基于STM32 處理器的多通道交流舵機伺服系統(tǒng)設計

肖莉萍，徐志鵬，馬訢智，李志宇，周潔敏

（1.南京航空航天大學中小型無人機先進技術工信部重點實驗室，江蘇南京 210016；2.南京航空航天大學自動化學院，江蘇南京 210016；3.南京航空航天大學民航學院，江蘇南京 210016）

電動交流舵機廣泛應用于有人機和大型無人機中，具有占空間小、反饋速度快、質量輕等優(yōu)點[1-3]。舵機通過驅動舵面偏轉來控制飛機姿態(tài)，因此舵機的性能直接決定著飛機飛行過程的動態(tài)品質[4-6]。

從電動交流舵機的故障模式來看，多數(shù)是由于舵機控制系統(tǒng)的輸入電壓及舵機控制信號等參數(shù)漂移而導致的舵機動作不到位、超調量大等性能故障[7-9]。為解決上述問題，該設計選用以Cortex-M7為內核的STM32F767 作為主處理器，外擴LTC2600芯片和ADAS3022 芯片，通過成熟的接口電路設計實現(xiàn)對交流舵機的伺服控制以及舵機實時位置的采集。通過實驗驗證系統(tǒng)能夠有效跟蹤上位機給定的舵機位置控制信號且動態(tài)性能良好，同時能有效抑制內外部干擾，以確保舵機位置數(shù)據(jù)的準確性。

1 系統(tǒng)硬件電路設計

多通道交流舵機伺服系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示，系統(tǒng)主要由多通道交流舵機控制箱、上位機和交流舵機三部分組成，其中，核心單元為多通道交流伺服舵機控制箱。多通道交流伺服舵機控制箱主要包括基于STM32F767 處理器的主控板、功率驅動板以及信號線、電纜。在進行舵機控制實驗時需要外部提供交流115 V 電源、直流27 V 電源，交流115 V 直接給四個交流舵機供電，直流27 V 通過二次電源變換轉換成各芯片所需要的電壓。

圖1 舵機控制系統(tǒng)原理框圖

上位機通過RS232 串口與舵機控制箱進行數(shù)據(jù)交互，控制箱接收上位機發(fā)出的控制指令，主控板上的LTC2600 芯片通過D/A 轉換生成舵機控制的模擬量信號，舵機響應后能夠執(zhí)行并輸出不同的工作模態(tài)。主控板上的ADAS3022 芯片實時采集舵機位置并轉換為數(shù)字量信號傳輸給上位機。

1.1 主控板設計

1.1.1 主處理器選型

STM32F767 作為多通道交流舵機伺服系統(tǒng)的主處理器，它的主要任務是產(chǎn)生舵機控制的數(shù)字量信號、處理實時采集的舵機位置信號以及與上位機進行數(shù)據(jù)交互等。作為Cortex-M 系列處理器市場最大的占有者，STM32F767 憑借性能優(yōu)異、性價比高、本地化教程豐富等優(yōu)點迅速占領了國內外市場。該設計選用的STM32F767 是ST 推出的基于ARM Cortex-M7 內核的32 位處理器，其性能、運算處理能力較上一代有較大提升，能夠基本滿足多通道交流舵機伺服系統(tǒng)的設計需求[10-12]。

1.1.2 串口接口電路的設計

系統(tǒng)通過一路RS232 串口與上位機進行數(shù)據(jù)交互。由于STM32F767 主處理器的串口均為TTL 電平，所以通過主控板上集成的MAX3232 芯片，將TTL電平轉換成標準的232 電平，再用于通信。

1.1.3 舵機位置控制信號的產(chǎn)生

系統(tǒng)需要通過四路模擬量控制信號對四臺交流舵機進行控制，而STM32F767 主處理器只有兩路D/A轉換通道，不滿足控制要求，因此，在主控板上擴展一片高精度D/A芯片LTC2600，它能提供八通道16位D/A轉換通道，其供電電壓和基準電壓均為5 V。LTC2600芯片采用SPI接口與STM32F767 處理器通信，電路設計中需要采用MOSI（主輸出從輸入）、SCK（時鐘信號）和CS（片選信號）三線與STM32F767 處理器進行同步通信。

1.1.4 舵機實時位置信號的采集

系統(tǒng)需要對四臺舵機的實時位置進行采集，主控板上擴展一片高精度A/D 芯片ADAS3002，通過SPI 接口與STM32F767 處理器通信。

ADAS3022 芯片是一款完整的八通道、16 位、1 MSPS、逐次逼近型模數(shù)數(shù)據(jù)采集芯片，該芯片采用±15 V 電源供電。采用SPI與STM32F767 處理器通信，通過CS（片選信號）、MOSI（主輸出從輸入）、MISO（主輸入從輸出）和SCK（時鐘信號）組成四線式串行接口。此外，使用CNV（轉換控制信號）來控制A/D 轉換的進行，將其連接至主控板的STM32F767 處理器的對應IO口即可。

1.2 功率驅動電路設計

功率驅動板采用雙向可控硅作為舵機電機功率驅動器件，設計中采用直流信號綜合方式進行信號綜合與功率驅動放大，每塊電路板上集成了雙通道舵機驅動電路，以實現(xiàn)對電動交流舵機的閉環(huán)驅動控制，其原理框圖如圖2 所示。

圖2 功率驅動板原理框圖

2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)上電運行后，首先分別進行時鐘、串口、A/D和D/A 通道等初始化設置，在串口接收到來自上位機的舵機控制信號后，采用LTC2600 芯片的四路獨立D/A 通道實現(xiàn)模擬量輸出，以此驅動四個舵機同時動作；同時由ADAS3022 芯片的A/D 轉換通道采集各舵機的實時位置數(shù)字量信號，再通過數(shù)字濾波對數(shù)據(jù)進行處理，提高數(shù)據(jù)的抗干擾性，最后對數(shù)據(jù)進行編碼并通過RS232 串口發(fā)送到上位機，進行舵機位置信號的顯示與對比。

該設計采用模塊化的方式在Keil μVision5 開發(fā)工具中進行系統(tǒng)嵌入式軟件設計，其中包括底層驅動開發(fā)和嵌入式應用程序設計，該文主要介紹了串口通信模塊、舵機控制信號生成模塊和舵機實時位置采集模塊。總體軟件設計流程圖如圖3 所示。

圖3 總體軟件設計流程圖

2.1 串口通信模塊程序設計

該設計使用STM32F767 的USART1 串口，在進行電平轉換后用于和上位機進行數(shù)據(jù)交互，完成如下兩項任務：1）接收并解碼上位機給出的舵機控制指令數(shù)據(jù)；2）編碼并回傳舵機實時位置數(shù)據(jù)。

首先對串口進行底層引腳配置，然后對串口的寄存器進行設置，主要設置包括八位數(shù)據(jù)位、一位停止位、無校驗位、波特率115 200 bps。采用串口中斷的方式來接收上位機數(shù)據(jù)，中斷和狀態(tài)寄存器USART1_ISR 中的標志位RXNE 用于判斷是否接收到數(shù)據(jù)，然后逐個字節(jié)地從接收數(shù)據(jù)寄存器USART1_RDR 中讀取數(shù)據(jù)。接收過程中通過自定義的接收狀態(tài)標志位USART_RX_STA 來標記數(shù)據(jù)的接收是否都已完成。

在每一包數(shù)據(jù)接收完成后，需要對數(shù)據(jù)包進行解碼，首先通過幀頭兩個字節(jié)數(shù)據(jù)（0xEB 和0x90）判斷并定位一幀數(shù)據(jù)，再進行該幀數(shù)據(jù)校驗位的校驗，該設計采用和校驗的方法，若校驗通過則判斷該幀數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)，否則為無效數(shù)據(jù)，最后依次讀取有效數(shù)據(jù)包中的舵機控制指令信號，其中包括四個通道的舵機控制指令信號的類型、幅值以及周期。

2.2 舵機控制信號生成模塊程序設計

舵機控制信號生成模塊的設計需要使用STM32F767處理器的四個定時器，該設計采用定時器中斷的方式進行四路舵機控制數(shù)字量信號的生成[13]。首先通過上述解碼得到上位機數(shù)據(jù)獲得舵機控制指令信號的周期及幅值，通過時鐘預分頻系數(shù)psc和自動重裝值arr的選取，將定時器溢出時間設置為上位機給定信號周期值的千分之一，定時器溢出時間的計算方法如式（1）所示：

式中，F(xiàn)t為定時器的工作頻率，該處理器的工作效率為108 MHz。

一個完整周期的舵機位置控制信號需由1 000次中斷生成，每次進入定時器中斷處理函數(shù)，會產(chǎn)生該點舵機位置控制數(shù)字量信號，再通過LTC2600 的D/A轉換功能生成對應的模擬量信號。LTC2600 采用軟件模擬SPI 的方法與主控芯片進行通信，初始化時需要進行SCK、MOSI、CS 的底層引腳配置。

在進行D/A 轉換時，首先要將CS 拉低以選中該芯片，然后需在SCK 每個上升沿依次輸入轉換信號，轉換信號內容包括4 位功能位、4 位地址位和16 位待轉換的數(shù)字量信號，當16 位數(shù)字量信號被傳送到內部DAC 寄存器之后便自動開始轉換。經(jīng)過24 個SCK 上升沿后，LTC2600 芯片輸出對應的模擬量輸出信號，結束后將CS 拉高，輸出的模擬量信號用來驅動交流舵機工作。舵機控制信號生成模塊流程圖如圖4 所示。

圖4 舵機控制信號生成模塊流程圖

2.3 舵機位置采集模塊程序設計

該設計采用定時器中斷的方式進行舵機實時位置的采集及數(shù)據(jù)回傳，配置定時器溢出時間為20 ms，即ADAS3022 芯片進行舵機位置的采集的頻率為50 Hz。ADAS3022 芯片采用SPI 進行通信，初始化時需要進行SCK、MOSI、CS、MISO 的底層引腳配置。

在進行A/D 轉換時，首先將CS 拉低以選中該芯片，然后拉高CNV 引腳，CNV 的上升沿將ADAS3022芯片的狀態(tài)從跟蹤模式變?yōu)楸３帜Ｊ剑@便是啟動轉換所需的全部條件，由于CNV 維持高電平時間為低納秒級別，因此10 ns 后將CNV 引腳拉低，表示轉換完成。如果需要，可在每個SCK 上升沿通過MOSI 輸入16 位控制字CFG，控制字中包括轉換通道的選擇、各通道電壓范圍的配置等。在每個下降沿可獲得當前A/D 轉換后的數(shù)字量信號并通過MISO 將位置數(shù)據(jù)輸出給STM32F767 處理器，結束后需將CS 拉高。

在舵機位置數(shù)據(jù)采集完成后，需要將采集的舵機實時位置數(shù)據(jù)和上位機實時給定的舵機控制指令數(shù)據(jù)一同進行編碼并打包，最后通過USART1串口發(fā)送至上位機。舵機位置采集模塊流程圖如圖5 所示。

圖5 舵機位置采集模塊流程圖

2.4 數(shù)字濾波算法設計

在飛機復雜的電磁環(huán)境下，多通道交流舵機伺服系統(tǒng)中采集的舵機實時位置信號會摻雜少量干擾信號，影響數(shù)據(jù)的準確性。為了濾除干擾信號，提高舵機位置數(shù)據(jù)采集的精度和可靠性，該設計融合限幅濾波算法和滑動平均濾波算法這兩種算法，能夠對隨機脈沖干擾有明顯的抑制作用，且能獲得較為平滑的采樣數(shù)據(jù)曲線[14-15]。

首先進行限幅濾波，濾除明顯的脈沖干擾，限幅濾波具體算法如下：

該變壓器為某核電站一期核電廠發(fā)電機出口升壓變壓器，運行期間中性點采用直接接地的方式，中性點套管接線板通過銅片軟連接直接與接地母排相連和接入地網(wǎng)，在考慮中性點絕緣和爬距的前提下，選擇的中性點套管型號為Type 45N2000，額定電壓45kV，額定電流2000A，爬電距離1090mm。

1）將該次采樣周期舵機位置采樣值與上一個采樣周期采樣值作差，得到差值的絕對值；

2）將差值的絕對值和兩次采樣值之間允許的最大偏差閾值對比；

3）前者小則取原始采樣值為該次采樣周期的采樣值；

4）后者小則取上一個采樣周期采樣值為該次采樣周期的采樣值。

舵機位置采樣值y如式（2）所示：

式中，Y(n)為該次采樣周期采樣值；Y(n-1)為上一個采樣周期采樣值；A為兩次采樣值之間允許的最大偏差閾值。

1）開辟一個長度為N的隊列用于存儲N個連續(xù)的采樣數(shù)據(jù)，通過實驗確定該設計中的N取5；

2）新的采樣數(shù)據(jù)隊尾入隊，同時隊首數(shù)據(jù)出隊；

3）對隊列中的采樣數(shù)據(jù)求平均值[16]。

經(jīng)過上述步驟的濾波算法后，得到最終濾波后的舵機實時位置信號，等待數(shù)據(jù)打包并發(fā)送到上位機。

3 驗證與分析

在Visual Studio 搭建好的上位機軟件平臺上對多通道交流舵機伺服系統(tǒng)進行位置閉環(huán)驗證。驗證分為單通道性能驗證和四通道整體性能驗證，通過觀察上位機顯示界面中給定的舵機指令信號曲線與實時采集的舵機位置信號曲線，來驗證系統(tǒng)的控制性能及抗干擾性能。

3.1 單通道性能驗證

單通道性能驗證實驗中上位機給定舵機單通道指令：1）幅值為40°、周期為10 s 的方波信號；2）幅值為40°、周期為10 s 的正弦波信號，觀察舵機實時位置反饋情況。同時，將數(shù)字濾波前和濾波后的曲線進行對比，驗證數(shù)字濾波的效果。實驗波形如圖6-7 所示。

圖6 給定方波信號的跟隨曲線圖

觀察圖6 濾波后的舵機實時位置波形發(fā)現(xiàn)，起始零位存在很小的誤差，但在系統(tǒng)允許的誤差范圍內。在每個方波信號的階躍突變階段，由于舵機機械機構需要響應時間，實際測試中舵機在0.5 s 左右能夠達到給定的穩(wěn)定值，動態(tài)響應時間較短，幾乎無超調，無穩(wěn)態(tài)誤差，跟隨性良好。

觀察圖7 濾波后的波形發(fā)現(xiàn)，當給定信號為緩變信號-正弦信號時，舵機工作狀態(tài)穩(wěn)定，系統(tǒng)能夠快速響應上位機的控制指令。除了起始零位存在很小的誤差外，舵機的實時位置信號與給定信號基本重合，無超調，跟隨性好。

圖7 給定正弦波信號的跟隨曲線圖

將圖6、圖7 中濾波前與濾波后的舵機實時位置信號波形進行對比，可知文中的數(shù)字濾波算法可以比較明顯地削弱內外部干擾對舵機位置信號的影響，實驗能得到比較光滑的曲線，該系統(tǒng)的抗干擾性得到提升，確保了舵機實時位置信號的準確性。

3.2 四通道整體性能驗證

四通道性能驗證實驗中上位機給定四個通道如表1 所示的舵機控制指令，包括信號類型、幅值和周期，觀察各舵機實時位置反饋情況，實驗波形如圖8所示。

表1 四通道整體性能測試的給定信號

為了區(qū)分，圖中四通道舵機分別命名升降舵、左副翼、右副翼和方向舵。整體性能驗證中的實時位置反饋曲線均為濾波后的曲線。觀察圖8 可知，各通道舵機工作狀態(tài)穩(wěn)定，彼此之間基本無干擾，動態(tài)性能指標滿足設計要求，跟蹤性能良好。

圖8 四通道整體性能驗證的跟隨曲線圖

4 結束語

該文設計了一種基于STM32F767 處理器的多通道交流舵機伺服系統(tǒng)，其中包括了系統(tǒng)硬件電路設計、軟件算法設計及驗證平臺的搭建。實驗結果表明，該系統(tǒng)能夠快速響應外部控制指令，實現(xiàn)多通道交流舵機的閉環(huán)控制，同時能實時采集舵機位置信號并與上位機完成數(shù)據(jù)交互，系統(tǒng)的工作狀態(tài)穩(wěn)定，動態(tài)性能良好，同時能夠有效抑制內部及外部干擾，確保舵機位置數(shù)據(jù)的準確性。