基于F2806 處理器單軸運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

李軍科， 戴 明， 吳建軍

(1.江蘇省無(wú)線傳感系統(tǒng)應(yīng)用工程技術(shù)開(kāi)發(fā)中心，江蘇 無(wú)錫214153，2. 無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子系，江蘇 無(wú)錫214153)

0 引 言

在工業(yè)自動(dòng)化控制中，經(jīng)常會(huì)有關(guān)于單軸運(yùn)動(dòng)控制的問(wèn)題.目前解決此類問(wèn)題的方案一般有用工控機(jī)、單片機(jī)或?qū)Ｓ玫膯屋S控制器做控制單元。工控機(jī)與專用單軸控制器成本較高。

單片機(jī)速度較慢，無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法控制［1-2］。數(shù)字信號(hào)控制器DSC 則集成傳統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理器DSP和控制器的優(yōu)點(diǎn)，目前已成為運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的核心控制單元，其突出特點(diǎn)就是系統(tǒng)軟件化，在硬件不做任何改動(dòng)情況下，通過(guò)改變軟件就可以實(shí)現(xiàn)各種不同的控制功能［3］。

基于省大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新大賽實(shí)踐，在相關(guān)專業(yè)教師與學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的共同參與下，共同完成了DSC 平臺(tái)(TMS320F2806)的單軸運(yùn)動(dòng)控制教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)。上位機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制器、運(yùn)動(dòng)單元模塊化設(shè)計(jì)使得單軸控制器平臺(tái)在課程教學(xué)與工業(yè)應(yīng)用之間得到很好的平衡。有助于創(chuàng)新性人才培養(yǎng)和校企合作項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主控制芯片選擇TMS320F2806 處理器，這是一顆基于TMS320C2xx 內(nèi)核的定點(diǎn)DSP，是集成度較高、性能較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制系列器件。F2806 相比F2812 提供了增強(qiáng)型外設(shè)模塊ePWM、eCAP 和SCI［3］。內(nèi)核與I/O 電壓為1.8 V 與3.3 V，分別由+5 V 經(jīng)ASM117-1.8、AMS1117-3.3 提供。系統(tǒng)外部輸入+24 V 直流電源由LM2574 組成的BUCK 開(kāi)關(guān)電路變換為+5 V 電壓提供TB6560 及相關(guān)隔離芯片。外部20 MHz 無(wú)源時(shí)鐘頻率經(jīng)內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻后可達(dá)100 MHz。片內(nèi)32 kB 的Flash 提供用戶存儲(chǔ)指令與數(shù)據(jù)。EPWM1/2/3 定義為T(mén)B6560 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的脈沖、方向與使能信號(hào)。ECAP 則用來(lái)對(duì)限位傳感器信號(hào)捕獲。SCI 口采用RS232 串行通訊協(xié)議與上位機(jī)MSCOMM 控件接口。光藕隔離與邏輯變換電路主要完成F2806、TB6560 及其他器件之間電平轉(zhuǎn)換［5-6］。

圖1 基于F2806 與TB6560 芯片的單軸運(yùn)動(dòng)控制教學(xué)平臺(tái)

TB6560 是東芝公司推出的低功耗、高集成兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部集成雙全橋MOSFET 驅(qū)動(dòng);最高耐壓40 V，單相輸出最大電流3.5 A(峰值)。基于恒流斬波驅(qū)動(dòng)原理，采用正弦波作為細(xì)分驅(qū)動(dòng)的電流波形，具有整步、1/2、1/8、1/16 細(xì)分方式，能改善步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)低頻噪聲偏大，高速丟步的缺點(diǎn)。

運(yùn)動(dòng)單元采用主流高科技傳動(dòng)器件—滾珠絲桿和直線導(dǎo)軌。滾珠絲杠包括螺桿、螺帽、循環(huán)系統(tǒng)及鋼珠，其功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為線性運(yùn)動(dòng)，具有高精度、高速度、可逆性等特點(diǎn);直線導(dǎo)軌是一種滾動(dòng)導(dǎo)引，由鋼珠在滑塊與滑軌之間作無(wú)限滾動(dòng)循環(huán)，負(fù)載平臺(tái)能沿著滑軌輕易地以高精度做線性運(yùn)動(dòng)，與傳統(tǒng)的滑動(dòng)導(dǎo)軌相比較，因滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)可降至原來(lái)的1/50，由于起動(dòng)的摩擦力大大減少，相對(duì)的無(wú)效運(yùn)動(dòng)較少，故能輕易地做到μm 級(jí)進(jìn)給和定位。

2 TB6560 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

考慮性價(jià)比與教學(xué)要求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于東芝公司TB6560 芯片的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，如圖2 所示。F2806 主控制器EPWM 模塊送出的脈沖、方向與使能信號(hào)由74HC245 作3.3 ～5 V 的電平轉(zhuǎn)換。光耦隔離電路設(shè)計(jì)采用TLP2531 和PC817 芯片。TLP2531 是一款用于兩通道的高速光耦合器，由光敏二極管、高增益線性運(yùn)放及肖特基鉗位的集電極開(kāi)路的三極管組成，具有溫度補(bǔ)償、電流和電壓補(bǔ)償、高的輸入輸出隔離等功能，用來(lái)隔離CLK 和CW 信號(hào)。TLP521 是普通光耦隔離器，用來(lái)隔離ENABLE 信號(hào)。針對(duì)步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)的振動(dòng)大、噪聲大等缺點(diǎn)，可采用電流的細(xì)分、衰減模式的設(shè)置來(lái)改善。細(xì)分的原理本質(zhì)是通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組中電流使步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部合成磁場(chǎng)為均勻的圓形磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分。通過(guò)繞組中電流的細(xì)分改善了步進(jìn)電機(jī)低頻運(yùn)行時(shí)振動(dòng)大的缺點(diǎn)。不同衰減模式設(shè)置則減少了步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的高頻噪聲，改善了系統(tǒng)性能［7］。

圖2 TB6560 兩相四線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

TB6560 提供了整步、半步、1/8、1/16 微細(xì)分設(shè)置。NFA/B 管腳外接無(wú)感電阻對(duì)輸出電流控制，I =1/NFR，阻值大小分別為1. 2 Ω、330 mΩ、500 mΩ。M0、Protect 管腳用做工作狀態(tài)與保護(hù)指示;Reset 為復(fù)位管腳，低電平有效;OSC 管腳所接電容大小決定斬波頻率大小。推薦100 ～1 000 pF 對(duì)應(yīng)斬波頻率40 ～400 kHz。DCY1/DCY2 外接撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置電流衰減模式為0，25%，50%，100%。

為了減小電機(jī)發(fā)熱，在電機(jī)正常工作時(shí)設(shè)置輸出電流最大，不工作時(shí)電流減半或更小。設(shè)置步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)“自動(dòng)半流”功能。選擇單穩(wěn)態(tài)可重復(fù)觸發(fā)芯片74HC123 檢測(cè)CLK 信號(hào)。TQ2 接74HC123 反向輸出。當(dāng)電機(jī)正常工作時(shí)TQ2 是低電平，電流維持在NFA/B 管腳設(shè)定值100%。無(wú)脈沖輸入時(shí)，TQ2 是高電平。TQ1 與TQ2 不同狀態(tài)決定當(dāng)前工作電流大小。外接電壓為不超過(guò)40 V，推薦+24 V。輸入端加保險(xiǎn)絲與壓敏電阻保護(hù)與濾波。電流大小、衰減模式以及自動(dòng)半流設(shè)置可通過(guò)試驗(yàn)板撥碼開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)表1、2。

表1 撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置

表2 電流開(kāi)關(guān)設(shè)置

3 串行通訊與E2PROM 掉電存儲(chǔ)電路

系統(tǒng)設(shè)計(jì)MAX3232 串行通訊電路作為控制器與上位PC 機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，見(jiàn)圖3。MAX3232 收發(fā)器采用專有的低壓差發(fā)送器輸出級(jí)。利用雙電荷泵在3 ～5 V 電源供電時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)真正的RS232 性能。器件外部?jī)H需要4 個(gè)0.1UF 小尺寸電荷泵電容，可以確保在120 kb/s 數(shù)據(jù)傳輸速率下維持RS232 輸出電平。MAX3232 引腳、封裝和功能與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MAX232 兼容。F2806 提供了SCI-A/B 兩路串行通訊接口可以實(shí)現(xiàn)DSP 與PC 機(jī)數(shù)據(jù)交換。圖3 中232TX、232RX 分別連接SCITXD、SCIRXD。T1、R1 與試驗(yàn)板載DB9 母頭的發(fā)送、接收管腳相連［8］。

圖3 MAX3232 串行通訊電路

另外，考慮運(yùn)動(dòng)控制單元在工作過(guò)程中掉電或意外發(fā)生時(shí)電機(jī)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)位置記錄問(wèn)題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了AT24C256 掉電存儲(chǔ)保護(hù)電路。AT24C256 是I2C 總線接口的E2PROM，其存儲(chǔ)容量為256 kB，按字節(jié)方式組成了32 kByte 的內(nèi)部存儲(chǔ)空間。通過(guò)SCL、SDA 與F2806 處理器的I2C 接口。

4 加減速算法

在單軸的運(yùn)動(dòng)控制中，需要作頻繁的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)，若不作任何軌跡規(guī)劃處理，在很多場(chǎng)合是不理想的，達(dá)不到工藝加工的要求，其應(yīng)用將受到很大的限制。常見(jiàn)的步進(jìn)電機(jī)速度曲線有梯形曲線以及S 形曲線［9］。

梯形曲線給定3 個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù):位置給定step 、最大速度speed 以及加速度accel/dccel。如圖4 所示，梯形曲線分為3 個(gè)階段:第1 階段。勻加速段，速度按照設(shè)定的加速度值accel 從零加速到最大速度speed;第二階段。勻速段，加速度值為零，速度保持已達(dá)到的最大速度運(yùn)行;第三階段。勻減速段，按設(shè)定的加速度減速到零，同時(shí)到達(dá)目標(biāo)位置。

圖4 梯形加減速曲線

S 形曲線給定4 個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù):位置給定P _ref、最大速度maxv、最大加速度maxa 以及加加速度Jerk。如圖5 所示，規(guī)則的S 形曲線分為7 個(gè)階段:前3 個(gè)階段為加速段，后3 個(gè)階段為減速段，加速段和減速段相互對(duì)稱，第4 個(gè)階段為勻速段。在第1 階段。加加速段，加速度從零開(kāi)始，以設(shè)定的最大加速度maxa 為目標(biāo)，以加加速度Jerk 為增量遞增，直到達(dá)到最大加速度為止。在第2 階段。勻加速段，加加速度為零，以最大加速度加速到第3 段。在第3 階段。減加速段，按負(fù)的加加速度使加速度減為零值，同時(shí)使速度達(dá)到最大值maxv，至此完成加速段過(guò)程。在第4 階段勻速運(yùn)行，加速度和加加速度都為零以最大值maxv 運(yùn)行。第5、6、7 階段依次為加減速段、勻減速段和減減速段，降速過(guò)程與之前的加速過(guò)程完全對(duì)稱。

本系統(tǒng)采用在線梯形加減速算法［10-11］。設(shè)梯形曲線中脈沖時(shí)間間隔分別為c0tp，c1tp，c2tp，…。這里cn是按處理器片內(nèi)定時(shí)器確定的計(jì)數(shù)值，tp是計(jì)數(shù)器的周期，單位是s。下式給出了加速、減速階段脈沖間隔計(jì)算。其中:α 為步距角;加速度w－是常數(shù);初始

圖5 S 型加減速曲線

若設(shè)置電機(jī)啟動(dòng)后2 s 加速到240 r/min，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)頻率為100 MHz，固定電機(jī)為16 細(xì)分，則w－=4πrad/s2，a=2π/3200 rad，c0=1 767 766。

5 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

5.1 VB6.0 平臺(tái)上位機(jī)界面

上位PC 機(jī)的子程序用Visual Basic 語(yǔ)言編寫(xiě)，功能是通過(guò)Mscomm 控件發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制指令和接收位置信息數(shù)據(jù)，如圖6 所示。Mscomm 控件是Microsoft 公司提供串行通信編程的ActiveX 控件，它為應(yīng)用程序提供了通過(guò)串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單方法。Mscomm控件提供了事件驅(qū)動(dòng)處理通信的機(jī)制，類似一般程序的中斷方法，當(dāng)串口發(fā)生事件或錯(cuò)誤時(shí)，Mscomm 控件觸發(fā)onComm 事件，應(yīng)用程序在捕獲事件后通過(guò)檢查Mscomm 控件的CommEvent 屬性獲得所發(fā)生的事件與方法［12］?，F(xiàn)給出Mscomm 控件發(fā)送與接收的部分代碼如下:

圖6 PC 機(jī)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制界面

數(shù)據(jù)發(fā)送只需要向MSComm1.Output 寫(xiě)入字符串即可。這里采用12 Byte 1 幀傳輸電機(jī)轉(zhuǎn)速、細(xì)分設(shè)置、方向、運(yùn)動(dòng)位移以及關(guān)鍵字參數(shù)，分別填寫(xiě)對(duì)應(yīng)的文本框TEXT 屬性完成。

5.2 加減速與系統(tǒng)控制流程

下位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制代碼在CCS2.0 編譯器完成。圖7 是采用梯形加減速算法流程圖。當(dāng)加減速度accel/decel、速度speed、步距角a、運(yùn)動(dòng)步數(shù)steps 給定，可計(jì)算出電機(jī)加速到設(shè)定轉(zhuǎn)速speed 的步數(shù)max_lim 和由加減速度、step 約束的accel_lim，流程圖中符號(hào)①處要求對(duì)max_lim 與accel_lim 判斷。若max_lim ＞accel_lim，說(shuō)明沒(méi)有加速到設(shè)定速度電機(jī)便進(jìn)入了減速狀態(tài)，不存在勻速段(status =2);反之，整個(gè)升降速控制為完整梯型速度曲線。計(jì)算減速階段電機(jī)步數(shù)dec_val 和decel_start。圖8 給出了在Matlab7.0 環(huán)境下梯形加減速算法在不同加速度下速度曲線。由式(1)計(jì)算加速與減速時(shí)2 個(gè)相鄰脈沖時(shí)間間隔Cn 更新ePWM1 模塊EPwm1Regs.TBPRD 寄存器的值，實(shí)現(xiàn)不同頻率脈沖對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制。方向信號(hào)可以通過(guò)對(duì)AQCSFRC.bit.CSFB 位操作使得ePWM1B 管腳信號(hào)強(qiáng)制高或低控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)［13］。

圖9 是單軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主流程圖。上電后系統(tǒng)倍頻、使能外設(shè)時(shí)鐘。再對(duì)ePWM1、SCIA、eCAP1 完成中斷初始設(shè)置。其中ePWM1 中斷服務(wù)程序主要運(yùn)行加減速代碼負(fù)責(zé)產(chǎn)生指令脈沖信號(hào)。eCAP1 捕獲中斷則檢測(cè)近電機(jī)側(cè)槽型光電開(kāi)關(guān)信號(hào)上升沿以確定運(yùn)動(dòng)控制的零位置。由于直線導(dǎo)軌滑塊到達(dá)零位時(shí)，開(kāi)關(guān)信號(hào)由低電平向高電平跳變存在30 ～40 個(gè)抖動(dòng)以致零位不準(zhǔn)。解決問(wèn)題的辦法是在第一個(gè)上升沿觸發(fā)捕獲中斷后，在中斷服務(wù)程序內(nèi)部設(shè)置eCAP1 為通用I/O，0.001 s 后再確認(rèn)是否為高電平，以此為依據(jù)確定每次運(yùn)動(dòng)的零點(diǎn)。單軸運(yùn)動(dòng)控制提供回零、相對(duì)位移、絕對(duì)位移、立即停止操作。上位機(jī)每條有效指令信息用12 Byte 數(shù)據(jù)編碼。SCIA 采用FIFO 中斷接收或發(fā)送上位機(jī)速度、細(xì)分、位移及方向等運(yùn)動(dòng)信息［14-15］。可給出FIFO 中斷與接收的部分寄存器代碼:

圖7 梯形加減速曲線Matlab 仿真

圖8 梯形加減速流程

圖9 單軸運(yùn)動(dòng)控制主程序

F2806 的SCI 接收器與發(fā)送器各具有一個(gè)16 級(jí)深度的FIFO，這樣可減少空頭服務(wù)。采用NRZ 數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)位8 位。16 位波特率寄存器BRR =0x0144=324，計(jì)算實(shí)際傳輸速率為L(zhǎng)SPCLK/(8* (BRR +1))=9 615 bit/s。與上位機(jī)9 600 bit/s 發(fā)送速率匹配。當(dāng)接收FIFO 中滿12 Byte 長(zhǎng)幀信息時(shí)，產(chǎn)生中斷接收。使能FIFO 中斷發(fā)送，運(yùn)動(dòng)單元位置信息可寫(xiě)入SciaRegs.SCITXBUF 寄存器可供上位機(jī)接收查詢。

6 驅(qū)動(dòng)器性能測(cè)試

用所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)42BYG250A 步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察電流波形與噪聲。電機(jī)參數(shù):步距角1.8，工作電壓9 ～30 V，繞組電阻1. 3 Ω，繞組電感2. 1 mH，保持力矩0.23 N·m。S-350-24 型開(kāi)關(guān)電源提供驅(qū)動(dòng)器測(cè)試工作電壓24 V，采用Tektronix TDS1012B雙通道示波器作波形測(cè)試。

為了清楚觀察電機(jī)繞組電流正弦細(xì)分控制的波形，在A/B 相繞組輸出端串接0.5 Ω 無(wú)感電阻用示波器觀察，如圖10 所示。電流波形光滑，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小，正弦特征明顯。

圖10 繞組串接無(wú)感電阻測(cè)試兩相電流

在單軸運(yùn)動(dòng)控制教學(xué)平臺(tái)實(shí)物中。滾珠絲桿與直線導(dǎo)軌之間采用定制剛性件連接。電控單元與機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分在740 ×600 mm 木板固定并做水平度校正。采用上位PC 機(jī)控制測(cè)試定位性能，效果良好。

7 結(jié) 語(yǔ)

本文基于TMS320F2806 與TB6560 芯片設(shè)計(jì)完成了單軸運(yùn)動(dòng)控制教學(xué)平臺(tái)軟硬件設(shè)計(jì)。重點(diǎn)解決了上位機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)、RS232 通信底層SCI FIFO 中斷接收與發(fā)送、加減速在線實(shí)現(xiàn)及點(diǎn)位控制。目前，該單軸運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)已經(jīng)在大學(xué)生創(chuàng)新教學(xué)和校企合作項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中得到應(yīng)用。

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