基于STM32F407單片機(jī)的某飛行器舵機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

王霞 付森 劉輝

摘要：本論文采用STM32F407單片機(jī)作為舵機(jī)硬件電路的主要控制部分，在控制系統(tǒng)中，詳細(xì)介紹了硬件電路的設(shè)計(jì)組成，該設(shè)計(jì)具有成本低、抗干擾能力強(qiáng)、反應(yīng)速度快、精度高、容易操作等特點(diǎn)，該硬件系統(tǒng)滿足飛行器的要求，可在控制中廣泛使用。

關(guān)鍵詞：STM3F407芯片 ? 舵機(jī)控制系統(tǒng) ?硬件電路

1 引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭模式的發(fā)展，導(dǎo)彈防御體系不斷完善，與此同時(shí)，新的突防手段日益增多，尤其是精確制導(dǎo)武器在戰(zhàn)爭中的作用越發(fā)凸顯，在此背景下精確制導(dǎo)武器正朝著偵察、打擊、毀傷評(píng)估等功能一體化方向發(fā)展，該飛行器可以執(zhí)行巡邏飛行、偵察監(jiān)視、毀傷評(píng)估、空中無線中繼及攻擊目標(biāo)等任務(wù)。與此同時(shí)，對飛行器的控制系統(tǒng)要求也越來越高，傳統(tǒng)的飛行控制設(shè)計(jì)模式已經(jīng)無法滿足要求，為提高某飛行器的控制精度和可靠性，本文采用STM32F407為控制器核心，STM32F407是一款功能很強(qiáng)的芯片，將它運(yùn)用在飛行器控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)控制舵機(jī)、數(shù)據(jù)采集、串口通信和人機(jī)交換等任務(wù)，該高速處理芯片的推出使研究飛行器等非線性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)和長遠(yuǎn)意義[1-3]。

2 舵機(jī)控制系統(tǒng)原理

舵機(jī)控制系統(tǒng)是飛行器控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，舵機(jī)控制系統(tǒng)的性能直接決定了飛行器的飛行性能。在飛行器飛行過程中，舵機(jī)系統(tǒng)對飛行器的飛行姿態(tài)進(jìn)行不斷修正與調(diào)節(jié)[4]，使飛行器按規(guī)劃的路線進(jìn)行飛行，從而命中目標(biāo)。

在舵機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，整個(gè)舵機(jī)控制系統(tǒng)的主芯片采用STM32F407芯片，通過舵機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、串口通信、姿態(tài)控制等功能。飛行過程中，飛行器的飛控計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)通訊接口將飛行控制指令傳給舵機(jī)系統(tǒng)的控制器，舵機(jī)的控制模塊接到信號(hào)后，對飛行控制指令進(jìn)行處理，并根據(jù)新的位置指令與反饋信息對舵機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

舵機(jī)主要是由無刷電機(jī)、舵機(jī)控制器和傳感器3部分組成。其中，舵機(jī)的控制器是舵機(jī)控制系統(tǒng)的核心，主要有數(shù)據(jù)通訊接口、中央控制單元、邏輯換向單元、隔離放大單元以及功率驅(qū)動(dòng)單元組成[5];中央控制單元完成一系列的數(shù)字調(diào)節(jié)，邏輯換向單元負(fù)責(zé)接收舵機(jī)電機(jī)的換向信息和實(shí)時(shí)位置信息，并產(chǎn)生新的方向變換信號(hào)，并由隔離放大單元與功率驅(qū)動(dòng)單元完成該控制信號(hào)的隔離與放大。舵機(jī)的工作時(shí)，舵機(jī)控制器接受飛控計(jì)算機(jī)給出的舵偏角指令，然后與檢測得到的實(shí)際舵面偏轉(zhuǎn)角送入AD轉(zhuǎn)換單元和信號(hào)處理單元，進(jìn)行一系列信息處理，從而控制舵機(jī)。

舵機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

3 舵機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是意法半導(dǎo)體（ST）公司推出的高性能微控制器（STM32F407），其采用了90納米的NVM工藝和ART（自適應(yīng)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)器加速器），STM32高性能系列有STM32F2、STM32F4、STM32F7、STM32H7，主要用于功能復(fù)雜的應(yīng)用，比如圖像采集的處理、高性能嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)械等應(yīng)用，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、消費(fèi)電子、物聯(lián)網(wǎng)、通訊設(shè)備、醫(yī)療服務(wù)、安防監(jiān)控等應(yīng)用領(lǐng)域，其優(yōu)異的性能進(jìn)一步推動(dòng)了生活和產(chǎn)業(yè)智能化的發(fā)展。

和51單片機(jī)相比，STM32407可以一次處理數(shù)據(jù)寬度32位，而51只能處理8位，STM32的內(nèi)部RAM和ROM（flash）都比51大得多，STM32F407有256kRAM、1MROM，主頻也很高，分別達(dá)到72M和168M，運(yùn)算能力要強(qiáng)大的多，片上外設(shè)也比較豐富，定時(shí)器多達(dá)14個(gè)或17個(gè)，PWM功能強(qiáng)大，其ADC精度也達(dá)到12位，還有DA模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘，較高檔次的還有浮點(diǎn)運(yùn)算單元功能，特別是DMA控制器，將CPU從繁忙的數(shù)據(jù)中解脫出來，另外還有FMSC內(nèi)存接口;外部接口也比較豐富，多個(gè)串口USB控制SPI、I2C等一應(yīng)俱全，同時(shí)有效地提高了整個(gè)系統(tǒng)的集成度。

舵機(jī)控制系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)主要包括主控電路的設(shè)計(jì)、接口設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)。主要內(nèi)容為：

（1） 主控電路的設(shè)計(jì)

在主控電路中，系統(tǒng)時(shí)鐘采用8MHz無源晶振作為主控芯片的外設(shè)參考時(shí)鐘，復(fù)位電路采用上電直接復(fù)位的方式[6]。其中STM32F407的EPWM模塊產(chǎn)生4路PWM信號(hào)，4路方向信號(hào)。STM32F407單片機(jī)輸出的是3.3V邏輯TTL電平，因此在電路中加入74LVC245芯片[7]，一方面可防止電機(jī)驅(qū)動(dòng)板對單片機(jī)的反向電流，起到保護(hù)主控制器的作用;另一方面該芯片具有增大驅(qū)動(dòng)的能力，使輸出信號(hào)的電流更大。

（2） 接口設(shè)計(jì)

采用CAN總線接口，接收飛控計(jì)算機(jī)的位置信息。其中，STM32F407主控芯片自帶基本擴(kuò)展CAN，該總線支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B，波特率最高達(dá)1Mbps，支持時(shí)間觸發(fā)通信，具有3個(gè)發(fā)送郵箱，具有3級(jí)深度的2個(gè)接收FIFO，具有28個(gè)可變的過濾器組，每個(gè)濾波器組的位寬都可以獨(dú)立配置，以滿足應(yīng)用程序的不同需求。由于CAN總線協(xié)議通信速度快，通信距離遠(yuǎn)，具有錯(cuò)誤檢測、錯(cuò)誤通知和錯(cuò)誤恢復(fù)功能，并且在總線上增加單元時(shí)，連接在總線上的其它單元的軟硬件及應(yīng)用層都不需要改變。所以，使用CAN總線傳輸數(shù)據(jù)非常方便，其它接口電路可以直接掛在CAN總線上，接收飛控計(jì)算機(jī)的位置指令。

（3） 驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

飛行器所帶的DC-DC電源模塊供電電壓為28V和12V。其中28V為舵機(jī)系統(tǒng)供電;12V是為主控制系統(tǒng)供電。而在主控制系統(tǒng)中還需要5V、3.3V電壓，其中5V為系統(tǒng)內(nèi)部分模擬器件電源供電，3.3V為本控制系統(tǒng)大部分?jǐn)?shù)字芯片供電以及作為單片機(jī)外設(shè)工作電源。其中，12V轉(zhuǎn)5V通過CJ78M05電源管理芯片轉(zhuǎn)換得到的，其輸出電流可達(dá)到1A，可滿足主控制系統(tǒng)的需要[6]。5V轉(zhuǎn)3.3V通過AMS1117芯片實(shí)現(xiàn)，AMS1117芯片是一個(gè)線性穩(wěn)壓器，其內(nèi)部有過熱保護(hù)和限流保護(hù)，可以滿足主控系統(tǒng)的要求。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以STM32F407處理器為控制核心，使用CAN總線的通訊方式，采用獨(dú)立的四路EPWM輸出方法，運(yùn)用12位AD采集舵面位置信號(hào)的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用了STM32F407芯片的高速運(yùn)算處理能力以及其豐富的外部接口特點(diǎn)，簡化了電路設(shè)計(jì)的難度，提高了可靠性。在硬件設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，系統(tǒng)控制器集成化和小型化程度高，并且注重可靠性的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了飛行器控制系統(tǒng)對硬件功能要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡林. 高精度舵機(jī)控制器的研制[D]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.

[2] 秦文普. 基于DSP的數(shù)字化舵機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 北京：清華大學(xué)，2005.

[3] 吉梅峰. 單片機(jī)在超小型無人飛行器控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].上海：上海大學(xué)，2004.

[4] 孟兵. 彈道修正彈電動(dòng)舵機(jī)的設(shè)計(jì)與控制[D]. 南京：南京理工大學(xué)，2014.

[5] 周永龍. 基于STM32的數(shù)字舵機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制，2011，19（1）：66-68.

[6] 張林健. 基于STM32的數(shù)字電動(dòng)舵機(jī)的控制設(shè)計(jì)[D]. 廣州：廣州工業(yè)大學(xué)，2017.

[7] 倪原. 某飛行器舵機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程，2013，21（6）.