基于STM32的小型升降平臺(tái)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孔鵬

（淮北工業(yè)與藝術(shù)學(xué)校，安徽淮北，235000）

0 引言

精密的測(cè)量一起往往需借助外部支撐支架提供承載和調(diào)資平臺(tái)。實(shí)際生產(chǎn)過程中，儀器的滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航調(diào)資可使用微調(diào)旋鈕即可完成，且調(diào)資誤差不大，精度較高，可滿足工業(yè)精度測(cè)量需求[1~4]。而儀器的高度方向調(diào)整屬于大尺寸范圍裝調(diào)，以適應(yīng)不同高度產(chǎn)品的精度測(cè)量需要，大范圍裝調(diào)極易出現(xiàn)調(diào)整過小和調(diào)整過度等現(xiàn)象，導(dǎo)致試驗(yàn)人員需反復(fù)裝調(diào)支架，耗時(shí)耗力，因此繼續(xù)研制一種可使支架自動(dòng)伺服調(diào)整裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的承載和調(diào)姿兩用功能。目前，關(guān)于伺服平臺(tái)微控制器的研究層出不窮[5,6]。ZHANG H-F[7]等論述了機(jī)械設(shè)備故障的早期檢測(cè)是工業(yè)生產(chǎn)中的最重要的問題之一，文中開發(fā)了基于STM32的信號(hào)采集系統(tǒng)的微控制器系統(tǒng)，可以快速采集并實(shí)時(shí)顯示旋轉(zhuǎn)軸X、Y、Z的多通道振動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、小型化等特點(diǎn)，為本文的控制器軟件設(shè)計(jì)提供了參考。本文選擇使用STM32微控制器作為控制核心，采用PID控制器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)閉環(huán)控制的算法，采用微控制器作為控制核心時(shí)，離散型PID控制算法較為常用。

1 硬件設(shè)計(jì)

■ 1.1 整體硬件設(shè)計(jì)

如圖 1所示，系統(tǒng)整體硬件包括STM32F429單片機(jī)、PC機(jī)、直流電機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)器、直流電機(jī)及其編碼器、直流電源、復(fù)位電路、晶振電路、外部晶振電路、LED指示燈、串口電路、行星減速器、滾珠絲杠等。其中；串口電路與PC機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)間的通信；LED指示燈用于指示系統(tǒng)開啟工作，在非工作狀態(tài)下為關(guān)閉狀態(tài)；系統(tǒng)由12V直流電源為直流電機(jī)H橋和直流電機(jī)供電，通過穩(wěn)壓降壓芯片實(shí)現(xiàn)3.3V降壓，為單片機(jī)供電；直流電機(jī)編碼器與單片機(jī)連接，用于傳輸直流電機(jī)位置信號(hào)；直流電機(jī)與行星減速器連接，行星減速器與滾珠絲杠連接，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)平移的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，行星減速器減速比和滾珠絲杠導(dǎo)程可根據(jù)實(shí)際需求選擇。

圖1 整體硬件設(shè)計(jì)

■ 1.2 復(fù)位與晶振電路

設(shè)計(jì)的晶振及復(fù)位電路如圖 2所示，復(fù)位開關(guān)SW一端與地連接，另一端通過上來電阻與3.3V高電平連接，NRST與控制器的復(fù)位引腳連接，當(dāng)復(fù)位開關(guān)按下一段時(shí)間后控制器復(fù)位，程序重新開始運(yùn)行。設(shè)計(jì)外部晶振為25MHz，通過兩個(gè)22pF的濾波電容與地連接。

圖2 復(fù)位與晶振電路

■ 1.3 穩(wěn)壓降壓電路

由于控制器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路使用同一電源供電，因此需將12V的高壓電源進(jìn)行降壓和穩(wěn)壓，以為控制器提供標(biāo)準(zhǔn)的3.3V電源。使用RT9193穩(wěn)壓降壓芯片實(shí)現(xiàn)電壓的降低與穩(wěn)壓控制，其電路圖如圖 3所示，圖中D1 RED為紅色LED燈，用于指示電源系統(tǒng)已開啟并正常工作。

圖3 穩(wěn)壓降壓電路

■ 1.4 串口電路

如圖4所示，采用USB轉(zhuǎn)串口電路實(shí)現(xiàn)RS232通信協(xié)議[8]，USB轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)換芯片為CH340G，配置串口波特率為115200Hz，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，8位數(shù)據(jù)幀格式，1位停止位，數(shù)據(jù)傳輸為收發(fā)模式。

圖4 CH340G轉(zhuǎn)串口電路

■ 1.5 直流電機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)

選擇常用的永磁式直流電機(jī)，直流電機(jī)額定電壓為12V，通過H橋全橋驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)PWM波形的輸入和電機(jī)控制電壓的輸出。H橋由最基本的4個(gè)MOS管與EG2104S芯片組成，EG2104S是一款高性價(jià)比IGBT管柵極驅(qū)動(dòng)專用芯片，內(nèi)部集成了邏輯信號(hào)輸入處理電路、死區(qū)時(shí)控制電路、電平位移電路、脈沖濾波電路及輸出驅(qū)動(dòng)電路，專用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器、電源DC-DC中的驅(qū)動(dòng)電路，其一般邏輯電路設(shè)計(jì)如圖 5所示，圖中Vcc為芯片工作電源輸入；IN為邏輯輸入控制信號(hào)；SD為邏輯輸入控制低電平有效；LO為輸出控制低端MOS功率管的導(dǎo)通與截止；VS為高端懸浮接地；HO為輸出控制高端MOS功率管的導(dǎo)通與截止；VB為高端懸浮電源。EG2104S的高端工作電壓可達(dá)600V，低端電壓范圍為10~12V。

圖5 EG2104S邏輯電路圖

■ 1.6 PID控制器

工業(yè)上常使用PID控制器實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制，而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，離散型PID控制器越來越被廣泛使用，其一般表達(dá)式為：

式中kp為比例系數(shù)；ki為積分系數(shù)；kd為微分系數(shù)；T為采樣周期；k為第k個(gè)采樣點(diǎn)；e(k)和e(k-1)分別為第k和k-1個(gè)采樣點(diǎn)偏差。

2 軟件設(shè)計(jì)

■ 2.1 系統(tǒng)整體軟件架構(gòu)

系統(tǒng)整體軟件架構(gòu)如圖 6所示，軟件架構(gòu)包括2大方面：PC機(jī)端和控制器端。在PC機(jī)端主要為控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，進(jìn)行基于串口通信的界面設(shè)計(jì)，具備設(shè)置串口配置參數(shù)、打開關(guān)閉串口、向控制器發(fā)送數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)啟停、故障指示等功能；在控制器端主要配置6個(gè)系統(tǒng)任務(wù)：系統(tǒng)啟動(dòng)任務(wù)、LED任務(wù)、PID控制器任務(wù)；PWM波形輸入任務(wù)、RS232通信任務(wù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)任務(wù)；控制器與直流電機(jī)通過編碼器實(shí)現(xiàn)連接。

圖6 系統(tǒng)整體軟件架構(gòu)

■ 2.2 PC機(jī)及人機(jī)界面設(shè)計(jì)

在Visual Studio 2013軟件中基于C#語(yǔ)言編寫控制系統(tǒng)人機(jī)界面如圖 7所示。通過“打開串口”按鈕打開與控制器通信的串口，串口默認(rèn)波特率為115200Hz，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位；通過“KP”、“KI”、“KD”可編輯文本框配置PID控制器的控制參數(shù)，通過“PID控制參數(shù)”按鈕將控制參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送至控制器；通過“開啟系統(tǒng)”啟動(dòng)控制器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)任務(wù)，通過高度控制“MIN”、“當(dāng)前”、“MAX”可編輯文本框設(shè)置最小、當(dāng)前、最大控制高度，通過“運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)”按鈕啟動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)任務(wù)，并運(yùn)行值當(dāng)前高度控制值；界面中包含了三個(gè)指示燈：“開啟系統(tǒng)”指示燈用于指示系統(tǒng)是否開啟，若開啟則亮紅燈，否則為綠燈；“運(yùn)動(dòng)中”指示燈用于指示電機(jī)是否處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，若是則亮綠燈，否則為紅燈；“通信正?！敝甘緹粲糜跈z測(cè)上位機(jī)與控制器的通信是否正常，若正常則亮綠燈，否則為紅燈。

圖7 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

■ 2.3 控制器軟件設(shè)計(jì)

基于UCOS操作系統(tǒng)，配置控制器的6個(gè)系統(tǒng)任務(wù)如表1所示。在軟件設(shè)計(jì)中各任務(wù)分別用taskStart、LEDTask、PIDTask、PWMTask、RSTask、MotorDriveTask表示。

表1 控制器任務(wù)配置

3 系統(tǒng)調(diào)試

搭建上位機(jī)+控制器+H橋驅(qū)動(dòng)器+減速器的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，支架?dāng)前高度為1000mm，在上位機(jī)中設(shè)置當(dāng)前高度控制值為1500mm，即讓支架從1000mm高度逐漸運(yùn)動(dòng)至1500mm高度，取10s區(qū)間內(nèi)的控制系統(tǒng)運(yùn)行情況，得到控制系統(tǒng)的位置跟蹤情況如圖 8所示。可知在1500mm的階躍信號(hào)激勵(lì)下，電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)和絲杠逐漸向1500mm高度運(yùn)行，從跟蹤高度曲線可以看出，系統(tǒng)在上升過程中出了輕微震顫，導(dǎo)致跟蹤高度曲線有毛刺，這與機(jī)械系統(tǒng)本身振動(dòng)和信號(hào)噪聲有關(guān)。但系統(tǒng)仍然逐漸向控制高度上升，最終在8s左右時(shí)達(dá)到1500mm的穩(wěn)態(tài)值，且穩(wěn)態(tài)誤差很小，達(dá)到了較高的控制精度，滿足測(cè)量要求。

圖8 控制系統(tǒng)位置跟蹤情況

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研制了一種基于STM32的小型升降平臺(tái)伺服控制系統(tǒng)，以STM32單片機(jī)為控制核心，通過外接直流電機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)器的方式實(shí)現(xiàn)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制?；贑#語(yǔ)言編寫了控制系統(tǒng)上位機(jī)，可實(shí)現(xiàn)與控制器的串口通信、PID控制參數(shù)設(shè)置，當(dāng)前控制高度控制等功能，實(shí)現(xiàn)了升降平臺(tái)的較高精度伺服控制。但系統(tǒng)未進(jìn)行較全面的設(shè)計(jì)和研究，如在上位機(jī)中實(shí)現(xiàn)PID控制任務(wù)，以減輕控制器的工作量等。