基于ARM Cortex—A9的烹饪机器人直流电机控制系统

彭超越 张家洪 李川

摘 要：为改善现有烹饪机器人翻炒过程中响应迟钝、自动化程度低、稳定性差等问题，设计了通过直流电机转动，完成自动烹饪过程中自翻炒、自调节的电控系统。针对较大功率直流电机的调速方式和性能特点，提出了一种以ARM Cortex-A9为内核的Exynos4412微处理器的闭环转速控制方案。该方案运用Exynos4412的PWM输出、PID算法以及旋转编码器实现电机转速以及正反转调节。实验结果显示，直流电机可按照既定完成定速及正反向转动，并能在有误差的情况下及时调节，对烹饪机器人翻炒过程进行精确控制。

关键词：烹饪机器人；ARM Cortex-A9；直流电机；闭环控制

DOI：10.11907/rjdk.172836

中图分类号：TP301

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）005-0031-003

Abstract：In order to solve the problems of relatively long response-time， low automation and poor stability in the existing cooking robots， we design an automatic cooking and electronic control system through the rotation of DC motor. In this paper， control program of closed-loop rotation speed is proposed， carrying Exynos4412 microprocessor with ARM Cortex-A9. The program applies Exynos4412 PWM output， PID algorithm and rotary encoder to achieve the rotation speed of the DC motor and positive and negative rotation. Experimental results show that the DC motor can set the rotation speed and directions in accordance with requirements， and can adjust itself timely in the case of error. It is therefore possible to conclude that the design is effective and that the speed of the DC motor can be accurately controlled and adjusted to achieve precise control of the cooking robot during the cooking process.

Key Words：cooking robot； ARM Cortex-A9； DC motor； closed-loop control

0 引言

直流电机与交流电机相比内部结构复杂、电机运行成本高且维护困难，但直流电机拥有优良的启动性，过载能力更强、制动转矩更大，可在较大范围内平滑且经济地调速。本文利用PWM调速高效率、高稳定性优点，在中式烹饪机器人项目中应用直流电机控制。

1 系统设计

本设计通过已编程好的菜谱软件，使直流电机按照相应的转动顺序和转速要求带动锅体完成正、反转，加、减速和停止等运动，实现厨师日常炒菜过程的颠勺操作。同时使用旋转编码器对电机速度进行测量并反馈到处理器，通过调整PWM的占空比使方向和转速满足菜谱程序要求，进而实现转速闭环控制。控制系統总体设计方案如图1所示，主要包括Exynos4412控制模块、直流电机驱动模块、电机测速反馈模块。

1.1 Exynos4412微处理器

Exynos4412又称为Exynos4Quad，采用了三星32nmHKMG工艺，是三星的第一款四核处理器。Exynos4412内建32KB指令一级缓存，1MB的二级缓存。CPU集成了1GB的DDRSDRAM内存，尽管是四核处理器但功耗却比双核低。Exynos4412处理器采用了0.4mmpitch值的12×12mm2FCMSP封装方法，并在芯片中集成了如LCD控制器这样的设备控制器。Exynos4412PWM有5个32位的脉宽调制（PWM）定时器，ARM系统根据这些内部定时器产生中断。定时器0、1、2、3有一个PWM信号I/O口。在定时器0的PWM有一个可选的死区发生器，定时器4为一个内部定时器，无输出引脚。这些定时器使用APB-PC作为时钟源，每个定时器有自己的递减计数器，TCNBn（时钟计数缓存寄存器）下载初始计数值，时钟驱动递减计数器，当递减计数器到0时向系统发送中断请求。到达0后，计数器自动向TCNBn下载新的计数值。

1.2 电机驱动模块

1.2.1 电源模块

电源模块设计了对直流电机的供电和H桥驱动芯片的供电电路。由于电机额定电压为24V，与控制器电路相比属于较高电压，因此会产生干扰电路脉冲。本文选择使用XL1509芯片组成隔离的DC-DC模块，隔离之前的24V较高电压，并将隔离之后得到5V较小电压提供给所需电路。由于H桥的驱动电路选择的是15V供电电源，因此还需要选用电源芯片7 815，将24V电压转换为15V电压，设计出的H桥驱动芯片电源电路如图2所示。

1.2.2 H桥驱动和隔离电路

因为烹饪机器人项目使用额定电压24V最大功率为120W的直流电机，因此在驱动模块设计中使用分立元件搭建的H桥，通过桥臂驱动芯片配合N沟道MOSFET负载较大电流，并使开关速度快功耗小效率高。此处桥臂驱动芯片采用IR2104S，MOSFET管使用IRF540NS。设计的“H”型双极模式PWM功率转换电路使用了4个晶体管，并将这4个NMOS晶体管分为两组，同一组中的两个晶体管完成同时导通、同时关断的操作。电流可在双极工作模式中完成反向流通，使电机可以简便地完成转动方向的操作。如果IN1为高电平，IN2为低电平，同时ENA使能，则电机正转；如果IN1为低电平，IN2为高电平，同时ENA使能，则电机反转。若使IR2104S的SD使能，拉低电平，将左臂信号L降低，将右臂信号R给PWM，这样就调整了PWM的占空比，即调整了负载功率，实现了直流电机的PWM调速。由于H桥驱动模块IR2104S自身没有隔离功能，并且Cortex-A9 I/O口输出电压为3.3V而H桥驱动板逻辑高电平为5V，因此本文通过光耦隔离放大的方式阻止高电压信号干扰电机的控制电路并且匹配电压，本文选择光耦6N137芯片实现该功能，如图3所示。

1.2.3 测速模块

速度测量模块电路中，采用SIENS的HPE28U5V265B1型号旋转编码器测量电机转速和正反转。旋转编码器上存在不同码道，并且每个码道上都有位于光敏元件和光源之间的间距相等的缝隙。随着码道和电机一起转动，通过判断是否有光线阻挡高低电平进而输出A、B两相脉冲。同样，输出的编码器信号也要经过光耦隔离电路之后再送入DQ触发器。当直流电机顺时针旋转时，旋转编码器的A相脉冲输出波形会超前B相脉冲输出波形90°，则D触发器输出为Q高电平，Q为低电平，U6A的与非门打开，计数脉冲通过，送至双向计数器74LS193的加脉冲输入端CU进行加法计数，反之则进行减法计算。使用的计数电路由3片74LS193组成，旋转编码器正转或反转都会导致计数电路的数据输出不同，最后再通过D0～D11送至数据处理电路。旋转编码器信号处理电路如图4所示。

2 系统软件设计

在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最广泛的一种自动控制器。它具有原理简单、易于实现、适用面广、控制参数相互独立、参数的选定比较简单等优点。在理论上可以证明对于“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节是动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、PID）。本转速闭环设计实现途径是将实时测得的速度值与给定占空比对应的速度值的比较差值，通过 PID调节控制输出量达到转速稳定。将 PWM占空比转换成对应的速度即给定速度，通过与测得的速度即实际速度值的差得到速度误差。系统采用增量式PID算法，增量式PID算法公式为：

本文设计的电机驱动系统是一个基于直流电机的速度反馈闭环调速系统，闭环调节算法采用常用的PID控制算法。首先通过旋转编码器的输出来确定转子的位置和换向信号，再根据旋转编码器的输出信号计算此时电动机的转向和转速并与菜谱程序内的转向转速参考值进行比较，得到相应的速度误差信号，通过PI调节器后得到相应的电流参考信号。与实际电机采样电流信号进行比较，产生的电流误差信号经PID调节器调节后，得到PWM的占空比并产生相应的PWM信号，传递给电机的驱动电路进而实现对直流电动机转速和转向的控制。具体操作为：先设置定时器0的预分频值，再通过计数缓存寄存器TCNTB0设置PWM周期和比较缓存寄存器TCMPB0设置PWM占空比，再通过PWM计时器实现PWM输出。图5为该下位机软件流程。

3 结语

本文在中式烹饪机器人中運用ARM Cortex-A9处

理器，实现了在菜品烹饪和倾倒环节自动控制直流电机。主要设计了下位控制中的直流电机驱动电路和测速反馈硬件电路系统。该系统经过实际测试效果良好，运行可靠。

参考文献：

[1] 范焘，方宁.ARM Cortex-M3微控制器在直流电机调速中的应用[J].机电工程技术，2008（6）：64-66.

[2] 房晓蕾.BLDCM调速系统最优状态反馈控制器设计[D].石家庄：河北科技大学，2014.

[3] 王春芳.直流电动机的调速研究[J].科技广场，2012（9）：112-114.

[4] 王双骥.基于ARM的螺旋给料机智能控制器设计[D].武汉：武汉理工大学，2011.

[5] 许惠君.基于PID算法的直流电机转速控制系统的设计[J].科技资讯，2013（13）：108-109.

[6] 杨学存.基于ARM的嵌入式直流电机PWM调速系统设计[J].煤矿机械，2012（4）：255-257.

[7] 李海涛.基于嵌入式技术的智能血液采集系统关键技术的研究与实现[D].成都：电子科技大学，2015.

[8] 赵健.基于S3C2440A的直流电机转速控制系统设计[J].现代电子技术，2011（3）：157-159.

[9] 徐静.红外线轴温探测系统之串行通讯接口的设计与实现[D].合肥：中国科学技术大学，2003.

[10] 张海丽.微分跟踪器的研究与应用[J].化工自动化及仪表，2013（4）：474-477.

[11] 黄国辉.电动多叶光栅的控制系统改造设计及实现[D].成都：电子科技大学，2005.

[12] 万冰.船载卫星通信系统中PID算法的应用与探究[J].计算机技术与发展，2015（9）：178-181.

（责任编辑：杜能钢）