基于ARM Cortex—A9的烹飪機器人直流電機控制系統(tǒng)

彭超越 張家洪 李川

摘 要：為改善現(xiàn)有烹飪機器人翻炒過程中響應(yīng)遲鈍、自動化程度低、穩(wěn)定性差等問題，設(shè)計了通過直流電機轉(zhuǎn)動，完成自動烹飪過程中自翻炒、自調(diào)節(jié)的電控系統(tǒng)。針對較大功率直流電機的調(diào)速方式和性能特點，提出了一種以ARM Cortex-A9為內(nèi)核的Exynos4412微處理器的閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制方案。該方案運用Exynos4412的PWM輸出、PID算法以及旋轉(zhuǎn)編碼器實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速以及正反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。實驗結(jié)果顯示，直流電機可按照既定完成定速及正反向轉(zhuǎn)動，并能在有誤差的情況下及時調(diào)節(jié)，對烹飪機器人翻炒過程進行精確控制。

關(guān)鍵詞：烹飪機器人；ARM Cortex-A9；直流電機；閉環(huán)控制

DOI：10.11907/rjdk.172836

中圖分類號：TP301

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）005-0031-003

Abstract：In order to solve the problems of relatively long response-time， low automation and poor stability in the existing cooking robots， we design an automatic cooking and electronic control system through the rotation of DC motor. In this paper， control program of closed-loop rotation speed is proposed， carrying Exynos4412 microprocessor with ARM Cortex-A9. The program applies Exynos4412 PWM output， PID algorithm and rotary encoder to achieve the rotation speed of the DC motor and positive and negative rotation. Experimental results show that the DC motor can set the rotation speed and directions in accordance with requirements， and can adjust itself timely in the case of error. It is therefore possible to conclude that the design is effective and that the speed of the DC motor can be accurately controlled and adjusted to achieve precise control of the cooking robot during the cooking process.

Key Words：cooking robot； ARM Cortex-A9； DC motor； closed-loop control

0 引言

直流電機與交流電機相比內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電機運行成本高且維護困難，但直流電機擁有優(yōu)良的啟動性，過載能力更強、制動轉(zhuǎn)矩更大，可在較大范圍內(nèi)平滑且經(jīng)濟地調(diào)速。本文利用PWM調(diào)速高效率、高穩(wěn)定性優(yōu)點，在中式烹飪機器人項目中應(yīng)用直流電機控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計通過已編程好的菜譜軟件，使直流電機按照相應(yīng)的轉(zhuǎn)動順序和轉(zhuǎn)速要求帶動鍋體完成正、反轉(zhuǎn)，加、減速和停止等運動，實現(xiàn)廚師日常炒菜過程的顛勺操作。同時使用旋轉(zhuǎn)編碼器對電機速度進行測量并反饋到處理器，通過調(diào)整PWM的占空比使方向和轉(zhuǎn)速滿足菜譜程序要求，進而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示，主要包括Exynos4412控制模塊、直流電機驅(qū)動模塊、電機測速反饋模塊。

1.1 Exynos4412微處理器

Exynos4412又稱為Exynos4Quad，采用了三星32nmHKMG工藝，是三星的第一款四核處理器。Exynos4412內(nèi)建32KB指令一級緩存，1MB的二級緩存。CPU集成了1GB的DDRSDRAM內(nèi)存，盡管是四核處理器但功耗卻比雙核低。Exynos4412處理器采用了0.4mmpitch值的12×12mm2FCMSP封裝方法，并在芯片中集成了如LCD控制器這樣的設(shè)備控制器。Exynos4412PWM有5個32位的脈寬調(diào)制（PWM）定時器，ARM系統(tǒng)根據(jù)這些內(nèi)部定時器產(chǎn)生中斷。定時器0、1、2、3有一個PWM信號I/O口。在定時器0的PWM有一個可選的死區(qū)發(fā)生器，定時器4為一個內(nèi)部定時器，無輸出引腳。這些定時器使用APB-PC作為時鐘源，每個定時器有自己的遞減計數(shù)器，TCNBn（時鐘計數(shù)緩存寄存器）下載初始計數(shù)值，時鐘驅(qū)動遞減計數(shù)器，當遞減計數(shù)器到0時向系統(tǒng)發(fā)送中斷請求。到達0后，計數(shù)器自動向TCNBn下載新的計數(shù)值。

1.2 電機驅(qū)動模塊

1.2.1 電源模塊

電源模塊設(shè)計了對直流電機的供電和H橋驅(qū)動芯片的供電電路。由于電機額定電壓為24V，與控制器電路相比屬于較高電壓，因此會產(chǎn)生干擾電路脈沖。本文選擇使用XL1509芯片組成隔離的DC-DC模塊，隔離之前的24V較高電壓，并將隔離之后得到5V較小電壓提供給所需電路。由于H橋的驅(qū)動電路選擇的是15V供電電源，因此還需要選用電源芯片7 815，將24V電壓轉(zhuǎn)換為15V電壓，設(shè)計出的H橋驅(qū)動芯片電源電路如圖2所示。

1.2.2 H橋驅(qū)動和隔離電路

因為烹飪機器人項目使用額定電壓24V最大功率為120W的直流電機，因此在驅(qū)動模塊設(shè)計中使用分立元件搭建的H橋，通過橋臂驅(qū)動芯片配合N溝道MOSFET負載較大電流，并使開關(guān)速度快功耗小效率高。此處橋臂驅(qū)動芯片采用IR2104S，MOSFET管使用IRF540NS。設(shè)計的“H”型雙極模式PWM功率轉(zhuǎn)換電路使用了4個晶體管，并將這4個NMOS晶體管分為兩組，同一組中的兩個晶體管完成同時導(dǎo)通、同時關(guān)斷的操作。電流可在雙極工作模式中完成反向流通，使電機可以簡便地完成轉(zhuǎn)動方向的操作。如果IN1為高電平，IN2為低電平，同時ENA使能，則電機正轉(zhuǎn)；如果IN1為低電平，IN2為高電平，同時ENA使能，則電機反轉(zhuǎn)。若使IR2104S的SD使能，拉低電平，將左臂信號L降低，將右臂信號R給PWM，這樣就調(diào)整了PWM的占空比，即調(diào)整了負載功率，實現(xiàn)了直流電機的PWM調(diào)速。由于H橋驅(qū)動模塊IR2104S自身沒有隔離功能，并且Cortex-A9 I/O口輸出電壓為3.3V而H橋驅(qū)動板邏輯高電平為5V，因此本文通過光耦隔離放大的方式阻止高電壓信號干擾電機的控制電路并且匹配電壓，本文選擇光耦6N137芯片實現(xiàn)該功能，如圖3所示。

1.2.3 測速模塊

速度測量模塊電路中，采用SIENS的HPE28U5V265B1型號旋轉(zhuǎn)編碼器測量電機轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)編碼器上存在不同碼道，并且每個碼道上都有位于光敏元件和光源之間的間距相等的縫隙。隨著碼道和電機一起轉(zhuǎn)動，通過判斷是否有光線阻擋高低電平進而輸出A、B兩相脈沖。同樣，輸出的編碼器信號也要經(jīng)過光耦隔離電路之后再送入DQ觸發(fā)器。當直流電機順時針旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)編碼器的A相脈沖輸出波形會超前B相脈沖輸出波形90°，則D觸發(fā)器輸出為Q高電平，Q為低電平，U6A的與非門打開，計數(shù)脈沖通過，送至雙向計數(shù)器74LS193的加脈沖輸入端CU進行加法計數(shù)，反之則進行減法計算。使用的計數(shù)電路由3片74LS193組成，旋轉(zhuǎn)編碼器正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)都會導(dǎo)致計數(shù)電路的數(shù)據(jù)輸出不同，最后再通過D0～D11送至數(shù)據(jù)處理電路。旋轉(zhuǎn)編碼器信號處理電路如圖4所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在過程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制的PID控制器（亦稱PID調(diào)節(jié)器）是應(yīng)用最廣泛的一種自動控制器。它具有原理簡單、易于實現(xiàn)、適用面廣、控制參數(shù)相互獨立、參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點。在理論上可以證明對于“一階滯后+純滯后”與“二階滯后+純滯后”的控制對象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調(diào)節(jié)是動態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，結(jié)構(gòu)改變靈活（PI、PD、PID）。本轉(zhuǎn)速閉環(huán)設(shè)計實現(xiàn)途徑是將實時測得的速度值與給定占空比對應(yīng)的速度值的比較差值，通過 PID調(diào)節(jié)控制輸出量達到轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。將 PWM占空比轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的速度即給定速度，通過與測得的速度即實際速度值的差得到速度誤差。系統(tǒng)采用增量式PID算法，增量式PID算法公式為：

本文設(shè)計的電機驅(qū)動系統(tǒng)是一個基于直流電機的速度反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，閉環(huán)調(diào)節(jié)算法采用常用的PID控制算法。首先通過旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出來確定轉(zhuǎn)子的位置和換向信號，再根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號計算此時電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速并與菜譜程序內(nèi)的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速參考值進行比較，得到相應(yīng)的速度誤差信號，通過PI調(diào)節(jié)器后得到相應(yīng)的電流參考信號。與實際電機采樣電流信號進行比較，產(chǎn)生的電流誤差信號經(jīng)PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后，得到PWM的占空比并產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號，傳遞給電機的驅(qū)動電路進而實現(xiàn)對直流電動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制。具體操作為：先設(shè)置定時器0的預(yù)分頻值，再通過計數(shù)緩存寄存器TCNTB0設(shè)置PWM周期和比較緩存寄存器TCMPB0設(shè)置PWM占空比，再通過PWM計時器實現(xiàn)PWM輸出。圖5為該下位機軟件流程。

3 結(jié)語

本文在中式烹飪機器人中運用ARM Cortex-A9處

理器，實現(xiàn)了在菜品烹飪和傾倒環(huán)節(jié)自動控制直流電機。主要設(shè)計了下位控制中的直流電機驅(qū)動電路和測速反饋硬件電路系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)過實際測試效果良好，運行可靠。

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（責任編輯：杜能鋼）