DSP和ARM的音圈電機伺服控制系統(tǒng)設計

引言

自從1966年美國首次將音圈電機(Voice Coil Motor，VCM)用于磁盤機之后，音圈電機便開始進入相關的應用領域。國內(nèi)從20世紀70年代起，也逐步開始研究音圈直線電機在某些領域的應用，音圈電機的驅(qū)動控制器從傳統(tǒng)的模擬控制器逐步向數(shù)字控制器發(fā)展?，F(xiàn)在電機數(shù)字控制器廣泛采用數(shù)字信號處理器(Digtal Signal Processor，DSP)，并合一些外圍電路來完成電機控制。根據(jù)應用場合和要求的不同，出現(xiàn)了一些新的數(shù)字控制器設計思想。參考文獻給出了一種基于DSP和FPGA的音圈電機數(shù)字控制器設計方法，用于驅(qū)動電液伺服閥;參考文獻給出一種基于FPGA的音圈電機驅(qū)動器設計方法，用于擺臂干涉儀中。

為滿足項目在控制性能和通信方式等方面的要求，提出了一種基于浮點DSP和ARM的音圈電機雙核驅(qū)動控制器硬件結構，用于實現(xiàn)激光定位和掃描用音圈電機的位置伺服控制。根據(jù)DSP和ARM的特點，對其進行功能劃分和詳細的設計。

1 系統(tǒng)硬件結構

驅(qū)動控制器采用DSP+ARM的結構，與信號采集電路和功率驅(qū)動電路配合共同完成音圈電機的驅(qū)動控制。選用TI公司的32位浮點型DSP TMS320F28335作為主處理器，最高工作頻率為150 MHz;選用ST公司的32位互聯(lián)型產(chǎn)品ARM核STM32F107作為協(xié)處理器，最高工作頻率為72 MHz。選用高性能的集成H橋芯片LMD182000，結合其外圍電路構成功率驅(qū)動電路部分。選用集成芯片，一方面可以簡化電路的設計;另一方面還可以提高電路設計的可靠性。位置信號檢測選用光耀博晨公司的20位絕對式旋轉編碼器BCE105AK25M，分辨率為7.5角秒。系統(tǒng)的硬件結構圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)設計

根據(jù)系統(tǒng)的要求以及DSP和ARM各自的特點，為了充分利用其資源，對系統(tǒng)進行了詳細的功能劃分和模塊化設計。

2.1 系統(tǒng)功能劃分

本課題來源于“地下金屬礦設備精確定位與智能導航”項目，擬通過二維激光定位和導航基站對地下金屬礦設備進行精確定位和導航，音圈電機用于二維基站俯仰方向激光的定位和掃描。系統(tǒng)除了要完成音圈電機的驅(qū)動控制，還需要完成水平方向電機的位置環(huán)控制算法，并與地下金屬礦設備(以下簡稱上位機)之間進行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換。課題中，音圈電機的型號為VARS0022—032～00A，主要參數(shù)如下：總行程為32°，最大輸出轉矩為0.22 N·m，最大電流為1.4 A，最大電壓為15.5 V。

TMS320F28335是32位浮點型數(shù)字處理器，指令周期約為6.67 ns，適合復雜高速的計算。STM32F107是意法半導體的互聯(lián)型系列微控制器產(chǎn)品，集成了很多高性能工業(yè)標準接口。其中，包括兩個12位A/D(模數(shù))轉換器、1個以太網(wǎng)10/100 Mbps MAC模塊、3個SPI接口。系統(tǒng)中DSP主要完成系統(tǒng)初始化、位置控制算法，ARM主要完成PWM波產(chǎn)生、A/D采集控制、電流環(huán)計算、以太網(wǎng)通信、電機限位和過流保護，以及DSP之間的數(shù)據(jù)交換等。從DSP的角度，ARM可以看做是其協(xié)處理器。系統(tǒng)控制功能劃分圖如圖2所示。

2.2 ARM功能設計

根據(jù)2.1節(jié)中的功能劃分，來介紹ARM部分功能模塊的設計。

2.2.1 PWM模塊設計

STM320F107具有一個16位的可產(chǎn)生電機控制PWM波的定時器，能設置死區(qū)時間，同時還能進行急停處理，因此采用STM320F107定時器模塊的增減計數(shù)器、比較寄存器和比較器來實現(xiàn)PWM波的產(chǎn)生。為了防止功率驅(qū)動電路中上下管直通造成電源短路，可以通過配置定時器模塊的死區(qū)寄存器，在PWM信號中加入死區(qū)，使同相的上下橋臂驅(qū)動信號錯開一個死區(qū)時間，防止功率器件短路。PWM模塊與LMD182000功率驅(qū)動電路配合使用，即可完成音圈電機的驅(qū)動。功率驅(qū)動芯片LMD182000只需要來自ARM的3個信號驅(qū)動控制信號，分別是PWM信號、方向信號、剎車信號。

2.2.2 通信接口模塊設計

串行外設接口(SPI)是TMS320F28335中一個高速同步的串行輸入/輸出接口，允許可編程位長的串行位流以可編程的位傳輸率移入或移出設備。DSP和ARM之間采用SPI進行數(shù)據(jù)交換，連接方式如圖3所示。

SPI可以工作于主控制器模式，也可以工作于從控制器模式，工作模式?jīng)Q定了SPICLK信號的來源。系統(tǒng)中設計DSP為主控制器，控制SPICLK(時鐘)信號引腳，為整個串行通信網(wǎng)絡提供串行時鐘，可以在任何時刻啟動數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)將從SPISIMO(從控制器輸入，主控制器輸出)引腳輸出，并鎖存SPISOMI(主控制器輸入，從控制器輸出)引腳輸入的數(shù)據(jù)。而SPISTE引腳作為從SPI控制器的片選控制信號，主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)給從控制器之前將SPISTE引腳置為低電平，待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后再將SPISTE引腳置為高電平。為實現(xiàn)系統(tǒng)與其他數(shù)字設備之間的數(shù)據(jù)傳輸和交換，還設計了CAN、100 Mbps以太網(wǎng)接口等。

2.2.3 電機限位和過流保護

考慮到系統(tǒng)運行安全，需要對系統(tǒng)進行限位和過流保護設計，本設計通過軟件監(jiān)控來實現(xiàn)保護。過流保護，即把每次采樣的電流和允許的最大電流值進行比較，當采樣值大于最大電流值時，對功率電路進行管理。有兩種處理方法：其一，直接封鎖PWM信號，關斷功率電路的各功率管，并給出過流指示;其二，功率驅(qū)動芯片LMD182000自帶剎車功能，只需通過ARM使能LMD182000的剎車引腳，便可使功率管處于關斷狀態(tài)，然后給出過流指示。限位保護，即把每次采集到的實時值和目標指令值分別與設定極限值比較，若實時位置超出設定極限值，且目標指令值在極限值之內(nèi)，則利用位置環(huán)使其跟隨目標值。若目標指令值超出設定極限值，則把極限值設為新的目標指令值。

2.3 DSP軟件設計

按照系統(tǒng)的功能劃分，主要的控制和通信功能已由ARM來完成，DSP主要完成系統(tǒng)初始化、通信、位置控制算法。DSP的軟件設計遵循自上而下的思路，按功能劃分了軟件模塊。DSP程序包括：主程序、系統(tǒng)初始化子程序、定時器T0中斷服務程序等。