基于ARM控制器對齒輪減速同步電機的精確控制

李 敏，田開坤

(湖北師范大學 物理與電子科學學院，湖北 黃石 435002)

0 引言

直流電機是一種結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)速高、響應快的電機，在生活中有著非常廣泛的應用。但直流電機[1]力矩小、高轉(zhuǎn)速導致的低精度等缺陷，使得它多用于民用領域。相對于傳統(tǒng)的直流電機，齒輪減速同步電機[2]主要在普通電機上增加了減速箱，這樣不僅降低了轉(zhuǎn)速，還增加了扭力，使得電機在精度控制上能夠更加精確。這一優(yōu)勢能夠讓齒輪減速電機成為工業(yè)或軍工領域自動化機械設備不可或缺的動力傳動設備，特別是智能家居、醫(yī)療器械、機器人、航模等領域。所以，對齒輪減速電機的控制[2]算法的研究是十分必要的。

1 齒輪減速電機工作原理

相對于傳統(tǒng)電機，齒輪減速電機[3]主要是在普通電機的基礎上，增加了減速箱，減速箱的減速原理是利用各級齒輪傳動來達到降速的目的。齒輪減速機一般用于低轉(zhuǎn)速大扭矩的傳動設備，把電動機、內(nèi)燃機等高速運轉(zhuǎn)的動力設備，通過減速機的輸入軸上齒數(shù)少的齒輪嚙合輸出軸上的大齒輪來達到減速的目的，減速電機上的大小齒輪的齒輪數(shù)之比，就是傳動比。

2 控制方案選擇

2.1 減速電機介紹

以偉盛的WS-32GX365OR減速電機為例，該電機有5個連接線：

紅線——電源正極

黑線——電源負極

白線——正反轉(zhuǎn)線

黃線——FG信號線(一圈6個信號)

藍線——PWM脈寬調(diào)制線(頻率為20～25kHz的PWM信號)

圖1 偉盛齒輪速電機實物圖

WS-32GX365OR電機主要通過調(diào)節(jié)輸入給PWM脈寬調(diào)制線20～25kHz的PWM信號[4]的占空比，從而改變電機的做功時間，達到對電機速度的精準調(diào)節(jié)。占空比越大，電機轉(zhuǎn)速越快，占空比越小，電機轉(zhuǎn)速越慢。所以，對電機角度的控制，主要在于對電機轉(zhuǎn)動速度的精準控制。

2.2 方案一：控制信號占空比以正弦信號調(diào)節(jié)

齒輪減速電機轉(zhuǎn)動一定的角度，整個過程必然有加速、減速階段，電機加速過程需要快，便于電機啟動；高轉(zhuǎn)速時間可控，減少慣性影響；減速過程盡量柔和，便于電機執(zhí)行下個一動作。整個運動過程的較為符合正弦曲線。因此，方案一輸入信號的控制過程是將PWM信號和時間形成曲線模擬成正弦曲線的過程。

2.3 方案二：控制信號的線性調(diào)節(jié)

相對于正弦曲線的調(diào)節(jié)，線性調(diào)節(jié)更為簡單直接。設電機占空比的值為A,每一個PWM信號發(fā)送的時間為△t,在電機完成指定動作過程中，電機加速、勻速、減速需要的PWM[6]信號數(shù)分別為K1、K2、K3.共需要K個脈沖。則可以很容易地將電機的轉(zhuǎn)動過程進行分解控制。函數(shù)圖像如圖2所示：

圖2 電機轉(zhuǎn)動過程控制函數(shù)圖

加速階段：加速度：a1=A/(K1*△t);

減速階段：加速度：a2=A/(K3*△t);

通過調(diào)節(jié)K2更加靈活的調(diào)節(jié)電機控制信號高占空比帶來的電機高速運轉(zhuǎn)的時間，則電機轉(zhuǎn)動的路程S=1/2*(K1*△t*A)+ (K2*△t*A)+ 1/2*(K3*△t*A)。可以達到對電機PWM的精準調(diào)節(jié)，從而精確地控制電機。

綜合考慮，選擇方案二。

3 具體軟件實現(xiàn)

本設計選用了STM32F103ZET6單片機作為主控芯片，該芯片帶4個片選靜態(tài)儲存器的控制器，多達4個16位定時器，每個定時器有多達4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數(shù)的通道和增量編碼器輸入。本設計軟件程序主要讓單片機PD13引腳產(chǎn)生20kHz的脈沖信號，通過程序調(diào)節(jié)脈沖信號的占空比，調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，通過控制脈沖數(shù)，從而達到對電機角度的控制，再用PG14引腳控制電機轉(zhuǎn)動的方向，控制功能框圖如圖3所示：

圖3 控制功能框圖

3.1 中斷函數(shù)

如2.3節(jié)知，延時時間，也就是△t的準確性直接決定了電機轉(zhuǎn)動角度是否精確。定時器中斷相對于延時函數(shù)的優(yōu)勢在于，定時器中斷能夠保證△t的準確性，而延時函數(shù)在運行過程一旦產(chǎn)生其他中斷，就不能保證△t為延時函數(shù)設定的時間，故本設計采用定時器中斷對電機的控制函數(shù)進行處理，中斷觸發(fā)時間為1ms,其中配置中斷定時器為TIM5,搶占優(yōu)先級為0，響應優(yōu)先級為1，具體實現(xiàn)代碼如下：

void NVIC_Configuration(void)

{

NVIC_InitTypeDefNVIC_InitStructure;

#ifdef VECT_TAB_RAM

//向量表基地址選擇

NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_RAM, 0x0);

//將0x20000000地址作為向量表基地址(RAM)

#else

NVIC_SetVectorTable(NVIC_VectTab_FLASH, 0x0);

//將0x08000000地址作為向量表基地址(FLASH)

#endif

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_0);

//設置中斷組為2

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM5_IRQn;

//中斷事件為TIM5

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;

//搶占優(yōu)先級0

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;

//響應優(yōu)先級1

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;

//允許中斷

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

//根據(jù)指定參數(shù)初始化中斷寄存

}

3.2 核心控制算法

由2.3節(jié)可知，齒輪減速電機轉(zhuǎn)動角度的精確性由兩點保證。一是每一個PWM信號產(chǎn)生相隔的時間△t；二是對每一個控制信號的占空比的控制。如圖4所示，核心控制函數(shù)具體內(nèi)容由定時器中斷函數(shù)進行處理，充分保證了每一個△t的時間都是精準的。核心函數(shù)主要是對2.3節(jié)思想的具體的程序?qū)崿F(xiàn)，通過核心控制函數(shù)來控制電機轉(zhuǎn)動角度。

核心控制函數(shù)嵌套在定時器中斷函數(shù)里面，若定時器中斷產(chǎn)生，則運行控制函數(shù)，中斷結(jié)束，運行主函數(shù)內(nèi)容，如圖4所示：

圖4 控制函數(shù)設計流程圖

下面是核心函數(shù)具體代碼實現(xiàn)：

void Pwm_Set( uint16_t Time_Step,uint16_t Speed_Max ,uint16_t accelerator_step ,uint16_t uniform_step )

{

uint16_t Reducer_Step ,accelerator ,reducer; //設定減速脈沖數(shù)值、加速度、減速度

Reducer_Step =(Time_Step -accelerator_step -uniform_step);//計算減速步數(shù)

accelerator =(uint16_t ) (Speed_Max /accelerator_step); //計算加速度

reducer = (uint16_t)(Speed_Max /Reducer_Step); //計算減速度

if(step

{

Dutyfactor =Dutyfactor +accelerator;

if(Dutyfactor>=Speed_Max )

Dutyfactor =Speed_Max;

}

if((step>=accelerator_step)&&(step<=(accelerator_step+uniform_step))) //勻速

{

Dutyfactor = Speed_Max;

}

if((step >(accelerator_step +uniform_step)) &&(step <=Time_Step)) //減速

{

Dutyfactor=(Dutyfactor -reducer);

if(Dutyfactor<= 360)

Dutyfactor =0;

}

while(step >Time_Step) //當電機轉(zhuǎn)動到指定位置，反向轉(zhuǎn)動

{

step =0;

Dutyfactor =0;

direction++;

direction = (direction %2);

}

if(direction == 0)

GPIO_SetBits(GPIOG ,GPIO_Pin_14);

if(direction == 1)

GPIO_ResetBits(GPIOG ,GPIO_Pin_14);

}

Pwm_Set(uint16_t Time_Step,uint16_t Speed_Max ,uint16_t accelerator_step ,uint16_t uniform_step )函數(shù)為本設計算法的核心函數(shù)，Time_Step為設定完成動作所需要的的總的脈沖數(shù)，由上文2.3中可知，Time_Step相當于K,Speed_Max的值決定了電機最高轉(zhuǎn)速，Speed_Max最小值為0，電機最高占空比為0，最大值為3 600，此時電機的占空比為1. accelerator_step為電機完成指定動作加速達到最大轉(zhuǎn)速所需要的脈沖數(shù)，相當與2.3的K1, uniform_step為勻速轉(zhuǎn)動的脈沖數(shù)，相當于2.3中的K2.

在設定好函數(shù)的基本參數(shù)后，需要對電機控制的脈沖減速步數(shù)、電機的加速度、減速度進行計算。減速脈沖步數(shù)K3=K-K1-K2;加速度accelerator=(Speed_Max/accelerator_step); 減速度reducer=(uint16_t)(Speed_Max /Reducer_Step); Dutyfactor值決定了電機輸入信號的占空比。

計算完成后，程序分為3個階段對電機進行控制。

加速階段：在電機未達到最高速度時，Dutyfactor=Dutyfactor +accelerator;按照線性關(guān)系保持加速，達到或超過最大速度，保持設定最大速度。勻速階段：保持最高速度轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動時間可由uniform_step值確定。減速階段：Dutyfactor =(Dutyfactor-reducer);因為Dutyfactor的數(shù)據(jù)類型為無符號整型，所以防止數(shù)據(jù)小于0產(chǎn)生溢出，最小值不能為0，本設計采用的電機占空比小于10%時電機停止轉(zhuǎn)動，故最小值設置為360.本設計動作為電機進行指定角度正反轉(zhuǎn)，故寫了while(step>Time_Step)條件下的內(nèi)容。

Step數(shù)值的設定用于電機每產(chǎn)生一個PWM信號所間隔的時間，相當于2.3節(jié)的△t.Step數(shù)值的處理放在中斷函數(shù)中，中斷產(chǎn)生的時間為1ms.程序源碼如下：

void TIM5_IRQHandler(void)

{

if (TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_Update) != RESET)

//判斷中斷標志位是否為1；為1則中斷響應啦，0則沒有

{

TIM_ClearITPendingBit(TIM5,TIM_IT_Update); //清除TIMx的中斷待處理位:TIM1 中斷源

step++; //每進入一次中斷，Step加一；

Pwm_Set(250 ,1000,100 ,50);

}

}

通過以上程序，只需改變Pwm_Set()函數(shù)里面的參數(shù)，就可以對用PWM信號控制的電機進行較為精準的動作控制。本設計調(diào)節(jié)的幾個基本角度的參數(shù)如表1所示：

表1 調(diào)節(jié)電機角度參數(shù)圖

4 總結(jié)與展望

本設計通過較為簡單的線性算法思想，只需要調(diào)節(jié)函數(shù)基本參數(shù)，實現(xiàn)對電機的較為精確的角度控制，充分發(fā)揮齒輪減速電機大力矩和高集成度的優(yōu)勢，在單個電機動作的基礎上，若增加通信接口，可以實現(xiàn)用戶對多個電機的同時控制，有十分廣闊的應用前景。