基于STM32的伺服控制器接口技術(shù)研究*

魏朋濤，何　平，王志成，劉　輝

(1.中國科學(xué)院大學(xué)，北京　100049；2.中國科學(xué)院 沈陽計(jì)算技術(shù)研究所 高檔數(shù)控國家工程研究中心，沈陽　110168；3.沈陽高精數(shù)控技術(shù)有限公司，沈陽　110168)

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基于STM32的伺服控制器接口技術(shù)研究*

魏朋濤1,2，何平2,3，王志成2,3，劉輝1,2

(1.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；2.中國科學(xué)院 沈陽計(jì)算技術(shù)研究所 高檔數(shù)控國家工程研究中心，沈陽110168；3.沈陽高精數(shù)控技術(shù)有限公司，沈陽110168)

摘要：分析了伺服控制器對硬件接口的性能要求，提出了接口性能的評測指標(biāo)，為伺服控制器接口性能評測提供了基礎(chǔ)。針對目前主流的STM32高性能通用微控制器的接口特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于STM32F405的伺服控制器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了接口的性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明STM32F405的接口性能良好，可以滿足伺服控制器實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求，對基于STM32的伺服控制器接口技術(shù)研究具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：伺服控制器；STM32；接口技術(shù)；實(shí)時(shí)性

0引言

伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速、高效的控制性能依賴于控制芯片的運(yùn)算能力和接口性能，目前在伺服控制器中大部分使用專用于電機(jī)控制的DSP數(shù)字信號處理芯片，這些芯片針對電機(jī)控制做了很大程度的優(yōu)化，將重心放在電機(jī)控制上而忽略了一些其他的外擴(kuò)接口，不利于伺服系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。意法半導(dǎo)體新推出的Cortex-M4內(nèi)核的STM32F4xx系列微控制芯片是通用的32位高性能控制芯片，增加了硬件浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)，運(yùn)算速度大幅度提高，使得可以完成復(fù)雜的電機(jī)控制算法。芯片集成了豐富的外設(shè)接口，可以快速方便的進(jìn)行伺服系統(tǒng)功能擴(kuò)展。STM32的硬件優(yōu)勢使業(yè)界人士開始研究基于STM32控制芯片的伺服控制器，但是目前對STM32接口技術(shù)研究比較少，相關(guān)研究成果比較匱乏。

在此背景下，本文將首先對伺服控制器的接口需求進(jìn)行研究，提出接口性能評測指標(biāo)，然后針對目前主流的STM32控制芯片設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，最后通過實(shí)驗(yàn)對接口的性能進(jìn)行測試，驗(yàn)證STM32平臺(tái)接口是否滿足伺服控制器實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性要求。

1需求分析

1.1伺服控制器結(jié)構(gòu)

伺服控制器是用來控制伺服電機(jī)的一種控制器，一般通過位置、速度和力矩三種方式對伺服執(zhí)行器件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)高精度的傳動(dòng)系統(tǒng)定位。為了獲得良好的控制性能，伺服控制器一般會(huì)設(shè)計(jì)成一個(gè)具有電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)三閉環(huán)回路的復(fù)合控制系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

伺服控制器通過接口與電機(jī)、反饋裝置以及上位機(jī)相連，實(shí)時(shí)監(jiān)測伺服電機(jī)的電流和位置，接收上位機(jī)控制指令，在內(nèi)部進(jìn)行環(huán)路控制，實(shí)現(xiàn)高速高效的精確控制。

1.2控制器接口需求

伺服控制器的接口主要分為兩類：電機(jī)控制接口和人機(jī)交互接口。伺服控制器實(shí)現(xiàn)高精度高速度的控制依賴于這些接口性能，對接口實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性等方面有一定的要求，下面具體研究這些接口應(yīng)具備的性能。

(1)電流采集接口

電流采集接口主要對伺服電機(jī)的兩相電流進(jìn)行采樣，為控制算法提供電流參數(shù)。電流采集在每個(gè)PWM周期的起點(diǎn)處執(zhí)行，電流采集完成之后執(zhí)行電機(jī)控制算法，電流采集占用時(shí)間越短則控制算法的可用時(shí)間就越長，控制算法的復(fù)雜度和精確度的提高空間就越大，把時(shí)間消耗作為電流采集接口性能評測指標(biāo)。

(2)編碼器接口

編碼器接口主要是檢測伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，為控制算法提供位置參數(shù)。增量式編碼器輸出用于脈沖計(jì)數(shù)的A相、B相脈沖信號和用于零點(diǎn)檢測的Z相周期脈沖信號，編碼器接口應(yīng)該能夠通過捕獲A相和B相的邊沿信號并根據(jù)相位差進(jìn)行遞增或遞減計(jì)數(shù)，根據(jù)Z相周期信號在每個(gè)周期更新零點(diǎn)位置的計(jì)數(shù)值，可以根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻計(jì)數(shù)值與零點(diǎn)位置計(jì)數(shù)值得到當(dāng)前時(shí)刻的位置。電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中編碼器每次經(jīng)過零點(diǎn)時(shí)的計(jì)數(shù)值應(yīng)該保持一致，由于編碼器在正反轉(zhuǎn)切換時(shí)會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，正反轉(zhuǎn)的零點(diǎn)位置會(huì)存在一定的漂移，把這個(gè)漂移范圍稱為抖動(dòng)域，用來評測編碼器接口的性能。

(3)PWM接口

PWM接口主要是輸出占空比可調(diào)的脈寬調(diào)制方波，控制功率電路驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。功率驅(qū)動(dòng)電路一般是由場效應(yīng)管組成的逆變器電路，逆變電路上下臂的場效應(yīng)管在同一時(shí)刻只能有一個(gè)處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此控制上下臂的PWM應(yīng)該是相位互補(bǔ)的，換相期間還要有一定的時(shí)延，即死區(qū)時(shí)間。不同規(guī)格的場效應(yīng)管的導(dǎo)通和截止時(shí)間是有差異的，為了適應(yīng)不同規(guī)格場效應(yīng)管的逆變電路，PWM的死區(qū)時(shí)間應(yīng)該是可以任意編程設(shè)置的。

(4)通信接口

通信接口實(shí)現(xiàn)伺服控制器與上位機(jī)或數(shù)控系統(tǒng)信息交換，通信的實(shí)時(shí)性和正確性直接影響到控制系統(tǒng)的控制性能。伺服控制系統(tǒng)一般都會(huì)較長時(shí)間持續(xù)工作，我們把每小時(shí)出錯(cuò)幀數(shù)作為通信正確性評估指標(biāo)，把每秒鐘通信次數(shù)作為實(shí)時(shí)性評估指標(biāo)，用上述兩個(gè)指標(biāo)來評估設(shè)計(jì)的通信接口的性能。

1.3STM32硬件接口

STM32F405是以Cortex-M4為內(nèi)核的32位高性能微控制器，片上集成了豐富的外設(shè)接口，集成了3個(gè)高分辨率的ADC接口，時(shí)鐘頻率可達(dá)到42MHz，可以在微妙級別內(nèi)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換；具有兩個(gè)高級定時(shí)器和四個(gè)通用定時(shí)器，工作模式可靈活配置，配置成輸出模式可輸出3路互補(bǔ)帶死區(qū)的PWM，配置成輸入捕獲模式可以對輸入脈沖進(jìn)行捕獲計(jì)數(shù)；它還集成了USART、USB 2.0、CAN、MAC等通信接口，可以使用多種PHY與其他設(shè)備進(jìn)行通信。

2設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)伺服控制器的基本結(jié)構(gòu)和接口要求，針對STM32F405的接口特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出基于STM32F405的伺服控制器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理框圖如圖2所示。

圖2　基于STM32F405的伺服控制器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理框圖

2.1電流采集接口

電流采集接口使用STM32F405的ADC1和ADC2實(shí)現(xiàn)。由于STM32F405的ADC通道共用一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器，所有通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在同一個(gè)寄存器中，因此使用DMA及時(shí)將每次采樣的結(jié)果傳輸?shù)絻?nèi)存緩沖區(qū)，待所有通道轉(zhuǎn)換完成之后中斷CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。將ADC1和ADC2配置成雙重模式，設(shè)置12位分辨率，對APB2總線時(shí)鐘進(jìn)行2分頻得到42MHz的ADC時(shí)鐘，在每個(gè)PWM周期的開始位置對伺服電機(jī)的兩相電流進(jìn)行4次連續(xù)采樣，每次采樣結(jié)果由DMA傳輸?shù)絻?nèi)存開辟的緩沖區(qū)存儲(chǔ)，4次采樣完成后通知CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。電流采集接口的采集流程如圖3所示。

圖3　電流采集接口采樣流程圖

2.2編碼器接口

編碼器接口使用STM32F405的TIM5來實(shí)現(xiàn)。將TIM5配置成編碼器接口模式，在TI1和TI2的邊沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，TI1映射到通道1，TI2映射到通道2，將編碼器的A、B相連接到TIM5的通道1和通道2，計(jì)數(shù)器在編碼器A、B相的邊沿處進(jìn)行遞增或遞減計(jì)數(shù)。實(shí)驗(yàn)所使用的增量編碼器在每個(gè)周期會(huì)產(chǎn)生10000個(gè)邊沿信號，將TIM5的自動(dòng)重載寄存器設(shè)置成9999，計(jì)數(shù)器的值會(huì)在0到9999之間進(jìn)行連續(xù)計(jì)數(shù)，每個(gè)計(jì)數(shù)器值可以表示一個(gè)唯一的位置。將TIM5的通道3設(shè)置成上升沿輸入捕獲，對編碼器的Z相信號進(jìn)行零點(diǎn)捕獲，將每次零點(diǎn)位置的計(jì)數(shù)值進(jìn)行更新保存。

2.3PWM接口

PWM接口由STM32F405的高級定時(shí)器TIM8實(shí)現(xiàn)。將TIM8計(jì)數(shù)器設(shè)置PWM模式，時(shí)鐘頻率設(shè)置為168MHz，計(jì)數(shù)器在每個(gè)下溢事件產(chǎn)生中斷，觸發(fā)ADC進(jìn)行電流采集。配置CCRx比較寄存器的值設(shè)定PWM的占空比，配置BDTR斷路和死區(qū)寄存器設(shè)置死區(qū)時(shí)間和使能斷路輸入功能。

計(jì)數(shù)器在中心對齊計(jì)數(shù)模式下產(chǎn)生特定頻率的PWM所需要的自動(dòng)重載值可由公式(1)計(jì)算得到。

(1)

式中N代表定時(shí)器在中心對齊計(jì)數(shù)模式下的自動(dòng)重載值，F(xiàn)表示定時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率，f表示PWM的頻率，則由公式(1)得到TIIM8輸出8kHz的PWM的自動(dòng)重載值為：

2.4通信接口

通信接口設(shè)計(jì)成采用Modbus現(xiàn)場總線通信協(xié)議，使用UART轉(zhuǎn)RS485總線接口與上位機(jī)或數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行通信。Modbus通訊協(xié)議是以數(shù)據(jù)幀為傳輸單位的，一個(gè)通用的Modbus數(shù)據(jù)幀格式如圖4所示，由地址域、功能碼、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)碼組成，幀與幀之間沒有固定的限定符，Modbus通訊協(xié)議規(guī)定幀與幀之間的時(shí)間間隔至少為3.5個(gè)字符的傳輸時(shí)間，如圖5所示。

圖4Modbus數(shù)據(jù)幀格式

圖5　Modbus數(shù)據(jù)幀間隔

根據(jù)Modbus通信協(xié)議的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)幀的界定由USART和TIM2來實(shí)現(xiàn)，USART完成比特流的接收與發(fā)送，在每次有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)定時(shí)器超時(shí)溢出時(shí)則完成了一個(gè)數(shù)據(jù)幀的接收，通知上層應(yīng)用程序?qū)邮盏降臄?shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，定時(shí)器的溢出值可由公式(2)計(jì)算得到。

(2)

式中NTn表示定時(shí)n個(gè)字符的計(jì)數(shù)值，l表示每個(gè)字符的長度，B表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈?，t1表示定時(shí)器計(jì)一次數(shù)的時(shí)間。設(shè)定USART的比特率為19200，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，一位校驗(yàn)位，則字符長度l=10， TIM2設(shè)置84分頻得到1MHz的計(jì)數(shù)脈沖，則定時(shí)器每計(jì)一次數(shù)的時(shí)間t1= 10-6s，由公式(2)得到計(jì)時(shí)3.5個(gè)字符的計(jì)數(shù)值為：

由于采用SP3845芯片進(jìn)行UART與RS485的轉(zhuǎn)換，該芯片只支持單雙工的收發(fā)模式，因此需要由程序控制SP3485的收發(fā)模式，通信接口的數(shù)據(jù)幀收發(fā)流程如圖6所示。

圖6　數(shù)據(jù)幀收發(fā)流程圖

3驗(yàn)證與評價(jià)

為驗(yàn)證STM32實(shí)驗(yàn)平臺(tái)接口是否滿足伺服控制器實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性的要求，根據(jù)提出的指標(biāo)對實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的接口性能進(jìn)行驗(yàn)證與評價(jià)。

3.1電流采集接口

電流采集接口主要驗(yàn)證評價(jià)采樣的時(shí)間消耗。使用STM32F405的TIM2定時(shí)器產(chǎn)生1/84μs的基準(zhǔn)時(shí)間，分別記錄采集開始和傳輸結(jié)束的時(shí)刻來測量整個(gè)電流采集的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)中分別測量了1000次單次采樣和多次采樣所需要的時(shí)間，求取平均值得到單次采樣和多次采樣平均時(shí)間的統(tǒng)計(jì)圖如圖7所示。

圖7　AD采集時(shí)間消耗圖

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可得STM32的ADC可以在幾個(gè)微秒時(shí)間內(nèi)完成多通道的采樣轉(zhuǎn)換和傳輸工作，伺服控制器的PWM載波周期一般為100μs左右，STM32的電流采集接口采集四通道占用1.7μs的時(shí)間是很少的，可以滿足實(shí)時(shí)性的要求。

3.2編碼器接口

編碼器接口主要驗(yàn)證對編碼器脈沖計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，可以通過測量編碼器的某一固定位置的計(jì)數(shù)值變化來驗(yàn)證編碼器接口的性能。實(shí)驗(yàn)中通過測量編碼器零點(diǎn)位置的計(jì)數(shù)值驗(yàn)證編碼器接口性能，分別測量了編碼器正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及正反轉(zhuǎn)交替情況下零點(diǎn)位置的計(jì)數(shù)值變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線圖如圖8所示。

圖8　編碼器零點(diǎn)位置計(jì)數(shù)值變化曲線圖

由圖分析可知，捕獲到的編碼器零點(diǎn)位置的計(jì)數(shù)值在5608到5611之間波動(dòng)，抖動(dòng)域?yàn)?個(gè)計(jì)數(shù)值，相對編碼器每個(gè)周期的10000個(gè)計(jì)數(shù)值是很小的。編碼器同方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)在零點(diǎn)位置捕獲到的計(jì)數(shù)值保持恒定為5608或5611，只有在正反轉(zhuǎn)交替變換的情況捕獲到的計(jì)數(shù)值有小范圍的波動(dòng)，這個(gè)波動(dòng)與編碼器的內(nèi)部構(gòu)造是相符的，因此STM32編碼器接口是可以滿足伺服控制器對編碼器位置測定要求的。

3.3PWM接口

PWM接口主要測試PWM輸出波形的規(guī)則性、占空比的精確性以及死區(qū)時(shí)間的插入，實(shí)驗(yàn)中設(shè)定PWM接口的載波頻率為8kHz，占空比設(shè)置為50%，死區(qū)時(shí)間設(shè)置為3μs，由示波器觀察PWM接口的輸出波形如圖9所示。

圖9　8kHz載波頻率的PWM輸出波形

由圖分析可得PWM的周期為125μs，與設(shè)定的8kHz載波頻率對應(yīng)的周期相一致。從圖中還可以看到互補(bǔ)的兩路PWM方波在相位變化的時(shí)候存在一定的時(shí)間延遲，延遲時(shí)間與程序設(shè)定的3μs時(shí)間大致相同，由于死區(qū)時(shí)間的插入使得PWM的占空比略小于50%，輸出波形與程序設(shè)定是相符的，滿足伺服控制機(jī)器的PWM接口要求。

3.4通信接口

通信接口主要驗(yàn)證通信的實(shí)時(shí)性和正確性，移植沈陽高精數(shù)控DSP平臺(tái)伺服控制器的應(yīng)用層通信程序，通過伺服調(diào)試軟件測試STM32通訊接口的性能，測試結(jié)果如圖10所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在2小時(shí)的通信測試中，平均數(shù)據(jù)幀發(fā)送速度達(dá)到33.6幀/秒，0誤碼率0出錯(cuò)幀數(shù)，表明STM32通訊接口的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性可以達(dá)到伺服控制器的通訊接口要求。

圖10　通訊接口性能測試結(jié)果

4結(jié)束語

設(shè)計(jì)了基于STM32F405的伺服控制器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過實(shí)驗(yàn)評測接口性能，給出了評測結(jié)果，表明STM32的接口性能可以滿足伺服控制器實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求。該成果已經(jīng)成功指導(dǎo)沈陽高精數(shù)控伺服部完成了基于STM32的伺服控制器的接口設(shè)計(jì)，并具有比較好的性能。

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(編輯趙蓉)

Research on Interface Technology of Servo Controller Based on STM32

WEI Peng-tao1,2, HE Ping2,3,WANG Zhi-cheng2,3, LIU Hui1,2

(1.University of Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100049,China;2.National Engineering Research Center For High-End CNC，Shenyang Institute of Computing Technology of Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110168,China)

Abstract：After analyzing the interface performance requests of servo controller, proposed the indicators for evaluating the interface performance, provided the basis for servo-controller’s interface performance evaluation. An experimental platform for servo controller was designed based on the current high-performance and general-purpose microcontrollers STM32F405. The experimental platform’s interface performance was verified experimentally, it can meet the requirements of servo-controller’s real-time and accuracy. Results of the research may have a certain reference value to the servo controller interface technology research based STM32.

Key words：servo controller; STM32; interface technology; real time

文章編號：1001-2265(2016)05-0079-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.021

收稿日期：2015-07-06

*基金項(xiàng)目：“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國家科技重大專項(xiàng)、數(shù)控機(jī)床精度保持性技術(shù)研究(2014ZX04014021)

作者簡介：魏朋濤(1990—)，男，石家莊人，中國科學(xué)院大學(xué)、中科院沈陽計(jì)算技術(shù)研究所碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧脚c數(shù)控技術(shù)，(E-mail)wei_pengtao@126.com。

中圖分類號：TH166;TG659

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A