基于LM629的機(jī)電一體化關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王善杰 ，曾憶山 ，凌 松

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所，江蘇 常州 213164）

目前，機(jī)器人多以直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用伺服控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制[1]。隨著機(jī)器人的發(fā)展，機(jī)器人關(guān)節(jié)小型化、輕量化要求越來(lái)越高，因此伺服控制器的緊湊設(shè)計(jì)就顯得越來(lái)越重要[2]。

本文設(shè)計(jì)的控制器集驅(qū)動(dòng)、控制于一體，使用專用的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制芯片LM629[3]，能方便、快捷地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并控制。采用現(xiàn)場(chǎng)總線CAN技術(shù)，具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、應(yīng)用靈活和性價(jià)比高等特點(diǎn)[4]，可以方便地組成多軸控制系統(tǒng)。

1 伺服控制系統(tǒng)整體方案

由上位機(jī)和LM629組成的模塊化直流伺服控制系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、CAN總線通信模塊和電源模塊4部分組成。

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，上位機(jī)通過(guò)CAN總線與STM32相互通信，上位機(jī)界面如圖2所示，主要初始化CAN總線通信的各種參數(shù)，并給STM32發(fā)送各種電機(jī)運(yùn)行需要的數(shù)據(jù)以及電機(jī)運(yùn)行方式等命令。STM32與控制芯片LM629通過(guò)數(shù)據(jù)口與控制口相連接，主要給LM629傳送由上位機(jī)接收的運(yùn)動(dòng)參數(shù)以及PID數(shù)據(jù)，并且接收LM629返回的位置速度以及中斷等信息。LM629精密運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)接收的運(yùn)行參數(shù)以及編碼器反饋回來(lái)的信號(hào)完成輸出脈寬符號(hào)信號(hào)PWMS和脈寬量值信號(hào)PWMM，然后經(jīng)過(guò)L6203功率放大后驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖2 上位機(jī)界面

STM32自身帶有CAN控制器，上位機(jī)通過(guò)USB CAN與STM32進(jìn)行通信，其收發(fā)報(bào)文格式如圖3所示。

圖3 收發(fā)報(bào)文格式

1.1 控制系統(tǒng)硬件基本結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。STM32的GPIO口與LM629的端口相連接。其中GPIOE與LM629的D0～D7相連接，傳輸數(shù)據(jù)及指令；讀取信號(hào)RD與GPIOB中PB3相連，用于讀取狀態(tài)數(shù)據(jù)，低電平有效；寫入信號(hào)WR與PB6相連，用于寫指令和數(shù)據(jù)，低電平有效；片選信號(hào) CS與 PB4相連，用于選擇 LM629，低電平有效；端口選擇PS與PB5相連，用于選擇指令或者數(shù)據(jù)端口。低電平選擇指令，高電平選擇數(shù)據(jù)。主機(jī)中斷HI與PA8相連接，LM629有6個(gè)中斷源，所有中斷源都是通過(guò)該引腳申請(qǐng)中斷，當(dāng)HI為高電平時(shí)，STM32進(jìn)行中斷響應(yīng)，通過(guò)讀取狀態(tài)字來(lái)判斷具體產(chǎn)生中斷的中斷源，相應(yīng)的中斷處理程序就對(duì)該中斷進(jìn)行處理。輸出的PWMM與PWMMS信號(hào)再經(jīng)過(guò)L6203全控橋驅(qū)動(dòng)電路放大，輸出控制電機(jī)。L6203的ENABLE與PB2相連接，開啟或者關(guān)閉電機(jī)。增量編碼器提供伺服位置閉環(huán)的反饋。LM629中梯形速度輪廓發(fā)生器為操作中的位置或速度模式計(jì)算必需的軌跡。在操作中，LM629從設(shè)定位置減去反饋位置，得到的位置誤差由數(shù)字濾波器處理來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)到設(shè)定位置。

圖4 硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LM629是為各種可以提供增量型位置反饋信號(hào)的直流以及直流無(wú)刷伺服電機(jī)的伺服機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的專用運(yùn)動(dòng)控制處理器[5]，內(nèi)部含有梯形速度曲線控制器、可編程16位系數(shù)的數(shù)字PID濾波器以及32位位置、速度和加速度寄存器等，因此硬件結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，重點(diǎn)是軟件設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)總體流程圖如圖5所示，系統(tǒng)首先初始化，然后對(duì)LM629進(jìn)行復(fù)位，若復(fù)位成功，則裝載PID參數(shù)，軌跡運(yùn)行參數(shù)，開始運(yùn)行；若是復(fù)位不成功，則重新復(fù)位。注意對(duì)LM629寫命令和數(shù)據(jù)時(shí)首先要查詢是否忙，即先要讀取狀態(tài)字，若查詢到忙位為“1”，則繼續(xù)查詢，直到忙位變?yōu)椤?”后方可寫入命令或者數(shù)據(jù)。

圖5 系統(tǒng)總體流程圖

復(fù)位流程圖如圖6所示，硬件復(fù)位RST輸入，低電平有效，上升沿觸發(fā)，復(fù)位脈沖必須邏輯低并且超過(guò)8個(gè)時(shí)鐘周期[6]。當(dāng)LM629的復(fù)位腳釋放之后，狀態(tài)端口應(yīng)該讀出“00H”。如果復(fù)位成功，狀態(tài)字會(huì)在1.5 ms之內(nèi)變成“84H”或者“C4H”；如果狀態(tài)字沒(méi)有在 1.5 ms內(nèi)變成“84H”或者“C4H”，執(zhí)行另一次復(fù)位，并重復(fù)上述步驟。為確保復(fù)位被正常執(zhí)行，執(zhí)行一個(gè)RSTI指令。如果芯片正確復(fù)位，狀態(tài)字會(huì)從 “84H”或者 “C4H”變成“80H”或者“C0H”；如果這個(gè)（變化）沒(méi)有發(fā)生，執(zhí)行另一個(gè)復(fù)位，并重復(fù)上述步驟。

初始化流程圖如圖7所示，主要是對(duì)STM32 GPIO口進(jìn)行設(shè)置。

圖6 復(fù)位流程圖

圖7 初始化流程圖

1.3 PID參數(shù)調(diào)整[7]

按照式（1）進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)整：

使用LM629芯片對(duì)于軟件設(shè)計(jì)方面的主要優(yōu)勢(shì)在于：該芯片內(nèi)部自帶速度生產(chǎn)控制器以及PID調(diào)節(jié)器，不用在軟件方面進(jìn)行大量的算法運(yùn)算。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由于LM629輸出的是PWMS和 PWMM波形，PWMS是表示電機(jī)運(yùn)行方向，PWMM是量值信號(hào)[8]，此實(shí)驗(yàn)中電機(jī)運(yùn)行模式為簡(jiǎn)單的絕對(duì)位置模式，軌跡控制雙字為：0x002A。給定的理想速度波形應(yīng)該是LM629梯形速度發(fā)生器產(chǎn)生的梯形波。圖8為PWMS波形，表示電機(jī)是正向運(yùn)行，圖9和圖10分別是PWMM波形。圖9波形占空比越來(lái)越小，速度越來(lái)越大，代表加速段；圖10波形占空比越來(lái)越大，速度越來(lái)越小，PWMS，PWMM參數(shù)的值由PID參數(shù)以及軌跡參數(shù)決定。

圖8 給定的PWMS波形 圖9 加速PWMM波形 圖10 減速PWMM波形

采樣時(shí)間=2 048/系統(tǒng)時(shí)鐘頻率（4 MHz）

最低采樣時(shí)間T1=2 048/4 MHz

最高采樣時(shí)間 T2=2 048×256/4 MHz

LM629提供3個(gè)輸入：兩個(gè)積分信號(hào)和一個(gè)索引脈沖信號(hào)。積分信號(hào)用于保持電機(jī)的軌跡和絕對(duì)位置，可提供編碼器提供的線數(shù)的4倍分辨率。

LM629自帶的PID參數(shù)調(diào)節(jié)器、梯形速度發(fā)生器、高分辨率以及濾波器可以對(duì)接收到的反饋信息實(shí)現(xiàn)高頻響應(yīng)并進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)果及時(shí)發(fā)送給電機(jī)以校正運(yùn)動(dòng)誤差，確保電機(jī)能穩(wěn)定、高精度的運(yùn)行。

本文利用高精度運(yùn)動(dòng)控制器LM629，能執(zhí)行高性能數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制所需要的實(shí)時(shí)計(jì)算而且使得主機(jī)控制接口由高級(jí)指令簡(jiǎn)化，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、精度高、系統(tǒng)緊湊、通信方式可靠，便于擴(kuò)展。

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