基于ARM的步進(jìn)電機(jī)平穩(wěn)控制

劉 凱，傅惠南

（廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 引言

彈性浮動(dòng)研磨是針對(duì)傳統(tǒng)單晶金剛石表面研磨提出的一種先進(jìn)加工方法，在彈性浮動(dòng)研磨系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的微進(jìn)給平穩(wěn)控制往往直接關(guān)系到金剛石表面的加工質(zhì)量，而為了方便步進(jìn)電機(jī)的調(diào)試和控制，一般選擇以臺(tái)式PC機(jī)或筆記本電腦作為人機(jī)交互的上位機(jī)。在實(shí)際的金剛石表面研磨的加工現(xiàn)場(chǎng)，往往需要考慮到彈性浮動(dòng)研磨系統(tǒng)設(shè)備的體積、安裝的模塊化、調(diào)試的便捷性、控制的可視化。針對(duì)上述問題，提出了對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行細(xì)分控制以提高其微進(jìn)給的平穩(wěn)性，同時(shí)以嵌入式LCD觸摸屏作為步進(jìn)電機(jī)微進(jìn)給控制的操控界面，取代PC機(jī)作為上位機(jī)對(duì)設(shè)備進(jìn)行人機(jī)交互操作，從而實(shí)現(xiàn)彈性浮動(dòng)研磨過程的平穩(wěn)控制。

本文主要研究了如何對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行細(xì)分以達(dá)到步進(jìn)電機(jī)的平穩(wěn)控制，同時(shí)在以Samsung S3C2440處理器為核心的ARM開發(fā)板上，實(shí)現(xiàn)了在觸摸屏界面上對(duì)步進(jìn)電機(jī)的微進(jìn)給控制。

1 步進(jìn)電機(jī)工作原理

步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)，與普通電機(jī)的相同之處是基于最基本的電磁原理，區(qū)別在于它的驅(qū)動(dòng)控制：每向步進(jìn)電機(jī)輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)地轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度的角位移（或直線位移）；而且步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率，其角速度與脈沖頻率成正比，在時(shí)間上與脈沖同步［1］?；诖朔N特性，步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，因此特別適合利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。

步進(jìn)電機(jī)由于自身制造工藝的限制，轉(zhuǎn)子齒數(shù)、運(yùn)行拍數(shù)都有限，而步距角由轉(zhuǎn)子齒數(shù)和拍數(shù)決定，這意味著步進(jìn)電機(jī)的步距角一般比較大且固定，這就帶來一個(gè)問題：在同一裝置系統(tǒng)中，如根據(jù)不同的工況，需要不同的控制精度，即需要不同的步距角，就不得不更換另一型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)。這就造成生產(chǎn)成本的上升和生產(chǎn)效率的下降。同時(shí)步進(jìn)電機(jī)的分辨率不高，低頻運(yùn)行時(shí)，電機(jī)容易產(chǎn)生振動(dòng)，而且噪聲比其他微電機(jī)都高，這使得裝置容易損壞，這些都限制了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用和有效的控制。

2 步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)

基于步進(jìn)電機(jī)的上述缺點(diǎn)，20世紀(jì)70年代，美國學(xué)者T.R.Fredriksen首次在美國增量運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及器件年會(huì)上提出了一種對(duì)步進(jìn)電機(jī)步距角進(jìn)行細(xì)分的控制方法［2］。幾十年來細(xì)分驅(qū)動(dòng)得到較快的發(fā)展，使得步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和步距角都不受限制，同時(shí)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制也更加方便。

基于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理可知，每當(dāng)向繞組輸入一個(gè)脈沖式相電流時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)設(shè)定的步距角；而當(dāng)向繞組輸入的相電流分別按正弦和余弦的輪廓呈階梯式變化（如圖1所示）時(shí)，轉(zhuǎn)子在每個(gè)相電流脈沖變量下轉(zhuǎn)過一個(gè)微小步距角，則整個(gè)步距就分成若干微步距角，而更小的步距角將會(huì)使步進(jìn)電機(jī)的微進(jìn)給運(yùn)行更加平穩(wěn)。

目前，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)主要采用脈沖寬度調(diào)制驅(qū)動(dòng)、斬波恒流驅(qū)動(dòng)、電流矢量恒幅均勻旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，會(huì)給步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展帶來新的思路。

3 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

隨著近些年以ARM芯片為代表的嵌入式設(shè)備的發(fā)展，使得步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制朝著更加智能化、可視化、模塊化的方向發(fā)展。針對(duì)這一發(fā)展趨勢(shì)，本文提出了一種基于ARM的觸摸屏的細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)方案。控制系統(tǒng)主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)包括以ARM9處理器為核心的開發(fā)板以及LCD觸摸屏；軟件系統(tǒng)包括 Linux操作系統(tǒng)［3，4］、文件系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序。

圖1 繞組輸入正弦、余弦輪廓相電流

因?yàn)槭忻嫔弦呀?jīng)有性能穩(wěn)定和功能強(qiáng)大的嵌入式ARM開發(fā)板，因此，在硬件方面，可以直接使用現(xiàn)成的產(chǎn)品，這樣可以節(jié)約大量的硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)間。

3.1 建立主機(jī)開發(fā)環(huán)境

（1）首先在PC機(jī)Windows操作系統(tǒng)平臺(tái)下安裝虛擬機(jī)軟件Vmware8.0，然后在Vmware的基礎(chǔ)上安裝桌面版本的Linux操作系統(tǒng)，這里我們安裝的是Ubantu12.0.4版本的操作系統(tǒng)。

（2）建立TFTP服務(wù)器，用于將在PC上生成的文件下載到開發(fā)板上。

（3）建立NFS服務(wù)器，用于將開發(fā)板所用到的根文件系統(tǒng)掛載到主機(jī)目錄下，從而方便程序的調(diào)試。

3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

（1）建立引導(dǎo)安裝程序bootloader?？梢詮木W(wǎng)上下載u－boot壓縮包，根據(jù)需要進(jìn)行裁剪，然后下載到開發(fā)板。

（2）Linux內(nèi)核裁剪和移植。在網(wǎng)上下載2.6.30版本的Linux內(nèi)核壓縮包，在虛擬機(jī)Linux操作系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行解壓裁剪，然后生成開發(fā)板所需的zImage內(nèi)核，通過TFTP下載到開發(fā)板中。

（3）建立根文件系統(tǒng)。從網(wǎng)上下載busybox壓縮包，利用busybox軟件生成一個(gè)最基本的根文件系統(tǒng)，然后利用mkcranfs genromfs等工具生成燒寫映像文件。

（4）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序是溝通應(yīng)用程序與底層步進(jìn)電機(jī)硬件設(shè)備的橋梁，在驅(qū)動(dòng)程序中，首先通過static int stepmotor＿init（void）函數(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備號(hào)的申請(qǐng)和注冊(cè)；然后初始化file＿operations結(jié)構(gòu)體，file＿operations結(jié)構(gòu)體成員函數(shù)open（）、close（）、read）（）、write（）執(zhí)行對(duì)設(shè)備文件的打開、關(guān)閉、讀寫操作。而對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的操作命令由ioctl（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，ioctl（）函數(shù)原型如下：

int（＊ioctl）（struct inode＊inode，struct file＊filp，unsigned int cmd，unsigned long arg）.

其中，inode和filp指針對(duì)應(yīng)應(yīng)用程序的文件描述符fd，cmd代表應(yīng)用程序傳遞給驅(qū)動(dòng)程序的命令參數(shù)，arg為可選參數(shù)。

步進(jìn)電機(jī)的操作完成后，通過static void stepmotor＿eixt（void）函數(shù)對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)卸載，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的注銷和設(shè)備號(hào)資源的釋放。

3.3 LCD觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

幀緩沖是Linux操作系統(tǒng)為L(zhǎng)CD觸摸屏顯示提供的接口，用來將顯示緩沖區(qū)抽象，屏蔽底層硬件差異［5］。這樣使軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者不用過多考慮底層硬件細(xì)節(jié)，從而將精力放在對(duì)觸摸屏的驅(qū)動(dòng)部分。

幀緩沖設(shè)備驅(qū)動(dòng)的程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。幀緩沖設(shè)備最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體是fb＿info結(jié)構(gòu)體，此結(jié)構(gòu)體包括關(guān)于幀緩沖設(shè)備屬性和操作的完整描述。fb＿info結(jié)構(gòu)體成員變量fb＿fops是指向底層操作的函數(shù)指針，通過這些成員函數(shù)對(duì)LCD觸摸屏進(jìn)行讀寫和I／O控制等操作。在幀緩沖設(shè)備的模塊加載函數(shù)中，完成申請(qǐng)fb＿info結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存空間和初始化fb＿info結(jié)構(gòu)體的屏幕參數(shù)，即填充fb＿info結(jié)構(gòu)體成員fb＿var＿screeninfo和fb＿fix＿screeninfo；根據(jù)具體LCD屏幕的特點(diǎn)，完成LCD控制器硬件的初始化；申請(qǐng)幀緩沖設(shè)備的顯示緩沖區(qū)空間，最后注冊(cè)幀緩沖設(shè)備。在幀緩沖設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊函數(shù)中，完成fb＿info結(jié)構(gòu)體內(nèi)存的釋放，關(guān)閉LCD，釋放顯示緩沖區(qū)以及注銷緩沖區(qū)設(shè)備。

圖2 幀緩沖設(shè)備驅(qū)動(dòng)的程序結(jié)構(gòu)

4 小結(jié)

本文提出了基于ARM的觸摸屏界面控制步進(jìn)電機(jī)的方法，通過觸摸屏選擇步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，以此根據(jù)不同工況對(duì)步進(jìn)電機(jī)采取不同的細(xì)分，從而達(dá)到對(duì)步進(jìn)電機(jī)的穩(wěn)定控制，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反映到觸摸屏上，并在觸摸屏上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。從而達(dá)到了對(duì)金剛石進(jìn)行數(shù)字化、智能化加工的目的。

［1］ 王宗培.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展及建議［J］.微機(jī)電，2004，37（4）：47－49.

［2］ 史敬灼，王宗培.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展［J］.微特電機(jī)，2007，35（7）：50－54.

［3］ 宋寶華.Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)詳解［M］.北京：人民教育出版社，2005.

［4］ 科波特.Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序［M］.魏永明，耿岳，鐘書毅，譯.北京：中國電力出版社，2009.

［5］ 蘇哲欣，劉鴻飛，薛曉.基于嵌入式Linux的LCD的驅(qū)動(dòng)分析與實(shí)現(xiàn)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009，22（2）：29－30.