【導(dǎo)讀】基于ARM的控制器逐步成為自動(dòng)化控制領(lǐng)域的主導(dǎo)產(chǎn)品之一。高速、高精度以及。具有良好可靠性始終是運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)追求的目標(biāo)。本文介紹了基于ARM伺服電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)采用PHILIPSLPC2114芯片作。為控制核心，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。件實(shí)現(xiàn)智能控制算法，同時(shí)完成任務(wù)的合理調(diào)度及實(shí)時(shí)控制。在該系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一種實(shí)時(shí)性。的控制器，改變了傳統(tǒng)單片機(jī)運(yùn)算能力和控制功能不足的現(xiàn)狀和弱點(diǎn)。位移進(jìn)行智能化，精確化控制。Keywords：ARM；Servo-motor；D/Adataacquisition；Controller. 隨著工業(yè)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)應(yīng)用日益廣泛和成熟。ARM處理器因其具有高性。一些基于ARM7TDMI內(nèi)核的微控制器都可支持DSP運(yùn)算并能夠達(dá)。嵌入式系統(tǒng)是近年來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的面向控制、監(jiān)視的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，它的。特點(diǎn)是采用高速處理器，體積小，集成度高，運(yùn)算速度快，存儲(chǔ)器容量大，功耗低，支持多種網(wǎng)絡(luò)接口。本文討論了一種基于A

　　

【正文】 轉(zhuǎn)磁場(chǎng)幅值不等（與原橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向相同的正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)大，與原轉(zhuǎn)向相反的反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)小），但以相同的速度，向相反的方向旋轉(zhuǎn)。它們切割轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)的電勢(shì)和電流以及產(chǎn)生的電磁力 22 矩也方向相反、大小不等（正轉(zhuǎn)者大，反轉(zhuǎn)者小）合成力矩不為零，所以伺服電機(jī)就朝著正轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 的方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，隨著信號(hào)的增強(qiáng)，磁場(chǎng)接近圓形，此時(shí)正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其力矩增大，反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其力矩減小，合成力矩變大，如負(fù)載力矩不變，轉(zhuǎn)子的速度就增加。如果改變控制電壓的相位，即移相 180176。 ， +旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向相反，因而產(chǎn)生的合成力矩方向也相反，伺服電機(jī)將反轉(zhuǎn)。若控制信號(hào)消失，只有勵(lì)磁繞組通入電流，伺服電機(jī)產(chǎn)生的磁場(chǎng)將是脈動(dòng)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子很快地停下來(lái)。 為使交流伺服電機(jī)具有控制信號(hào)消失，立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)的功能，把它的轉(zhuǎn)子電阻做得特別大，使它的臨界轉(zhuǎn)差率 Sk 大于 1。在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，如果控制信號(hào)降為“ 零 ” ，勵(lì)磁電流仍然存在，氣隙 中產(chǎn)生一個(gè)脈動(dòng)磁場(chǎng)，此脈動(dòng)磁場(chǎng)可視為正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成。一旦控制信號(hào)消失，氣隙磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為脈動(dòng)磁場(chǎng)，它可視為正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的合成，電機(jī)即按合成特性曲線運(yùn)行。由于轉(zhuǎn)子的慣性，運(yùn)行點(diǎn)由 A 點(diǎn)移到 B 點(diǎn)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生了一個(gè)與轉(zhuǎn)子原來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的制動(dòng)力矩。在負(fù)載力矩和制動(dòng)力矩的作用下使轉(zhuǎn)子迅速停止。 普通的兩相和三相異步電動(dòng)機(jī)正常情況下都是在對(duì)稱狀態(tài)下工作，不對(duì)稱運(yùn)行屬于故障狀態(tài)。而交流伺服電機(jī)則可以靠不同程度的不對(duì)稱運(yùn)行來(lái)達(dá)到控制目的。這是交流伺服電機(jī)在運(yùn)行上與普通異步電動(dòng)機(jī)的根本區(qū)別。 就伺服驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度來(lái)看，轉(zhuǎn)矩模式運(yùn)算量最小，驅(qū)動(dòng)器對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)最快 。位置模式運(yùn)算量最大，驅(qū)動(dòng)器對(duì)控制信號(hào)的響應(yīng)最慢。 對(duì)運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)態(tài)性能有比較高的要求時(shí)，需要實(shí)時(shí)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。那么如果控制器本身的運(yùn)算速度很慢 (比如 PLC，或低端運(yùn)動(dòng)控制器 )，就用位置方式控制。如果控制器運(yùn)算速度比較快，可以用速度方式，把位置環(huán)從驅(qū)動(dòng)器移到控制器上，減少驅(qū)動(dòng)器的工作量，提高效率 (比如大部分中高端運(yùn)動(dòng)控制器 )。如果有更好的上位控制器，還可以用轉(zhuǎn)矩方式控制，把速度環(huán)也從驅(qū)動(dòng)器上移開(kāi)，這一般只是高端專用控制器才能這么干，而 且，這時(shí)完全不需要使用伺服電機(jī)。因此伺服電機(jī)的控制方式下面三類： ：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過(guò)外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來(lái)設(shè)定電機(jī)軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如 10V 對(duì)應(yīng) 5Nm 的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為 5V 時(shí)電機(jī)軸輸出為 ， 如果電機(jī)軸負(fù)載低于 時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，外部負(fù)載等于 時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)，大于 時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn) (通常在有重力負(fù)載情況下產(chǎn)生 )。可以通過(guò)即時(shí)的改變模擬量的設(shè)定來(lái)改變?cè)O(shè)定的力矩大小，也可通過(guò)通訊 23 方式改變對(duì)應(yīng)的地址的數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用主要在對(duì)材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏 繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設(shè)備，轉(zhuǎn)矩的設(shè)定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時(shí)更改以確保材質(zhì)的受力不會(huì)隨著纏繞半徑的變化而改變。 ：位置控制模式一般是通過(guò)外部輸入的脈沖的頻率來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過(guò)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，也有些伺服可以通過(guò)通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置模式可以對(duì)速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。應(yīng)用領(lǐng)域如數(shù)控機(jī)床、印刷機(jī)械等等。 ：通過(guò)模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán) PID 控制時(shí)速度模式也 可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位反饋以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測(cè)位置信號(hào)，此時(shí)的電機(jī)軸端的編碼器只檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置信號(hào)就由直接的最終負(fù)載端的檢測(cè)裝置來(lái)提供了，這樣的優(yōu)點(diǎn)在于可以減少中間傳動(dòng)過(guò)程中的誤差，增加了整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。 24 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì) ARM 微控制器 PHILIPS LPC2114 簡(jiǎn)介 LPC2114 基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的 16/32 位 ARM7TDMIS CPU，并帶有128/256 k 字節(jié) (kB)嵌入的高 速 Flash 存儲(chǔ)器。 128 位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使 32 位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16 位 Thumb 模式將代碼規(guī)模降低超過(guò) 30%，而性能的損失卻很小。圖 為其結(jié)構(gòu)框圖。 由于 LPC2114/2124 非常小的 64 腳封裝、極低的功耗、多個(gè) 32 位定時(shí)器、 4 路10 位 ADC、 PWM 輸出、 46 個(gè) GPIO 以及多達(dá) 9 個(gè)外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問(wèn)控制和電子收款機(jī) (POS)。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟件調(diào) 制解調(diào)器以及其它各種類型的應(yīng)用。其特性有： ，超小 LQFP64 封裝； kB 片內(nèi) SRAM； ， 128位寬度接口 /加速器可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 60 MHz工作頻率； ：全球首個(gè)實(shí)現(xiàn)可加密的 ARM 微控制器； boot 裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程 (ISP)和在應(yīng)用編程 (IAP)。 512 字節(jié)行編程時(shí)間為 1ms。單扇區(qū)或整片擦除時(shí)間為 400ms； ICE 可實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)。當(dāng)使用片內(nèi) RealMonitor 軟件對(duì)前臺(tái)任務(wù)進(jìn)行調(diào)試時(shí)，中斷服務(wù)程序可繼續(xù)運(yùn)行； (ETM)支持對(duì)執(zhí)行代碼進(jìn)行無(wú)干擾的高速實(shí)時(shí)跟蹤； 路 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間低至 s； 個(gè) 32 位定時(shí)器 (帶 4 路捕獲和 4 路比較通道 )、 PWM 單元 (6 路輸出 )、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門狗； ，包括 2 個(gè) 16C550 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) UART、高速 I2C 接口 (400 kHz)和 2 個(gè) SPI 接口； PLL 可實(shí)現(xiàn)最大為 60MHz 的 CPU 操作頻率； 25 圖 LPC2114 結(jié)構(gòu)框圖 斷控制器。可配置優(yōu)先級(jí)和向量地址； 46 個(gè)通用 I/O 口 (可承受 5V 電壓 )， 9 個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引 26 腳； ： 10~25MHz； 個(gè)低功耗模式：空閑和掉電； ； － CPU 操作電壓范圍： ~(177。 )； － I/O 操作電壓范圍： ~(177。 10%)，可承受 5V 電壓。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本系統(tǒng) 以 ARM 微控制器 為控制核心， 利用軟硬件相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 。 開(kāi)關(guān) 信號(hào)經(jīng)過(guò) 光電隔離 送入 ARM 控制器 ，光電隔離除抗干擾作用以外，可將 5V電源轉(zhuǎn)換為 的 LPC2114 的 工作電壓 ， LPC2114 通過(guò) 控制命令 輸出數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬 電壓 信號(hào) ， 由 模擬電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服 驅(qū)動(dòng)器從而完成對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制 ， 系統(tǒng)整 體設(shè)計(jì)框架如圖 所示： A R M微 控 制 器光 電隔 離D / A 轉(zhuǎn) 換開(kāi)關(guān)量驅(qū) 動(dòng)電 路伺 服電 機(jī) 圖 系統(tǒng)總體框圖 本系統(tǒng)以 PHILIPS 單片 32 位 ARM 微控制器－ LPC2114 為控制核心，不但具有單片機(jī)的強(qiáng)大控制功能，而且具有 DSP 強(qiáng)大的運(yùn)算能力，可以 實(shí)現(xiàn)各種高速算法和復(fù)雜控制策略。整個(gè)系統(tǒng)分為六部分：電源轉(zhuǎn)換電路、復(fù)位監(jiān)控電路、微處理器主控系統(tǒng)、功率放大驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)反饋?zhàn)儞Q電路、伺服電機(jī)。控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖 所示 。 27 A R M 微 處 理 器L P C 2 1 1 4復(fù) 位 模 塊電 源 監(jiān) 控 模 塊放 大 驅(qū) 動(dòng) 模塊 及 接 口信 息 反 饋 通道 及 接 口D C / D C 變 壓 模 塊交 流 2 2 0 V 轉(zhuǎn) 換 成直 流 5 V電 源伺 服電 機(jī) 圖 控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)硬件 設(shè)計(jì) 電源的設(shè)計(jì) 相對(duì)于模擬電源來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)電源效率較高，適用于輸出功率功率較大的電路中，但電路較復(fù)雜，又同時(shí)是一個(gè)干擾源，需要進(jìn)行光電隔離。在這里我們以美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的開(kāi)關(guān)電源專用模塊 LM2575 進(jìn) 行開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)。 可將 220V 電源轉(zhuǎn)換成 LPC2114 端口 電源 或內(nèi)部電源 電壓輸出，其電源轉(zhuǎn)換電路圖如圖 所示。 C Z 1P O W E RF E E D B A C K4O U T P U T23V I N1GNDU4L M 2 5 7 5L1+C4+C1+ C2+ C3D2D11 N 5 8 1 9+ 5 V1 N 5 8 1 9n R S TV I N3VOUT2GND1S P X 1 1 1 7 M 3 1 . 8U2V D D 1 . 8C2 （ a） 28 C Z 1P O W E RF E E D B A C K4O U T P U T23V I N1GNDU4L M 2 5 7 5L1+C4+C1+ C2+ C3D2D11 N 5 8 1 9+ 5 V1 N 5 8 1 9n R S TV I N3VOUT2GND1S P X 1 1 1 7 M 3 1 . 8U1V D D 3 . 3C2 （ b） 圖 開(kāi)關(guān)電源 光電耦合器件 選型 由于開(kāi)關(guān)電源的干擾性和電壓偏大，所以我們必須光電隔離電路來(lái)消除干擾和將電源電壓 5V 轉(zhuǎn)化為 的 ARM 接口電壓。 光電隔離是由光電耦合器件完成的。光電耦合器是 20 世紀(jì) 70 年代發(fā)展起來(lái)的新型電子元件，是以光為媒介傳輸信號(hào)的器件。其輸入端配置發(fā)光源，輸出端配置受光器，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔 離的。開(kāi)關(guān)量輸入電路接入光電耦合器后，由于光電偶合器的隔離作用，使夾雜在輸入開(kāi)關(guān)量中的各種干擾脈沖都被擋在輸入回路的一側(cè)。除此之外，它還能起到很好的安全保障作用，因此在光電耦合器的輸入回路和輸出回路之間有很高的耐壓值，在 500V~1KV，甚至更高，由于電耦合器不是將輸入側(cè)和輸出側(cè)的電信號(hào)進(jìn)行直接耦合，而是以光為媒介進(jìn)行間接耦合，所以具有較高的電氣隔離和抗干擾能力。 光電偶合器件（簡(jiǎn)稱光耦）是把發(fā)光器件（如發(fā)光二極體）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過(guò)光線實(shí)現(xiàn)耦合構(gòu)成電 — 光和光 — 電的轉(zhuǎn)換器件。光電耦合 器分為很多種類，圖 所示為常用的三極管型光電耦合器原理圖。 圖 最 常用的光電耦合器之內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 本次設(shè)計(jì)我們選用 6N137 光電隔離器， 6N137 光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其內(nèi)部有一個(gè) 850nm 波長(zhǎng) AlGaAs LED 和一個(gè)集成檢測(cè)器組成，其檢 29 測(cè)器由一個(gè)光敏二極管、高增益線性運(yùn)放及一個(gè)肖特基鉗位的集電極開(kāi)路的三極管組成。具有溫度、電流和電壓補(bǔ)償功能，高的輸入輸出隔離， LSTTL/TTL 兼容，高速 (典型為 10MBd)， 5mA 的極小輸入電流。 它的管腳圖如圖 所示，信號(hào)從腳 2和腳 3 輸入，發(fā)光二極管發(fā)光，經(jīng)片內(nèi)光通道傳入光敏二極管，反向偏置的光敏管光照后導(dǎo)通，經(jīng)電流 電壓轉(zhuǎn)換后送到與門的一個(gè)輸入端 , 與門的另一個(gè)輸入為使能端 , 當(dāng)使能端為高時(shí)與門偷出高電平 , 經(jīng)輸出三極管反向后光電隔離器輸出低電平。當(dāng)輸入信號(hào)電流小于觸發(fā)閡值或使能為低時(shí)，輸出高電平，但這個(gè)邏輯高是集電極開(kāi)路的 ,可針對(duì)接收電路加上拉電阻或電壓調(diào)整電路。 6N137 的 實(shí)際電路連接 圖如 圖 所示。 5VV D D 3. 3KN / C4V I N36N137V C C8VE7Vo6GND5N / C1VDD2 圖 6N137實(shí)際電路連接圖 伺服驅(qū)動(dòng)器選型 伺服驅(qū)動(dòng)器是來(lái)控制伺服電機(jī)的 ,是伺服電機(jī)的控制部分。 在這里我們選擇根據(jù)SGMSH10A?A 型伺服電機(jī)適配 SGDM10ADA 伺服驅(qū)動(dòng)器 ，如圖 所示。 圖 SGDM10ADA伺服驅(qū)動(dòng)器 實(shí)物圖 30 SGDH 伺服驅(qū)動(dòng)器 MECHATROLINK I/F 單元伺服信息（位置、速度 、 輸入輸出）的讀出和各種指令的變更，可以通過(guò)實(shí)時(shí)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。一個(gè)上位控制器可以最多實(shí)現(xiàn) 15 站點(diǎn)的多軸運(yùn)動(dòng)控制。全閉 I/F 單元在機(jī)械前端所發(fā)生的位置偏移，可以用最近的方式。用脈沖指令可以對(duì)應(yīng)全閉環(huán)位置控制，即使精度上升，仍能高速驅(qū)動(dòng)并且在安全上也能起到作用。 它 的 性能卓越 ， 為了實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)效率，該驅(qū)動(dòng)器 CPU 運(yùn)算時(shí)間減少了一半，通過(guò)擴(kuò)充新控制算法，定位時(shí)間大大縮短，實(shí)現(xiàn)了出類拔萃的響應(yīng)性。 又 由于新控制算法的擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)了模式跟蹤控制，制振控制，強(qiáng)化了對(duì)振動(dòng)的控制。因此，即使低剛性機(jī)械其定位整定時(shí)間亦可縮短 1/3(與其它產(chǎn)品相比較 )。另外， 高速 /高精度驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了最高轉(zhuǎn)速 5000/rpm。此外，因采用了高分辨率串行編碼器 (16， 17bits)，提高了定位精度。 dq 軸變換電流控制系統(tǒng)的采用，轉(zhuǎn)矩控制精度 (重復(fù)性 )亦提高了 177。 5%至 177。 2%。 而且 采用了速度觀測(cè)控制，使電 機(jī)的速度波動(dòng)大幅度