面向伺服電機(jī)的STM32單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)**國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51275068)；航空科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：20130863）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（編號(hào)：DUT15LK21）

?！∮拢钿h濤，代月幫，段富海，王亞杰（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連　116024）

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面向伺服電機(jī)的STM32單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)**國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51275068)；航空科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：20130863）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（編號(hào)：DUT15LK21）

桑勇，李鋒濤，代月幫，段富海，王亞杰
（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024）

摘要：介紹了一種基于STM32F103ZET6單片機(jī)的交流伺服電機(jī)位置、速度和轉(zhuǎn)矩控制方案，完成了控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)、電機(jī)調(diào)試參數(shù)設(shè)置和伺服電機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖等方面的工作。人機(jī)接口（HMI）采用LabVIEW圖形化編程語言設(shè)計(jì)，交互性強(qiáng)，界面友好。與傳統(tǒng)的單片機(jī)控制方案相比，該控制系統(tǒng)具有經(jīng)濟(jì)性好，處理速度快，實(shí)時(shí)性好，集成度高和抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能較好地實(shí)現(xiàn)交流伺服電機(jī)的精確位置定位及勻速運(yùn)轉(zhuǎn)控制。

關(guān)鍵詞：STM32；交流伺服電機(jī)；位置控制；速度控制；轉(zhuǎn)矩控制

0　引言

伺服電機(jī)是一種在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的控制電機(jī)，用來實(shí)現(xiàn)位置、速度、加速度和轉(zhuǎn)矩等的精確控制。伺服電機(jī)可分為直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)兩大類，而由于交流伺服電機(jī)具有體積小，慣量低，速度高，響應(yīng)快，轉(zhuǎn)矩大，無電刷和換向器，散熱好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)和自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中[1]。德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)電子研究所的Dietrich H.Naunin和Hans-Christian Reuss教授[2]提出的數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)促進(jìn)了伺服驅(qū)動(dòng)器技術(shù)向高速動(dòng)態(tài)響應(yīng)和高集成度的方向發(fā)展。微電子、集成電路技術(shù)、大功率高性能半導(dǎo)體器件和控制理論與技術(shù)的飛速發(fā)展，又使得PLC和單片機(jī)等微控制器技術(shù)在數(shù)字伺服系統(tǒng)中得以廣泛運(yùn)用。單片機(jī)因其經(jīng)濟(jì)性好，可靠性高，處理能力強(qiáng)，低壓低功耗，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)模塊化，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，從而廣泛用于對(duì)伺服電機(jī)控制器的控制，伺服驅(qū)動(dòng)器接收單片機(jī)發(fā)出的脈沖指令和模擬信號(hào)等指令，進(jìn)而控制伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)以滿足不同場(chǎng)合的需要[3]。伺服電機(jī)用作執(zhí)行元件，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出[4]，因此可較方便的運(yùn)用具有邏輯控制能力的單片機(jī)或PLC等實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制。目前用單片機(jī)控制伺服電機(jī)的方案有很多，如華中科技大學(xué)蔡志祥，沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院孫克梅等人提出的基于AT89C51單片機(jī)的伺服電機(jī)控制方案[5-6]，南京郵電大學(xué)黃之然以及長(zhǎng)春理工大學(xué)李紅偉等人的基于STC12C5A60S2單片機(jī)的伺服控制方案[7-8]，還有燕山大學(xué)張立麗等人提出的PIC18F452單片機(jī)的控制方案[9]。以上普通單片機(jī)雖能實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制要求，但其內(nèi)部集成模塊少，外圍擴(kuò)展電路復(fù)雜，控制成本高，處理速度慢，抗干擾能力弱，而PLC成本又相對(duì)較高。針對(duì)上述問題，提出采用意法半導(dǎo)體公司推出的ARM Cortex-M3為內(nèi)核的32位微控制器STM32F103ZET6及其內(nèi)置高速高性能外設(shè)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流伺服電機(jī)的控制。STM32系列單片機(jī)實(shí)際上是一種高級(jí)單片機(jī)，集成度高，經(jīng)濟(jì)性好，處理速度快，功耗低，使用方便，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的準(zhǔn)確平穩(wěn)控制。

1　控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及原理

本系統(tǒng)選用臺(tái)灣士林交流伺服電機(jī)，采用意法半導(dǎo)體公司推出的STM32F103ZET6為主控芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)控制器的連接控制。伺服電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)由定子、轉(zhuǎn)子、編碼器和外殼等組成。定子上的U/V/W三相電在伺服驅(qū)動(dòng)器的控制下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子是一個(gè)永磁體，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下，轉(zhuǎn)子和磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)。同時(shí)電機(jī)尾部的編碼器反饋信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器對(duì)目標(biāo)值和反饋值進(jìn)行比較，產(chǎn)生偏差信號(hào)進(jìn)而快速調(diào)控電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。本文提出的基于STM32的伺服電機(jī)控制體系結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

通過STM32F103ZET6單片機(jī)控制伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制，由獨(dú)立鍵盤解碼可實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的啟動(dòng)和停止。伺服電機(jī)的控制方式從外到內(nèi)分別為位置控制，速度控制和轉(zhuǎn)矩控制。位置控制方面，由STM32F103ZET6單片機(jī)輸出兩路脈沖信號(hào)，然后送入伺服驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)，由伺服電機(jī)里的編碼器產(chǎn)生的反饋信號(hào)送入伺服驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)反饋值和目標(biāo)值的比較，調(diào)整伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)伺服電機(jī)的閉環(huán)控制。位置控制精度取決于光電編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)控制，即伺服電機(jī)的精度是由編碼器的線數(shù)決定。速度控制方面，士林伺服電機(jī)有兩種速度輸入命令模式：一種是類比輸入，另一種是暫存器輸入，本系統(tǒng)采用類比輸入模式，外部單片機(jī)發(fā)出速度指令信號(hào)，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后形成模擬量電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速的控制，10 V時(shí)電機(jī)速度最大，0 V時(shí)候最小，由速度環(huán)編碼器的反饋實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)矩控制方面，經(jīng)單片機(jī)發(fā)出轉(zhuǎn)矩控制指令經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后送入伺服驅(qū)動(dòng)器CN1接線端，伺服驅(qū)動(dòng)器依靠?jī)?nèi)部電流環(huán)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。編碼器分為絕對(duì)式光電編碼器和增量式光電編碼器，本系統(tǒng)采用的是2 500 ppr （10 000解析度）的增量式光電編碼器。一般來說，增量式光電編碼器輸出A、B兩相互差90°的脈沖信號(hào)（即所謂的兩組正交輸出信號(hào)），從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向。同時(shí)還有用作參考零位的Z相標(biāo)志（指示）脈沖信號(hào)，碼盤每旋轉(zhuǎn)一周，只發(fā)出一個(gè)標(biāo)志信號(hào)。具有原理簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)，分辨率高，抗干擾性強(qiáng)，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

圖1　控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框圖

2　伺服驅(qū)動(dòng)器的控制結(jié)構(gòu)

伺服系統(tǒng)一般采用電流環(huán)，速度環(huán)和位置環(huán)的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@樣可以獲得較好的動(dòng)態(tài)跟蹤性能和抗負(fù)載干擾能力，其中電流環(huán)是矢量控制的核心，用來抑制電流擾動(dòng)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；速度環(huán)和位置環(huán)用來抑制速度波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)準(zhǔn)確定位。伺服電機(jī)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[10]如圖2所示。

電流環(huán)是伺服系統(tǒng)的最內(nèi)環(huán)，決定著系統(tǒng)響應(yīng)速度和環(huán)內(nèi)抗干擾能力。電流環(huán)的組成包括伺服電機(jī)電機(jī)繞組、逆變器、矢量控制器、電流控制器及電流檢測(cè)等環(huán)節(jié)，其目標(biāo)在于使得伺服電機(jī)繞組中的電流信號(hào)準(zhǔn)確迅速地跟隨電流指令。對(duì)電流環(huán)的控制過程分析，電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2　伺服電機(jī)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3　電流環(huán)的控制結(jié)構(gòu)圖

其中Ki和Ti分別為電流環(huán)的比例增益和電流環(huán)積分時(shí)間常數(shù)，Kpwmd和Tpwmd分別為逆變器放大系數(shù)和逆變器時(shí)間常數(shù)，Lα和Rα分別是電機(jī)繞組電感和電阻，Kii為電流檢測(cè)反饋增益。

速度環(huán)建立在電流環(huán)之上，三環(huán)控制結(jié)構(gòu)中的次內(nèi)環(huán)，其作用是保證電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和速度設(shè)定一致，盡可能消除負(fù)載對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的干擾。速度環(huán)由電機(jī)轉(zhuǎn)子、電流閉環(huán)、速度控制器和速度反饋模塊等環(huán)節(jié)組成，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤的重要環(huán)節(jié)，速度環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

其中Ks和Ts分別是速度控制器比例增益和速度控制器積分時(shí)間常數(shù)，Js和Bs分別為電機(jī)轉(zhuǎn)子及負(fù)載折合到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和負(fù)載折合摩擦系數(shù)，Kλ=KpwmdKiRαTi，Kt為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，Kss為速度檢測(cè)反饋增益。

圖4　速度環(huán)的控制結(jié)構(gòu)圖

位置環(huán)是三環(huán)控制中的最外環(huán)，是整個(gè)伺服系統(tǒng)穩(wěn)定、高精度運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。通過設(shè)定的目標(biāo)位置與來自編碼器反饋的實(shí)際位置相比較，產(chǎn)生偏差后通過位置調(diào)節(jié)器產(chǎn)生速度指令。在位置伺服中一般避免出現(xiàn)超調(diào)和振蕩，位置環(huán)通常避免采用積分控制器。另外為改善伺服系統(tǒng)位置環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可以增加復(fù)合前饋比例調(diào)節(jié)器作為位置控制器，這樣位置環(huán)校正成為典型的I型系統(tǒng)[11]。位置環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5中Gff(s)是前饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，Kp是位置環(huán)比例增益，Kλ和Tλ分別是速度環(huán)閉環(huán)等效比例增益和速度環(huán)閉環(huán)等效慣性時(shí)間常數(shù)，Kpp是位置檢測(cè)反饋增益。

位置環(huán)作為伺服控制系統(tǒng)的最外環(huán)，相比內(nèi)部的電流環(huán)和速度環(huán)來說有相對(duì)長(zhǎng)的控制周期，因此位置控制器除了可以于伺服驅(qū)動(dòng)單元中構(gòu)建，還可以通過上位控制器來實(shí)現(xiàn)，用具有更強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力的上位控制器如STM32、DSP等實(shí)現(xiàn)更加先進(jìn)復(fù)雜優(yōu)等的控制算法和路徑規(guī)劃。由上述分別建立起了三環(huán)串級(jí)控制結(jié)構(gòu)圖，進(jìn)而可分析其數(shù)學(xué)模型，為順利完成伺服控制系統(tǒng)參數(shù)自整定奠定了基礎(chǔ)。

圖5　位置環(huán)的控制結(jié)構(gòu)圖

3　控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

3.1單片機(jī)引腳電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的核心部件選用STM32系列的STM32F103ZET6微控制器，主頻可達(dá)72 MHz，片上集成64 kB的SRAM，512 kB的FLASH，2個(gè)基本定時(shí)器，4個(gè)通用定時(shí)器，2個(gè)高級(jí)定時(shí)器，3個(gè)SPI，2個(gè)I2C，5個(gè)串口，1個(gè)USB，1個(gè)CAN，3個(gè)12位的ADC，1個(gè)12位的DAC，1個(gè)SDIO接口，1個(gè)FSMC接口以及112個(gè)通用I/O口引腳。此芯片引腳電平為3.3 V而伺服電機(jī)信號(hào)電平為5 V，所以控制過程中需要加上信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路。圖6為所設(shè)計(jì)的雙向電平轉(zhuǎn)換電路圖，該電路設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)單，實(shí)用方便，僅需3個(gè)電阻外加一個(gè)MOS管可以實(shí)現(xiàn)3.3 V和5 V之間的雙向電平轉(zhuǎn)換。

圖6　3.3 V和5 V電平轉(zhuǎn)換電路

S1端接STM32F103ZET6芯片的GPIO管腳（3.3 V電平信號(hào)），另一端S2接5 V電平信號(hào)，通過S2端接口實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的連接控制。STM32F103ZET6單片機(jī)的PD0和PD15引腳輸出兩路脈沖序列控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。通過獨(dú)立鍵盤啟動(dòng)鍵P1（PC0）和停止鍵P2（PC1）實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的啟動(dòng)和停止。

3.2JATG接口電路設(shè)計(jì)

JATG接口主要實(shí)現(xiàn)向STM32芯片燒寫程序，并可在線仿真調(diào)試，進(jìn)而可以更加方便快捷的完成電機(jī)控制算法的調(diào)試。其接口電路如圖7所示。

3.3串口通信電路設(shè)計(jì)

通信接口是現(xiàn)代設(shè)備系統(tǒng)的重要外部接口，同時(shí)也是軟件開發(fā)重要的調(diào)試手段，實(shí)現(xiàn)微控制器STM32與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸和信息處理。本系統(tǒng)采用RS232串口模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)PC之間的串口通信。電腦的COM口是標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口，它的高電平定義為-12 V，而低電平定義為+12 V，故單片機(jī)的串口必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換才可以和標(biāo)準(zhǔn)RS-232通信，微控制器引腳電平是3.3 V的，3.3 V的轉(zhuǎn)換芯片一般是MAX3232或SP3232，而MAX3232價(jià)格相對(duì)較高，故選用SP3232電平轉(zhuǎn)換芯片。RS232串口電路如圖8所示。

圖7　JTAG接口電路

圖8　RS232串口電路

3.4伺服驅(qū)動(dòng)器硬件連接

伺服電機(jī)選用的是臺(tái)灣士林的SMA-L040R30A型交流伺服電機(jī)，額定輸出功率為400 W，內(nèi)置10 000解析度的增量式光電編碼器。伺服驅(qū)動(dòng)器選用的是與伺服電機(jī)配套的SDB系列的交流伺服驅(qū)動(dòng)器SDB-040A2。位置控制模式下，伺服驅(qū)動(dòng)器接收單片機(jī)發(fā)出的位置信號(hào)指令，輸入的脈沖串經(jīng)過電子齒輪分倍頻后，在偏壓計(jì)數(shù)器中與光電編碼器反饋回來的脈沖數(shù)比較進(jìn)而形成偏差信號(hào)。位置偏差信號(hào)經(jīng)位置反饋控制器調(diào)解后形成速度指令信號(hào)。速度指令信號(hào)與速度反饋信號(hào)比較后，形成偏差指令信號(hào)，經(jīng)速度環(huán)比例積分器調(diào)解后，產(chǎn)生電流指令信號(hào)，在電流環(huán)中經(jīng)矢量變換，從SPWM中輸出轉(zhuǎn)矩電流，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)[7]。至此完成了從最外環(huán)的位置控制到最內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)矩控制整個(gè)過程。

圖9　位置控制模式下電路連接圖

如圖9所示，位置控制模式下，驅(qū)動(dòng)器指令輸入方式選擇以差動(dòng)脈沖指令輸入，驅(qū)動(dòng)器I/O連接器CN1上的引腳CN1-31/16作為外部位置控制信號(hào)的輸入端，可以接收單片機(jī)微控制器經(jīng)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送過來的脈沖控制指令。7/8COM+數(shù)位電源都接外部直流電源的24 V正極；9/24/SG為數(shù)位電源地，3DI1數(shù)位輸入1，21/DI7為數(shù)位輸入7，22/DI8為數(shù)位輸入8，23/EMG為外部緊急停止，32/PP及17/NP都接24 V的負(fù)極；單片機(jī)輸出的兩路脈沖信號(hào)分別接31/PG和16/NG輸入脈沖波列。這樣就部分完成位置控制模式下的基本連線。

如圖9所示，速度控制方面，士林伺服電機(jī)速度命令輸入有兩種方式，本系統(tǒng)選擇外界類比速度指令輸入，即經(jīng)由外界電壓來操控電機(jī)的轉(zhuǎn)速。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小和所輸入的模擬量信號(hào)有關(guān)，所輸入的模擬量信號(hào)是-10 V～+10 V之間，10 V即為電機(jī)轉(zhuǎn)速的100%，0 V為電機(jī)轉(zhuǎn)速的0%，電機(jī)的內(nèi)部速度選擇可由SP1和SP2的高低電平信號(hào)組合決定，正反轉(zhuǎn)可由正轉(zhuǎn)啟動(dòng)ST1和逆轉(zhuǎn)啟動(dòng)ST2的高低電平信號(hào)組合及模擬電壓的正負(fù)共同決定。速度處理的平滑處理方面可由速度的加/減速時(shí)間常數(shù)STA/STB和S型加減速時(shí)間常數(shù)STC來改善。

轉(zhuǎn)矩控制模式與速度控制模式類似，也屬外部類比信號(hào)輸入。轉(zhuǎn)矩控制常用在需要扭力控制的場(chǎng)合，比如繞線機(jī)、印刷機(jī)和射出成型機(jī)等。轉(zhuǎn)矩模式是由外部類比電壓±10 V作為轉(zhuǎn)矩命令，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后，以參數(shù)下達(dá)類比命令轉(zhuǎn)矩最大輸出和轉(zhuǎn)矩限制漂移量等命令，即可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的轉(zhuǎn)矩和速度。若參數(shù)PC13設(shè)定為100則電壓輸入為10 V時(shí)，其轉(zhuǎn)矩為最大轉(zhuǎn)矩的100%；輸入電壓為5 V時(shí)，則轉(zhuǎn)矩為最大轉(zhuǎn)矩的50%。至于轉(zhuǎn)矩命令漂移量和濾波常數(shù)分別由PC27和PC19來設(shè)定。

3.5伺服驅(qū)動(dòng)器相關(guān)參數(shù)的設(shè)置

士林的驅(qū)動(dòng)器根據(jù)安全性和使用頻度的考慮下，SDB-040A2伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)可區(qū)分為基本參數(shù)、增益、濾波參數(shù)、擴(kuò)展參數(shù)和輸入輸出設(shè)定參數(shù)，在出廠狀態(tài)下用戶可以修改基本參數(shù)，不能修改擴(kuò)展參數(shù)。如有必要調(diào)整參數(shù)讀寫權(quán)限時(shí)，可以修改參數(shù)PA42的設(shè)定值，以便更改擴(kuò)展參數(shù)的值。本伺服系統(tǒng)以位置控制方式為例，通過對(duì)參數(shù)的設(shè)置和調(diào)整，用戶既可改變伺服系統(tǒng)的功能和性質(zhì)，同時(shí)又可觀察伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。為保證系統(tǒng)按既定方式運(yùn)行，需設(shè)置參數(shù)如下：

PA01：設(shè)為“0000”，即控制模式選擇位置控制模式，指令由外部信號(hào)控制；

PA02：設(shè)為“0002h”，即設(shè)置自動(dòng)調(diào)諧模式1；

PA03：設(shè)為“0005h”，即自動(dòng)調(diào)諧應(yīng)答性響應(yīng)設(shè)置為中應(yīng)答性；

PA06：設(shè)為“1”，即設(shè)置電子齒輪比分子為1；當(dāng)需要其他齒輪比分子時(shí)可通過參數(shù)PC32，PC33，PC34來設(shè)置；

PA07：設(shè)為“1”，即設(shè)置電子齒輪比分母為1；

PA13：設(shè)為“0020”，即設(shè)置正反轉(zhuǎn)脈沖串，正邏輯，AB相脈沖波列，最高脈沖頻率為200 kpps；

PB04：設(shè)為“3”，即設(shè)置位置命令濾波時(shí)間常數(shù)，可使得電機(jī)遇到較大的位置命令時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的更加平順。

其他參數(shù)暫時(shí)為缺省設(shè)置。

3.6系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)STM32的這類高級(jí)單片機(jī)，ST公司推出了官方固件庫(kù)，固件庫(kù)把MCU中的寄存器的底層操作都封裝起來，提供了一整套接口（API）供開發(fā)者調(diào)用，這樣大大縮短了開發(fā)周期。本系統(tǒng)基于RVMDK開發(fā)平臺(tái)，充分利用標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)固件庫(kù)，較方便的進(jìn)行了軟件的設(shè)計(jì)，其中包括ADC初始化，系統(tǒng)時(shí)鐘初始化，串口初始化等環(huán)節(jié)。主程序流程圖如圖10所示。

圖10　主程序流程圖

本控制系統(tǒng)上位機(jī)（PC端）主要完成管理、顯示等工作，下位機(jī)（單片機(jī)）主要完成控制等功能，他們之間的通信由RS232串口實(shí)現(xiàn)，以下附上串口通訊部分程序代碼如下：

void uart_init(u32 bound)

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockC?md(RCC_APB2Periph_USART1

|RCC_APB2Periph_GPIOA，ENABLE);

USART_DeInit(USART1);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; // PA.9

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed= GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode= GPIO_Mode_AF_PP;

．．．．．．

USART_InitStructure.USART_Mode= USART_Mode_Rx

|USART_Mode_Tx;//收發(fā)模式

USART_Init(USART1，&USART_InitStruc?ture); //初

始化串口

USART_ITConfig(USART1，USART_IT_RXNE，

ENABLE); //開啟中斷

USART_Cmd(USART1，ENABLE); //使能串口}

4　伺服電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)

LabVIEW是一種編程簡(jiǎn)單，調(diào)試容易，庫(kù)函數(shù)豐富的圖形化編程語言，也稱G語言。采用LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)可方便的進(jìn)行電機(jī)控制上位機(jī)人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，交互性強(qiáng)，界面良好，開發(fā)周期短，可實(shí)現(xiàn)交流伺服電機(jī)的啟動(dòng)和停止，電機(jī)位置和速度的控制，數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)和恢復(fù)等功能。圖11所示為設(shè)計(jì)的LabVIEW人機(jī)交互界面。

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前需對(duì)電機(jī)進(jìn)行前期點(diǎn)動(dòng)（JOG）運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)試，由參數(shù)PC04設(shè)定JOG速度命令，PC01設(shè)定速度加速時(shí)間常數(shù)，PC02設(shè)定速度減速時(shí)間，回轉(zhuǎn)速度初期設(shè)定值為300 r/min，加減速時(shí)間常數(shù)設(shè)定為200。測(cè)試定位運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過士林通訊軟件選擇定位運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試選項(xiàng)，其初始值設(shè)定范圍見表1所示。

圖11　LabVIEW人機(jī)交互界面

表1　測(cè)試定位運(yùn)轉(zhuǎn)初始值設(shè)定及其范圍

手動(dòng)模式調(diào)整增益方面，在位置與速度模式下，頻寬的選擇與機(jī)臺(tái)的剛性及環(huán)境有極大的影響，對(duì)于需求高精度的機(jī)臺(tái)就必需設(shè)定高頻率的系統(tǒng)響應(yīng)，但設(shè)定的響應(yīng)越高，機(jī)臺(tái)易引起共振。因此，需要高響應(yīng)需求的場(chǎng)合就必需使用高剛性的機(jī)臺(tái)來避免機(jī)臺(tái)的共振。相關(guān)位置與速度控制場(chǎng)合設(shè)定參數(shù)如下：由PB03設(shè)定共振抑制低通濾波NLP為0，由PB05設(shè)定位置前饋增益值FFC為0，由PB07設(shè)定位置回路增益值PG1為35 rad/s，由PB08設(shè)定速度回路增益VG1為817 rad/s，由PB09設(shè)定速度積分增益值VIC設(shè)置為48 ms，由PB10設(shè)定速度前饋增益值為0。

位置控制模式實(shí)驗(yàn)起初所用輸入信號(hào)模式為開集極脈沖指令輸入，但實(shí)驗(yàn)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)此種輸入模式存在所受外界干擾大，輸出脈沖數(shù)不均勻，穩(wěn)定性差等問題，故最終選擇現(xiàn)在所用的差動(dòng)脈沖指令輸入模式。從單片機(jī)輸出兩路脈沖序列信號(hào)，經(jīng)RVMDK軟件仿真得到相位差為90度的A、B相兩路脈沖串序列，可由方波脈沖的輸入頻率改變轉(zhuǎn)速的大小，脈沖串序列圖如圖12所示。

圖12　位置控制脈沖序列圖

速度控制方面，當(dāng)外部類比速度命令輸入為0時(shí)電機(jī)可能存在offset，導(dǎo)致電機(jī)仍緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，所以需進(jìn)入電機(jī)診斷模式后選擇類比輸入自動(dòng)off?set功能，自動(dòng)調(diào)整電壓偏移量。手動(dòng)模式下正確設(shè)定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機(jī)械及伺服系統(tǒng)最佳效能的前提，在高速高精度伺服系統(tǒng)上表現(xiàn)尤為突出。傳動(dòng)慣量對(duì)伺服系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)都有較大影響，故有必要進(jìn)行電機(jī)慣量估測(cè)分析的運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)試。調(diào)試過程如下：通過士林通訊軟件選擇“慣量估測(cè)分析”選項(xiàng)卡，按下“自動(dòng)偵測(cè)慣量比”選項(xiàng)，若無報(bào)警再按“啟動(dòng)伺服按鈕”此時(shí)電機(jī)已激磁，然后設(shè)定加減速常數(shù)為200，JOG速度為300后，按下“設(shè)定”按鈕，再按“啟動(dòng)”按鈕，至此開始進(jìn)行慣量估測(cè)分析運(yùn)轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)估算目前的負(fù)載慣量比與頻寬，當(dāng)相關(guān)參數(shù)計(jì)算完畢之后，需關(guān)掉“自動(dòng)偵測(cè)慣量比”，方可寫入?yún)?shù)。

圖13　速度控制模擬量三角波信號(hào)圖

由單片機(jī)輸出速度指令信號(hào)經(jīng)DA轉(zhuǎn)換之后送入伺服驅(qū)動(dòng)器。根據(jù)速度模擬量信號(hào)實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。速度模擬量信號(hào)接CN1端子的VC端，10 V時(shí)候速度為額定速度的100%，0 V時(shí)候是額定速度的0%即速度為0。如圖13為輸入的三角波模擬量信號(hào)。

5　結(jié)論

本文基于STM32F103ZET6微控制器及其內(nèi)部集成的ADC，DAC和RS232串口通信等模塊，利用自身所帶的標(biāo)準(zhǔn)固件庫(kù)函數(shù)，大大縮短開發(fā)周期，與傳統(tǒng)的單片機(jī)和PLC控制方案相比，本系統(tǒng)的外圍硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，處理速度快，運(yùn)行可靠，實(shí)現(xiàn)了良好的靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能，滿足伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的控制要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

［1］許建國(guó).電機(jī)與控制［M］.武漢：武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，1998.

［2］Dietrich H.Naunin & Hans-Christian Reuss（1990）. Synchronous Servo-Drive：A Compact Solution of Con?trol problems by Means of a Single-Chip Microcomputer. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATION. VOL.26.NO.3，MAY/JUNE 1990，408-414.

［3］盧建剛，陳小飆. MinasA4系列交流伺服電機(jī)的PLC控制［J］.微計(jì)算機(jī)息，2008（25）：91-92.

［4］趙磊，王哈力，何緒鋒，等.基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（16）：196-198.

［5］蔡志祥，劉冬生，曾曉雁.基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)［J］.機(jī)械與電子，2005（05）：28-30.

［6］孫克梅，滕金玉，張曉新，等.交流伺服電機(jī)的單片機(jī)控制及其應(yīng)用［J］.沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003（02）：50-52.

［7］黃之然，劉爽，張強(qiáng).基于單片機(jī)的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的研究［J］.無線互聯(lián)科技，2012（12）：104-105.

［8］李紅偉，胡濤，徐熙平，等.基于單片機(jī)的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的研究［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012（01）：116-118.

［9］張立麗，李亮，史小華.基于PIC芯片嵌入式電機(jī)控制器的研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（09）：164-167.

［10］丁信忠.基于工業(yè)以太網(wǎng)的總線型交流伺服系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.

［11］劉輝.交流伺服系統(tǒng)及參數(shù)辨識(shí)算法研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2005.

(編輯：向飛)

PTC LiveWorx中國(guó)2015年度大會(huì)：智能互聯(lián)助推物聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)數(shù)字與實(shí)體世界的融合

2015年11月3日，美國(guó)PTC公司（納斯達(dá)克：PTC）在北京成功舉辦了PTC LiveWorx中國(guó)2015大會(huì)。本次大會(huì)立足于產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)、服務(wù)與物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，分享并討論了PTC最新的公司戰(zhàn)略以及如何幫助客戶實(shí)現(xiàn)數(shù)字與實(shí)體世界的融合，進(jìn)而推進(jìn)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型等議題。此外，PTC與合作伙伴展示了諸多成功案例讓與會(huì)者深入了解最新物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與PTC核心產(chǎn)品相結(jié)合所產(chǎn)生的巨大潛力，為國(guó)內(nèi)制造業(yè)轉(zhuǎn)型及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入應(yīng)用和發(fā)展帶來極具意義的參考價(jià)值。本次大會(huì)吸引了1100多位觀眾參加，其中包括來自各個(gè)行業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)人員、服務(wù)領(lǐng)域?qū)＜?，以及物?lián)網(wǎng)專業(yè)人士等。

面對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新浪潮，PTC技術(shù)平臺(tái)市場(chǎng)營(yíng)銷執(zhí)行副總裁Charlie Ungashick在主題演講中表示，全球制造業(yè)如今正經(jīng)歷著巨大變革。以前制造型企業(yè)一直處于把數(shù)字世界和實(shí)體世界分離的局面，現(xiàn)在制造業(yè)廠商正逐步通過物聯(lián)網(wǎng)將兩個(gè)世界進(jìn)行融合。PTC所專注的就是搭建這樣一個(gè)橋梁，通過PTC的解決方案幫助制造商重新改進(jìn)業(yè)務(wù)流程，布局智能互聯(lián)產(chǎn)品的開發(fā)和創(chuàng)新，抓住物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展機(jī)遇，在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代贏得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

在活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)，PTC展示了其增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的新應(yīng)用，通過一輛智能自行車詮釋了PTC數(shù)字化映射（Digi?tal Twin）技術(shù)。該技術(shù)是將CAD設(shè)計(jì)軟件和ThingWorx物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)相結(jié)合的革新性突破，真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)字世界與實(shí)體世界的融合。數(shù)字化映射（Digital Twin）通過將收集到的實(shí)體的幾何結(jié)構(gòu)、特性、參數(shù)等信息，向用戶展示包括實(shí)體的數(shù)字模型、材料清單、服務(wù)數(shù)據(jù)、使用手冊(cè)，以及實(shí)體在不同情境中的行為反應(yīng)等一系列物理性能。在此過程中，實(shí)體可以自動(dòng)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，并可自發(fā)地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。由此，用戶便可以真正有效管理產(chǎn)品的生命周期。

（來源：PTC公司）

The STM32 SCM Control System Design on Servo Motor Oriented

SANG Yong，LI Feng-tao，DAI Yue-bang，DUAN Fu-hai，WANG Ya-jie
（Mechanical Engineering School，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

Abstract:The paper introduces a position，speed and torque control scheme of the ac servo motor based on the STM32F103ZET6 micro-controller. Software and hardware design of the control system，settings of debug parameters and control charts of the servo motor are completed. Human-machine interface (HMI) is designed by the LabVIEW graphical programming language. It has a friendly interface and strong interactions. Compared with the control schemes of traditional single chip microcomputer，the control system has advantages of good economy，fast processing speed，good real-timing，high integration and strong anti-interference performance etc. It can realize the accurate location and speed control of the ac servo motor well.

Key words:STM32；AC servo motor；position control；speed control；torque control

作者簡(jiǎn)介：第一桑勇，男，1979年生，山東泰安人，博士后，副教授。研究領(lǐng)域：機(jī)電液一體化。已發(fā)表論文20篇。

收稿日期：2015－05－26

DOI:10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2015. 11. 019

中圖分類號(hào)：TP368.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009－9492 ( 2015 ) 11－0065－08