基于STM32的伺服控制系統(tǒng)研究

高志輝 黃海元

【摘要】本文以STM32為控制器、57HS09步進電機為執(zhí)行機構，采用DM442進行細分驅動。對伺服控制系統(tǒng)的總體方案、硬件方案、軟件方案進行了設計。經過實驗驗證，系統(tǒng)能夠有效的跟蹤目標物體，且具有良好的控制精度和可靠性。

【關鍵詞】STM32;步進電機;細分驅動

1.引言

隨著我國經濟的快速發(fā)展，體育娛樂賽事中的直升飛機以及私人飛機的需求量不斷擴大。目前，我國正在試點開放部分區(qū)域進行低空飛行。但是，按照我國現(xiàn)有的城市管理水平和設施情況來說，開放低空飛行必將面臨不少困難。保障飛行安全做好低空飛行預警是開放低空飛行的首要的技術瓶頸。低空預警雷達的有效使用實現(xiàn)了低空飛行預警，為低空領域的開放起到了一定的技術支持作用。但低空預警雷達仍具有局限性，不能提供直觀的圖像信息。

光電技術的快速發(fā)展，使得機（車、船）載光電監(jiān)視跟蹤系統(tǒng)廣泛應用于制導、偵查、火控、光電對抗以及體育、消防、環(huán)境監(jiān)控、公共安全等領域。光電監(jiān)視跟蹤系統(tǒng)能夠提供直觀、清晰的圖像信息，有效的彌補了低空預警雷達的不足之處。

光電監(jiān)視跟蹤系統(tǒng)配合雷達使用，為監(jiān)管部門提供空中目標的方位、距離、高度等情報信息，利用可見光攝像機和紅外熱像儀傳感器組合，對需要進行監(jiān)控的區(qū)域進行全天時視頻探測與監(jiān)視。本文主要是對低空預警光電監(jiān)控跟蹤系統(tǒng)中的伺服控制子系統(tǒng)進行研究。

2.總體方案設計

2.1 控制方案

光電監(jiān)視跟蹤系統(tǒng)根據(jù)雷達探測到目標的位置信息，算出方位電機和俯仰電機的角度值，然后轉換成脈沖數(shù)。通過對脈沖的控制進而控制方位軸和俯仰軸的運動，達到實時跟蹤。光電監(jiān)測跟蹤系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1光電監(jiān)視跟蹤系統(tǒng)總體框圖

上位PC機把經圖像處理得出的坐標偏差通過串口協(xié)議下載給運動控制器，運動控制器經過計算得到偏差角數(shù)據(jù)，并發(fā)出相應的方向脈沖和pwm控制脈沖信號給二維轉臺的步進電機驅動器，直接調整兩個電機的轉向和轉速。由光電編碼器實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，提高控制精度。二維轉臺原理框圖如圖2所示。

圖2 二維轉臺原理框圖

2.2 結構方案

轉臺結構主要有敞開式U型、封閉式0型和T型。U型和T型結構對稱性差、結構剛度小、結構較復雜、體積大，常用于低速擺動工況，一般用于中框架和外框架。0型結構對稱性好、結構剛度大，結構簡單，體積小，常用于高速整圈旋轉，一般用于中框架和內框架。

本系統(tǒng)的結構方案擬采用O型框架作為方位軸框架，U型框架作為俯仰軸框架。圖3為轉臺結構圖。

圖3 轉臺結構圖

3.硬件系統(tǒng)設計

系統(tǒng)硬件平臺是完成運動目標自動跟蹤的重要保證，根據(jù)需要擬設計一套硬件平臺：采用STM32F103RBT6作為轉臺控制系統(tǒng)主要的硬件處理器，以及轉臺步進電機及其驅動器，光電編碼器，光電耦合器等?；赟TM32F103RBT6的轉臺控制功能模塊如圖4所示。

圖4 基于STM32F10X的轉臺控制功能模塊

3.1 STM32F103RBT6控制器

STM32F103RBT6擁有的資源包括128KB FLASH、20KB SRAM、2個SPI、3個串口、一個USB、1個CAN、2個12位的ADC（16通道）、RTC、DMA、4個16位定時器、51個可用的I/O腳等。步進電機通過脈沖和方向的方式進行控制，而STM32F103RBT6的定時器都可以用來產生PWM輸出，STM32F103RBT6最多可以同時產生30路PWM輸出，完全可以脈沖步進電機的需求。

3.2 步進電機及驅動器

步進電機是一種將電脈沖信號轉換成角位移或直線運動的執(zhí)行機構，當步進電機驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度即步距角。利用STM32F103RBT6產生PWM脈沖信號和方向信號來控制驅動器，進而控制步進電機，并通過改變PWM脈沖信號頻率實現(xiàn)步進電機的變速控制過程。通過軟件控制PWM脈沖串的疏密來控制運動過程中的加減速，加密脈沖串可實現(xiàn)加速過程，稀疏脈沖串可實現(xiàn)減少過程。步進電機采用細分驅動技術，細分步距角，提高定位精度。

本系統(tǒng)方位電機和俯仰電機均使用57HS09型兩相混合式步進電機，步進電機的步距角為1.8°。為提高轉臺轉速穩(wěn)定性所采用的具有細分功能的兩相混合式步進電機驅動是DM442，最大細分數(shù)為25600步數(shù)/轉。控制器，步進電機及驅動器的連線圖如圖5所示。

3.3 光電編碼器

光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。在選擇光電編碼器時，要考慮被測元件的精度，要使它能與被測元件的精度相匹配，一般編碼器的精度要高于被測元件的精度。

圖5 連線圖

4.軟件系統(tǒng)設計

性能要求、完整、可靠的硬件系統(tǒng)設計是整體設計的前提條件，完善有效的軟件設計才能發(fā)揮硬件資源的潛力，最終實現(xiàn)系統(tǒng)的功能要求。

主程序是控制系統(tǒng)的核心部分，主要完成系統(tǒng)的初始化（I/O口、串行通信接口、定時器等的初始化），計數(shù)器周期寄存器初值的計算，各標志位的置位與復位，接收光電編碼器信號，中斷配置，系統(tǒng)自檢等功能。主程序完成初始化后，進入循環(huán)等待中斷。中斷程序完成對上位機下傳數(shù)據(jù)的接收，并根據(jù)相應的算法將接收數(shù)據(jù)轉化成方向脈沖和PWM控制脈沖。主程序控制流程如圖6所示。

圖6 主程序控制流程圖

5.結論

通過實驗室驗證可知，基于STM32的伺服控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)，達到實驗要求，為樣機設計提供了一定的理論和實驗基礎。

參考文獻

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