基于DSP和STM32的電液伺服控制器設計

摘要：基于DSP和STM32的智能伺服控制器在位置閉環(huán)反饋伺服控制系統中有著(zhù)廣泛的應用。本設計采用TMS320F28335與STM32F103RET6雙核控制器，兩者通過(guò)SPI進(jìn)行數據通信分工協(xié)作。另外，設計了完善的系統故障自檢測報警程序與復合控制算法程序，在提高了系統穩定性與智能化的同時(shí)，又提高了整個(gè)系統的精度。

引言

伺服控制系統大部分都采用傳統的硬件結構，控制算法比較固定，而且也無(wú)法實(shí)現不同工況下的高性能控制算法，難以滿(mǎn)足現代工業(yè)的需求?，F階段迫切需要研制一種智能型、具有高可靠性、控制性能更加優(yōu)秀的電液伺服系統?；贒SP與STM32的智能型伺服控制器具有軟硬件結合程度更加緊密、系統的智能化程度更高、可實(shí)現多種控制策略的優(yōu)勢。本系統從實(shí)際的需求出發(fā)，結合精確數字PID控制算法和Fuzzy控制算法自身的優(yōu)勢，組合成Fuzzy—PID控制算法，根據偏差的大小范圍選擇合適的控制算法進(jìn)行調節。

本設計將兩款工控芯片——TI公司的浮點(diǎn)型DSPTMS320F28335和ST公司的ARM7升級版STM32F103RET6引入智能電液伺服系統，設計了基于DSP與STM32的智能型伺服控制器，使電液控制技術(shù)進(jìn)一步朝向數字化、集成化、智能化、輕量化、高精度、高可靠性、節能降耗的方向持續發(fā)展。

1 硬件設計

1.1 硬件總體結構

本系統硬件主要由STM32F103RET6和TMS320F28335兩部分組成。STM32F103RET6主要控制外圍電路，包括輸入信號調理模塊、輸出信號調理模塊、A/D和D/A轉換模塊、硬件自檢測電路模塊、觸摸屏控制模塊、故障報警模塊;DSP芯片TMS320F28335主要完成算法的計算與以太網(wǎng)通信，包括外擴SRAM模塊、DM9000A以太網(wǎng)通信模塊、EEPROM存儲模塊。兩者通過(guò)SPI進(jìn)行數據通信，包括各種參數、控制輸出量等。顯示模塊采用5.7寸電阻式觸摸屏，用于顯示各部分的工作狀態(tài)及運行情況，完成控制器各種參數的在線(xiàn)設定等人機交互。其硬件結構如圖1所示。

1.2 I/U變換電路

由于指令輸入信號和反饋信號都是4～20 mA直流信號，所以需要將其轉換成STM32F103RET6的A/D轉換器可接受的0～3 V直流電壓信號。圖2為I/U變換電路。

電阻R25輸入一個(gè)“-2.5 V”參考電壓，由“虛斷”可知，經(jīng)過(guò)R25和R26電阻分壓后，在“1”點(diǎn)的電壓為：

所以U1=-0.1 V。由“虛短”可知，“2”點(diǎn)的電壓U2=U1=-0.1 V，所以當4～20 mA電流信號輸入后，“3”點(diǎn)的電壓U3=I×(R14+R16)-0.1，即U3=0.025×I-0.1。當I=4 mA時(shí)，U3=0 V;當I=20 mA時(shí)，U3=0.4 V，這樣就完成了4～20 mA到0～0.4 V的電流/電壓轉換。后級運放為同相比例運算放大器，放大倍數：

所以輸出電壓公式為UO=7.5×U3。當輸入為4 mA時(shí)，UO=0 V;當輸入為20 mA時(shí)，UO=7.5×0.4=3 V。經(jīng)過(guò)兩級運放，完成了從4～20 mA電流信號向0～3 V電壓信號的轉換。

1.3 U/I變換電路

STM32F103RET6的D/A轉換輸出為0～3 V的直流電壓信號，要想驅動(dòng)伺服閥，必須通過(guò)U/I變換，轉變成4～20 mA直流電流信號，如圖3所示。

由圖3可知，I0≈I3由“虛斷”和“虛短”可知：

其中，0≤V1≤3V，由于電阻阻值有誤差，為了保證電路能從0～3 V轉換為4～20 mA，特意將電阻R44設置為200 Ω的滑動(dòng)變阻器，用以彌補電阻阻值誤差帶來(lái)的影響。

2 軟件設計

2.1 STM32主程序設計

待系統上電初始化完成后，首先執行故障自診斷程序，當STM32F103RET6(以下簡(jiǎn)稱(chēng)STM32)無(wú)故障且外圍硬件電路無(wú)故障時(shí)，啟動(dòng)STM32內部A/D轉換器，對指令信號(或本地給定信號)與反饋信號進(jìn)行采樣和模數轉換，并將采集的數據通過(guò)SPI通信傳給DSP進(jìn)行運算。DSP再將計算結果通過(guò)SPI傳給STM32，STM32經(jīng)過(guò)內部的D/A變換輸出模擬量來(lái)控制電液伺服閥，并可以通過(guò)觸摸屏查詢(xún)各種參數、輸出控制量的曲線(xiàn)圖，判斷計算偏差的大小。若偏差為0，則退出程序;反之，則繼續執行以上過(guò)程，直至偏差為0。系統工作的流程如圖4所示。

控制器的軟件設計采用模塊化編程方案，軟件由STM32部分和DSP部分組成，STM32部分包括了系統初始化子程序、A/D轉換子程序、D/A轉換子程序、系統自檢報警子程序、SPI通信子程序。DSP部分包括控制算法子程序、以太網(wǎng)通信子程序、EEPROM存儲子程序、SPI數據通信子程序、系統初始化設置子程序。

2.2 DSP主程序設計

DSP部分的主程序主要的功能是：與STM32進(jìn)行SPI通信，將STM32采集的數據通過(guò)控制算法計算出控制輸出量和以太網(wǎng)通信。在主函數中，首先禁用DSP內部看門(mén)狗，初始化DSP時(shí)鐘;其次，初始化DSP各個(gè)內部模塊，然后禁用全局中斷，初始化中斷向量表，根據需求對中斷進(jìn)行配置;待所有初始化完成后再打開(kāi)全局中斷，最后程序進(jìn)入無(wú)限循環(huán)等待SPI和以太網(wǎng)中斷。主程序流程圖如圖5所示。

3 系統測試

本系統設計了參數在線(xiàn)設定、故障自檢測等功能，在系統整體的測試過(guò)程中，液晶顯示出故障的部分。經(jīng)過(guò)各項測試，測試結果表明該控制器運行可靠，具備良好的穩態(tài)性能和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，能夠獲得精密且實(shí)時(shí)的控制效果。表1為伺服控制器瞬時(shí)測試結果。

其測試條件為：本地控制工作模式下，輸入信號均為4～20 mA，且伺服閥為正作用，位置反饋為正作用。根據伺服閥電流的變化趨勢來(lái)確認控制算法是否正確，在整個(gè)測試過(guò)程中，當指令信號小于反饋信號時(shí)。伺服閥電流呈現減小變化的趨勢;當指令信號大于反饋信號時(shí)，伺服閥電流呈現增大變化的趨勢。根據變化趨勢得出控制算法符合實(shí)際的調節規律。本伺服控制器的線(xiàn)性擬合度可達到0.078%，能完全滿(mǎn)足線(xiàn)性擬合度優(yōu)于0.1%的要求，完全達到了預期設定的目標。

結語(yǔ)

本課題根據電液伺服控制系統的性能要求，研制了一款采用32位浮點(diǎn)DSP芯片TMS320F28335和Cortex—M3為內核的ARM芯片STM32F103RE T6為控制核心的智能伺服控制器，并且通過(guò)系統測試證明了本控制器的穩定性、可靠性及實(shí)用性。