DSP和ARM的音圈電機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

自從1966年美國(guó)首次將音圈電機(jī)(Voice Coil Motor，VCM)用于磁盤(pán)機(jī)之后，音圈電機(jī)便開(kāi)始進(jìn)入相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)70年代起，也逐步開(kāi)始研究音圈直線電機(jī)在某些領(lǐng)域的應(yīng)用，音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制器從傳統(tǒng)的模擬控制器逐步向數(shù)字控制器發(fā)展。現(xiàn)在電機(jī)數(shù)字控制器廣泛采用數(shù)字信號(hào)處理器(Digtal Signal Processor，DSP)，并合一些外圍電路來(lái)完成電機(jī)控制。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合和要求的不同，出現(xiàn)了一些新的數(shù)字控制器設(shè)計(jì)思想。參考文獻(xiàn)給出了一種基于DSP和FPGA的音圈電機(jī)數(shù)字控制器設(shè)計(jì)方法，用于驅(qū)動(dòng)電液伺服閥;參考文獻(xiàn)給出一種基于FPGA的音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方法，用于擺臂干涉儀中。

為滿足項(xiàng)目在控制性能和通信方式等方面的要求，提出了一種基于浮點(diǎn)DSP和ARM的音圈電機(jī)雙核驅(qū)動(dòng)控制器硬件結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)激光定位和掃描用音圈電機(jī)的位置伺服控制。根據(jù)DSP和ARM的特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行功能劃分和詳細(xì)的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)控制器采用DSP+ARM的結(jié)構(gòu)，與信號(hào)采集電路和功率驅(qū)動(dòng)電路配合共同完成音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。選用TI公司的32位浮點(diǎn)型DSP TMS320F28335作為主處理器，最高工作頻率為150 MHz;選用ST公司的32位互聯(lián)型產(chǎn)品ARM核STM32F107作為協(xié)處理器，最高工作頻率為72 MHz。選用高性能的集成H橋芯片LMD182000，結(jié)合其外圍電路構(gòu)成功率驅(qū)動(dòng)電路部分。選用集成芯片，一方面可以簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì);另一方面還可以提高電路設(shè)計(jì)的可靠性。位置信號(hào)檢測(cè)選用光耀博晨公司的20位絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器BCE105AK25M，分辨率為7.5角秒。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的要求以及DSP和ARM各自的特點(diǎn)，為了充分利用其資源，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的功能劃分和模塊化設(shè)計(jì)。

2.1 系統(tǒng)功能劃分

本課題來(lái)源于“地下金屬礦設(shè)備精確定位與智能導(dǎo)航”項(xiàng)目，擬通過(guò)二維激光定位和導(dǎo)航基站對(duì)地下金屬礦設(shè)備進(jìn)行精確定位和導(dǎo)航，音圈電機(jī)用于二維基站俯仰方向激光的定位和掃描。系統(tǒng)除了要完成音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，還需要完成水平方向電機(jī)的位置環(huán)控制算法，并與地下金屬礦設(shè)備(以下簡(jiǎn)稱上位機(jī))之間進(jìn)行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換。課題中，音圈電機(jī)的型號(hào)為VARS0022—032～00A，主要參數(shù)如下：總行程為32°，最大輸出轉(zhuǎn)矩為0.22 N·m，最大電流為1.4 A，最大電壓為15.5 V。

TMS320F28335是32位浮點(diǎn)型數(shù)字處理器，指令周期約為6.67 ns，適合復(fù)雜高速的計(jì)算。STM32F107是意法半導(dǎo)體的互聯(lián)型系列微控制器產(chǎn)品，集成了很多高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口。其中，包括兩個(gè)12位A/D(模數(shù))轉(zhuǎn)換器、1個(gè)以太網(wǎng)10/100 Mbps MAC模塊、3個(gè)SPI接口。系統(tǒng)中DSP主要完成系統(tǒng)初始化、位置控制算法，ARM主要完成PWM波產(chǎn)生、A/D采集控制、電流環(huán)計(jì)算、以太網(wǎng)通信、電機(jī)限位和過(guò)流保護(hù)，以及DSP之間的數(shù)據(jù)交換等。從DSP的角度，ARM可以看做是其協(xié)處理器。系統(tǒng)控制功能劃分圖如圖2所示。

2.2 ARM功能設(shè)計(jì)

根據(jù)2.1節(jié)中的功能劃分，來(lái)介紹ARM部分功能模塊的設(shè)計(jì)。

2.2.1 PWM模塊設(shè)計(jì)

STM320F107具有一個(gè)16位的可產(chǎn)生電機(jī)控制PWM波的定時(shí)器，能設(shè)置死區(qū)時(shí)間，同時(shí)還能進(jìn)行急停處理，因此采用STM320F107定時(shí)器模塊的增減計(jì)數(shù)器、比較寄存器和比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM波的產(chǎn)生。為了防止功率驅(qū)動(dòng)電路中上下管直通造成電源短路，可以通過(guò)配置定時(shí)器模塊的死區(qū)寄存器，在PWM信號(hào)中加入死區(qū)，使同相的上下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)錯(cuò)開(kāi)一個(gè)死區(qū)時(shí)間，防止功率器件短路。PWM模塊與LMD182000功率驅(qū)動(dòng)電路配合使用，即可完成音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。功率驅(qū)動(dòng)芯片LMD182000只需要來(lái)自ARM的3個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，分別是PWM信號(hào)、方向信號(hào)、剎車(chē)信號(hào)。

2.2.2 通信接口模塊設(shè)計(jì)

串行外設(shè)接口(SPI)是TMS320F28335中一個(gè)高速同步的串行輸入/輸出接口，允許可編程位長(zhǎng)的串行位流以可編程的位傳輸率移入或移出設(shè)備。DSP和ARM之間采用SPI進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，連接方式如圖3所示。

SPI可以工作于主控制器模式，也可以工作于從控制器模式，工作模式?jīng)Q定了SPICLK信號(hào)的來(lái)源。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)DSP為主控制器，控制SPICLK(時(shí)鐘)信號(hào)引腳，為整個(gè)串行通信網(wǎng)絡(luò)提供串行時(shí)鐘，可以在任何時(shí)刻啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)將從SPISIMO(從控制器輸入，主控制器輸出)引腳輸出，并鎖存SPISOMI(主控制器輸入，從控制器輸出)引腳輸入的數(shù)據(jù)。而SPISTE引腳作為從SPI控制器的片選控制信號(hào)，主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)給從控制器之前將SPISTE引腳置為低電平，待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后再將SPISTE引腳置為高電平。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與其他數(shù)字設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和交換，還設(shè)計(jì)了CAN、100 Mbps以太網(wǎng)接口等。

2.2.3 電機(jī)限位和過(guò)流保護(hù)

考慮到系統(tǒng)運(yùn)行安全，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行限位和過(guò)流保護(hù)設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)通過(guò)軟件監(jiān)控來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。過(guò)流保護(hù)，即把每次采樣的電流和允許的最大電流值進(jìn)行比較，當(dāng)采樣值大于最大電流值時(shí)，對(duì)功率電路進(jìn)行管理。有兩種處理方法：其一，直接封鎖PWM信號(hào)，關(guān)斷功率電路的各功率管，并給出過(guò)流指示;其二，功率驅(qū)動(dòng)芯片LMD182000自帶剎車(chē)功能，只需通過(guò)ARM使能LMD182000的剎車(chē)引腳，便可使功率管處于關(guān)斷狀態(tài)，然后給出過(guò)流指示。限位保護(hù)，即把每次采集到的實(shí)時(shí)值和目標(biāo)指令值分別與設(shè)定極限值比較，若實(shí)時(shí)位置超出設(shè)定極限值，且目標(biāo)指令值在極限值之內(nèi)，則利用位置環(huán)使其跟隨目標(biāo)值。若目標(biāo)指令值超出設(shè)定極限值，則把極限值設(shè)為新的目標(biāo)指令值。

2.3 DSP軟件設(shè)計(jì)

按照系統(tǒng)的功能劃分，主要的控制和通信功能已由ARM來(lái)完成，DSP主要完成系統(tǒng)初始化、通信、位置控制算法。DSP的軟件設(shè)計(jì)遵循自上而下的思路，按功能劃分了軟件模塊。DSP程序包括：主程序、系統(tǒng)初始化子程序、定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序等。