基于STM32 的高精度柔性多軸運動控制系統(tǒng)設(shè)計

吳思遠(yuǎn)，鄒迎春

（廣西南寧技師學(xué)院 機電工程系，廣西南寧，530007）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，有的物品需要采用機械手來完成取放和搬運任務(wù)，一般來說這種工作任務(wù)多為重復(fù)性且相對簡單的任務(wù)。但是在例如生化生產(chǎn)場合，需要經(jīng)常取放有毒性的試管、樣品玻片等很重要但又很易碎的物品，或者是在3C 行業(yè)中，微小芯片器件需要在電路板上進(jìn)行高速插裝，這種任務(wù)如果用人工來完成既不安全又不經(jīng)濟(jì)。如果能夠采用高精度柔性機械手來完成這一任務(wù)，則能夠保證生產(chǎn)任務(wù)順利完成，同時也把工人從危險的工作場合中解放出來。

本文主要針對高精度柔性夾持系統(tǒng)的控制器研發(fā)，整個系統(tǒng)包括機械控制器件和運動控制器、上位機軟件三部分組成。機械運動部分由高精度直線電機作為驅(qū)動完成夾持動作。直線電機通過電磁力方式控制電機做直線運動，在高速高精度場合，直線電機具有明顯的優(yōu)勢?？刂破鞑糠植捎米灾餮邪l(fā)的運動控制器和驅(qū)動器，通過位置傳感器反饋信號進(jìn)行運算，控制器發(fā)出控制指令給驅(qū)動器，驅(qū)動器控制直線電機運動。

本文以實踐為基礎(chǔ)，應(yīng)用為目的，設(shè)計出一套完整的、可靠實用的多軸運動控制與傳感器信號采集處理系統(tǒng)，并且在硬件實物完成功能調(diào)試，具有重要的市場價值。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本設(shè)計是以STM32F103VET6 嵌入式微處理器系統(tǒng)為核心，結(jié)合傳感、監(jiān)測和通信電路組成外圍電路的運動控制系統(tǒng)電路板，其中涉及光柵尺正交編碼器、運動控制器、功率放大器、電機等部分的設(shè)計。系統(tǒng)采用STM32F103VET6微處理器作為運動控制系統(tǒng)的中央處理單元，通過光柵尺傳感器反饋的位置信號和電流傳感器反饋的電流信號來實現(xiàn)直線電機的運動控制。其主要組成部分有：AIP-40 光柵尺傳感器電路、ACS712 電流傳感器電路、LMD18200T 直流電機驅(qū)動器電路、STM32F103VET6 微控制器控制電路、直線電機、電源處理電路等硬件部分和基于C#編寫的上位機軟件部分組成，系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 模塊電路設(shè)計

■2.1 主控模塊電路設(shè)計

本設(shè)計主控芯片選擇STM32F103VET6 作為主控器，它具有功能強大、外設(shè)模塊豐富、體積小、成本低、功耗小等優(yōu)點。采用該型號微控制器來完成傳感器數(shù)據(jù)的采集、上位機的通信、運動控制算法處理等功能。STM32F103VET6能夠同時采集3 路模擬量信號，具有8 個定時器，包括6個通用定時器和2 個高級定時器，能夠提供24 路PWM 信號和4 路正交編碼器接口，能夠與增量式編碼器連接。集成了UART、CAN、SPI 等通信模塊，RAM 容量達(dá)到64KB。STM32F103VET6 微控制器最小系統(tǒng)電路由以下幾個部分構(gòu)成：復(fù)位電路、電源電路、時鐘電路。

■2.2 位置傳感器模塊電路設(shè)計

使用光柵尺傳感器作為直線電機位置反饋，該光柵尺精度是±5μm/1m，經(jīng)過AIP-40 細(xì)分芯片細(xì)分后，分辨率可達(dá)到0.5μm，這是實現(xiàn)直線電機高精度定位的重要環(huán)節(jié)。AIP-40 芯片適用于增量式輸出的正弦波輸出信號位置測量或者角度測量系統(tǒng)，正交信號A/B 相位可調(diào)，內(nèi)置可編程濾波器能有效地抑制噪聲干擾信號。電路圖如圖2 所示，光柵尺傳感器輸出的4 路模擬信號COSP、COSN、SINP、SINN 和芯片的1、20、19、18 腳相連接。9 腳接VCC，同時在VCC 引腳上并聯(lián)C3、C4 電容濾除電源上面的干擾信號，讓電源更加純凈，芯片能穩(wěn)定工作。13、14 腳連接R1、R2 電阻為芯片提供合適的偏置電流，15 腳V0 是參考電壓輸出引腳，并聯(lián)C2 電容可以起到濾波的作用。最后經(jīng)過處理的數(shù)字信號通過11、12 腳分別輸出A、B 兩路正交信號，把此信號接入主控芯片進(jìn)行高速脈沖計數(shù)。

圖2 AIP-40 細(xì)分芯片電路圖

電流傳感器采用ACS712 芯片，它是全集成的基于霍爾效應(yīng)的線性電流傳感器，有效量程范圍達(dá)到5A，芯片內(nèi)部是一個經(jīng)過精確校準(zhǔn)的霍爾傳感器，它被放置在接近于IC表面的銅箔上，當(dāng)電流流過這個銅箔的時候就會產(chǎn)生磁效應(yīng)，霍爾傳感器就會把它轉(zhuǎn)換為一個線性的電壓信號，經(jīng)過內(nèi)部信號處理后直接輸出該信號，其具有良好的線性關(guān)系66mV/A?？梢灾苯优c主控芯片ADC 相連接。其引腳功能分配如表1 所示。

表1 ACS712引腳功能表

傳感器電路圖如圖3 所示，傳感器的1、2 腳接電流的輸入，3、4 接電流的輸出，5 腳接電源負(fù)極、6 腳接濾波電容C67、7 腳接微控制器的AD 轉(zhuǎn)換器、8 腳接電源的正極。傳感器串聯(lián)在電機直流母線上，可以準(zhǔn)確地反映電流的變化。

圖3 ACS712 電路圖

■2.3 驅(qū)動器電路設(shè)計

LMD18200T 驅(qū)動芯片是由美國National Semiconductor 公司推出的適用于高精度直流電機控制的功率芯片。芯片內(nèi)部是由四個高性能的MOS 管組成的H 橋電路，開關(guān)速度可達(dá)60kHz，導(dǎo)通電阻0.3Ω，連續(xù)導(dǎo)通電流為3A，峰值電流為6A。MOS 驅(qū)動管耐壓值達(dá)到60V，故該芯片能夠持續(xù)驅(qū)動功率180W的直線電機。芯片內(nèi)部有過熱保護(hù)、過流保護(hù)、過壓保護(hù)和短路保護(hù)功能。

通過表2 可知，主控芯片控制LMD18200T 驅(qū)動器只需要三個控制引腳，分別給芯片輸入PWM 信號、運行方向信號、停止信號即可。PWM 由微控制器PWM 模塊提供，方向和剎車信號由主控芯片IO 口進(jìn)行控制。

表2 LMD18200T控制邏輯

■2.4 直流電源電路設(shè)計

TPS5430 是一款能夠輸出高電流的電壓轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部集成了高性能NMOSFET 管和誤差放大器，能夠?qū)崿F(xiàn)精確電壓調(diào)節(jié)。內(nèi)部有欠壓鎖定、軟啟動、過熱過流保護(hù)電路和關(guān)斷功能。當(dāng)關(guān)斷輸出時，其電流會降低到18μA，可以應(yīng)用在小體積、低功耗、大電流的場合。TPS5430 能夠輸出3A 的電流，效率為95%。本系統(tǒng)DC 電源部分采用TPS5430 作為轉(zhuǎn)換器件，能夠給控制器提供穩(wěn)定可靠的高質(zhì)量電源，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

電源供電電路圖如圖4 所示，采用降壓電路，24V 電壓通過7 腳輸入到芯片，經(jīng)過斬波的電源通過1 腳輸出，由L4 和D14、C59 構(gòu)成的輸出電路輸出經(jīng)過降壓后的5V 電壓，R64 和R68 決定了輸出電壓的大小。最后電源部分串聯(lián)了一個0.5A 的自恢復(fù)保險絲，為控制器提供短路保護(hù)。

圖4 TPS5430 電路圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

在系統(tǒng)硬件設(shè)計調(diào)試完成的基礎(chǔ)上，要完成各個電路模塊的信號采集和數(shù)據(jù)的處理，需要對系統(tǒng)的軟件部分編程設(shè)計。通常在工程上，為了應(yīng)用簡便，提高程序可讀性和移植性，把每個傳感器程序單獨編寫成一套文件，分別是源代碼文件和頭文件。在每個模塊程序設(shè)計中采用模塊化編程，各個模塊之間“強內(nèi)聚，弱耦合”。編寫多個子程序，在主程序中根據(jù)當(dāng)前用戶的需求調(diào)用相應(yīng)部分的子程序。本次軟件開發(fā)采用Keil MDK4.70 集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(fā)。

■3.1 主程序初始化

系統(tǒng)主程序在微控制器上電完成硬件復(fù)位之后開始運行。先對微控制器片上外設(shè)資源進(jìn)行配置，完成I/O 端口狀態(tài)配置，通信接口初始化，對微控制器TIM5、TIM6 定時器進(jìn)行初始化并配置為編碼器輸入模式，完成PWM 輸出模塊配置。對內(nèi)部資源配置完成之后接著外設(shè)傳感器進(jìn)行自檢，讓直線電機進(jìn)行找零位動作，檢測電機是否到達(dá)零位傳感器位置，動作完成之后發(fā)出準(zhǔn)備就緒信號，系統(tǒng)等待上位機發(fā)來的指令。系統(tǒng)主程序初始化流程圖如圖5 所示。

圖5 主程序初始化流程圖

■3.2 PID 控制程序設(shè)計

隨著控制技術(shù)理論的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了很多現(xiàn)代的控制理論，例如模糊控制、神經(jīng)元控制、自適應(yīng)控制等。但是這些理論的應(yīng)用都是在建立精確數(shù)學(xué)模型的情況下才能夠體現(xiàn)出較好的控制效果，這就需要實現(xiàn)對系統(tǒng)能夠精確地建模。對于一些不易得到數(shù)學(xué)模型的場合，使用上述方法取得的控制效果有限。而使用傳統(tǒng)的PID 控制算法經(jīng)過調(diào)校后往往也能取得不錯的控制效果，這是PID 最大的優(yōu)點之一，因而PID 控制在目前仍是應(yīng)用最廣泛地控制算法。PID 控制數(shù)學(xué)表達(dá)式可描述為式(1)：

把式(1)用微分方程來表示可表示為式(2)：

為了能夠符合微控制器運算的特點，需要對模擬式PID算法在一定時間上進(jìn)行抽樣，構(gòu)成離散式PID 算法。對離散信號進(jìn)行時間上的連續(xù)抽樣即可把連續(xù)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為離散的系統(tǒng)，式(2)經(jīng)過近似化簡處理后就可以得到最終結(jié)果式(3)：

式(3)即為離散PID 控制器控制算法的數(shù)學(xué)表達(dá)式，u(k)為當(dāng)前采樣周期PID 控制器的輸出，u(k-1)為上一次采樣周期PID 控制器的輸出，T為兩次采樣時間間隔。

根據(jù)式(3)設(shè)計出PID 控制器程序模塊，由傳感器和信號調(diào)理電路組成反饋信號取樣回路，信號經(jīng)過處理后輸入AD 轉(zhuǎn)換器以周期t進(jìn)行采樣得到實際測量值PV，經(jīng)過數(shù)字濾波器濾波，排除干擾后得到濾波后的實際測量值PVf，其與設(shè)定值SV的差值Err輸入給離散型PID 控制器進(jìn)行運算，生成執(zhí)行機構(gòu)開度值MV，再經(jīng)過DA 轉(zhuǎn)換器變成模擬量輸出給受控對象?？刂瓶驁D如圖6 所示，PID 控制算法流程圖如圖7 所示。

圖6 PID 控制系統(tǒng)框圖

圖7 PID 控制算法流程圖

■3.3 數(shù)據(jù)處理與通信程序設(shè)計

主控器在工作的過程中會不斷地通過串口向上位機收發(fā)數(shù)據(jù)，以便操作人員可以通過軟件界面對系統(tǒng)工作情況進(jìn)行監(jiān)控和修改。同時通過CAN 總線與其他控制器交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多控制器聯(lián)網(wǎng)控制與多軸電機同步運行。主控器通過定時器每隔1ms 就與上位機和其他聯(lián)網(wǎng)控制器收發(fā)數(shù)據(jù)和命令，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)包括位置、速度、電流、模式等32種參數(shù)。同時，主控器如果接收到上位機發(fā)來的命令則立即進(jìn)入接收中斷進(jìn)行處理，保證實時 性。 基 于.NET Framework 4.0 的上位機軟件采用C#語言編寫，軟件如圖8 所示。

圖8 上位機軟件截圖

■3.4 運動控制程序設(shè)計

當(dāng)系統(tǒng)接收到上位機發(fā)來的命令時，首先設(shè)置當(dāng)前控制參數(shù)、目標(biāo)運動位置。設(shè)置完畢后夾持系統(tǒng)開始工作，控制器發(fā)送運動信號給直線電機，直線電機在控制器的控制下向前運動，運動初始為高速運行區(qū)域，運動中間部分為減速運行區(qū)域，運動末尾部分為柔性運行區(qū)域。夾持系統(tǒng)在柔性運行區(qū)域觸碰到需要夾持的物品，隨后根據(jù)控制器算法自動調(diào)整控制參數(shù)，柔性地增大夾持壓力，直到物品能夠被穩(wěn)定夾持，隨后進(jìn)入物品搬運過程，夾持系統(tǒng)夾取物品操作結(jié)束。流程圖如圖9 所示。

圖9 運動控制程序流程圖

4 結(jié)語

本文研究了一種可以同時控制多臺直線電機實現(xiàn)高精度定位、柔性夾持易碎高價值物品、具備上位機界面和總線通信控制功能的多軸運動控制系統(tǒng)。通過大量查閱的國內(nèi)外有關(guān)的論文資料，對比市面上的相關(guān)設(shè)備產(chǎn)品的優(yōu)缺點，設(shè)計出符合實際要求功能的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)整機如圖10 所示。

圖10 高精度柔性工業(yè)夾持系統(tǒng)照片

本系統(tǒng)具有控制準(zhǔn)確、魯棒性好、性價比高、通信功能強大和良好操作界面等優(yōu)點，該系統(tǒng)可以應(yīng)用于半導(dǎo)體制造、數(shù)控機床、生物醫(yī)學(xué)、光學(xué)制造、航空航天等領(lǐng)域，具有廣闊的市場前景。