基于STM32 的高精度柔性多軸運動控制系統設計

吳思遠，鄒迎春

（廣西南寧技師學院 機電工程系，廣西南寧，530007）

0 引言

在工業生產中，有的物品需要采用機械手來完成取放和搬運任務，一般來說這種工作任務多為重復性且相對簡單的任務。但是在例如生化生產場合，需要經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 行業中，微小芯片器件需要在電路板上進行高速插裝，這種任務如果用人工來完成既不安全又不經濟。如果能夠采用高精度柔性機械手來完成這一任務，則能夠保證生產任務順利完成，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的控制器研發，整個系統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勢。控制器部分采用自主研發的運動控制器和驅動器，通過位置傳感器反饋信號進行運算，控制器發出控制指令給驅動器，驅動器控制直線電機運動。

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

1 系統總體方案設計

本設計是以STM32F103VET6 嵌入式微處理器系統為核心，結合傳感、監測和通信電路組成外圍電路的運動控制系統電路板，其中涉及光柵尺正交編碼器、運動控制器、功率放大器、電機等部分的設計。系統采用STM32F103VET6微處理器作為運動控制系統的中央處理單元，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，系統總體框圖如圖1 所示。

圖1 系統總體框圖

2 模塊電路設計

■2.1 主控模塊電路設計

本設計主控芯片選擇STM32F103VET6 作為主控器，它具有功能強大、外設模塊豐富、體積小、成本低、功耗小等優點。采用該型號微控制器來完成傳感器數據的采集、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 容量達到64KB。STM32F103VET6 微控制器最小系統電路由以下幾個部分構成：復位電路、電源電路、時鐘電路。

■2.2 位置傳感器模塊電路設計

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，經過AIP-40 細分芯片細分后，分辨率可達到0.5μm，這是實現直線電機高精度定位的重要環節。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，正交信號A/B 相位可調，內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C2 電容可以起到濾波的作用。最后經過處理的數字信號通過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行高速脈沖計數。

圖2 AIP-40 細分芯片電路圖

電流傳感器采用ACS712 芯片，它是全集成的基于霍爾效應的線性電流傳感器，有效量程范圍達到5A，芯片內部是一個經過精確校準的霍爾傳感器，它被放置在接近于IC表面的銅箔上，當電流流過這個銅箔的時候就會產生磁效應，霍爾傳感器就會把它轉換為一個線性的電壓信號，經過內部信號處理后直接輸出該信號，其具有良好的線性關系66mV/A。可以直接與主控芯片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 腳接電源負極、6 腳接濾波電容C67、7 腳接微控制器的AD 轉換器、8 腳接電源的正極。傳感器串聯在電機直流母線上，可以準確地反映電流的變化。

圖3 ACS712 電路圖

■2.3 驅動器電路設計

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

通過表2 可知，主控芯片控制LMD18200T 驅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 口進行控制。

表2 LMD18200T控制邏輯

■2.4 直流電源電路設計

TPS5430 是一款能夠輸出高電流的電壓轉換器，內部集成了高性能NMOSFET 管和誤差放大器，能夠實現精確電壓調節。內部有欠壓鎖定、軟啟動、過熱過流保護電路和關斷功能。當關斷輸出時，其電流會降低到18μA，可以應用在小體積、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DC 電源部分采用TPS5430 作為轉換器件，能夠給控制器提供穩定可靠的高質量電源，提高系統的穩定性。

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，經過斬波的電源通過1 腳輸出，由L4 和D14、C59 構成的輸出電路輸出經過降壓后的5V 電壓，R64 和R68 決定了輸出電壓的大小。最后電源部分串聯了一個0.5A 的自恢復保險絲，為控制器提供短路保護。

圖4 TPS5430 電路圖

3 軟件系統設計

在系統硬件設計調試完成的基礎上，要完成各個電路模塊的信號采集和數據的處理，需要對系統的軟件部分編程設計。通常在工程上，為了應用簡便，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。在每個模塊程序設計中采用模塊化編程，各個模塊之間“強內聚，弱耦合”。編寫多個子程序，在主程序中根據當前用戶的需求調用相應部分的子程序。本次軟件開發采用Keil MDK4.70 集成開發環境進行開發。

■3.1 主程序初始化

系統主程序在微控制器上電完成硬件復位之后開始運行。先對微控制器片上外設資源進行配置，完成I/O 端口狀態配置，通信接口初始化，對微控制器TIM5、TIM6 定時器進行初始化并配置為編碼器輸入模式，完成PWM 輸出模塊配置。對內部資源配置完成之后接著外設傳感器進行自檢，讓直線電機進行找零位動作，檢測電機是否到達零位傳感器位置，動作完成之后發出準備就緒信號，系統等待上位機發來的指令。系統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 控制程序設計

隨著控制技術理論的不斷發展，出現了很多現代的控制理論，例如模糊控制、神經元控制、自適應控制等。但是這些理論的應用都是在建立精確數學模型的情況下才能夠體現出較好的控制效果，這就需要實現對系統能夠精確地建模。對于一些不易得到數學模型的場合，使用上述方法取得的控制效果有限。而使用傳統的PID 控制算法經過調校后往往也能取得不錯的控制效果，這是PID 最大的優點之一，因而PID 控制在目前仍是應用最廣泛地控制算法。PID 控制數學表達式可描述為式(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行抽樣，構成離散式PID 算法。對離散信號進行時間上的連續抽樣即可把連續的系統轉換為離散的系統，式(2)經過近似化簡處理后就可以得到最終結果式(3)：

式(3)即為離散PID 控制器控制算法的數學表達式，u(k)為當前采樣周期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。

根據式(3)設計出PID 控制器程序模塊，由傳感器和信號調理電路組成反饋信號取樣回路，信號經過處理后輸入AD 轉換器以周期t進行采樣得到實際測量值PV，經過數字濾波器濾波，排除干擾后得到濾波后的實際測量值PVf，其與設定值SV的差值Err輸入給離散型PID 控制器進行運算，生成執行機構開度值MV，再經過DA 轉換器變成模擬量輸出給受控對象。控制框圖如圖6 所示，PID 控制算法流程圖如圖7 所示。

圖6 PID 控制系統框圖

圖7 PID 控制算法流程圖

■3.3 數據處理與通信程序設計

主控器在工作的過程中會不斷地通過串口向上位機收發數據，以便操作人員可以通過軟件界面對系統工作情況進行監控和修改。同時通過CAN 總線與其他控制器交換數據，實現多控制器聯網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網控制器收發數據和命令，數據幀結構包括位置、速度、電流、模式等32種參數。同時，主控器如果接收到上位機發來的命令則立即進入接收中斷進行處理，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 運動控制程序設計

當系統接收到上位機發來的命令時，首先設置當前控制參數、目標運動位置。設置完畢后夾持系統開始工作，控制器發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域，運動中間部分為減速運行區域，運動末尾部分為柔性運行區域。夾持系統在柔性運行區域觸碰到需要夾持的物品，隨后根據控制器算法自動調整控制參數，柔性地增大夾持壓力，直到物品能夠被穩定夾持，隨后進入物品搬運過程，夾持系統夾取物品操作結束。流程圖如圖9 所示。

圖9 運動控制程序流程圖

4 結語

本文研究了一種可以同時控制多臺直線電機實現高精度定位、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。通過大量查閱的國內外有關的論文資料，對比市面上的相關設備產品的優缺點，設計出符合實際要求功能的控制系統。系統整機如圖10 所示。

圖10 高精度柔性工業夾持系統照片

本系統具有控制準確、魯棒性好、性價比高、通信功能強大和良好操作界面等優點，該系統可以應用于半導體制造、數控機床、生物醫學、光學制造、航空航天等領域，具有廣闊的市場前景。