基于STM32F103虛擬體驗的動感座椅控制系統(tǒng)設計

魏謀文，何漢武，胡兆勇，陳詩接

（1.廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東 廣州510006；2.廣東省中山市金龍游樂設備有限公司，廣東 中山528400）

近年來，隨著我國國民經濟的穩(wěn)步增長，城鄉(xiāng)居民消費結構的升級，文化娛樂業(yè)在不斷探索中發(fā)生了巨大變化，娛樂的內容、方式、手段、載體都融入了新創(chuàng)意和高科技[1]。虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，向我們提供了一種新的體驗方式，通過虛擬現(xiàn)實技術，復雜或抽象系統(tǒng)的概念，可以通過將系統(tǒng)的各子部件以某種方式表示成具有確切含義的符號而得以表達[2]。在此背景下，論文提出了一種以STM32F103為核心的電動機控制系統(tǒng)應用于虛擬環(huán)境下動感體驗的方案。

1 系統(tǒng)組成

虛擬體驗是個體與三維計算機模擬交互時栩栩如生的、卷入性的和感性的心理狀態(tài)（活動），主要目的在于使得人有接近真實的體驗。動感座椅作為其體驗方式中的一種重要的設備，其目的在于使得人有接近真實的前傾、后仰、顛簸等物理體驗，控制系是整個環(huán)境的核心。因此在結合虛擬環(huán)境的基礎上，運動控制系統(tǒng)的信息采樣和指令發(fā)送要求實時性好，運動控制策略要在以人的真實感覺為前提，同時平臺的穩(wěn)定性和安全性要得到保障[2~3]。

本文涉及的動感座椅是2個直線電機和1個萬向機構作為執(zhí)行機械的平臺，直線電機、萬向機構按照等邊三角形設計，如圖1所示。通過控制兩個直線電機的運動模擬虛擬環(huán)境中虛擬汽車的直線行駛、轉彎行駛、斜坡行駛等動作。

圖1 控制平臺示意圖

根據(jù)控制平臺設計要求，系統(tǒng)包括由虛擬環(huán)境、信息處理、運動執(zhí)行三部分，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能框圖

其中，虛擬環(huán)境部分，負責營造逼真的虛擬環(huán)境，虛擬環(huán)境的逼真程度主要體現(xiàn)在三維場景的質量以及與用戶的交互過程上，三維虛擬場景的渲染效果與系統(tǒng)的沉浸感及實時性密切相關；信息處理部分，負責信號分析和處理，結合控制策略，給出運動控制指令，主要由微處理器完成，該處理器相當于整個系統(tǒng)的大腦，由它接收信號，也由它發(fā)出指令；運動執(zhí)行部分，主要負責響應運動控制指令做出實時的機械運動。

2 基于STM32F103控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

本控制系統(tǒng)選用STM32F103作為主控制芯片，系統(tǒng)首先由Keil uvision4作為軟件開發(fā)工具，在線開發(fā)出對伺服電機的控制程序，調試運行成功以后，再把代碼通過JTAG下載到STM32F103控制板的FLASH上，經STM32F103處理后，發(fā)出的位置指令信號（脈沖/方向），伺服驅動器接收位置指令信號，驅動電機旋轉，進而使電動推桿作直線運動；另一方面，在外圍安裝有一傳感器，通過傳感器采集模塊對執(zhí)行機構的位置進行采集進而反饋到控制板內，進而達到對電機運動的反饋控制調節(jié)，圖3為控制系統(tǒng)邏輯框圖。

圖3 控制系統(tǒng)邏輯框圖

2.1 系統(tǒng)硬件設計

2.1.1 STM32F103微處理器

STM32F103系列處理器是由意法半導體ST公司設計，其使用了高性能的ARM Cortex-M3 32位的RSIC內核，其工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器（高達128 K字節(jié)的閃存和20 K字節(jié)SRAM），具有豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設，STM32F103以其強大的內核及其豐富的外設使其在控制應用領域得到廣泛的使用[4]。系統(tǒng)主控芯片STM32F103VBH6的具體參數(shù)及IO引腳定義可參考STM32F10XXX中文參考手冊。

2.1.2 主要電路

（1）電源

STM32F103工作電壓為3.3 V，因此本系設計為3.3 V應用系統(tǒng)。首先，由電源接口輸入12 V直流電源，經電容濾波，然后通過LM2576T-5.0芯片將電源穩(wěn)壓至5 V，再使用AMS1117 3.3芯片穩(wěn)壓輸出3.3 V電壓。電源電路如圖4所示。

圖4 穩(wěn)壓電路

（2）復位、晶振和啟動

復位電路如圖5所示，復位部分采用一個按鍵開關來實現(xiàn)。

圖5 復位電路

時鐘電路如圖6所示，8 MHz無源晶振，提供硬件時序；32.768 kHz晶振為實時時鐘使用。

圖6 時鐘電路

啟動模式電路如圖7所示，系統(tǒng)啟動通過BOOT[1:0]引腳電平選擇不同的啟動模式。BOOT1=x，BOOT0=0：用戶閃存被選為啟動區(qū)，表示任意電平；BOOT1=0，BOOT0=1：系統(tǒng)內存被選為啟動區(qū)；BOOT1=1，BOOT0=1：嵌入式SRAM被選為啟動區(qū)。

圖7 啟動模式選擇電路

（3）JTAG接口

JTAG調試接口如圖8所示，采用標準的20pin接口，通過此接口利用外部Jlink仿真器可以來對系統(tǒng)進行調試和程序的下載。

圖8 JTAG接口電路

2.2 系統(tǒng)軟件設計

STM32F103微處理器基于ARM Cortex-M3 32位的RSIC內核，很多基于ARM嵌入式開發(fā)環(huán)境可以用于STM32F103開發(fā)平臺。本系統(tǒng)開發(fā)軟使用Keil uvision4，Keil是德國知名軟件公司Keil（現(xiàn)已并入ARM公司）開發(fā)的微控制器軟件開發(fā)平臺，是目前ARM單片機開發(fā)的主流工具。

STM32F103的PWM產生是由定時器模塊完成的，STM32F103中的定時器除了TIM6和TIM7外，其他定時器都可以用來產生PWM輸出，每個定時器都具有16位向上、向下、上下自動裝載計數(shù)器，有4個獨立的通道。通用定時器（TIM2~TIM5）可以同時產生多達4路的PWM輸出，而高級定時器TIM1和TIM8可以產生多達7路的PWM輸出，STM32最多可以同時產生30路的PWM輸出[5]。在Keil uvision4中STM32F103F通用定時器TIMx（x=2，3，4，5）產生PWM波形流程如圖9所示。

圖9 輸出PWM流程圖

根據(jù)公式：

可以求出TIMx預分頻器的值TIMx_Period。其中，TIMxCLK=72 MHz，fTIMx各通道PWM的輸出頻率。通過調節(jié)預分頻器的值TIMx_Period來調節(jié)各通道的PWM的輸出頻率，通過輸出頻率進而調節(jié)電機的速度。圖10為TIM2的CH3（PA2）在Keil uvision4軟件中仿真產生PWM波形。

圖10 PWM輸出波形（fTIM2=100 kHz）

2.3 伺服馬達與伺服驅動器

系統(tǒng)伺服馬達選用的是東元TSB系列TSB08751C-2BT-3，輸出功率750 w。本系統(tǒng)驅動器選用的是東元TSTE系列TSTE20C經濟型驅動器，內置增量式編碼器。東元TSTE20C伺服驅動器外型精簡且機能實用，具備轉矩、速度、位置、點對點定位及混合模式切換功能，內建回生煞車晶體、RS232/RS485通訊接口，完善的異常報警保護機制,具有高優(yōu)勢之性價比。

東元伺服驅動器提供單模式（位置、速度、轉矩）及雙模式切換（位置/速度、速度/轉矩、位置/轉矩）二類控制方式，這里選擇單模式位置控制，在位置控制方式下，伺服驅動器CN1控制信號端4腳（Pulse）信號作為外部脈沖控制信號輸入，6腳(Sign)作為外部方向信號輸入，5腳（/Pulse）、7腳(/Sign)接地；伺服驅動器CN2編碼器站連接伺服馬達。

2.4 電機位置的計算

查閱東元TSTE產品說明書知，東元TSTE系列T STE20C經濟型驅動器內置增量式編碼器：2 000 ppr/2 500 ppr，與馬達TSB08751C結合時，內置增量式編碼器規(guī)格為：2 500 ppr。經2相計數(shù)后，在電子齒輪比設為1的情況下，馬達旋轉一周，直線推桿移動2.5 mm，周期計數(shù)需10 000個脈沖[5]。進而根據(jù)計數(shù)器的值能得到電動推桿的具體位置，具體計算如下：

其中，

θ為每個脈沖對應的角度；

θm為馬達旋轉的角度；

Num為定時器發(fā)出的脈沖數(shù)；

s為直線推桿移動的距離；

2.5 電機方向與位置檢測的控制

STM32系列的通用輸入輸出GPIO有很強大的功能，其每個IO口可以自由編程，可以獨立控制每個IO口的方向（輸入/輸出模式），可以獨立設置每個IO的輸出狀態(tài)（高/低電平）[4]。這里選用如PE1（PE2）作為輸出（高/低電平），控制電機Ⅰ（電機Ⅱ）正反轉；選用如PE8作為輸入，檢測電動推桿Ⅰ（電動推桿Ⅱ）限位開關狀態(tài)。

通過輸入口電平變化來檢測限位開關狀態(tài)，進而根據(jù)電平的變化來推算此時電機的轉向，然后再根據(jù)脈沖個數(shù)推算電機位置，該方法具有簡單易實現(xiàn)的優(yōu)點。實驗結果表明，該方法具有較好的檢測效果，檢測結果準確，電機運動過程平穩(wěn)。

2.6 系統(tǒng)實物構成

如上所述，本文系統(tǒng)由以STM32F103為核心芯片的控制卡、東元TSTE系列驅動器、東元TSB系列馬達、力姆泰克IMB系列伺服電動缸等組成一個整的控制系統(tǒng)。圖11為控制系統(tǒng)實物連接圖。

圖11 控制系統(tǒng)實連接圖

3 結束語

本文將嵌入式技術運用于虛擬體驗的動感座椅控制系統(tǒng)，設計一種基于STM32F-103為控制核心的虛擬體驗動感座椅控制系統(tǒng)，利用STM32F103定時器產生PWM控制信號，實現(xiàn)對伺服電動機的速度控制；利用STM32F103輸出口高低電平的變化，實現(xiàn)對伺服電機轉向的控制；利用STM32F103輸入口，實現(xiàn)對伺服電機的位置檢測控制。該方案充分利用STM32F103的超強實時計算能力和一些集成器件，使整個系統(tǒng)結構簡單、性能良好、成本低和可靠性強等特點。

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