嵌入式系統(tǒng)的多路步進電機控制系統(tǒng)的設(shè)計

(廣西師范大學(xué) 電子工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引言

隨著社會與經(jīng)濟的飛速發(fā)展，自動化控制代替人為操作越顯明顯[1]。步進電機作為自動化控制重要的執(zhí)行機構(gòu)來說，其控制一直以來都是一個重要的研究課題，其主要研究集中在加減速曲線優(yōu)化和具體實現(xiàn)上。與此同時隨著嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，特別是其ARM架構(gòu)芯片的性能有了大幅度的提升以及嵌入式實時控制系統(tǒng)的功能變得更加完善。因此將嵌入式技術(shù)應(yīng)用于多路步進電機控制系統(tǒng)中不僅可以提高了步進電機控制的實時性和可靠性，而且還降低了控制系統(tǒng)的成本[2]。本文設(shè)計的主控芯片使用了ST公司的的STM32F4系列微處理器，嵌入式以太網(wǎng)控制器W5500、電機控制芯片A4984、光電傳感器、RFID射頻識別傳感器等多種外設(shè)，操作系統(tǒng)采用嵌入式實時操作系統(tǒng)FreeRTOS，上位機控制軟件應(yīng)用程序采用PyQt，并進行相應(yīng)的軟件程序開發(fā)，本設(shè)計致力于設(shè)計一種可靠穩(wěn)定，實時性高的多路步進電機控制系統(tǒng)。

1 硬件電路設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

本設(shè)計總體架構(gòu)如圖1所示。主控芯片通過嵌入式以太網(wǎng)控制器W5500與上位機通信，接收上位機軟件發(fā)送的命令，并向上位機返回現(xiàn)在所處的工作狀態(tài)。W5500通過SPI通信將上位機命令發(fā)送給主控制端STM32，后由主控進行命令解析，得到指令中的電機脈沖數(shù)、頻率以及正反轉(zhuǎn)等參數(shù)，最終得到驅(qū)動電機的脈沖數(shù)量、脈沖頻率以及脈沖信號順序，從而控制各路步進電機按照指令所需的頻率精確達到目的位置。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計電路中主控芯片采用ST公司的STM32F407系列微控制器，電機驅(qū)動芯片采用A4984SLPTR-T芯片，步進電機選擇倆相四線的混合式步進電機。

1.2 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

STM32網(wǎng)絡(luò)通信主要有倆種方式一種采用移植LWIP協(xié)議棧，一種是采用外置網(wǎng)絡(luò)芯片與主控芯片之間進行通信。由于主控芯片已經(jīng)移植了小型操作系統(tǒng)FreeRTOS，為了不增加主控芯片的內(nèi)存壓力且外置網(wǎng)絡(luò)芯片加以外部晶振，較LWIP協(xié)議棧以及內(nèi)部晶振時鐘會更加精確，故采用外置網(wǎng)絡(luò)芯片加以外部晶振來進行網(wǎng)絡(luò)通信。網(wǎng)絡(luò)通信芯片采用韓國WIZnet公司的W5500芯片，該芯片集成了IP/TCP協(xié)議棧，方編程模塊化，有助于系統(tǒng)后期的擴展性，也減少了主控芯片的資源占用。

1.3 電機驅(qū)動模塊

本系統(tǒng)電路中電機驅(qū)動模塊采用Allegro公司的A4984SLPTR-T電機驅(qū)動器，該驅(qū)動器是一個完整的帶有內(nèi)置轉(zhuǎn)換器的微電機驅(qū)動器。A4984SLPTR-T包括一個固定停機時間電流穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器可在慢或混合衰減模式下工作。該電機驅(qū)動器具有高達35 V和±2 A的輸入驅(qū)動能力，且控制簡單。若電機的溫度過高，會導(dǎo)致電機力矩降低乃至失步，故將電機的電流設(shè)定為1.414 A，既可以使得電機芯片不過載，又盡可能的使得電機的利用率更高。驅(qū)動模塊電路如圖2所示。

圖2 電機驅(qū)動模塊原理圖

2 下位機軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 軟件總體設(shè)計

根據(jù)設(shè)計需要實現(xiàn)的目標(biāo)，本文把系統(tǒng)分為不同的子功能，充分利用嵌入式系統(tǒng)多任務(wù)的優(yōu)勢，把各個子功能作為系統(tǒng)中不同的任務(wù)進程實現(xiàn)[3]，包括：網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)、上位機通訊協(xié)議解析任務(wù)、電機驅(qū)動任務(wù)、光電傳感器任務(wù)等，各個任務(wù)通過操作系統(tǒng)的信號量進行同步運行，由上位機軟件統(tǒng)籌規(guī)劃。為了保證步進電機系統(tǒng)的實時性，其中電機驅(qū)動進程為核心進程，設(shè)定其任務(wù)優(yōu)先級為次高，除W5500的通信模塊，沒有其他進程可以搶占他的CPU控制權(quán)。

本文主要介紹軟件設(shè)計網(wǎng)絡(luò)通信管理和電機控制的實現(xiàn)：從網(wǎng)口讀取運動指令，轉(zhuǎn)換為實際電機的移動。

1)上位機軟件通過工作人員設(shè)定的電機工作時序來發(fā)送相對應(yīng)的電機控制指令，命令通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至網(wǎng)絡(luò)控制芯片中的命令緩存區(qū)中，后由SPI通信發(fā)送至主控制端STM32所建立的循環(huán)鏈表中進行存儲，防止命令丟失，最后又主控制端進行相對應(yīng)的命令解析；

2)主控制端解析電機控制命令后，使用電機控制算法來控制電機來進行相對應(yīng)的電機動作，其中主要參數(shù)包括電機脈沖頻率、電機轉(zhuǎn)動方向、脈沖總數(shù)以及加減速脈沖數(shù)等信息；

3)完成動作后，主控制端再通過SPI向網(wǎng)絡(luò)控制芯片傳輸完成指令，請求下一指令；網(wǎng)絡(luò)控制芯片向上位機返回相對應(yīng)的結(jié)束命令，結(jié)束動作，等待下一次協(xié)議命令；

2.2 嵌入式系統(tǒng)選擇

ARM系列的微處理器不支持大型操作系統(tǒng)的移植，但是在單片機模式下的縱向處理程序處理又滿足不了任務(wù)量多的程序設(shè)計。而此時嵌入式實時操作系統(tǒng)既滿足ARM處理器的內(nèi)存要求且可以進行多個任務(wù)假性同步運行，一個處理器核心每次僅可以執(zhí)行一個任務(wù)，但實時操作系統(tǒng)的主要工作則是將任務(wù)切換的時間變得非常短，而這已經(jīng)滿足了本設(shè)計對操作系統(tǒng)的需求。

本設(shè)計采用了FreeRTOS嵌入式實時操作系統(tǒng)。FreeRTOS實時操作系統(tǒng)內(nèi)核占用空間小、源碼公開、可移植、實時性高，可免費用于商業(yè)用途。其基本功能包括：通過時間片調(diào)度切換任務(wù)；多種信號量應(yīng)用于各種場景；多個實時任務(wù)且及其優(yōu)先級的配置；文件任務(wù)的管理等。

在嵌入式領(lǐng)域，F(xiàn)reeRTOS是不多的同時具有實行性，開源性，可靠性，易用性，多平臺支持等特點的嵌入式操作系統(tǒng)[4]。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信管理

由于單步執(zhí)行的程序架構(gòu)中，下位機會來不及處理上位機發(fā)送的連續(xù)運動指令，上位機向網(wǎng)關(guān)發(fā)送命令，對數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，但是由于接收到的命令要從流水線的控制器交互，交互需要一個過程，在這個過程里，導(dǎo)致上位機命令冗余，存儲在一個數(shù)組里，但是上位機長時間收不到命令，網(wǎng)絡(luò)連接會中斷，這種異常在工業(yè)控制里是堅決不允許的，所以，對處理的命令進行過濾，即設(shè)計了一個環(huán)形鏈表算法，將先存儲在鏈表中但未處理的命令刪除，把剛接收到的命令，插入尾部。如圖3環(huán)形鏈表示意圖。

圖3 環(huán)形鏈表示意圖

環(huán)形鏈表結(jié)構(gòu)體定義所示：

typedef struct rx_net_data

{

char rx_data[CMD_MAX_DATA_LEN];

unsigned char rx_data_len;

SemaphoreHandle_t task_binarySemaphore;

SemaphoreHandle_t ISR_binarySemaphore;

Struct rx_net_data *next;

} RX_NET_DATA_LinkedListDef;

結(jié)構(gòu)體中的 rx_data用來存放上位機發(fā)送過來的指令，rx_data_len表示rx_data數(shù)據(jù)長度，task_binarySemaphore為任務(wù)級的二值信號量，ISR_binarySemaphore為中斷級的信號量，用來同步中斷中接收到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)包解析任務(wù)同步。

中斷接收指令過程，流程圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)通信流程圖

2.4 電機驅(qū)動控制

步進電機的控制方式通常分為倆種，一種是使用定時器中斷來驅(qū)動步進電機，另一種則是定時器PWM脈寬調(diào)制來驅(qū)動。本文采用的則是定時器PWM脈寬調(diào)制，通過設(shè)置自動裝載值和預(yù)分頻值來控制占空比，從而控制電機的頻率。

由于步進電機本身的局限性，在步進電機起始階段頻率變化過大，則會導(dǎo)致電機失步、過沖現(xiàn)象，所以啟動階段需要一段較為緩慢的預(yù)熱階段。為了防止電機出現(xiàn)過沖或失步的現(xiàn)象，在電機控制中加入改進型S型算法，則有效的規(guī)避了該現(xiàn)象。

由文獻[3]可得S型曲線的速度函數(shù)，所得的S型曲線，如圖5所示：

(1)

式(1)中：a為設(shè)定的系統(tǒng)加速度；Vm為步進電機運行的最大速度；Vs為步進電機運行的起始速度。

S型算法的好處是速度具有很好的平滑性，運動精度也很高[5-6]。S型算法又名Sigmoid函數(shù)，Sigmoid函數(shù)原型為:

(2)

對其加以修改，式如下所示:

(3)

在式(3)所示：F(i)為即時頻率值；Fmin為步進電機運行的起始速度；Fmax為步進電機運行的最大速度；k為代表設(shè)定的加速度；i為加速或者減速的脈沖索引(i≥2 num)。

給定K值為7時，電機運作較為良好，值得提醒的是加速階段或者減速階段脈沖索引都從0開始計數(shù)。

通過MATLAB對公式(3)的加速部分進行仿真，取電機初始頻率Fmin為2 000 Hz，最大頻率Fmax為3 000 Hz,加速脈沖數(shù)num(電機一個脈沖數(shù)為1.8°)為4 000，T1取值為2 000，加速度k為7，所獲得加速S曲線如圖5所示：電機轉(zhuǎn)動主要分為3個階段，加加速，勻加速以及加減速階段[7-8]，減速和加速階段類似，故不做多余講解。

圖5 文獻[3]S型加速曲線圖

圖6 本文S型加速曲線圖

通過圖5，圖6倆者比較可以明顯發(fā)現(xiàn)，本文中的S型算法有效的避免了電機初始加速速率變化過大而導(dǎo)致的電機速率突變的情況，避免了電機過沖與丟步的現(xiàn)象；電機也可以在最短的時間內(nèi)達到所需的頻率，也大大的降低系統(tǒng)的功耗[9-10]。將圖5、圖6進行對比，通過對MATLAB仿真圖進行取脈沖值0,1 000,2 000,3 000,4 000，得到電機的實時頻率值，比較S型加減速的脈沖數(shù)和頻率之間的關(guān)系如表1。

3 上位機軟件設(shè)計

PC上位機使用python3.5和pyqt5進行研發(fā)編寫。

表1 步進脈沖時間間隔

Python是功能很強大的跨平臺解釋性腳本語言，而 PyQt 是python針對Qt的一門功能性拓展[11]。由于Qt本身功能的強大性加上Python語言的良好的擴展性，該設(shè)計選擇Python和PyQt作為開發(fā)語言和開發(fā)環(huán)境。

界面如圖7所示，電機開始偵聽則開始與下位機進行連接，連接成功則顯示連接成功，如果失敗則返回連接失敗。界面主要參數(shù)包括：脈沖總數(shù)、電機轉(zhuǎn)向、起始頻率值、最大頻率值、脈沖加速脈沖數(shù)、減速脈沖數(shù)以及電機選擇等。通訊協(xié)議數(shù)據(jù)幀以圖7為例為：

圖7 上位機軟件示意圖

0231|CT|MA|500|10 000|CW|20 000|5 000|5 000|AABB03。其中起始位0231，控制位CT；電機選擇為MA；起始頻率為500；最大頻率10 000；電機轉(zhuǎn)向，正向為CW，反向為CCW；電機總脈沖數(shù)為20 000；加速脈沖數(shù)為5 000；減速脈沖數(shù)為5 000；校驗位為AABB以及截止位為03。當(dāng)電機動作完成之后，下位機需返回信息給上位機告知動作完成。返回信息的通訊協(xié)議僅將控制位和電機選擇進行互換，表示是下位機向上位機返回的信息。電機動作完全結(jié)束后，需將電機進行復(fù)位，等待下一次的動作命令。復(fù)位是通過觸碰光電傳感器從而使電機返回初始位置，后進入待機狀態(tài)，等待上位機的協(xié)議命令。電機的誤差就不會進行疊加。

4 實驗結(jié)果與分析

在實際應(yīng)用中有8臺步進電機同時工作，所以在FreeRTOS中創(chuàng)建8個實時電機控制任務(wù)。給電機相同起始頻率2 000以及最大頻率5 000，不同脈沖數(shù)，比較丟失步的比例。由于電機轉(zhuǎn)動需要主控制端給脈沖，而每給一個脈沖數(shù)就要進入一次定時器中斷，故在定時器中斷中給一個疊加參數(shù)，當(dāng)脈沖數(shù)完成后由串口通信打印至串口調(diào)試助手，即可得到其電機實際接受到的脈沖數(shù)。

表2 電機丟失步比例情況

由上述數(shù)據(jù)以及通過若干次測試可以顯示該電機控制系統(tǒng)的丟失步比例均在1%以內(nèi)，電機一個脈沖為1.8°，加上電機細分?jǐn)?shù)為8細分，所以電機丟失步所造成的轉(zhuǎn)動距離非常的小。因此將此控制系統(tǒng)運用至實際工程中去，實際項目工程圖如圖8所示。

圖8 項目工程圖

5 結(jié)論

用嵌入式實時控制系統(tǒng)和步進電機控制技術(shù)，設(shè)計了一種基于嵌入式系統(tǒng)的多路步進電機控制系統(tǒng)，并且闡述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計、步進電機控制技術(shù)以及上位機控制軟件應(yīng)用程序。通過測試表明該系統(tǒng)提高了電機控制的穩(wěn)定性以及可靠性，有效的防止步進電機失步和過沖現(xiàn)象，有效的提高了試管架的檢測效率；另一方面使用ARM7微處理器的嵌入式控制技術(shù)，使得控制成本大大降低，更適合中小型控制系統(tǒng)的低成本要求。該系統(tǒng)現(xiàn)已在多進樣流水線中運用，且系統(tǒng)運作良好。