運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)

...wd......wd......wd...基于STM32的運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師梁維源摘要運(yùn)動(dòng)控制器是現(xiàn)在社會(huì)的主流開展，不管是現(xiàn)在還是將來都會(huì)有重要的運(yùn)用。本文運(yùn)用STM32輸出PWM波對(duì)電機(jī)進(jìn)展控制使他們能分別沿著X軸和Y軸以及Z軸移動(dòng)，STM32發(fā)送指令，由TB6560驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)進(jìn)電機(jī)，在圖紙上實(shí)現(xiàn)繪畫，定位，轉(zhuǎn)孔。選用STM32芯片作為控制核心，通過控制步進(jìn)電機(jī)來控制機(jī)器臂，帶動(dòng)X軸和Y軸以及Z軸進(jìn)展平面畫圖。該運(yùn)動(dòng)控制器具有精度高、操作方便、速度快、低本錢等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)控制器；STM32；步進(jìn)電機(jī)；TB6560BasedontheSTM32motioncontrollerdesignElectronicinformationengineeringspecialtylevel2011jiangshijianSupervisorLiangWeiyuanAbstractThemotioncontrollerisnowthemainstreamofthedevelopmentofsociety,bothnowandinthefuturewillhaveimportantapplications.Greatdefenseandindustrialapplicationsaswellasinlife.Inthispaper,theoutputPWMwaveSTM32motorcontrolsothattheycanalongtheX-axisandY-axisandZ-axismovement,STM32sendcommandsrespectively,drivenbyasteppingmotordriverchipTB6560realizepainting,positioning,turntheholeinthedrawings.TheprogrammakestheselectionSTM32chipsteppermotorcontrolsystembycontrollingthesteppermotortocontroltheroboticarmfromthedrivetotheXandYandZaxisplanedrawing.Themotioncontrollerwithhighprecision,easyoperation,fast,lowcost.Hasgreatdevelopmentprospects.Keywords:MovementControlSystem,STM32,Steppingmotor,TB6560目錄TOC\o"1-3"\h\u前言1第一章運(yùn)動(dòng)控制器的總設(shè)計(jì)方案1第二章運(yùn)動(dòng)電路控制器三維平臺(tái)設(shè)計(jì)32.1硬件設(shè)計(jì)框圖32.2運(yùn)動(dòng)電路控制控制電路圖32.3運(yùn)動(dòng)控制器機(jī)械運(yùn)動(dòng)電路圖4第三章運(yùn)動(dòng)控制器的硬件設(shè)計(jì)43.1步進(jìn)電機(jī)43.1.1主要構(gòu)造43.1.2步進(jìn)電機(jī)分類53.1.3步進(jìn)電機(jī)工作原理53.1.4步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)63.1.5步進(jìn)電機(jī)的控制方法63.2STM32F103VET673.2.1STM32F103VET6最小系統(tǒng)73.3.2STM32F103VET6定時(shí)器83.3.2.1根本定時(shí)器93.3.2.2通用定時(shí)器93.3.3.3高級(jí)定時(shí)器103.3TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器113.3.1TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊113.3.2TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器特點(diǎn)133.3.3TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器功能13第四章運(yùn)動(dòng)控制器的軟件設(shè)計(jì)134.1PWM概述144.1.1PWM簡(jiǎn)介144.1.2PWM實(shí)現(xiàn)144.2.設(shè)計(jì)要求154.3程序的配置164.3.1.PWM波輸出的配置164.3.2繪圖控制程序的配置18總結(jié)19致謝20參考文獻(xiàn)20附錄程序代碼21前言自從運(yùn)動(dòng)控制器誕生以來，它不僅推動(dòng)了社會(huì)的開展，也推動(dòng)了新的技術(shù)革新。運(yùn)動(dòng)控制器是美國(guó)政府對(duì)“NGC〞工程，這是下一代控制器開場(chǎng)，進(jìn)而研究機(jī)構(gòu)已開場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制研究。隨后運(yùn)動(dòng)控制器迅速開展，直到今年來運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)不斷被完善改進(jìn)，已經(jīng)成為一個(gè)獨(dú)特的體系。就目前國(guó)類而言只要分為三類。第一種是用單片機(jī)或微處理器當(dāng)作中樞的控制器，這類運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)轉(zhuǎn)速率較慢，精度不高，本錢相對(duì)于其他控制器較低，在一些只需要低速運(yùn)功控制和對(duì)軌跡要求不高的輪廓控制場(chǎng)合應(yīng)用[1]。第二種是用專用芯片〔ASIC〕當(dāng)作中樞的控制器，這類控制器構(gòu)造單一，然而大多數(shù)只可輸出脈沖信號(hào)。由于該控制器能夠提供高速的連續(xù)插值，沒有前瞻性功能〔看頭〕，特別是對(duì)于連續(xù)加工場(chǎng)合中存在大量的小片段，使用這種控制器不適宜。第三種是基于PC總線的以DSP和FPGA作為核心處理器的開放式運(yùn)動(dòng)控制器。這種運(yùn)動(dòng)控制器用DSP芯片當(dāng)作中樞的控制器，以PC機(jī)作為信息處理平臺(tái)，運(yùn)動(dòng)控制器以插卡方式式嵌入PC機(jī)，以“PC+運(yùn)動(dòng)控制器〞的形式。這類運(yùn)動(dòng)控制器完美使用了李永樂DSP的高速數(shù)據(jù)處理能力和FPGA的超強(qiáng)邏輯處理能力，便于設(shè)計(jì)出效果完美、性能優(yōu)優(yōu)質(zhì)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。相對(duì)的，我們可以選擇適當(dāng)?shù)姆桨冈O(shè)計(jì)自己產(chǎn)品。第一章運(yùn)動(dòng)控制器的總設(shè)計(jì)方案經(jīng)過查找資料，并選擇了其中的一種優(yōu)質(zhì)方案設(shè)運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)方案。利用步進(jìn)電機(jī)，STM32最小系統(tǒng)以及矩陣按鍵搭建一個(gè)智能用于運(yùn)動(dòng)控制器的平臺(tái)，人通過控制按鍵輸入指令讓STM32控制芯片控平臺(tái)上的三只電機(jī)完成相應(yīng)的功能。在控制器的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，傳動(dòng)方向?yàn)閅軸電機(jī)固定在平臺(tái)上，用一個(gè)電機(jī)控制水平面平臺(tái)板沿X軸運(yùn)動(dòng)，將Z軸方向的電機(jī)固定在Y軸電機(jī)的位移片上來實(shí)現(xiàn)X,Y,Z三個(gè)方向的位移來實(shí)現(xiàn)繪圖，其中通過控制Z步進(jìn)電機(jī)的位移來控制筆的起落，控制X軸和Y軸的電機(jī)來控制筆的平面運(yùn)動(dòng)軌跡，同樣也可實(shí)現(xiàn)空間立體畫圖。整個(gè)系統(tǒng)根本上就分為三個(gè)模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電路控制和機(jī)械運(yùn)動(dòng)兩個(gè)局部。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和STM32最小系統(tǒng)是電路的重要組成局部。按鍵模塊的主要作用就是向控制芯片輸入相應(yīng)的控制指令，通過按鍵來選擇相應(yīng)的指令，這些按鍵的內(nèi)容是和控制器運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的。TB6560驅(qū)動(dòng)模塊主要目的就是驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行進(jìn)而實(shí)現(xiàn)圖案的規(guī)劃，Z軸的起落控制到達(dá)控制繪圖筆起筆落筆的控制。機(jī)械局部主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的玻璃板和機(jī)械手。在每個(gè)坐標(biāo)軸的的的兩端都安裝了行程開關(guān)，使控制臂滑動(dòng)到盡頭時(shí)能夠停頓，對(duì)平臺(tái)具有保護(hù)作用。同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)自檢和找回原點(diǎn)的功能。每個(gè)滑片在滑軌上滑動(dòng)，當(dāng)滑動(dòng)到滑軌盡頭就會(huì)碰到開關(guān)，這時(shí)就會(huì)給使STM32發(fā)出一個(gè)反轉(zhuǎn)信號(hào)，接著STM32控制電機(jī)反轉(zhuǎn)，機(jī)器臂找到原點(diǎn)。支架上的Z軸底部固定有一支畫筆，Z軸電機(jī)通電的時(shí)，通過STM32控制Z軸機(jī)械臂來控制抬筆和落筆。這個(gè)動(dòng)作可以適當(dāng)添加一個(gè)開關(guān)來判斷是否停頓筆的下落。通過X/Y/Z軸的機(jī)械通過程序控制步進(jìn)電機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)速度的快慢不同，使筆在紙上畫出不同的軌跡，寫出要求的英文和漢字。運(yùn)動(dòng)控制器的機(jī)械構(gòu)造，包括三維平臺(tái)，X/Y/Z坐標(biāo)尺，Z、Y、Z坐標(biāo)尺驅(qū)動(dòng)螺桿驅(qū)以及動(dòng)步進(jìn)電機(jī)MZ，MX和MY?？刂破骱蚐TM32最小系統(tǒng)接口，如圖1.1所示：圖1.1運(yùn)動(dòng)控制器機(jī)械原理從圖中可以看出，Z軸的最低端的位置就是放置繪圖筆位置。通過控制3個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，使螺桿驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的標(biāo)尺，而讓畫筆描繪軌跡在繪圖板上，并最終實(shí)現(xiàn)繪圖功能。第二章運(yùn)動(dòng)電路控制器三維平臺(tái)設(shè)計(jì)2.1硬件設(shè)計(jì)框圖X向工作臺(tái)MxTB6560驅(qū)動(dòng)模塊X向工作臺(tái)MxTB6560驅(qū)動(dòng)模塊Y向工作臺(tái)MySTM32外部輸入控路TB6560驅(qū)動(dòng)模塊Y向工作臺(tái)MySTM32外部輸入控路TB6560驅(qū)動(dòng)模塊MzTB6560驅(qū)動(dòng)模塊MzTB6560驅(qū)動(dòng)模塊Z向工作臺(tái)Z向工作臺(tái)圖2.1系統(tǒng)框圖2.2運(yùn)動(dòng)電路控制控制電路圖本設(shè)計(jì)的控制模塊實(shí)物圖如圖2.2所示。圖2.2控制模塊實(shí)物圖2.3運(yùn)動(dòng)控制器機(jī)械運(yùn)動(dòng)電路圖三維運(yùn)動(dòng)控制工作臺(tái)由X軸滑臺(tái)，Y軸劃臺(tái)以及Z軸滑臺(tái)以及繪圖筆組成。三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)都具有具有獨(dú)立性，這樣方便控制。根據(jù)設(shè)計(jì)要求繪圖的的要求的精度和圖形。其中控制模式是用指令控制機(jī)械手臂，處理X-Y-Z平臺(tái)上的三個(gè)坐標(biāo)軸方向的動(dòng)態(tài)定位來實(shí)現(xiàn)精度控制畫圖。構(gòu)造示意圖和實(shí)際圖如2.3圖所示：Z軸步進(jìn)電機(jī)Z軸步進(jìn)電機(jī)Y軸滑臺(tái)Z軸滑臺(tái)Y軸滑臺(tái)Z軸滑臺(tái)繪圖筆繪圖筆三維平臺(tái)X軸滑臺(tái)三維平臺(tái)X軸滑臺(tái)圖2.3機(jī)械臂構(gòu)造圖第三章運(yùn)動(dòng)控制器的硬件設(shè)計(jì)3.1步進(jìn)電機(jī)3.1.1主要構(gòu)造人們?cè)缭?0世紀(jì)20年代就開場(chǎng)使用這類電機(jī)。不管是在社會(huì)還是在國(guó)防上，只要有使物體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的，將主要使用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力。隨著社會(huì)的開展，步進(jìn)電機(jī)的規(guī)模也越來越大，但是無論怎樣，他們可以按照自己的生產(chǎn)類型分為：可變磁阻步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及永磁步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是由一組纏繞在電機(jī)固定部件--定子齒槽上的線圈驅(qū)動(dòng)的。通常情況下，一根繞成圈狀的金屬絲叫做螺線管，而在電機(jī)中，繞在齒上的金屬絲則叫做繞組、線圈、或相。3.1.2步進(jìn)電機(jī)分類步進(jìn)電機(jī)分為：永磁型〔PM〕，反響型〔VR〕和混合型〔HB〕等三種。永磁型：步進(jìn)大多是二相的步進(jìn)電機(jī)，且轉(zhuǎn)角多為7.5度和15度。反響型：步進(jìn)大多為三相的步進(jìn)電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角多為為1.5度，但電機(jī)的使用存在許多的環(huán)境問題，因此在歐美等興旺國(guó)家80年代已被裁汰?；旌鲜讲竭M(jìn)：是指結(jié)合了永磁式和反響式兩種步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為1.8度而五相步進(jìn)角一般為0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。本文選用此種步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)17HD0044-01，即通常所說的42步進(jìn)電機(jī)。42步步進(jìn)電機(jī)如圖3.1所示。圖3.1步進(jìn)電機(jī)3.1.3步進(jìn)電機(jī)工作原理通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場(chǎng)轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比。改變繞組通電的順序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以通過控制脈沖數(shù)量和電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來來使步進(jìn)電機(jī)精準(zhǔn)定位。步進(jìn)電機(jī)工作原理圖如圖3.2所示。圖3.2步進(jìn)電機(jī)工作原理圖3.1.4步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)主要特點(diǎn)：1、高精度，且不累誤差。2、步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。步進(jìn)電機(jī)的最高溫度取決于電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；大多數(shù)磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的更高。所以步進(jìn)電機(jī)相對(duì)來說具有好的適應(yīng)條件。3、電機(jī)隨著轉(zhuǎn)速的增加，會(huì)使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩減小。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨速率的增大，都會(huì)導(dǎo)致力矩下降低。4、因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩很小，所可以控制電機(jī)進(jìn)展低速運(yùn)轉(zhuǎn)。3.1.5步進(jìn)電機(jī)的控制方法步進(jìn)電機(jī)按照相數(shù)來分可分為三相，四相，五相等多種。相數(shù)越多他的工作方式也就越多，能夠到達(dá)的精度也就越高。我們都知道步進(jìn)電機(jī)是通過控制里面的相來控制電機(jī)的步進(jìn)角的。因此，我們只需要控制電機(jī)中的相數(shù)和通電規(guī)律就可以控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度以及方向。步進(jìn)電機(jī)的控制規(guī)律如表3.1所示：表3.1通電規(guī)律表相數(shù)循環(huán)拍數(shù)通電規(guī)律相三單三拍雙三拍六拍A→B→C→AAB→BC→CA→ABA→AB→B→BC→C→CA→A四相單四拍雙四拍八拍A→B→C→D→AAB→BC→CD→DA→ABA→AB→B→BC→C→CD→D→DA→AAB→ABC→BC→BCD→CD→CDA→DA→DAB→AB五相單五拍雙五拍十拍A→B→C→D→E→AAB→BC→CD→DE→EA→ABA→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A→AB3.2STM32F103VET6隨著社會(huì)的開展，以Cortex-M3作為內(nèi)核的STM32系列芯片，以價(jià)格廉價(jià)，功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單而得到越來越多的運(yùn)用。跟以往的單片機(jī)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)要求的功能并不是很多，所以選用STM32F103VET6來控制完全能夠勝任本設(shè)計(jì)的需求。3.2.1STM32F103VET6最小系統(tǒng)STM32F103VET6最小系統(tǒng)配置介紹：1、CPU型號(hào)：STM32103VET6(LQFP100封裝)〔兼容所有STM3210Vx型號(hào)〕FLASH512KBRAM64KB空間夠大了能跑UCOSUCGUILWIPUIP等等大型的協(xié)議棧2、所有IO引出(上層用端口號(hào)標(biāo)識(shí)，下層用端口號(hào)與端口第二功能標(biāo)識(shí)方便用戶調(diào)試第二功能IICSPIADUSART省去大量翻閱文檔時(shí)間，且在跳線時(shí)不易出錯(cuò))3、一個(gè)開關(guān)按鍵4、一個(gè)電源指示燈(紅色)5、一個(gè)復(fù)位腳6、一個(gè)MINIUSB接口供電與USB-Slave通訊7、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口ULINK2與JLINKV8仿真(JTAGSWD支持)8、串口下載跳線選擇冒(選擇方式可以通過板上絲印方便選擇)9、對(duì)外有3路3.3V供電排針一路5V供電排針多個(gè)GND排針10、2路FSMC總線引出可以同時(shí)調(diào)試2個(gè)TFT屏也可以同時(shí)調(diào)試其他總線方式的外設(shè)11、所有IO口的絲印全部標(biāo)注【正面標(biāo)注IO口反面標(biāo)注IO口和第2功能方便調(diào)試SPIIICUSARTAD等功能無需對(duì)照PDF找IO功能】全鍍金排針12、多個(gè)定位孔，可以外掛多種TFT(有多個(gè)定位孔預(yù)留用戶可以自行搭配)并兼容火牛開發(fā)板TFT接口以及定位孔。13、CPU引腳每10個(gè)用數(shù)字標(biāo)識(shí)〔某些情況用的到〕14、2路LED用戶指示燈(紅色)，通過一個(gè)共用跳冒接地，這樣單獨(dú)調(diào)試LED功能，當(dāng)調(diào)試其他需要此IO口時(shí)可以把跳冒取下，不容易干擾其他功能。15、J04(TX1RX13.3VGND)單獨(dú)引出，方便連接外設(shè)串口設(shè)備，以及調(diào)試或者下載程序用。[2]3.3.2STM32F103VET6定時(shí)器區(qū)別于SysTick一般只用于系統(tǒng)時(shí)鐘的計(jì)時(shí)，STM32的定時(shí)器外設(shè)功能強(qiáng)大得超出了想像力，《STM32參考手冊(cè)》中僅對(duì)定時(shí)器的介紹就已經(jīng)占了100多頁(yè)。STM32一共有8個(gè)定時(shí)器。并且都為16位的定時(shí)器。其中TIM6、TIM7是根本定時(shí)器；功能比擬少。TIM2、TIM3、TIM4、TIM5是通用定時(shí)器用的比擬多；TIM1和TIM8是高級(jí)定時(shí)器。這些定時(shí)器使STM32具有定時(shí)、信號(hào)的頻率測(cè)量、信號(hào)的PWM測(cè)量、PWM輸出等功能。這就使得STM32對(duì)社會(huì)中的許多的設(shè)計(jì)都可以用到。3.3.2.1根本定時(shí)器根本定時(shí)器TIM6和TIM7，這兩個(gè)定時(shí)器只具備最根本的定時(shí)功能，就是累加的時(shí)鐘脈沖數(shù)超過預(yù)定值時(shí)，能觸發(fā)中斷或觸發(fā)DMA請(qǐng)求。由于在芯片內(nèi)部與DAC外設(shè)相連，可通過觸發(fā)輸出驅(qū)動(dòng)DAC。也可以作為其它通用定時(shí)器的時(shí)鐘基準(zhǔn)。見圖3.3。圖3.3根本定時(shí)器構(gòu)造圖這兩個(gè)根本定時(shí)器使用的時(shí)鐘源都是TIMxCLK，時(shí)鐘源經(jīng)過PSC預(yù)分頻器輸入至脈沖計(jì)數(shù)器〔TIMx_CNT〕，根本定時(shí)器只能工作在向上計(jì)數(shù)模式，在重載存放器〔TIMx_ARR〕保存的是定時(shí)器的溢出值。工作時(shí)，脈沖計(jì)數(shù)器TIMx_CNT由時(shí)鐘觸發(fā)進(jìn)展計(jì)數(shù)，當(dāng)TIMx_CNT的計(jì)數(shù)值X等于重載存放器TIMx_ARR中保存的數(shù)值N時(shí)，產(chǎn)生溢出事件，可觸發(fā)中斷或DMA請(qǐng)求。然后TIMx_CNT的值重新被置為0，重新向上計(jì)數(shù)。3.3.2.2通用定時(shí)器相比之下，通用定時(shí)器TIM2~TIM5，就比根本定時(shí)器復(fù)雜得多了。除了根本的定時(shí)，它主要用在測(cè)量輸入脈沖的頻率、脈沖寬與輸出PWM脈沖的場(chǎng)合，還具有編碼器的接口。見圖3.4所示。圖3.4通用定時(shí)器構(gòu)造圖3.3.3.3高級(jí)定時(shí)器TIM1和TIM8是兩個(gè)高級(jí)定時(shí)器，它們具有根本、通用定時(shí)器的所有功能，還具有三相六步電機(jī)的接口，剎車功能(breakfunction)及用于PWM驅(qū)動(dòng)電路的死區(qū)時(shí)間控制等，使得它非常適合于電機(jī)的控制。如圖3.5所示。圖3.5高級(jí)定時(shí)器構(gòu)造圖3.3TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器3.3.1TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊如圖3.6所示。圖3.6TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)物圖TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口表4.1：接口作用J2驅(qū)動(dòng)器和控制端的接口+5V接圖中的控制電源正CLK接來自控制端的脈沖信號(hào)，可以是普通IO或PWM信號(hào)。DIR接來自控制端的方向控制信號(hào)，可以是普通IO。ENA接來自控制端的使能控制信號(hào)，可以是普通IO。J3輸出電機(jī)接口3.3.2TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器特點(diǎn)1、此驅(qū)動(dòng)器采用原裝進(jìn)口的TB6560AHQ芯片設(shè)計(jì)。2、具有高集成度高可靠性的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。3、接口采用光耦隔離，抗高頻干擾能力強(qiáng)。4、最高輸入電壓：DC35V(峰值)。5、最高驅(qū)動(dòng)電流3.5A(峰值)。3.3.3TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器功能1、細(xì)分有整步、二細(xì)分、八細(xì)分、十六細(xì)分可調(diào)。2、輸出電流0.5-3A。3、7檔可調(diào)〔電流請(qǐng)?jiān)跀嚯娤略O(shè)置〕。4、芯片具有過熱自動(dòng)保護(hù)功能。5、電機(jī)停頓時(shí)自動(dòng)半流鎖定。6、衰減4檔可調(diào)。7、電源、運(yùn)行、保護(hù)狀態(tài)指示〔紅色為電源和保護(hù)，綠色為電機(jī)運(yùn)行〕。8、支持待機(jī)狀態(tài)和電機(jī)鎖定功能。第四章運(yùn)動(dòng)控制器的軟件設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制器的系統(tǒng)繪圖流程如圖10所示。圖4.1運(yùn)動(dòng)控制器系統(tǒng)繪圖流程圖4.1PWM概述4.1.1PWM簡(jiǎn)介脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“PulseWidthModulation〞的縮寫，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)展控制技術(shù)。簡(jiǎn)單一點(diǎn)，就是對(duì)脈沖寬度的控制。然而這種技術(shù)因?yàn)殪`活，簡(jiǎn)單而得到了廣泛的運(yùn)用，特別是現(xiàn)在在運(yùn)動(dòng)控制器中有大量的運(yùn)用。并且擁有廣闊的前景。所以對(duì)于PWM波的控制輸出學(xué)習(xí)和研究是必不可少的。4.1.2PWM實(shí)現(xiàn)STM32的定時(shí)器除了TIM6和TIM7。其他的定時(shí)器都可以用來產(chǎn)生進(jìn)展PWM輸出。其中高級(jí)定時(shí)器TIM1和TIM8可以同時(shí)產(chǎn)生多達(dá)7路的PWM輸出。而通用定時(shí)器也能同時(shí)產(chǎn)生多達(dá)4路的PWM輸出，這樣，STM32最多可以同時(shí)產(chǎn)生30路PWM輸出！所以在這里，我們有足夠的定時(shí)器來產(chǎn)生大量的PWM脈沖。但是要使STM32的通用定時(shí)器TIMx產(chǎn)生PWM輸出，我們要分別要給TIMx配置復(fù)用輸出的I/O和輸出PWM信號(hào)模式〔如周期、極性、占空比〕：1.開啟給TIMx時(shí)鐘并對(duì)相應(yīng)I/O進(jìn)展配置配置TIMx時(shí)鐘的I/O時(shí)要注意引腳的定義。2.設(shè)置TIMx的ARR、PSC和CounterMode。設(shè)置TIMx的重載存放器(ARR)和預(yù)分頻值(PSC)來確定PWM的周期。周T=(TIMx_ARR+1)*時(shí)鐘周期，時(shí)鐘周期t=TIMx_CLK/CK_PSC,其中TIMx_CLK=72KHZ。TIM_CounterMode為定時(shí)器的計(jì)數(shù)方式。分為向上計(jì)數(shù)和向下計(jì)數(shù)。3.給設(shè)置TIMx配置輸出通道和通道的PWM模式設(shè)置TIMx配置輸出通道即為設(shè)置TIMx_OCx其中OCx中x即為幾號(hào)通道，不同的定時(shí)器的個(gè)數(shù)不同所以他的取值也會(huì)有所不同，不同的通道對(duì)應(yīng)著不同的I/O口。而配置PWM的輸出就是配置TIM3_CCMRx的值來配置模式，而PWM模式有兩種。兩種情況可以根據(jù)自己的需求來配置。4.修改TIMx_CCRx來控制占空比。設(shè)置TIMx_CCRx來設(shè)置PWM的占空比及設(shè)置一個(gè)PWM周期中有效電平的占總周期的比率來改變波形。5.使能TIMx的CHx輸出，開啟使能TIMx。當(dāng)我們將以上的配置配置好以后，只要翻開時(shí)鐘使能就可以將PWM波按照設(shè)置的頻率從配置的通道〔端口〕輸出。4.2.設(shè)計(jì)要求使用STM32開發(fā)板，編寫程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制。要求：〔1〕能控制X軸、Y軸、Z軸步進(jìn)電機(jī)準(zhǔn)確定位，重復(fù)定位精度優(yōu)于2mm；〔2〕能控制高速直流電機(jī)畫一個(gè)矩形〔長(zhǎng)×寬=20cm×15cm〕；〔3〕進(jìn)一步提高定位精度，如優(yōu)于0.5mm?！?〕保證精度前提下，提高定位的速度；4.3程序的配置通過對(duì)STM32F103VET6芯片的定時(shí)器、TB6560步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及步進(jìn)電機(jī)的了解，并結(jié)合本設(shè)計(jì)的要求我選擇STM32F103VET6芯片的TIM2定時(shí)器作為步進(jìn)電機(jī)的脈沖輸入。在這過程中使用庫(kù)函數(shù)來進(jìn)展相應(yīng)的配置。但是要完成電機(jī)配置要分兩步。首先配置PWM波輸出，再配置電機(jī)繪圖程序。4.3.1.PWM波輸出的配置首先，開啟TIM2定時(shí)器，并配置TIM2中的第一個(gè)通道的I/O口為復(fù)用推挽輸出。其中第一通道對(duì)應(yīng)PA.0,。這些通道和引腳是相對(duì)應(yīng)的，不可更改的?！膊榭碨TM32引腳手冊(cè)〕且I/O得時(shí)鐘為50KHZ.這樣就完成了時(shí)鐘TIM2的I/O配置。代碼如圖7.1所示：圖4.1PWM端口配置程序圖接下來就要配置輸出的PWM形式。經(jīng)過TB6560芯片手冊(cè)我們可以知道TB6560芯片的最大的脈沖輸入為15KHZ,所以我們要配置的PWM波的頻率要小于15KHZ才不至于燒壞芯片。所以跟據(jù)PWM波的計(jì)算方法配置出TIM_Period=7199〔TIM2_ARR〕和TIM_Prescaler=0〔CK_PSC〕并配置計(jì)數(shù)模式為向上計(jì)數(shù)〔庫(kù)函數(shù)里有直接的配置，所以直接調(diào)用〕。然后在配置PWM的輸出模式為第一種模式〔PWM1〕，及向上計(jì)數(shù)時(shí)高電平有效。再把占空比設(shè)置為50%。配置完畢后再開啟TIM2的使能就可以通模擬看到PA.0三個(gè)端口的PWM形了。然后可以根據(jù)一樣的工作原理配置定時(shí)器TIM3和TIM4,TIM3定時(shí)器為Y軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)脈沖，TIM4定時(shí)器為Z軸的驅(qū)動(dòng)脈沖。代碼如以下列圖7.2和7.3圖4.2PWM占空比圖4.3PWM通道配置4.3.2繪圖控制程序的配置配置了PWM波的輸出，就已經(jīng)配置好了步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)了。但是要想實(shí)現(xiàn)電機(jī)的準(zhǔn)確控制是不夠。通過TB6560接口表格我們可以知道僅有脈沖是無法使電機(jī)轉(zhuǎn)起來的。還需要一個(gè)方向控制端DIR〔低電平正轉(zhuǎn)，高電平反轉(zhuǎn)〕和使能控制端ENA〔低電平電機(jī)停頓，高電平運(yùn)行〕。下面就是配置這寫端口，配置原理給配置TIM2的I/O是一樣的原理。配置代碼如下所示：圖4.4步進(jìn)電機(jī)方向使能端口配置圖由步進(jìn)電機(jī)的控制和原理我們知道給一個(gè)脈沖步進(jìn)電機(jī)走一個(gè)步進(jìn)角。我們這用的是42步二相四線電機(jī)。由此可知每一步是1.8度角走完一圈需要360/1.8=200步，也就是說200個(gè)脈沖可以使電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周。而根據(jù)控制臂旋轉(zhuǎn)一周的精度為1mm。由計(jì)算可得X軸步進(jìn)電機(jī)需要200*200=40000個(gè)脈沖才可以走到20cm處，而Y軸需要150*200=30000個(gè)脈沖才能走到15cm。由此可以我們需要配置定時(shí)器的脈沖個(gè)數(shù)來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位。而在這里有兩個(gè)方案：一個(gè)是定時(shí)器同步來實(shí)現(xiàn)，及將一個(gè)定時(shí)器鑲嵌在另一個(gè)定時(shí)器中來控制脈沖個(gè)數(shù)的輸出。第二個(gè)是將定時(shí)器的中斷翻開，然定時(shí)器每輸出一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)一次，在到達(dá)規(guī)定的次數(shù)后關(guān)閉計(jì)時(shí)器從關(guān)閉脈沖數(shù)來控制。相對(duì)來說用中斷實(shí)現(xiàn)的誤差小，因此選用第二個(gè)方案。接下來就是配置定時(shí)器中斷的配置，配置中斷跟配置PWM差不多，只是配置的函數(shù)發(fā)生變化。先翻開你要設(shè)定定時(shí)器的中斷NVIC_IRQChannel。然后在配置中斷函數(shù)的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)有搶占優(yōu)先級(jí)和響應(yīng)優(yōu)搶占優(yōu)先級(jí)在響應(yīng)優(yōu)先級(jí)之前。先判斷搶占優(yōu)先級(jí)再判斷響應(yīng)優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)數(shù)字越小等級(jí)越先被選則，在開啟中斷定時(shí)器處于準(zhǔn)備狀態(tài)。TIM2的相關(guān)配置如圖7.5：圖4.5時(shí)鐘中斷配置圖同樣TIM3和TIM4也是一樣的配置方法。在配置中斷服務(wù)函數(shù)就可以準(zhǔn)確確實(shí)定脈沖個(gè)數(shù)了。中斷服務(wù)函數(shù)中設(shè)定要運(yùn)行的步，脈沖累計(jì)數(shù)到達(dá)設(shè)定數(shù)就關(guān)閉時(shí)鐘使能。來控制如圖7.6所示：圖4.6時(shí)鐘中斷服務(wù)配置圖當(dāng)這些關(guān)鍵配置設(shè)定好以后，將這些調(diào)用起來就可以跟據(jù)要畫的軌跡配置電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡了！當(dāng)我們把所需要的參數(shù)輸入進(jìn)去就可以實(shí)現(xiàn)然STM32控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，通過控制DIR來控制正反方向。在所要運(yùn)行的方向的函數(shù)中輸入自己的函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)按照自己的要求實(shí)現(xiàn)功能！總結(jié)經(jīng)過兩個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)工作終于完成了自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)，在這期間我雖然感覺很累，但是每次的勞累都有收獲，同時(shí)也學(xué)到了許多以前沒有學(xué)過的知識(shí)，也對(duì)以前一些模糊的知識(shí)進(jìn)展了補(bǔ)充。也讓我知道每一次的一點(diǎn)點(diǎn)小錯(cuò)誤會(huì)積累成大的錯(cuò)誤！一個(gè)小小的粗心就會(huì)使整個(gè)的勞動(dòng)成果泡影。在以后的學(xué)習(xí)路要學(xué)會(huì)更加的細(xì)心和思考。從畢業(yè)設(shè)計(jì)中，學(xué)到了STM32的內(nèi)部構(gòu)造及其工作原理，了解了時(shí)鐘電路和控制電路的工作原理，還有步進(jìn)電機(jī)的工作原理，穩(wěn)固了C語(yǔ)言的使用能力，為了提高自己的技能，我查閱了大量的有關(guān)運(yùn)動(dòng)控制器的資料同時(shí)也看了許多相關(guān)設(shè)計(jì)的視頻；在這之中發(fā)現(xiàn)了許許多多的問題。因?yàn)檫@些問題的解決提高分析問題的能力。也讓自己今后懂觀察。致謝在這畢業(yè)設(shè)計(jì)完成實(shí)際，我首先要感謝梁維源教師的無私幫助和支持。從開題選題到開題辯論以及現(xiàn)在完成的設(shè)計(jì)。如果沒有梁維源教師的幫助和指導(dǎo)，我的這些畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)不可能按時(shí)完成。在這里，我想對(duì)恩師表達(dá)我誠(chéng)摯感謝。同時(shí)，我也要感謝學(xué)習(xí)和生活中同學(xué)、好友，在我需要幫助的時(shí)候，他們及時(shí)的給予了幫助。使我能夠輕松的解決問題。參考文獻(xiàn)[1]周治平[1]陳婭冰[2]《基于FPGA的運(yùn)動(dòng)控制高速芯片設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》-《微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)》-2005[2]《最小系統(tǒng)板_stm32開發(fā)板stm32核心板stm32f103vet6最..._阿里巴巴》-互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)[3]李林鑫.基于迭代學(xué)習(xí)的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].浙江工業(yè)大學(xué),2013.[4]《基于STM32F103的貼片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》董昊石九龍[2]劉錦高[1]-《電子設(shè)計(jì)工程》-2014[5]李玉娟.基于STM32的變電站巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西南交通大學(xué),2013.[6]趙飛.基于STM32的CANopen運(yùn)動(dòng)控制主從站開發(fā)[D].華中科技大學(xué),2011.[7]李亞美.基于PCI總線的STM32運(yùn)動(dòng)控制卡的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2013,01:166-169.[8]張旭波.一種步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)——基于stm32系列單片機(jī)[J].甘肅科技,2011,20:41-43.[9]唐定兵,高曉丁,薛世潤(rùn).基于STM32F103ZET6的開放式數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[J].機(jī)電工程,2014,08:1062-1066.[10]謝鵬程.基于STM32和FreeRTOS的獨(dú)立式運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)與研究[D].華南理工大學(xué),2012.[11]王華振.仿人機(jī)器人嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)與研究[D].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué),2014.[12]洪斯寶.嵌入式三軸數(shù)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].浙江工業(yè)大學(xué),2012.[13]夏振來.全自動(dòng)熒光分析儀控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].華南理工大學(xué),2013.[14]石飛.小型仿人機(jī)器人的控制與人體動(dòng)作示教研究[D].上海交通大學(xué),2013.[15]吳晨晨.一種智能移動(dòng)機(jī)器人通用控制系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京航空大學(xué),2012.[16]蘭功金.基于STM32的SCARA機(jī)器人控制電路研究與設(shè)計(jì)[D].西南交通大學(xué),2011.[17]王宇.多軸機(jī)械手控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].浙江工業(yè)大學(xué),2012.[18]舒杰.工程機(jī)械嵌入式智能控制平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].中南大學(xué),2012.附錄A程序代碼#include"bsp_tb6560.h"voidGPIO_TB6560_Config(void){GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=X_ENA_PIN;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_10MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_Init(X_ENA_PORT,&GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=Y_ENA_PIN;GPIO_Init(Y_ENA_PORT,&GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=Z_ENA_PIN;GPIO_Init(Z_ENA_PORT,&GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=X_DIR_PIN;GPIO_Init(X_DIR_PORT,&GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=Y_DIR_PIN;GPIO_Init(Y_DIR_PORT,&GPIO_InitStructure);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=Z_DIR_PIN;GPIO_Init(Z_DIR_PORT,&GPIO_InitStructure);GPIO_SetBits(X_ENA_PORT,X_ENA_PIN);GPIO_SetBits(Y_ENA_PORT,Y_ENA_PIN);GPIO_SetBits(Z_ENA_PORT,Z_ENA_PIN);GPIO_ResetBits(X_DIR_PORT,X_DIR_PIN);GPIO_ResetBits(Y_DIR_PORT,Y_DIR_PIN);GPIO_ResetBits(Z_DIR_PORT,Z_DIR_PIN);}staticvoidTIM2_GPIO_Config(void){GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_1;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);}staticvoidTIM2_Mode_Config(void){ TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_TimeBaseStructure; TIM_OCInitTypeDefTIM_OCInitStructure; TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=999;TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=71; TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInit(TIM2,&TIM_TimeBaseStructure);TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1; TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable; TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=TIM2_CCR2_Val; TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_High;TIM_OC2Init(TIM2,&TIM_OCInitStructure); TIM_OC2PreloadConfig(TIM2,TIM_OCPreload_Enable); TIM_ARRPreloadConfig(TIM2,ENABLE); TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_CC2); TIM_ITConfig(TIM2,TIM_IT_CC2,ENABLE); TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);}voidTIM2_PWM_Init(void){ TIM2_GPIO_Config(); TIM2_Mode_Config(); }staticvoidTIM3_GPIO_Config(void){GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_6;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);}*/staticvoidTIM3_Mode_Config(void){ TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_TimeBaseStructure; TIM_OCInitTypeDefTIM_OCInitStructure; TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=999;TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=71; TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1; //éè??ê±?ó·??μ?μêy￡o2?·??μ(?aà?ó?2?μ?)TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseStructure);TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1; TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable; TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse=TIM3_CCR1_Val; TIM_OC