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(gòu)，采用DM442進行細分驅(qū)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(shè)計。經(jīng)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(guān)鍵詞】STM32;步進電機;細分驅(qū)動

1.引言

隨著我國經(jīng)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(shè)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(yù)警是開放低空飛行的首要的技術(shù)瓶頸。低空預(yù)警雷達的有效使用實現(xiàn)了低空飛行預(yù)警，為低空領(lǐng)域的開放起到了一定的技術(shù)支持作用。但低空預(yù)警雷達仍具有局限性，不能提供直觀的圖像信息。

光電技術(shù)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(yīng)用于制導(dǎo)、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(lǐng)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(yù)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(yù)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(shè)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(zhuǎn)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(jīng)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(jīng)過計算得到偏差角數(shù)據(jù)，并發(fā)出相應(yīng)的方向脈沖和pwm控制脈沖信號給二維轉(zhuǎn)臺的步進電機驅(qū)動器，直接調(diào)整兩個電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)臺原理框圖如圖2所示。

圖2 二維轉(zhuǎn)臺原理框圖

2.2 結(jié)構(gòu)方案

轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)主要有敞開式U型、封閉式0型和T型。U型和T型結(jié)構(gòu)對稱性差、結(jié)構(gòu)剛度小、結(jié)構(gòu)較復(fù)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(jié)構(gòu)對稱性好、結(jié)構(gòu)剛度大，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，常用于高速整圈旋轉(zhuǎn)，一般用于中框架和內(nèi)框架。

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)圖。

圖3 轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)圖

3.硬件系統(tǒng)設(shè)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(shè)計一套硬件平臺：采用STM32F103RBT6作為轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)主要的硬件處理器，以及轉(zhuǎn)臺步進電機及其驅(qū)動器，光電編碼器，光電耦合器等。基于STM32F103RBT6的轉(zhuǎn)臺控制功能模塊如圖4所示。

圖4 基于STM32F10X的轉(zhuǎn)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(chǎn)生PWM輸出，STM32F103RBT6最多可以同時產(chǎn)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(qū)動器

步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或直線運動的執(zhí)行機構(gòu)，當步進電機驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度即步距角。利用STM32F103RBT6產(chǎn)生PWM脈沖信號和方向信號來控制驅(qū)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(qū)動技術(shù)，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(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)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(qū)動是DM442，最大細分數(shù)為25600步數(shù)/轉(zhuǎn)?？刂破鳎竭M電機及驅(qū)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(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)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(shè)計

性能要求、完整、可靠的硬件系統(tǒng)設(shè)計是整體設(shè)計的前提條件，完善有效的軟件設(shè)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(fù)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(yīng)的算法將接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(jié)論

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

參考文獻

[1]史偉會.太陽自動跟蹤系統(tǒng)研究[D].上海：東華大學(xué)，2011.

[2]張春光.太陽能電池板二維自動跟蹤系統(tǒng)的研究[D].山西：太原科技大學(xué)，2013.

[3]胖瑩.基于STM32的太陽跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].河北：燕山大學(xué)，2012.

[4]劉娟.雷達天線測試轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的研制[J].計算機測量與控制，2008，16（6）：811-814.

[5]楊繼森，萬文略，鄭文燕，張?zhí)旌?精密數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺的控制系統(tǒng)設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（7）：95-98.