基于ARM的微型化智能伺服驅(qū)動器設(shè)計

林 森， 王廣龍， 喬中濤， 高鳳岐

(陸軍工程大學(xué) 納米技術(shù)與微系統(tǒng)實驗室，河北 石家莊 050003)

0 引 言

目前國內(nèi)外在控制驅(qū)動系統(tǒng)的研究中投入了大量的人力和物力。具有代表性的包括研旭[1]、居逸[2]、艾思控[3]、Elmo[4]等公司，其代表產(chǎn)品旨在實現(xiàn)控制驅(qū)動器的微型化和智能化，但無法較好滿足大功率伺服驅(qū)動器的需求。因此，需要研制一種大功率智能伺服驅(qū)動器以滿足目前人形機器人關(guān)節(jié)、智能車驅(qū)動、云臺等的精確運動控制。

本文設(shè)計的智能伺服驅(qū)動器采用ARM微處理器為核心[5,6]，以大功率集成驅(qū)動器件實現(xiàn)對無刷直流電機(brushless direct current motor,BLDCM)的控制和驅(qū)動，以控制器局域網(wǎng)(controller area network,CAN)總線完成指令和參數(shù)的傳輸[7～9]，速度環(huán)采用自適應(yīng)模糊比例—積分—微分(proportion-integration-differentiation,PID)控制算法實現(xiàn)對BLDCM的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)[10]，該驅(qū)動器具有功率大、精度高、體積小、接口方便等特點，可實現(xiàn)BLDCM高精度和快速響應(yīng)的要求，可通過添加無線局域網(wǎng)(wireless fidelity,WiFi)模塊、紅外模塊等實現(xiàn)更多的控制功能，可廣泛應(yīng)用于航天、數(shù)控、醫(yī)療器械等領(lǐng)域[11]。實驗結(jié)果表明:該控制器對BLDCM具有良好的控制效果，具有較高的推廣價值。

1 智能伺服驅(qū)動器設(shè)計

智能伺服驅(qū)動器由ARM控制模塊和驅(qū)動模塊組成，如圖1所示。其中ARM控制模塊包括ARM微處理器,CAN,通用串行總線(universal serial bus,USB),串口電路等，驅(qū)動模塊包括電源轉(zhuǎn)換、三相集成驅(qū)動器、相電流檢測電路等。BLDCM通過驅(qū)動模塊輸出的三相電壓工作。驅(qū)動模塊具有欠壓、超溫、過載、短路保護特性和可編程的限流保護功能[9]。

圖1 智能伺服驅(qū)動器硬件結(jié)構(gòu)

驅(qū)動器工作時，ARM控制模塊通過CAN總線接收控制指令，由驅(qū)動模塊實現(xiàn)對BLDCM的控制。其中驅(qū)動模塊的器件采用三相脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)電機驅(qū)動芯片DRV8332，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的6個MOSFET驅(qū)動器實現(xiàn)三相控制，驅(qū)動電壓可達50V，連續(xù)相電流達8 A，最大13 A。通過ARM控制模塊輸出的3路PWM信號實現(xiàn)BLDCM轉(zhuǎn)動角度和速度的精確控制。

霍爾傳感器輸出的3路轉(zhuǎn)子位置信號反饋給ARM控制模塊實現(xiàn)電機換相，磁傳感器輸出的電機角度信號反饋到ARM控制模塊，經(jīng)過解算得到電機當(dāng)前角度和轉(zhuǎn)速，磁傳感器的分辨率可達0.087 9°，滿足無刷直流電機角度精確控制的要求?；魻栯娏鱾鞲衅鞑蓸拥较嗑€電流并將其轉(zhuǎn)換為電壓值后送入ARM控制模塊A/D端口，解算后進行過流判斷，起到過流保護的作用。

2 模糊PID控制器設(shè)計

采用自適應(yīng)模糊PID控制器的速度環(huán)實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的精確控制，通過設(shè)定比例因子和量化因子，建立二維模糊PID控制器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。模糊控制器的輸入語言變量為給定轉(zhuǎn)速ne和BLDCM實際轉(zhuǎn)速ns的誤差e與誤差的變化率ec。實際輸出變量為PID的3個參數(shù)Kp,Ki,Kd的校正量ΔKp,ΔKi,ΔKd。

圖2 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

在模糊控制中，將得到的各個數(shù)據(jù)進行模糊化，才能接受模糊規(guī)則的處理。本系統(tǒng)中將輸入e,ec和輸出ΔKp,ΔKi,ΔKd的論域設(shè)為[-6,6]，并使其離散化，分為7級，分別為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，建立隸屬度函數(shù)為“三角形”。根據(jù)不同PID參數(shù)調(diào)整模糊原則,得到輸出變量ΔKp,ΔKi,ΔKd規(guī)則表,如表1所示。

表1 輸出變量模糊規(guī)則表

得到輸入量隸屬函數(shù)、輸出變量的隸屬函數(shù)與3個輸出量的控制曲面。

采用“重心法”對模糊推理得到的模糊集合去模糊化，其數(shù)學(xué)表達式為

(1)

式中uc(z)為變量z的隸屬函數(shù)。通過式(1)可得出模糊控制器的兩個輸入量的精確值{E，Ec}，并代入式(2)計算

(2)

本文智能伺服驅(qū)動器速度環(huán)采用自適應(yīng)模糊PID控制算法實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的快速響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)精度，滿足了無刷直流電機轉(zhuǎn)速精度、響應(yīng)速度和動靜態(tài)穩(wěn)定性的要求。

3 智能伺服驅(qū)動器軟件設(shè)計

驅(qū)動器的軟件采用Keil開發(fā)環(huán)境，編程語言為C語言。驅(qū)動器軟件分為主程序模塊和系統(tǒng)功能模塊。主程序模塊包括系統(tǒng)時鐘配置、中斷配置、HALL模塊、PWM模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog digital converter,ADC)模塊、系統(tǒng)定時模塊、CAN總線模塊、USART模塊、USB模塊等初始化。系統(tǒng)功能模塊則包括各中斷服務(wù)功能子程序。如圖3(a)所示，系統(tǒng)初始化完成后，首先確定系統(tǒng)功能模式，然后定時通過CAN總線發(fā)送當(dāng)前狀態(tài)信息給上位機，進入中斷等待。

驅(qū)動器的功能大部分依賴于中斷程序的運行，對于中斷程序的配置和其優(yōu)先級的設(shè)置是程序設(shè)計的關(guān)鍵，其中轉(zhuǎn)速位置調(diào)節(jié)中斷次優(yōu)先級應(yīng)設(shè)為最高，其函數(shù)流程如圖3(b)所示，CAN接收中斷的優(yōu)先級應(yīng)設(shè)為最高，其函數(shù)流程如圖3(c)所示。

CAN總線對于系統(tǒng)時鐘的配置和波特率的設(shè)置要求最為嚴格，波特率相同系統(tǒng)間才可以正常通信，因此控制系統(tǒng)需要相同的高速外部時鐘HSE作為時鐘源。如果HSE不工作，STM32時鐘源會自動轉(zhuǎn)為內(nèi)部時鐘造成時鐘紊亂進而造成CAN通信失敗。

換向程序設(shè)計的準(zhǔn)確性關(guān)系到BLDCM能否正常穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)，在執(zhí)行換相程序時，通過獲取霍爾傳感器發(fā)送的霍爾信號得到當(dāng)前位置信息，并將接口定時器的輸入捕獲通道設(shè)置為上升沿觸發(fā)，根據(jù)獲得的當(dāng)前位置，改變TIM1高級定時器的配置，從而改變3路PWM輸出，同時需要調(diào)整3路RESET信號的高低電平，完成換相功能。

圖3 驅(qū)動器軟件流程

4 實驗驗證及數(shù)據(jù)分析

通過完成BLDCM控制驅(qū)動系統(tǒng)的搭建，上位機通過CAN總線實現(xiàn)對BLDCM的實時控制，CAN總線上的信號波形如圖4所示。

圖4 CAN總線通信波形

上位機通過CAN總線更改電機的設(shè)定轉(zhuǎn)速實現(xiàn)電機調(diào)速，也可以設(shè)置轉(zhuǎn)動角度，實現(xiàn)電機角度調(diào)節(jié)。智能控制驅(qū)動器輸出的電機相電壓波形如圖5所示。圖中上方波形為A相，下方波形為B相，兩相間相差120°電角度，智能控制驅(qū)動器通過輸出3個兩兩相差120°電角度的梯形波形，實現(xiàn)對BLDCM的控制。實驗采用的電機，其額定電壓24 V，額定功率60 W，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。PID的初始值設(shè)為Kp=9，Ki=18，Kd=0.05，設(shè)定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，當(dāng)運行3 s時，將設(shè)定轉(zhuǎn)速調(diào)至1 500 r/min。通過MATLAB軟件建立自適應(yīng)模糊PID算法仿真模型，電機傳遞函數(shù)為1/(0.003 9s2+1.683s+0.049)，得到一組仿真數(shù)據(jù)，通過完成控制器的搭建與實驗，得到一組實際實驗數(shù)據(jù)，兩組數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示。

圖5 BLDCM相電壓波形

圖6 電機轉(zhuǎn)速仿真和實驗響應(yīng)曲線比較

從電機轉(zhuǎn)速的響應(yīng)曲線可以看出，仿真曲線與實驗所獲得的曲線大致相同，當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，伺服驅(qū)動器的調(diào)節(jié)時間大約為0.4 s，超調(diào)量為1.2 %，當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)速調(diào)至1 500 r/min時，伺服驅(qū)動器的調(diào)節(jié)時間大約為0.19 s，無超調(diào)量。分析可以看出，系統(tǒng)穩(wěn)定時實際速度基本穩(wěn)定在設(shè)定值附近，穩(wěn)態(tài)精度在0.3 %之間。

實際實驗中為了獲得空載和帶載時電機轉(zhuǎn)速響應(yīng)數(shù)據(jù)，通過連接器將一個帶有減速器的直流電機與控制系統(tǒng)的BLDCM相連，BLDCM帶動直流電機旋轉(zhuǎn)，直流電機作為發(fā)電機給3 Ω電阻器供電。當(dāng)BLDCM輸入為24 V時，空載時母線電流為0.07 A，帶載時母線電流為0.18 A，直流電機產(chǎn)生23.5 V電壓?？蛰d和帶載狀態(tài)下設(shè)定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時轉(zhuǎn)速響應(yīng)比較如圖7所示，可以看出，相比于空載狀態(tài)，BLDCM在帶載的狀態(tài)下超調(diào)量增大，調(diào)整時間延長，穩(wěn)定精度大致相同。

圖7 電機空載和帶載時轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線比較

表2 系統(tǒng)角度設(shè)定值對應(yīng)的輸出數(shù)據(jù) (°)

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種新型的微型化、大功率智能伺服驅(qū)動器，實驗表明：該智能伺服驅(qū)動器響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)時間短，超調(diào)量小，轉(zhuǎn)動角度精度高，獲得了較好的啟動性能和運行性能，滿足BLDCM控制驅(qū)動系統(tǒng)對于穩(wěn)定性和精確度的要求。