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(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域。國內(nèi)從20世紀(jì)70年代起，也逐步開始研究音圈直線電機在某些領(lǐng)域的應(yīng)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。現(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(yīng)用場合和要求的不同，出現(xiàn)了一些新的數(shù)字控制器設(shè)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)，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(xì)的設(shè)計。
1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
驅(qū)動控制器采用DSP+ARM的結(jié)構(gòu)，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(jié)合其外圍電路構(gòu)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(shè)計;另一方面還可以提高電路設(shè)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(zhuǎn)編碼器BCE105AK25M，分辨率為7.5角秒。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
DSP和ARM的音圈電機伺服控制系統(tǒng)設(shè)計
2 系統(tǒng)設(shè)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(xì)的功能劃分和模塊化設(shè)計。
2.1 系統(tǒng)功能劃分
本課題來源于“地下金屬礦設(shè)備精確定位與智能導(dǎo)航”項目，擬通過二維激光定位和導(dǎo)航基站對地下金屬礦設(shè)備進行精確定位和導(dǎo)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(shè)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(zhuǎn)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(fù)雜高速的計算。STM32F107是意法半導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)接口。其中，包括兩個12位A/D(模數(shù))轉(zhuǎn)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。
DSP和ARM的音圈電機伺服控制系統(tǒng)設(shè)計
2.2 ARM功能設(shè)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(shè)計。
2.2.1 PWM模塊設(shè)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(shè)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(shè)計
串行外設(shè)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(shè)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。
DSP和ARM的音圈電機伺服控制系統(tǒng)設(shè)計
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(shè)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(luò)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(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和交換，還設(shè)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(shè)計，本設(shè)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(dāng)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(guān)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(guān)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(biāo)指令值分別與設(shè)定極限值比較，若實時位置超出設(shè)定極限值，且目標(biāo)指令值在極限值之內(nèi)，則利用位置環(huán)使其跟隨目標(biāo)值。若目標(biāo)指令值超出設(shè)定極限值，則把極限值設(shè)為新的目標(biāo)指令值。

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