自從1966年美國首次將音圈電機(Voice Coil Motor，VCM)用于磁盤(pán)機之后，音圈電機便開(kāi)始進(jìn)入相關(guān)的應用領(lǐng)域。國內從20世紀70年代起，也逐步開(kāi)始研究音圈直線(xiàn)電機在某些領(lǐng)域的應用，音圈電機的驅動(dòng)控制器從傳統的模擬控制器逐步向數字控制器發(fā)展?，F在電機數字控制器廣泛采用數字信號處理器(Digtal Signal Processor，DSP)，并合一些外圍電路來(lái)完成電機控制。根據應用場(chǎng)合和要求的不同，出現了一些新的數字控制器設計思想。參考文獻給出了一種基于DSP和FPGA的音圈電機數字控制器設計方法，用于驅動(dòng)電液伺服閥;參考文獻給出一種基于FPGA的音圈電機驅動(dòng)器設計方法，用于擺臂干涉儀中。
為滿(mǎn)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(diǎn)DSP和ARM的音圈電機雙核驅動(dòng)控制器硬件結構，用于實(shí)現激光定位和掃描用音圈電機的位置伺服控制。根據DSP和ARM的特點(diǎn)，對其進(jìn)行功能劃分和詳細的設計。
1 系統硬件結構
驅動(dòng)控制器采用DSP+ARM的結構，與信號采集電路和功率驅動(dòng)電路配合共同完成音圈電機的驅動(dòng)控制。選用TI公司的32位浮點(diǎn)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，結合其外圍電路構成功率驅動(dòng)電路部分。選用集成芯片，一方面可以簡(jiǎn)化電路的設計;另一方面還可以提高電路設計的可靠性。位置信號檢測選用光耀博晨公司的20位絕對式旋轉編碼器BCE105AK25M，分辨率為7.5角秒。系統的硬件結構圖如圖1所示。
DSP和ARM的音圈電機伺服控制系統設計
2 系統設計
根據系統的要求以及DSP和ARM各自的特點(diǎn)，為了充分利用其資源，對系統進(jìn)行了詳細的功能劃分和模塊化設計。
2.1 系統功能劃分
本課題來(lái)源于“地下金屬礦設備精確定位與智能導航”項目，擬通過(guò)二維激光定位和導航基站對地下金屬礦設備進(jìn)行精確定位和導航，音圈電機用于二維基站俯仰方向激光的定位和掃描。系統除了要完成音圈電機的驅動(dòng)控制，還需要完成水平方向電機的位置環(huán)控制算法，并與地下金屬礦設備(以下簡(jiǎn)稱(chēng)上位機)之間進(jìn)行以太網(wǎng)數據交換。課題中，音圈電機的型號為VARS0022—032～00A，主要參數如下：總行程為32°，最大輸出轉矩為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(diǎn)型數字處理器，指令周期約為6.67 ns，適合復雜高速的計算。STM32F107是意法半導體的互聯(lián)型系列微控制器產(chǎn)品，集成了很多高性能工業(yè)標準接口。其中，包括兩個(gè)12位A/D(模數)轉換器、1個(gè)以太網(wǎng)10/100 Mbps MAC模塊、3個(gè)SPI接口。系統中DSP主要完成系統初始化、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(guò)流保護，以及DSP之間的數據交換等。從DSP的角度，ARM可以看做是其協(xié)處理器。系統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設計
2.2 ARM功能設計
根據2.1節中的功能劃分，來(lái)介紹ARM部分功能模塊的設計。
2.2.1 PWM模塊設計
STM320F107具有一個(gè)16位的可產(chǎn)生電機控制PWM波的定時(shí)器，能設置死區時(shí)間，同時(shí)還能進(jìn)行急停處理，因此采用STM320F107定時(shí)器模塊的增減計數器、比較寄存器和比較器來(lái)實(shí)現PWM波的產(chǎn)生。為了防止功率驅動(dòng)電路中上下管直通造成電源短路，可以通過(guò)配置定時(shí)器模塊的死區寄存器，在PWM信號中加入死區，使同相的上下橋臂驅動(dòng)信號錯開(kāi)一個(gè)死區時(shí)間，防止功率器件短路。PWM模塊與LMD182000功率驅動(dòng)電路配合使用，即可完成音圈電機的驅動(dòng)。功率驅動(dòng)芯片LMD182000只需要來(lái)自ARM的3個(gè)信號驅動(dòng)控制信號，分別是PWM信號、方向信號、剎車(chē)信號。
2.2.2 通信接口模塊設計
串行外設接口(SPI)是TMS320F28335中一個(gè)高速同步的串行輸入/輸出接口，允許可編程位長(cháng)的串行位流以可編程的位傳輸率移入或移出設備。DSP和ARM之間采用SPI進(jìn)行數據交換，連接方式如圖3所示。
DSP和ARM的音圈電機伺服控制系統設計
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(lái)源。系統中設計DSP為主控制器，控制SPICLK(時(shí)鐘)信號引腳，為整個(gè)串行通信網(wǎng)絡(luò )提供串行時(shí)鐘，可以在任何時(shí)刻啟動(dòng)數據傳送。數據將從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)引腳輸入的數據。而SPISTE引腳作為從SPI控制器的片選控制信號，主控制器發(fā)送數據給從控制器之前將SPISTE引腳置為低電平，待數據發(fā)送完畢后再將SPISTE引腳置為高電平。為實(shí)現系統與其他數字設備之間的數據傳輸和交換，還設計了CAN、100 Mbps以太網(wǎng)接口等。
2.2.3 電機限位和過(guò)流保護
考慮到系統運行安全，需要對系統進(jìn)行限位和過(guò)流保護設計，本設計通過(guò)軟件監控來(lái)實(shí)現保護。過(guò)流保護，即把每次采樣的電流和允許的最大電流值進(jìn)行比較，當采樣值大于最大電流值時(shí)，對功率電路進(jìn)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(guò)流指示;其二，功率驅動(dòng)芯片LMD182000自帶剎車(chē)功能，只需通過(guò)ARM使能LMD182000的剎車(chē)引腳，便可使功率管處于關(guān)斷狀態(tài)，然后給出過(guò)流指示。限位保護，即把每次采集到的實(shí)時(shí)值和目標指令值分別與設定極限值比較，若實(shí)時(shí)位置超出設定極限值，且目標指令值在極限值之內，則利用位置環(huán)使其跟隨目標值。若目標指令值超出設定極限值，則把極限值設為新的目標指令值。

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