基于Wujian100多功能電機控制系統(tǒng)的研究*

作者簡介：陳岳海(2000—)，廖墀坤、張涵(1999—)，陳少真、陳星如(1998—)，男，主要從事集成電路設計、自然語言處理、信號處理的研究、或器件仿真等的學習與研究。

摘要：本文提出基于Wujian100 開源SoC平臺實現(xiàn)一個多功能、高精度的步進電機控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)使用自適應BP神經(jīng)網(wǎng)絡PID算法，可動態(tài)調(diào)節(jié)控制參數(shù)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。搭配梯形加減速、SPTA以及電機速度控制算法，實現(xiàn)對步進電機的旋轉角度和速度的控制。搭載溫濕度傳感器、電壓電流檢測模塊、電機表面溫度測量裝置等來保證電機工作環(huán)境的適宜性。本系統(tǒng)在基于對單個電機精確控制的基礎上實現(xiàn)了對三軸電機的多功能控制，包括角度和速度。此外為實現(xiàn)本地離線和遠程在線控制，系統(tǒng)通過串口觸摸屏、WiFi傳輸模塊，搭配阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，設計了多種人機控制界面，均可進行多功能控制。

0   引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來以及自動控制領域的發(fā)展，以智能化為代表的機器人在社會的各行各業(yè)影響到我們，并發(fā)揮了神奇的力量。在各領域中，涉及自動化控制的系統(tǒng)，均與電機的控制相關，尤其在高精度系統(tǒng)中，要求電機控制精度非常高。由此，研究高精度、高效率、成本低的電機控制系統(tǒng)非常必要。

Wujian100 SoC 平臺的開發(fā)，自適應BP 神經(jīng)網(wǎng)絡PID、梯形加減速、SPTA、電機速度閉環(huán)控制算法。最終實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的搭建，包括硬件結構、軟件結構及系統(tǒng)仿真和調(diào)試。

1   電機控制系統(tǒng)總體設計方案

1.1 電機控制方式

本系統(tǒng)采用57 式兩相四線步進電機，使用DM860電機驅(qū)動器，該驅(qū)動器可實現(xiàn)400~40 000 細分，在本系統(tǒng)中使用1 600 細分的精度，驅(qū)動器有三種控制信號：PUL、DIR、ENA。PUL 可控制步進電機的轉動，每一個步進電機都有固定的步距角，即一個脈沖信號電機會運行一步，通過細分技術可以改變電機轉動一圈所需的步數(shù)，即改變所需脈沖個數(shù)^[1]。在細分數(shù)不變的情況下，PUL 的頻率決定了電機轉動的速率，PUL 的脈沖個數(shù)決定了電機運行的步數(shù)。DIR 信號決定了電機運行的方向，ENA 決定了電機的鎖定狀態(tài)，在通電后，電機會被鎖定不可擰動，只能通過ENA 信號解除鎖定狀態(tài)。因此，通過調(diào)整PUL 脈沖信號的個數(shù)和頻率，即可以完成對步進電機的控制，本系統(tǒng)的電機控制研究均基于此原理。

1.2 電機控制系統(tǒng)總體方案

本步進電機控制系統(tǒng)基于Wujian100 綜合、實現(xiàn)、生成的Bit 流文件，配置Xilinx 的A7200T 的FPGA 開發(fā)板，搭配57 步進電機開發(fā)，以自適應BP 神經(jīng)網(wǎng)絡PID 算法為核心算法。搭載WiFi 傳輸模塊、Usart-GPU串口屏等模塊，實現(xiàn)對步進電機的加減速、正反轉以及角度的精確控制，并可通過繼電器模塊實現(xiàn)開閉環(huán)的控制選擇。在應用擴展上，基于該系統(tǒng)使用三個步進電機，實現(xiàn)三軸控制?？刂扑惴ü膊捎昧碎_環(huán)和閉環(huán)兩套控制算法，分別是SPTA 和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡PID 算法。人機交互控制界面是將阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺、安卓APP、串口觸摸屏有機地結合在一起，可實現(xiàn)云端互聯(lián)，通過APP操縱電機，或者直接利用串口屏進行操縱（如圖1）。

圖1 電機控制系統(tǒng)實物圖

2   控制系統(tǒng)硬件平臺

2.1 電機控制單元的選擇

主控平臺選擇面向AIoT 的國內(nèi)首個開源SoC 平臺——Wujian100，搭載基于RISC-V CPU 架構的玄鐵902 處理器，提供了UART、SPI、PWM 等多種外設以及驅(qū)動，并在AHB、APB 總線上提供了dummy 接口，可實現(xiàn)將自主設計的IP 模塊集成到該SoC 平臺。

圖2 控制單元俯視圖

2.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)的搭建

本系統(tǒng)的電機運動信號采集使用龍邱mini4096 線增量式光電編碼器，輸出AB 相正交信號。該編碼器在10 00 rpm 的高速條件下不會發(fā)生丟步情況，且轉動一圈AB相均會輸出4 096 個脈沖，則精度達到了0.087 9°/脈沖，當對脈沖進行4 倍頻，脈沖計數(shù)會達到16 384 個，精度會達到0.021 9°/ 脈沖，滿足實現(xiàn)搭建高精度位置、速度可控的電機控制系統(tǒng)。

2.3 外圍傳感器構成的電機保護系統(tǒng)

步進電機控制系統(tǒng)中使用DHT11 溫濕度模塊、高精度電壓電流檢測模塊和磁吸式K 型熱電偶電機測溫模塊等傳感器，以組成電機保護系統(tǒng)。溫/ 濕度傳感器主要負責對環(huán)境進行監(jiān)測，判斷環(huán)境是否滿足電機工作條件。高精度電壓、電流檢測模塊用于檢測電機在工作狀態(tài)時的電壓電流值，判斷電機是否工作在正常狀態(tài)。磁吸式K 型熱電偶測溫模塊則用于檢測在電機工作時的表面溫度，防止電機溫度過高。綜上，多個傳感器有機結合在一起，保證電機的安全運行。

2.4 三軸電機擴展控制

本系統(tǒng)在基于單軸電機控制的基礎上，進行三軸電機的擴展開發(fā)應用^[2]，使用三個步進電機，組成仿機械臂結構，三個電機分別對應控制X、Y、Z 軸，三個軸的控制是互相獨立的，但又可作為一個整體來控制，使用三套不同的控制算法，位置控制分別是自適應PID 算法、增量式PID 算法和SPTA 算法，速度控制算法均采用閉環(huán)速度PID。可在串口觸摸屏、阿里云IoT Studio網(wǎng)頁端、安卓APP 端實現(xiàn)對三軸電機的各種控制。

3   SoC系統(tǒng)設計

3.1 內(nèi)存擴展

在實際應用中， 為了防止Wujian100 的內(nèi)存不足，在步進電機控制系統(tǒng)項目初期對Wujian100 內(nèi)存進行了擴展，在AHB 總線上預留的兩個dummy 接口（imemdummy 和dmemdummy） 上來擴展ISRAM 及DSRAM，對應的設備是s1 和s5，防止因平臺內(nèi)存不足而產(chǎn)生其他問題。

3.2 正交解碼脈沖計數(shù)器IP設計

本次設計是輸入AB 相信號的所有邊沿都會進行采樣，首先對輸入的信號進行數(shù)字濾波，然后采用正交信號的四倍頻技術，因此處理后只需要判斷當前兩個信號組成的數(shù)字值與上一次是否相等，如果不等便需要進行判斷，首先得出當前轉動方向，然后與設定方向比較，判斷計數(shù)器是進行加運算還是減運算。最后通過功能仿真，編寫IP 模塊接口，將其集成到Wujian100 的APB總線上，便可以通過總線訪問IP 內(nèi)部寄存器。

圖3 IP模塊接口

4   控制算法設計

4.1 BP神經(jīng)網(wǎng)路自適應調(diào)整PID算法

基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡的PID 控制系統(tǒng)結構如圖4 所示。控制器由兩部分組成：①經(jīng)典的PID 控制器：直接對被控對象進行閉環(huán)控制，并且三個參數(shù)Kp、Ki、Kd 為在線調(diào)整方式^[3]。② BP 神經(jīng)網(wǎng)絡：根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，調(diào)節(jié)PID 控制器的參數(shù)，以其達到某種性能指標的最優(yōu)化，即使輸出層神經(jīng)元的輸出狀態(tài)對應于PID 控制器的三個可調(diào)參數(shù)Kp、Ki、Kd，通過神經(jīng)網(wǎng)絡的自身學習、加權系數(shù)調(diào)整，從而使其穩(wěn)定狀態(tài)對應于某種最優(yōu)控制規(guī)律下的PID 控制器參數(shù)^[4]。

圖4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡PID算法結構

4.2 SPTA加減速算法

SPTA 算法是以時間計算為中心，根據(jù)時間來計算運動步數(shù)相關參數(shù)，它的做法是將步進電機的運動時間分割成若干個合適的時間片段，在每個時間片段計時達到后，它都將速度參數(shù)加到位置參數(shù)上，如果位置參數(shù)溢出，則輸出一個脈沖，控制步進電機運行一步，速度參數(shù)根據(jù)加速度參數(shù)和時間的改變而改變。隨著時間推移，速度參數(shù)越來越大，位置參數(shù)溢出頻率越來越高^[5]，則步進電機的運行頻率也越來越高。

4.3 電機速度控制算法

速度控制算法基于閉環(huán)控制，系統(tǒng)設定20 ms 采集一次編碼器的計數(shù)值。利用M 法測速，可以得出當前電機的轉速。再通過經(jīng)典的速度環(huán)控制，使電機達到對應的速度。速度控制可實現(xiàn)達到指定速度、停止運行以及實現(xiàn)電機運行過程中的反轉等功能，其中也包括了三軸電機的控制，在反轉的過程，首先讓電機停止，然后繼續(xù)反向加速到指定速度。

圖5 豐富的控制界面

5   總結與展望

本文從需求出發(fā)，介紹了一個基于Wujian100 平臺的步進電機控制系統(tǒng)。首先介紹研究背景，接著以整體系統(tǒng)的功能實現(xiàn)為基礎介紹電機的整體方案設計，再以電機系統(tǒng)結構為基礎介紹SoC 系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的設計。根據(jù)整篇文章的介紹，可知系統(tǒng)采用了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡自適應PID 算法，搭配SPTA、梯形加減速等工業(yè)界使用較多的步進電機控制算法。難點主要是在Wujian100 平臺上搭建了一個神經(jīng)網(wǎng)絡，通過誤差反向傳播，適時調(diào)整權值，實現(xiàn)對PID 的參數(shù)Kp，Ki，Kd的自適應調(diào)節(jié)。同時結合閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對單軸、三軸電機的高精度速度控制，并搭配阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，設計多種人機控制方案，使整個系統(tǒng)控制方式更加豐富。到目前為止，一個高精度、反應速度快的步進電機系統(tǒng)基本完成。

但是由于只是實現(xiàn)了基本功能，所以還有很多后續(xù)研究工作可以開展，例如后續(xù)將繼續(xù)完善拓撲結構，使步進電機的反應更加靈敏，提高精度，以及完善APP。機械控制涉及生活的方方面面，本系統(tǒng)有較好的移植性，是機械精準度控制不可缺失的一部分，可移植到如云臺、機械臂、智能機器人等精確控制的領域中，后續(xù)的開發(fā)工作我們也將繼續(xù)進行下去。

參考文獻：

[1] 徐建國.步進電機智能控制的設計與實現(xiàn)[J].電子技術與軟件工程,2016(22):139.

[2] 李俊敏.多軸運動實驗平臺的控制系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代制造技術與裝備,2017(7):145-146

[3] 周建新,熊延輝.基于神經(jīng)網(wǎng)絡的蓄熱式加熱爐的溫度控制研究

[J].科技風,2019(8):165.

[4] 陳忠華,李雷,趙力.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的自適應補償控制方法[J].計算機仿真,2012(7):202-204.

[5] 王巖.基于FPGA的SpTa自適應電機控制算法[J].科技資訊,2018(25):11-12.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志社2021年1月期）