確?？煽啃院退俣鹊耐瑫r(shí)減小印制電路板的體積。

伺服控制器主控單元電路如圖3所示。

圖3 主控單元電路圖

3.2 反饋調(diào)理及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

為提高控制精度，增強(qiáng)反饋信號(hào)抗噪能力，選用TI的A/D轉(zhuǎn)換器TLC2574進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。TLC2574是一款可編程的4通道12位A/D轉(zhuǎn)換器，量程為-10～+10 V，采樣率達(dá)200 KS/s，功耗為30 mW，可滿(mǎn)足伺服系統(tǒng)采樣的需要，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。此外，TLC2574可在最大25 MHz的時(shí)鐘頻率下工作，具有與外部STM32F103C8高速通信的SPI口，其模擬供電為5 V，數(shù)字供電則可選3.3 V，與STM32F103C8系統(tǒng)電平兼容，不需外加電平轉(zhuǎn)換電路。

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

系統(tǒng)選用的反饋電位器總阻值為4.7 kΩ，有效電行程300°，扇齒增速比為4，電位器兩端供電電壓為±12 V，伺服系統(tǒng)最大轉(zhuǎn)角為±25°。根據(jù)公式：

(3)

在執(zhí)行單元最大轉(zhuǎn)角時(shí)反饋電壓為±8 V，在極限轉(zhuǎn)角±30°時(shí)反饋電壓為±9.6 V，均滿(mǎn)足AD采樣的輸入范圍。

3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路由電源變換電路、光電隔離電路、限流電路、功率電路組成，如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路原理框圖

電源變換電路將功率電壓轉(zhuǎn)換成+12 V，為驅(qū)動(dòng)電路中除逆變電路以外的各部分電路提供電壓，功率驅(qū)動(dòng)部分采用驅(qū)動(dòng)芯片IR2101S和MOSFET 6270。電路原理圖如圖6所示。其中，IR2101S為自舉式高電壓、高速半橋驅(qū)動(dòng)器，2片IR2101S即可組成H橋全橋驅(qū)動(dòng)電路。IR2101S芯片高端懸浮通道采用外部自舉電容產(chǎn)生懸浮電壓源VBS，與低端通道共用一個(gè)外接驅(qū)動(dòng)電源VCC。自舉電路工作原理：當(dāng)VJ2導(dǎo)通時(shí)，D1的VS端電位被拉低至地，VCC通過(guò)自舉二極管VD1開(kāi)始向自舉電容C3充電，這樣就在VB和VS之間形成了一個(gè)懸浮電壓VBS用來(lái)給VJ1供電，保證VJ1的正常開(kāi)通。由于自舉電路的存在，可使H橋電路上下橋臂MOSFET僅需一路電源，簡(jiǎn)化了電路。

圖6 功率驅(qū)動(dòng)電路原理圖

驅(qū)動(dòng)電路由于自舉電容的存在對(duì)輸入信號(hào)有一定的限制，即無(wú)法做到長(zhǎng)時(shí)間低電平或100%占空比輸入[4]，實(shí)際應(yīng)用中只把占空比最高限設(shè)置為95%。在某些要求達(dá)到100%占空比輸入的應(yīng)用中，需單獨(dú)給VBS提供充電電路。圖7為一種基于555定時(shí)器的充電泵電路[5]，能夠以較低的成本實(shí)現(xiàn)對(duì)自舉電容的單獨(dú)充電。圖8為電路仿真結(jié)果，一級(jí)倍壓即可將+12 V電源電壓升高到+22 V，如需多級(jí)倍壓，僅通過(guò)增加多級(jí)整流電路即可實(shí)現(xiàn)。

圖7 充電泵電路原理圖

圖8 充電泵電路仿真圖

4 程序設(shè)計(jì)

STM32控制程序分為主程序、通訊中斷程序和定時(shí)器中斷程序三部分，程序流程圖如圖9所示。在通訊中斷程序中，控制器每2 ms接收一次轉(zhuǎn)速指令，處理后發(fā)送轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，定時(shí)器中斷程序則通過(guò)一定的控制算法控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖9 控制軟件流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證本文提出的基于STM32小型化伺服控制器技術(shù)，建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖10所示，實(shí)驗(yàn)中選用的直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)電機(jī)參數(shù)

圖11是小型化控制器的實(shí)物圖。實(shí)際大小僅為60 mm×30 mm，體積較基于TMS320F2812的伺服控制器大幅減小。

圖11 電路實(shí)物圖

圖12是上位機(jī)給控制器發(fā)送±20°階躍信號(hào)時(shí)實(shí)際的反饋波形。經(jīng)計(jì)算，伺服系統(tǒng)空載角速度如表2所示。

圖12 伺服系統(tǒng)階躍測(cè)試波形

表2 系統(tǒng)階躍測(cè)試數(shù)據(jù)

給控制器分別發(fā)送不同頻率的正弦波，測(cè)得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性如表3所示。

表3 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可以得出，該伺服控制器穩(wěn)定性好，各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)均能滿(mǎn)足伺服系統(tǒng)要求，證明本文提出的控制器方案可以實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服系統(tǒng)的控制。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文以STM32F103C8為核心設(shè)計(jì)了一套小型化伺服控制器，較行業(yè)內(nèi)常見(jiàn)的以DSP2812為核心的伺服控制器具有體積小，成本低的特點(diǎn)。通過(guò)在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，表明該控制器滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

[1] 吳大勇，賈敏智．STM32 在三相無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．微電機(jī)，2014，47(3)：47-51．

[2] 盧志剛，吳杰，吳潮．?dāng)?shù)字伺服控制系統(tǒng)與設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

[3] 樊學(xué)能．基于PID 算法的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．電氣技術(shù)與自動(dòng)化，2011，40(3): 175-178．

[4] 張小鳴，盧方民．基于IR2110的H橋可逆PWM驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用[J]．常州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，24(4)：68-72．

[5] 李正中，孫德剛．高壓浮動(dòng)MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)[J]．通信電源技術(shù)，2003(3)：37-40.

Design of Miniature Servo Controller Based on STM32

ZHANGKe,GUODong,QINWen-fu

(China Airborne Missile Academy，Luoyang 471099，China)

For Currently servo controllers more use DSP, a servo controller based on STM32 was designed. The controller used PID increment control, realizing the control of DC motor with small volume. Experimental results show that the controller has good stability in closed-loop system and can meet requirements.

servo controller； STM32； PID； DC Motor

2015-11-04

TM383.4

A

1004-7018(2016)05-0083-04

張珂(1983-)，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)樗欧到y(tǒng)控制器設(shè)計(jì)。