基于Wujian100多功能電機(jī)控制系統(tǒng)的研究*

作者簡(jiǎn)介：陳岳海(2000—)，廖墀坤、張涵(1999—)，陳少真、陳星如(1998—)，男，主要從事集成電路設(shè)計(jì)、自然語(yǔ)言處理、信號(hào)處理的研究、或器件仿真等的學(xué)習(xí)與研究。

摘要：本文提出基于Wujian100 開(kāi)源SoC平臺(tái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)多功能、高精度的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)使用自適應(yīng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法，可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制參數(shù)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。搭配梯形加減速、SPTA以及電機(jī)速度控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和速度的控制。搭載溫濕度傳感器、電壓電流檢測(cè)模塊、電機(jī)表面溫度測(cè)量裝置等來(lái)保證電機(jī)工作環(huán)境的適宜性。本系統(tǒng)在基于對(duì)單個(gè)電機(jī)精確控制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)三軸電機(jī)的多功能控制，包括角度和速度。此外為實(shí)現(xiàn)本地離線和遠(yuǎn)程在線控制，系統(tǒng)通過(guò)串口觸摸屏、WiFi傳輸模塊，搭配阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了多種人機(jī)控制界面，均可進(jìn)行多功能控制。

0   引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)以及自動(dòng)控制領(lǐng)域的發(fā)展，以智能化為代表的機(jī)器人在社會(huì)的各行各業(yè)影響到我們，并發(fā)揮了神奇的力量。在各領(lǐng)域中，涉及自動(dòng)化控制的系統(tǒng)，均與電機(jī)的控制相關(guān)，尤其在高精度系統(tǒng)中，要求電機(jī)控制精度非常高。由此，研究高精度、高效率、成本低的電機(jī)控制系統(tǒng)非常必要。

Wujian100 SoC 平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，自適應(yīng)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID、梯形加減速、SPTA、電機(jī)速度閉環(huán)控制算法。最終實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的搭建，包括硬件結(jié)構(gòu)、軟件結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)仿真和調(diào)試。

1   電機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 電機(jī)控制方式

本系統(tǒng)采用57 式兩相四線步進(jìn)電機(jī)，使用DM860電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)400~40 000 細(xì)分，在本系統(tǒng)中使用1 600 細(xì)分的精度，驅(qū)動(dòng)器有三種控制信號(hào)：PUL、DIR、ENA。PUL 可控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，每一個(gè)步進(jìn)電機(jī)都有固定的步距角，即一個(gè)脈沖信號(hào)電機(jī)會(huì)運(yùn)行一步，通過(guò)細(xì)分技術(shù)可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈所需的步數(shù)，即改變所需脈沖個(gè)數(shù)^[1]。在細(xì)分?jǐn)?shù)不變的情況下，PUL 的頻率決定了電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速率，PUL 的脈沖個(gè)數(shù)決定了電機(jī)運(yùn)行的步數(shù)。DIR 信號(hào)決定了電機(jī)運(yùn)行的方向，ENA 決定了電機(jī)的鎖定狀態(tài)，在通電后，電機(jī)會(huì)被鎖定不可擰動(dòng)，只能通過(guò)ENA 信號(hào)解除鎖定狀態(tài)。因此，通過(guò)調(diào)整PUL 脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)和頻率，即可以完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，本系統(tǒng)的電機(jī)控制研究均基于此原理。

1.2 電機(jī)控制系統(tǒng)總體方案

本步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)基于Wujian100 綜合、實(shí)現(xiàn)、生成的Bit 流文件，配置Xilinx 的A7200T 的FPGA 開(kāi)發(fā)板，搭配57 步進(jìn)電機(jī)開(kāi)發(fā)，以自適應(yīng)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 算法為核心算法。搭載WiFi 傳輸模塊、Usart-GPU串口屏等模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的加減速、正反轉(zhuǎn)以及角度的精確控制，并可通過(guò)繼電器模塊實(shí)現(xiàn)開(kāi)閉環(huán)的控制選擇。在應(yīng)用擴(kuò)展上，基于該系統(tǒng)使用三個(gè)步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)三軸控制?？刂扑惴ü膊捎昧碎_(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩套控制算法，分別是SPTA 和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 算法。人機(jī)交互控制界面是將阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、安卓APP、串口觸摸屏有機(jī)地結(jié)合在一起，可實(shí)現(xiàn)云端互聯(lián)，通過(guò)APP操縱電機(jī)，或者直接利用串口屏進(jìn)行操縱（如圖1）。

圖1 電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)物圖

2   控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)

2.1 電機(jī)控制單元的選擇

主控平臺(tái)選擇面向AIoT 的國(guó)內(nèi)首個(gè)開(kāi)源SoC 平臺(tái)——Wujian100，搭載基于RISC-V CPU 架構(gòu)的玄鐵902 處理器，提供了UART、SPI、PWM 等多種外設(shè)以及驅(qū)動(dòng)，并在AHB、APB 總線上提供了dummy 接口，可實(shí)現(xiàn)將自主設(shè)計(jì)的IP 模塊集成到該SoC 平臺(tái)。

圖2 控制單元俯視圖

2.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)的搭建

本系統(tǒng)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)信號(hào)采集使用龍邱mini4096 線增量式光電編碼器，輸出AB 相正交信號(hào)。該編碼器在10 00 rpm 的高速條件下不會(huì)發(fā)生丟步情況，且轉(zhuǎn)動(dòng)一圈AB相均會(huì)輸出4 096 個(gè)脈沖，則精度達(dá)到了0.087 9°/脈沖，當(dāng)對(duì)脈沖進(jìn)行4 倍頻，脈沖計(jì)數(shù)會(huì)達(dá)到16 384 個(gè)，精度會(huì)達(dá)到0.021 9°/ 脈沖，滿足實(shí)現(xiàn)搭建高精度位置、速度可控的電機(jī)控制系統(tǒng)。

2.3 外圍傳感器構(gòu)成的電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中使用DHT11 溫濕度模塊、高精度電壓電流檢測(cè)模塊和磁吸式K 型熱電偶電機(jī)測(cè)溫模塊等傳感器，以組成電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。溫/ 濕度傳感器主要負(fù)責(zé)對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷環(huán)境是否滿足電機(jī)工作條件。高精度電壓、電流檢測(cè)模塊用于檢測(cè)電機(jī)在工作狀態(tài)時(shí)的電壓電流值，判斷電機(jī)是否工作在正常狀態(tài)。磁吸式K 型熱電偶測(cè)溫模塊則用于檢測(cè)在電機(jī)工作時(shí)的表面溫度，防止電機(jī)溫度過(guò)高。綜上，多個(gè)傳感器有機(jī)結(jié)合在一起，保證電機(jī)的安全運(yùn)行。

2.4 三軸電機(jī)擴(kuò)展控制

本系統(tǒng)在基于單軸電機(jī)控制的基礎(chǔ)上，進(jìn)行三軸電機(jī)的擴(kuò)展開(kāi)發(fā)應(yīng)用^[2]，使用三個(gè)步進(jìn)電機(jī)，組成仿機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，三個(gè)電機(jī)分別對(duì)應(yīng)控制X、Y、Z 軸，三個(gè)軸的控制是互相獨(dú)立的，但又可作為一個(gè)整體來(lái)控制，使用三套不同的控制算法，位置控制分別是自適應(yīng)PID 算法、增量式PID 算法和SPTA 算法，速度控制算法均采用閉環(huán)速度PID?？稍诖谟|摸屏、阿里云IoT Studio網(wǎng)頁(yè)端、安卓APP 端實(shí)現(xiàn)對(duì)三軸電機(jī)的各種控制。

3   SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 內(nèi)存擴(kuò)展

在實(shí)際應(yīng)用中， 為了防止Wujian100 的內(nèi)存不足，在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)項(xiàng)目初期對(duì)Wujian100 內(nèi)存進(jìn)行了擴(kuò)展，在AHB 總線上預(yù)留的兩個(gè)dummy 接口（imemdummy 和dmemdummy） 上來(lái)擴(kuò)展ISRAM 及DSRAM，對(duì)應(yīng)的設(shè)備是s1 和s5，防止因平臺(tái)內(nèi)存不足而產(chǎn)生其他問(wèn)題。

3.2 正交解碼脈沖計(jì)數(shù)器IP設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)是輸入AB 相信號(hào)的所有邊沿都會(huì)進(jìn)行采樣，首先對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波，然后采用正交信號(hào)的四倍頻技術(shù)，因此處理后只需要判斷當(dāng)前兩個(gè)信號(hào)組成的數(shù)字值與上一次是否相等，如果不等便需要進(jìn)行判斷，首先得出當(dāng)前轉(zhuǎn)動(dòng)方向，然后與設(shè)定方向比較，判斷計(jì)數(shù)器是進(jìn)行加運(yùn)算還是減運(yùn)算。最后通過(guò)功能仿真，編寫IP 模塊接口，將其集成到Wujian100 的APB總線上，便可以通過(guò)總線訪問(wèn)IP 內(nèi)部寄存器。

圖3 IP模塊接口

4   控制算法設(shè)計(jì)

4.1 BP神經(jīng)網(wǎng)路自適應(yīng)調(diào)整PID算法

基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示?？刂破饔蓛刹糠纸M成：①經(jīng)典的PID 控制器：直接對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行閉環(huán)控制，并且三個(gè)參數(shù)Kp、Ki、Kd 為在線調(diào)整方式^[3]。② BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)節(jié)PID 控制器的參數(shù)，以其達(dá)到某種性能指標(biāo)的最優(yōu)化，即使輸出層神經(jīng)元的輸出狀態(tài)對(duì)應(yīng)于PID 控制器的三個(gè)可調(diào)參數(shù)Kp、Ki、Kd，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自身學(xué)習(xí)、加權(quán)系數(shù)調(diào)整，從而使其穩(wěn)定狀態(tài)對(duì)應(yīng)于某種最優(yōu)控制規(guī)律下的PID 控制器參數(shù)^[4]。

圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法結(jié)構(gòu)

4.2 SPTA加減速算法

SPTA 算法是以時(shí)間計(jì)算為中心，根據(jù)時(shí)間來(lái)計(jì)算運(yùn)動(dòng)步數(shù)相關(guān)參數(shù)，它的做法是將步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間分割成若干個(gè)合適的時(shí)間片段，在每個(gè)時(shí)間片段計(jì)時(shí)達(dá)到后，它都將速度參數(shù)加到位置參數(shù)上，如果位置參數(shù)溢出，則輸出一個(gè)脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行一步，速度參數(shù)根據(jù)加速度參數(shù)和時(shí)間的改變而改變。隨著時(shí)間推移，速度參數(shù)越來(lái)越大，位置參數(shù)溢出頻率越來(lái)越高^[5]，則步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率也越來(lái)越高。

4.3 電機(jī)速度控制算法

速度控制算法基于閉環(huán)控制，系統(tǒng)設(shè)定20 ms 采集一次編碼器的計(jì)數(shù)值。利用M 法測(cè)速，可以得出當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速。再通過(guò)經(jīng)典的速度環(huán)控制，使電機(jī)達(dá)到對(duì)應(yīng)的速度。速度控制可實(shí)現(xiàn)達(dá)到指定速度、停止運(yùn)行以及實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的反轉(zhuǎn)等功能，其中也包括了三軸電機(jī)的控制，在反轉(zhuǎn)的過(guò)程，首先讓電機(jī)停止，然后繼續(xù)反向加速到指定速度。

圖5 豐富的控制界面

5   總結(jié)與展望

本文從需求出發(fā)，介紹了一個(gè)基于Wujian100 平臺(tái)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)。首先介紹研究背景，接著以整體系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)為基礎(chǔ)介紹電機(jī)的整體方案設(shè)計(jì)，再以電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)介紹SoC 系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)整篇文章的介紹，可知系統(tǒng)采用了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)PID 算法，搭配SPTA、梯形加減速等工業(yè)界使用較多的步進(jìn)電機(jī)控制算法。難點(diǎn)主要是在Wujian100 平臺(tái)上搭建了一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)誤差反向傳播，適時(shí)調(diào)整權(quán)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID 的參數(shù)Kp，Ki，Kd的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。同時(shí)結(jié)合閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單軸、三軸電機(jī)的高精度速度控制，并搭配阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，設(shè)計(jì)多種人機(jī)控制方案，使整個(gè)系統(tǒng)控制方式更加豐富。到目前為止，一個(gè)高精度、反應(yīng)速度快的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)基本完成。

但是由于只是實(shí)現(xiàn)了基本功能，所以還有很多后續(xù)研究工作可以開(kāi)展，例如后續(xù)將繼續(xù)完善拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使步進(jìn)電機(jī)的反應(yīng)更加靈敏，提高精度，以及完善APP。機(jī)械控制涉及生活的方方面面，本系統(tǒng)有較好的移植性，是機(jī)械精準(zhǔn)度控制不可缺失的一部分，可移植到如云臺(tái)、機(jī)械臂、智能機(jī)器人等精確控制的領(lǐng)域中，后續(xù)的開(kāi)發(fā)工作我們也將繼續(xù)進(jìn)行下去。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年1月期）