基于ARM控制的交流伺服系统设计.docx
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基于ARM控制的交流伺服系统设计
基于ARM及松下A5伺服控制系统设计
摘要
运动控制技术能够快速发展得益于计算机、高速数字处理器、自动控制、网络技术的发展。
基于ARM的控制器逐步成为自动化控制领域的主导产品之一。
高速、高精度以及具有良好可靠性始终是运动控制技术追求的目标。
伺服控制系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。
又称随动系统。
在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。
伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。
本设计采用ST公司的ARM芯片STM32F10XX系列控制器作为主控芯片：
STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARMCortex-M3内核。
本设计实现运动控制技术对高速、高精度的追求目标，设计并实现以微处理器为核心的控制器，改变了传统单片机运算能力和控制功能不足的现状和弱点。
可以对电机的转速位移进行智能化，精确化控制。
关键词：
ARM；伺服电机；正交编码；控制器，STM32.
1绪论
1.1引言
随着工业的发展，嵌入式技术应用日益广泛和成熟。
ARM处理器因其具有高性能、低功耗、低成本等显著优点，已被广泛应用于工业控制、消费电子、汽车、网络等各类行业。
ARM处理器的特点是：
耗电少功能强、16位/32位双指令集和合作伙伴众多。
1、体积小、低功耗、低成本、高性能；
2、支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；
3、大量使用寄存器，指令执行速度更快；
4、大多数数据操作都在寄存器中完成；
5、寻址方式灵活简单，执行效率高；
6、指令长度固定。
伺服控制系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。
采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的：
①以小功率指令信号去控制大功率负载。
火炮控制和船舵控制就是典型的例子。
②在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。
③使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。
1.2国内外发展状况
1.2.1嵌入式在的发展
嵌入式系统作为“物联网”的核心，是当前最热门最有前景的IT应用领域之一。
嵌入式技术已经无处不在，从随身携带的mp3、语言复读机、手机、PDA到家庭之中的智能电视、智能冰箱、机顶盒，再到工业生存、娱乐中的机器人，无不采用嵌入式技术。
各大跨国公司及国内家电巨头如INTEL、TI、SONY、三星、TCL、联想和康佳等都面临着嵌入式人才严重短缺的挑战。
嵌入式微机工业控制技术是20世纪以来在计算机应用实践中产生和发展起来的非常经济实用的一种自动化技术,它集电气、机械、计算机、通信等技术于一体,具有速度快、工作方式灵活、可靠性高、信息处能力强等特点,在工业领域中已得到广泛的应用。
目前国内工业控制中用的嵌入式工控设备的趋势是用16位或32位微处理器替代。
本设计采用嵌入式微处理器ARM,将控制板、电源和被控制设备集成于一体,形成嵌入式一体化工业控制机。
虽然利用ARM只控制电机略显奢华,但是对于多信息的受对象而言,ARM的优点将凸现无疑。
随着中国经济的迅速崛起和人民生活水平的普遍提高，中国已经成为全球最大的半导体消费市场，中国电子产品企业的营业收入也在逐年上升。
但是我们也注意到，中国电子产业的利润率却并没有随之增长。
这其中的一个主要原因是缺乏创新。
但是，缺乏创新并不意味着没有创新。
重邮信科研制成功的全球第一颗采用0.13微米工艺的TD-SCDMA手机核心芯片，大唐微电子的COMIP芯片平台，杰得微电子的中国第一颗0.13微米多媒体应用处理器Z228，海思半导体的WCDMA基带芯片和IPTV及DTV多媒体芯片，国微技术的PCMIACAM芯片，这些都是非常优秀的创新。
很多朋友都看到过我最近使用的一部超薄（11l2mm）手机（TCLV9），它的多媒体处理器芯片C625是由上海复旦微电子和智多微电子联合设计的并且在中芯国际0.18微米工艺制造，它的操作系统和应用程序是由一家深圳公司编写的。
正是这样一部完全由“中国设计”并且“中国制造”的手机，具有卡拉OK、MP3、MPEG4、摄像、USB等多种功能。
这样一个三四年前中国半导体企业可能连想都不敢想的成就，现在已经成为了现实，这正是一个非常了不起的创新!
这些成功的案例显示了中国企业创新的能力和决心，相信随着时间的推移，我们会听到越来越多类似的消息，中国电子行业也将由此而实现真正的腾飞。
1.2.2伺服电机控制技术发展概况
现代电机控制理论发展使机床数控伺服系统实现交流化、数字化、智能化机床
数控系统中，常用的伺服电机和控制系统有:
（1）开环控制系统
采用步进电机作为驱动器件，无须位置和速度检测器件，也没有反馈电路，控制电路简单，价格低廉。
步进电机和普通电机的区别主要就在于它的脉冲控制，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。
不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。
在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。
（2）半闭环和闭环位置控制系统
采用直流伺服电机或交流伺服电机作为驱动部件，可以采用内装于电机内的脉冲编码器，无刷旋转变压器或测速发电机作为位置/速度检测器件来构成半闭环位置控制系统，也可以采用直接安装在工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器件，来构成高精度的全闭环位置控制系统。
永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：
⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。
⑵定子绕组散热比较方便。
⑶惯量小，易于提高系统的快速性。
⑷适应于高速大力矩工作状态。
⑸同功率下有较小的体积和重量。
自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。
到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。
整个伺服装置市场都转向了交流系统。
早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行，分别称为摪胧只瘮或抟旌鲜綌、撊只瘮的永磁交流伺服系统。
到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。
典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。
日本松下电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器，其中大惯量系列适用于数控机床，中惯量系列适用于机器人（最高转速为3000r/min，力矩为0.016～0.16N.m）。
还推出小惯量系列。
20世纪90年代先后推出了新的A4系列和A5系列。
2相关技术原理介绍
2.1ARM原理简介
2.1.1ARM简介
ARM的Jazelle技术使Java加速得到比基于软件的Java虚拟机（JVM）高得多的性能，和同等的非Java加速核相比功耗降低80%。
CPU功能上增加DSP指令集提供增强的16位和32位算术运算能力，提高了性能和灵活性。
ARM还提供两个前沿特性来辅助带深嵌入处理器的高集成SoC器件的调试，它们是嵌入式ICE-RT逻辑和嵌入式跟踪宏核（ETMS）系列.
处理器模式说明：
用户模式（usr）ARM处理器正常的程序执行状态
系统模式（sys）运行具有特权的操作系统任务
快中断模式（fiq）支持高速数据传输或通道处理
管理模式（svc）操作系统保护模式
数据访问终止模式（abt）用于虚拟存储器及存储器保护
中断模式（irq）用于通用的中断处理
未定义指令终止模式（und）支持硬件协处理器的软件仿真
除用户模式外，其余6种模式称为非用户模式或特权模式；用户模式和系统模式之外的5种模式称为异常模式。
ARM处理器的运行模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常处理改变。
2.1.2ARM硬件体系结构
（1）冯²诺依曼体系和哈佛总线
众所周知，早期的微处理器内部大多采用冯²诺依曼结构，以Intel公司的X86系统微处理器为代表，如图2.1所示，采用冯²诺依曼结构的微处理器的程序空间和数据是合在一起的，即取指令和取操作数都是在同一条总线上，通过时分复用的方式进行的，其每条指令的执行周期为：
T＝TF（取指令）＋TD（指令译码）＋TE（执行指令）＋TS（存储时间）
在高速运行时，不能达到同时取指令和取操作数的目的，从而形成了传输过程的瓶颈。
冯²诺依曼结构被大多数微处理器所采用，其中，ARM7处理器即采用此体系结构。
随着微电子技术的发展，以DSP和ARM为应用代表的哈佛总线技术应运而生，如图2.2所示，在采用哈佛总线体系结构的芯片内部，程序空间和地址空间是分开的，这就允许同时取指令（来自程序空间）和取操作数（来自数据空间），从而使运算能力大大提高，目前，绝大多数的DSP以及ARM9以上系列ARM处理器内核都采用哈佛体系结构，同时，修正的哈佛总线结构还可以在程序空间和数据空间之间相互传送数据。
（2）CISC和RISC指令集。
复杂指令系统计算机的CISC微处理器是台式计算机系统的中心，其核心为运行指令的电路。
指令由完成任务的多个步骤所组成，例如把数值传送进寄存器或进行相加运算，都是需要指令的，这些指令称为微代码（microcode），不同制造商的微处理器有不同的微代码系统，制造商可按自己的意愿使微代码做得简单或复杂。
指令系统越丰富，微处理器编程就越简单，执行速度也越慢，而且设计这样的处理器的代价也就越大，但是由于指令系统丰富，对上层的支持会比较好。
Stm32构架图
图2.4ARM7内部结构框图
ARM7内核主要特点可综合为以下几点：
a.32位的RISC结构处理器（包括32位地址线和数据线）；
b.Little/BigEndian（小端/大端）操作模式；
c.高性能RISC；
d.较低的电压损耗；
e.适用于对电源比较敏感的应用中；
f.快速中断响应；
g.适用于实时系统；
h.支持虚拟内存；
j.支持高级语言；
k.具有简单但功能强大的指令系统。
2.2A5伺服器的原理
2.2.1A5伺服器的介绍
AC伺服电机和驱动器MINASA5系列，是可满足要求高速、高精度及高性能机器，到要求简单
设定机器的各种要求的最新产品。
新开发的该产品，对原来的A4系列进行了飞跃性的性能升级，设定和调整极其简单，是无论谁都可以感受到其高性能的产品。
新开发了输出功率从50W〜5.0kW的品种丰富的电机，采用20位增量式编码器，且实现了低齿槽转矩化。
此外，除了对应2个全闭环控制（脉冲、A相／B相）之外，还配备了具有各种自动设定项目的实时自动调整等各种调整功能，可简单地进行复杂的调整。
与至今为止的制品相比，MINASA5系列提高了在低刚性机器上的稳定性，及可在高刚性机器上进行高速高精度运转，可应对各种机器的使用。
2.2.2A5伺服器的工作原理
1.伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。
2.交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。
大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。
因而适合做低速平稳运行的应用。
3.伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。
伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。
20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。
交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。
90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。
交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。
永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：
⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。
⑵定子绕组散热比较方便。
⑶惯量小，易于提高系统的快速性。
⑷适应于高速大力矩工作状态。
⑸同功率下有较小的体积和重量。
自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。
到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。
整个伺服装置市场都转向了交流系统。
早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行，分别称为摪胧只瘮或抟旌鲜綌、撊只瘮的永磁交流伺服系统。
到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。
典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。
日本松下电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器，其中大惯量系列适用于数控机床，中惯量系列适用于机器人（最高转速为3000r/min，力矩为0.016～0.16N.m）。
还推出小惯量系列。
20世纪90年代先后推出了新的A4系列和A5系列。
由旧系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、80C、154CPU和门阵列芯片控制，力矩波动由24%降低到7%，并提高了可靠性。
这样，只用了几年时间形成了八个系列（功率范围为0.05～6kW）较完整的体系，满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要。
2.3编码器及测速原理
2.3.1编码器
编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。
编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。
按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种；按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。
增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。
绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。
工作原理：
由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，
有光电发射和接收器件读取，获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。
由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。
编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。
分辨率—编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度5~10000线。
接线方法：
旋转编码器是一种光电式旋转测量装置，它将被测的角位移直接转换成数字信号（高速脉冲信号）。
编码器如以信号原理来分，有增量型编码器，绝对型编码器。
我们通常用的是增量型编码器，可将旋转编码器的输出脉冲信号直接输入给PLC，利用PLC的高速计数器对其脉冲信号进行计数，以获得测量结果。
不同型号的旋转编码器，其输出脉冲的相数也不同，有的旋转编码器输出A、B、Z三相脉冲，有的只有A、B相两相，最简单的只有A相。
编码器有5条引线，其中3条是脉冲输出线，1条是COM端线，1条是电源线（OC门输出型）。
编码器的电源可以是外接电源，也可直接使用PLC的DC24V电源。
电源“-”端要与编码器的COM端连接，“+”与编码器的电源端连接。
编码器的COM端与PLC输入COM端连接，A、B、Z两相脉冲输出线直接与PLC的输入端连接，A、B为相差90度的脉冲，Z相信号在编码器旋转一圈只有一个脉冲，通常用来做零点的依据，连接时要注意PLC输入的响应时间。
旋转编码器还有一条屏蔽线，使用时要将屏蔽线接地，提高抗干扰性。
编码器-----------PLC
A-----------------X0
B-----------------X1
Z------------------X2
+24V------------+24V
COM--------------24V-----------COM[1]
2.3.2测频法“M法”
在一定测量时间T内，测量脉冲发生器（替代输入脉冲）产生的脉冲数m1来测量转速，如图3-1“M”法测量转速脉冲所示，设在时间T内，转轴转过的弧度数为Xτ，则转速n可由下式表示：
n=
（3-1）
转轴转过的弧度数Xτ可用下式所示m1
X
（3-2）
图3-1“M”法测量转速脉冲
将（3-2）式代入（3-1）式得
转速n的表达式为：
n=
（3-3）
P-为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数；
n-转速单位：
（转/分）；
T-定时时间单位：
（秒）。
在该方法中，测量精度是由于定时时间T和脉冲不能保证严格同步，以及在T内能否正好测量外部脉冲的完整的周期，可能产生的1个脉冲的量化误差。
因此，为了提高测量精度，T要有足够长的时间。
定时时间可根据测量对象情况预先设置。
设置的时间过长，可以提高精度，但在转速较快的情况下，所计的脉冲数增大（码盘孔数已定情况下），限制了转速测量的量程。
而设置的时间过短，测量精度会受到一定的影响。
2.3.3测周期法“T法”
转速可以用两脉冲产生的间隔宽度TP来决定。
用以采集数据的码盘，可以是单孔或多孔，对于单孔码盘测量两次脉冲间的时间，就可测出转述数据，TP也可以用时钟脉冲数来表示。
对于多孔码盘，其测量的时间只是每转的1/N，N为码盘孔数。
如图3-2“T”法脉宽测量所示。
TP通过定时器测得。
定时器对时基脉冲（频率为fc）进行计数定时，在TP内计数值若为m2，则计算公式为：
n=
（3-4）
即：
（3-5）
fc-为硬件产生的基准时钟脉冲频率：
单位（Hz）；
n-转速单位：
（转/分）；
m2-时基脉冲。
图3-2“T”法脉宽测量
由“T”法脉宽测量可知“T”法测量精度的误差主要有两个方面，一是两脉冲的上升沿触发时间不一致而产生的；二是计数和定时起始和关闭不一致而产生的。
因此要求脉冲的上升沿（或下降沿）陡峭和计数和定时严格同步。
测周法在低转速时精度较高，但随着转速的增加，精度变差，有小于一个脉冲的误差存在。
2.3.4测频测周法“M/T法”
所谓测频测周法，即是综合了“T”法和“M”法分别对高、低转速具有的不同精度，利用各自的优点而产生的方法，精度位于两者之间，如图3-3“M/T”法定时/计数测量所示。
“M/T”法采用三个定时/计数器，同时对输入脉冲、高频脉冲（由振荡器产生）、及预设的定时时间进行定时和计数，m1反映转角，m2反映测速的准确时间，通过计算可得转速值n。
该法在高速及低速时都具有相对较高的精度。
测速时间Td由脉冲发生器脉冲来同步，即Td等于m1个脉冲周期。
由图可见，从a点开始，计数器对m1和m2计数，到达b点，预定的测速时间时，单片机发出停止计数的指令，因为Tc不一定正好等于整数个脉冲发生器脉冲周期，所以，计数器仍对高频脉冲继续计数，到达c点时，脉冲发生器脉冲的上升沿使计数器停止，这样，m2就代表了m1个脉冲周期的时间。
“M/T”法综合了“T”和“M”两种方法，转速计算如下：
设高频脉冲的频率为fc，脉冲发生器每转发出P个脉冲，由式（3-2）和（3-5）可得M/T法转速计算公式为：
（3-6）
n-转速值。
单位：
（转/分）；
fc-晶体震荡频率：
单位（Hz）；
m1-输入脉冲数，反映转角；
m2-时基脉冲数。
图3-3“M/T”法定时/计数测量
2.2.5转速测量系统中应用的方法
通过上面的分析可知，M法适合于高速测量，当转速越低，产生的误差会越大。
T法适合于低速测量，转速增高，误差增大。
M/T这种转速测量方法的相对误差与转速n无关，只与晶体振荡产生的脉冲有关，故可适合各种转速下的测量。
保证其测量精度的途径是增大定时时间T，或提高时基脉冲的频率fc。
因此，在实际操作时往往采用一种称变M/T的测量方法，即所谓变M/T法，在M/T法的基础上，让测量时间Tc始终等于转速输入脉冲信号的周期之和。
并根据第一次的所测转速及时调整预测时间Tc，兼顾高低转速时的测量精度。
第三章元件的选择与介绍
3.1STM32处理器
STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。
按性能分成两个不同的系列：
STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列。
增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是16位产品用户的最佳选择。
两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的组合。
时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。
特点
内核：
ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。
单周期乘法和硬件除法。
存储器：
片上集成32-512KB的Flash存储器。
6-64KB的SRAM存储器。
时钟、复位和电源管理：
2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。
POR、PDR和可编程的电压探测器（PVD）。
4-16MHz的晶振。
内嵌出厂前调校的8MHzRC振荡电路。
内部40kHz的RC振荡电路。
用于CPU时钟的PLL。
带校准用于RTC的32kHz的晶振。
低功耗：
3种低功耗模式：
休眠，停止，待机模式。
为RTC和备份寄存器供电的VBAT。
调试模式：
串行调试（SWD）和JTAG接口。
DMA：
12通道DMA控制器。
支持的外设：
定时器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART。
2个12位的us级的A/D转换器（16通道）：
A/D测量范围：
0-3.6V。
双采样和保持能力。
片上集成一个温度传感器。
2通道12位D/A转换器：
STM32F103
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