采用DSP与STM32的智能型伺服控制器的软硬件设计及性能测试分析

伺服控制系统大部分都采用传统的硬件结构，控制算法比较固定，而且也无法实现不同工况下的高性能控制算法，难以满足现代工业的需求。现阶段迫切需要研制一种智能型、具有高可靠性、控制性能更加优秀的电液伺服系统。基于DSP与STM32的智能型伺服控制器具有软硬件结合程度更加紧密、系统的智能化程度更高、可实现多种控制策略的优势。本系统从实际的需求出发，结合精确数字PID控制算法和Fuzzy控制算法自身的优势，组合成Fuzzy-PID控制算法，根据偏差的大小范围选择合适的控制算法进行调节。

本设计将两款工控芯片—TI公司的浮点型DSP TMS320F28335和ST公司的ARM7升级版STM32F103RET6引入智能电液伺服系统，设计了基于DSP与STM32的智能型伺服控制器，使电液控制技术进一步朝向数字化、集成化、智能化、轻量化、高精度、高可靠性、节能降耗的方向持续发展。

1 硬件设计

1.1 硬件总体结构

本系统硬件主要由STM32F103RET6和TMS320F28335两部分组成。STM32F103RET6主要控制外围电路，包括输入信号调理模块、输出信号调理模块、A/D和D/A转换模块、硬件自检测电路模块、触摸屏控制模块、故障报警模块；DSP芯片TMS320F28335主要完成算法的计算与以太网通信，包括外扩SRAM模块、DM9000A以太网通信模块、EEPROM存储模块。两者通过SPI进行数据通信，包括各种参数、控制输出量等。显示模块采用5.7寸电阻式触摸屏，用于显示各部分的工作状态及运行情况，完成控制器各种参数的在线设定等人机交互。其硬件结构如图1所示。

1.2 I/U变换电路

由于指令输入信号和反馈信号都是4~20 mA直流信号，所以需要将其转换成STM32F103RET6的A/D转换器可接受的0~3 V直流电压信号。图2为I/U变换电路。

电阻R25输入一个“-2.5 V”参考电压，由“虚断”可知，经过R25和R26电阻分压后，在“1”点的电压为：

所以U1=-0.1 V。由“虚短”可知，“2”点的电压U2=U1=-0.1 V,所以当4~20 mA电流信号输入后，“3”点的电压U3=I×（R14+R16）-0.1，即U3=0.025×I-0.1。当I=4 mA时，U3=0 V；当I=20 mA时，U3=0.4 V，这样就完成了4~20 mA到0~0.4 V的电流/电压转换。后级运放为同相比例运算放大器，放大倍数：

所以输出电压公式为UO=7.5×U3。当输入为4 mA时，UO=0 V；当输入为20 mA时，UO=7.5×0.4=3 V.经过两级运放，完成了从4~20 mA电流信号向0~3 V电压信号的转换。

1.3 U/I变换电路

STM32F103RET6的D/A转换输出为0~3 V的直流电压信号，要想驱动伺服阀，必须通过U/I变换，转变成4~20 mA直流电流信号，如图3所示。

由图3可知，I0≈I3由“虚断”和“虚短”可知：

其中，0≤V1≤3V，由于电阻阻值有误差，为了保证电路能从0~3 V转换为4~20 mA，特意将电阻R44设置为200 Ω的滑动变阻器，用以弥补电阻阻值误差带来的影响。

2 软件设计

2.1 STM32主程序设计

待系统上电初始化完成后，首先执行故障自诊断程序，当STM32F103RET6（以下简称STM32）无故障且外围硬件电路无故障时，启动STM32内部A/D转换器，对指令信号（或本地给定信号）与反馈信号进行采样和模数转换，并将采集的数据通过SPI通信传给DSP进行运算。DSP再将计算结果通过SPI传给STM32，STM32经过内部的D/A变换输出模拟量来控制电液伺服阀，并可以通过触摸屏查询各种参数、输出控制量的曲线图，判断计算偏差的大小。若偏差为0，则退出程序；反之，则继续执行以上过程，直至偏差为0.系统工作的流程如图4所示。

控制器的软件设计采用模块化编程方案，软件由STM32部分和DSP部分组成，STM32部分包括了系统初始化子程序、A/D转换子程序、D/A转换子程序、系统自检报警子程序、SPI通信子程序。DSP部分包括控制算法子程序、以太网通信子程序、EEPROM存储子程序、SPI数据通信子程序、系统初始化设置子程序。

2.2 DSP主程序设计

DSP部分的主程序主要的功能是：与STM32进行SPI通信，将STM32采集的数据通过控制算法计算出控制输出量和以太网通信。在主函数中，首先禁用DSP内部看门狗，初始化DSP时钟；其次，初始化DSP各个内部模块，然后禁用全局中断，初始化中断向量表，根据需求对中断进行配置；待所有初始化完成后再打开全局中断，最后程序进入无限循环等待SPI和以太网中断。主程序流程图如图5所示。

3 系统测试

本系统设计了参数在线设定、故障自检测等功能，在系统整体的测试过程中，液晶显示出故障的部分。经过各项测试，测试结果表明该控制器运行可靠，具备良好的稳态性能和动态品质，能够获得精密且实时的控制效果。表1为伺服控制器瞬时测试结果。

其测试条件为：本地控制工作模式下，输入信号均为4~20 mA，且伺服阀为正作用，位置反馈为正作用。根据伺服阀电流的变化趋势来确认控制算法是否正确，在整个测试过程中，当指令信号小于反馈信号时。伺服阀电流呈现减小变化的趋势；当指令信号大于反馈信号时，伺服阀电流呈现增大变化的趋势。根据变化趋势得出控制算法符合实际的调节规律。本伺服控制器的线性拟合度可达到0.078%，能完全满足线性拟合度优于0.1%的要求，完全达到了预期设定的目标。

结语

本课题根据电液伺服控制系统的性能要求，研制了一款采用32位浮点DSP芯片TMS320F28335和Cortex-M3为内核的ARM芯片STM32F103RE T6为控制核心的智能伺服控制器，并且通过系统测试证明了本控制器的稳定性、可靠性及实用性。