熊方 劉旭 羅茂元

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種通過X、Y、Z三軸位移來實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F407ZGT6為控制核心、以TB6600為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來控制三軸上螺桿的旋轉(zhuǎn)。文中詳細(xì)地介紹了該系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了啟停、加減速、運(yùn)動(dòng)方向、復(fù)位、定位等三維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制。

關(guān)鍵詞：STM32;三維運(yùn)動(dòng);控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）06-0003-03

0 引言

運(yùn)動(dòng)控制器廣泛應(yīng)用于智能機(jī)器人、全自動(dòng)焊接機(jī)、點(diǎn)膠機(jī)、電纜生產(chǎn)牽引系統(tǒng)等自動(dòng)化設(shè)備中。運(yùn)動(dòng)控制正朝著高速度、高精度、開放式的方向發(fā)展，國內(nèi)外各大公司生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)控制器大多為通用型產(chǎn)品，普遍存在以下不足：功能強(qiáng)大、價(jià)格昂貴，在實(shí)際使用中往往只用到少數(shù)功能;封閉式的結(jié)構(gòu)很難進(jìn)行二次開發(fā)，靈活性較差[1]。本文將介紹一種基于STM32的三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)簡潔、運(yùn)行穩(wěn)定、易操作、便于二次開發(fā)。

1 三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，包括三維平臺、X/Y/Z三軸上的坐標(biāo)尺、旋轉(zhuǎn)滑臺螺桿、驅(qū)動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)MX/MY/MZ、安裝在Z軸上的控制對象，如圖1所示。X軸滑臺可以左右移動(dòng)，Y軸滑臺可以前后移動(dòng)，Z軸滑臺可以上下移動(dòng)。

2 三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制總方案

三維運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，上位機(jī)發(fā)出命令，通過串口發(fā)送給控制器STM32，STM32根據(jù)命令控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，如圖2所示。MY電機(jī)控制水平面平臺板沿Y軸運(yùn)動(dòng)，將MZ電機(jī)固定在X軸電機(jī)的位移片上，從而實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向的位移。Z軸的位移可以實(shí)現(xiàn)控制對象的起落。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用TB6600驅(qū)動(dòng)模塊，它是一款專業(yè)的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制[2]。通過S1、S2、S3三位撥碼開關(guān)選擇8檔細(xì)分控制，S4、S5、S6選擇8檔電流控制。比如：設(shè)定細(xì)分系數(shù)為4，電流控制2.0A。查看細(xì)分/電流選擇表，將S1、S2、S3分別設(shè)置為ON、OFF、OFF，S4、S5、S6分別設(shè)置為ON、OFF、OFF。驅(qū)動(dòng)模塊推薦使用24V/3A開關(guān)電源供電。驅(qū)動(dòng)模塊與控制器STM32之間共陰連接方法如圖3所示。

3.2 傳感器信號電路

在X、Y、Z三軸滑臺兩側(cè)安裝限位傳感器，防止滑塊跑出運(yùn)動(dòng)范圍。在三軸中間安裝原點(diǎn)傳感器，用于定位。當(dāng)滑塊移動(dòng)到傳感器旁邊，傳感器輸出有效低電平信號;當(dāng)滑塊離開傳感器，輸出高電平無效信號。將傳感器輸出信號與STM32的GPIO口連接，如圖4所示。

3.3 串口硬件連接

串行通信廣泛應(yīng)用于STM32與PC機(jī)之間通信，USART串口通過RX（接收數(shù)據(jù)）、TX（發(fā)送數(shù)據(jù)）和地3個(gè)引腳與其它設(shè)備連接在一起的[3]。如果使用USART1串口，PA9是STM32的發(fā)送端，PA10是接收端。PC機(jī)通過USB口與STM32串口之間需要一個(gè)USB轉(zhuǎn)串口的芯片CH340。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制

如果驅(qū)動(dòng)器與控制器采用共陰極連接方法，如圖3所示?？刂破鞑捎肧TM32F407ZGT6，假設(shè)采用通用兩相四線步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8°，驅(qū)動(dòng)器細(xì)分倍數(shù)為x，一個(gè)PWM脈沖的步進(jìn)角為1.8/x。如果細(xì)分?jǐn)?shù)為4，步進(jìn)角就是0.45°。軟件設(shè)計(jì)如下：

4.1.1 轉(zhuǎn)速控制

設(shè)脈沖信號頻率為fHz，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為nr/min（轉(zhuǎn)/分），則它們之間的關(guān)系為：n=360f/（360x/1.8），即：f=10xn/3。若步進(jìn)電機(jī)以300r/min運(yùn)轉(zhuǎn)，細(xì)分?jǐn)?shù)為4，需要脈沖頻率為4kHz。

4.1.2 定長控制

4.1.3 啟停控制

4.1.4 方向控制

4.1.5 限位控制

4.2 串行通信程序設(shè)計(jì)

利用STM32的USART1串口，計(jì)算機(jī)通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)給STM32，對串口的設(shè)置如下：（1）串口、GPIO口時(shí)鐘使能;（2）引腳復(fù)用映射;（3）GPIO端口模式設(shè)置，模式設(shè)置為GPIO_Mode_AF;（4）串口參數(shù)初始化;（5）開啟中斷并且初始化NVIC;（6）使能串口;（7）編寫中斷處理函數(shù);（8）串口數(shù)據(jù)接收;（9）串口傳輸狀態(tài)獲取與清除。

4.3 主函數(shù)程序設(shè)計(jì)

對上位機(jī)發(fā)送的命令進(jìn)行編號，形成指令表，如0x01電機(jī)1啟動(dòng)/停止，0x02電機(jī)1反向，0x03電機(jī)1復(fù)位……在主函數(shù)中，首先對各模塊進(jìn)行初始化并開放中斷，然后再根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的命令（指令編號）進(jìn)行工作，如圖5所示。

5 結(jié)語

根據(jù)以上軟硬件設(shè)計(jì)方法，通過串口調(diào)試助手進(jìn)行調(diào)試，功能全部實(shí)現(xiàn)：可以對X、Y、Z軸上的滑臺進(jìn)行啟停、加減速、反向、復(fù)位、定長、限位的控制。還可以在上位機(jī)使用C#或VB6.0等軟件開發(fā)操作界面，代替串口調(diào)試助手，對系統(tǒng)的控制更方便、直觀。該開發(fā)系統(tǒng)簡潔易懂、可靠性高，尤其適合實(shí)訓(xùn)教學(xué)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳亞，史釗亮，高錦宏，等.基于STM32+FPGA的六自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2020，4（4）：240-243.

[2] 劉忠強(qiáng)，張立，張春曉，等.雙軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2019，34（8）：29-33.

[3] 郭志勇.嵌入式技術(shù)與應(yīng)用開發(fā)項(xiàng)目教程（STM32版）[M].北京：人民郵電出版社，2019.