基于μC／OS―III和ARM的空心杯電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

引言

空心杯電機(jī)在結(jié)構(gòu)上采用了無鐵芯轉(zhuǎn)子，克服了有鐵芯電動(dòng)機(jī)不可逾越的技術(shù)障礙，使其具備了更加突出的節(jié)能特性、靈敏方便的控制特性和穩(wěn)定的運(yùn)行特性。隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，電動(dòng)機(jī)的伺服特性要求不斷提高，空心杯電機(jī)以其高效率的能力轉(zhuǎn)換特性在很多應(yīng)用場(chǎng)合取得廣泛應(yīng)用。空心杯電機(jī)控制器需要對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行快速精確的閉環(huán)控制，其必須具備與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)串口通信、轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)采集、前饋PI控制及液晶屏顯示等多個(gè)功能。

目前，ARM內(nèi)核微控制器發(fā)展迅速，其性能高、耗電少、成本低，具備16/32位雙指令集。本文選用TI公司的基于Cortex—M4內(nèi)核的TM4C 123GH6PM芯片，該芯片最高具備80 MHz主頻，適用于高性能、低功耗的嵌入式控制領(lǐng)域。它具備多個(gè)高精度定時(shí)器，可以輸出多達(dá)16路互補(bǔ)且?guī)в兴绤^(qū)時(shí)間控制的PWM波形，滿足空心杯電機(jī)的控制需求。

μC/OS—III是一個(gè)可擴(kuò)展的、可固化的、搶占式第3代實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核。其對(duì)任務(wù)的個(gè)數(shù)無限制，提供了現(xiàn)代實(shí)時(shí)內(nèi)核所期望的所有功能，包括資源管理、同步、內(nèi)部任務(wù)交流等?？紤]到系統(tǒng)任務(wù)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的單任務(wù)循環(huán)式的程序控制模式難以滿足需求，本文采用了開放源碼的嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS—III實(shí)現(xiàn)空心杯電機(jī)控制器，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 控制器硬件設(shè)計(jì)

1.1 控制器硬件總體結(jié)構(gòu)

空心杯電機(jī)閉環(huán)控制器硬件結(jié)構(gòu)包括PWM驅(qū)動(dòng)電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、液晶顯示電路及USB轉(zhuǎn)串口電路等部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示?？刂破魍ㄟ^串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，接收上位機(jī)給出的期望轉(zhuǎn)速指令與控制參數(shù)。實(shí)際轉(zhuǎn)速經(jīng)過轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路由TM4C123GH6PM的定時(shí)器捕獲得到，在與期望轉(zhuǎn)速對(duì)比后得到轉(zhuǎn)速差，基于前饋PI控制輸出相應(yīng)PWM信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后供給空心杯電機(jī)。同時(shí)，液晶顯示器通過SPI接口與TM4C123GH6PM進(jìn)行通信，從而實(shí)時(shí)顯示實(shí)際轉(zhuǎn)速值。

1.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路采用一款雙通道橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)器DRV8833，該器件具有兩個(gè)H橋驅(qū)動(dòng)器，能夠驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)。每個(gè)H橋的輸出驅(qū)動(dòng)器模塊由N溝道功率組成，這些場(chǎng)效應(yīng)管被配置成一個(gè)H橋，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組。通過調(diào)節(jié)PWM的占空比，調(diào)整輸入電機(jī)端電壓的大小，進(jìn)而控制空心杯電機(jī)的轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，由于本文只需驅(qū)動(dòng)一個(gè)直流電機(jī)，因此將雙通道輸出并聯(lián)處理，以達(dá)到增大驅(qū)動(dòng)電流的效果。

1.3 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

空心杯電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路如圖3所示。在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上固定了一個(gè)輪齒，上面均勻分布了4個(gè)錯(cuò)開的齒。輪齒布置在一個(gè)對(duì)射光耦上，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)產(chǎn)生4個(gè)高低脈沖，該脈沖頻率表征轉(zhuǎn)速大小。

2 μC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)移植

在官網(wǎng)上下載已移植到TM4C129XL的μC/OS—III，基于此工程模板進(jìn)行修改，可以免除完全移植操作系統(tǒng)的繁瑣工作。由于該工程模板是針對(duì)TM4C129XL系列的，該系列的芯片主頻與TM4C123XL系列有所差別，因此需要在板級(jí)支持包(BSP)系統(tǒng)初始化文件中進(jìn)行修改，文件名為“BSP_SysInit”。將原系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置部分注釋掉，添加對(duì)應(yīng)于TM4C123GXL的配置代碼：

cpu_clk_freq=BSp_SysClkFreqGet();//確定systick參考頻率

SysCtlClockSet(SYSCTL_SYSDIV_16 | SYSCTL_USE_PLL |

SYSCTL_OSC_MAIN | SYSCTL_XTAL_16MHZ);//系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置

此處設(shè)置在原文件中需要多條語句才能完成，利用TI公司的設(shè)備驅(qū)動(dòng)庫函數(shù)可以高效便捷地完成設(shè)置。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 μC/OS-Ⅲ的任務(wù)分配

本控制器軟件需要實(shí)現(xiàn)的功能如下：

①上位機(jī)通過串口給定期望電機(jī)轉(zhuǎn)速和控制參數(shù);

②要求空心杯電機(jī)轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)并且具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，通過定時(shí)器捕獲實(shí)際轉(zhuǎn)速，并采用前饋PID算法調(diào)節(jié);

③液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速。

基于μC/OS—III的程序設(shè)計(jì)是將一個(gè)大的應(yīng)用程序分成多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)來完成。定義好每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)后，μC/OS-III內(nèi)核對(duì)這些任務(wù)進(jìn)行調(diào)度和管理。本程序設(shè)置OS時(shí)鐘節(jié)拍為50 Hz，共分為3個(gè)任務(wù)(AppTaskStart、MyTask1、MyTask2)，優(yōu)先級(jí)分別為2、12、13，具體的工作流程如圖4所示。其中，AppTaskStart為電機(jī)控制任務(wù)，主要負(fù)責(zé)進(jìn)行前饋PI控制，其延時(shí)1個(gè)節(jié)拍進(jìn)入就緒狀態(tài)，即相當(dāng)于20 ms執(zhí)行一次;MyTask1為上位機(jī)給定任務(wù)，負(fù)責(zé)串口接收，其延時(shí)2個(gè)節(jié)拍進(jìn)入就緒態(tài)，即相當(dāng)于40 ms執(zhí)行一次;MyTask2為液晶顯示任務(wù)，負(fù)責(zé)LCD顯示，其延時(shí)3個(gè)節(jié)拍進(jìn)入就緒態(tài)，即相當(dāng)于60 ms執(zhí)行一次。

3.2 電機(jī)控制任務(wù)

電機(jī)控制任務(wù)AppTaskStart達(dá)到就緒態(tài)后，讀取空心杯電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速。在實(shí)際測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)該電機(jī)的非線性特性較強(qiáng)，因此采用帶前饋量的PI控制，使電機(jī)轉(zhuǎn)速能在全范圍內(nèi)都能快速準(zhǔn)確地進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中，PWM前饋量由實(shí)際轉(zhuǎn)速插值取得，插值表在開環(huán)情況下標(biāo)定獲得。電機(jī)控制任務(wù)工作流程如圖5所示。

3.3 上位機(jī)給定任務(wù)

上位機(jī)給定任務(wù)MyTask1中，控制器通過串口接收上位機(jī)指令，接收內(nèi)容包括期望轉(zhuǎn)速及控制參數(shù)Kp與Ki。由于控制參數(shù)往往需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)反復(fù)整定，而且起初并不能確定其量級(jí)大小，為了快速方便地進(jìn)行控制參數(shù)整定，此處串口數(shù)據(jù)采取浮點(diǎn)數(shù)格式傳輸，相對(duì)于用整型數(shù)傳輸沒有精度損失。數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換具體代碼如下：