基于STM32的伺服控制系統研究

高志輝 黃海元

【摘要】本文以STM32為控制器、57HS09步進電機為執行機構，采用DM442進行細分驅動。對伺服控制系統的總體方案、硬件方案、軟件方案進行了設計。經過實驗驗證，系統能夠有效的跟蹤目標物體，且具有良好的控制精度和可靠性。

【關鍵詞】STM32;步進電機;細分驅動

1.引言

隨著我國經濟的快速發展，體育娛樂賽事中的直升飛機以及私人飛機的需求量不斷擴大。目前，我國正在試點開放部分區域進行低空飛行。但是，按照我國現有的城市管理水平和設施情況來說，開放低空飛行必將面臨不少困難。保障飛行安全做好低空飛行預警是開放低空飛行的首要的技術瓶頸。低空預警雷達的有效使用實現了低空飛行預警，為低空領域的開放起到了一定的技術支持作用。但低空預警雷達仍具有局限性，不能提供直觀的圖像信息。

光電技術的快速發展，使得機（車、船）載光電監視跟蹤系統廣泛應用于制導、偵查、火控、光電對抗以及體育、消防、環境監控、公共安全等領域。光電監視跟蹤系統能夠提供直觀、清晰的圖像信息，有效的彌補了低空預警雷達的不足之處。

光電監視跟蹤系統配合雷達使用，為監管部門提供空中目標的方位、距離、高度等情報信息，利用可見光攝像機和紅外熱像儀傳感器組合，對需要進行監控的區域進行全天時視頻探測與監視。本文主要是對低空預警光電監控跟蹤系統中的伺服控制子系統進行研究。

2.總體方案設計

2.1 控制方案

光電監視跟蹤系統根據雷達探測到目標的位置信息，算出方位電機和俯仰電機的角度值，然后轉換成脈沖數。通過對脈沖的控制進而控制方位軸和俯仰軸的運動，達到實時跟蹤。光電監測跟蹤系統的總體框圖如圖1所示。

圖1光電監視跟蹤系統總體框圖

上位PC機把經圖像處理得出的坐標偏差通過串口協議下載給運動控制器，運動控制器經過計算得到偏差角數據，并發出相應的方向脈沖和pwm控制脈沖信號給二維轉臺的步進電機驅動器，直接調整兩個電機的轉向和轉速。由光電編碼器實現系統的閉環控制，提高控制精度。二維轉臺原理框圖如圖2所示。

圖2 二維轉臺原理框圖

2.2 結構方案

轉臺結構主要有敞開式U型、封閉式0型和T型。U型和T型結構對稱性差、結構剛度小、結構較復雜、體積大，常用于低速擺動工況，一般用于中框架和外框架。0型結構對稱性好、結構剛度大，結構簡單，體積小，常用于高速整圈旋轉，一般用于中框架和內框架。

本系統的結構方案擬采用O型框架作為方位軸框架，U型框架作為俯仰軸框架。圖3為轉臺結構圖。

圖3 轉臺結構圖

3.硬件系統設計

系統硬件平臺是完成運動目標自動跟蹤的重要保證，根據需要擬設計一套硬件平臺：采用STM32F103RBT6作為轉臺控制系統主要的硬件處理器，以及轉臺步進電機及其驅動器，光電編碼器，光電耦合器等。基于STM32F103RBT6的轉臺控制功能模塊如圖4所示。

圖4 基于STM32F10X的轉臺控制功能模塊

3.1 STM32F103RBT6控制器

STM32F103RBT6擁有的資源包括128KB FLASH、20KB SRAM、2個SPI、3個串口、一個USB、1個CAN、2個12位的ADC（16通道）、RTC、DMA、4個16位定時器、51個可用的I/O腳等。步進電機通過脈沖和方向的方式進行控制，而STM32F103RBT6的定時器都可以用來產生PWM輸出，STM32F103RBT6最多可以同時產生30路PWM輸出，完全可以脈沖步進電機的需求。

3.2 步進電機及驅動器

步進電機是一種將電脈沖信號轉換成角位移或直線運動的執行機構，當步進電機驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度即步距角。利用STM32F103RBT6產生PWM脈沖信號和方向信號來控制驅動器，進而控制步進電機，并通過改變PWM脈沖信號頻率實現步進電機的變速控制過程。通過軟件控制PWM脈沖串的疏密來控制運動過程中的加減速，加密脈沖串可實現加速過程，稀疏脈沖串可實現減少過程。步進電機采用細分驅動技術，細分步距角，提高定位精度。

本系統方位電機和俯仰電機均使用57HS09型兩相混合式步進電機，步進電機的步距角為1.8°。為提高轉臺轉速穩定性所采用的具有細分功能的兩相混合式步進電機驅動是DM442，最大細分數為25600步數/轉。控制器，步進電機及驅動器的連線圖如圖5所示。

3.3 光電編碼器

光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。在選擇光電編碼器時，要考慮被測元件的精度，要使它能與被測元件的精度相匹配，一般編碼器的精度要高于被測元件的精度。

圖5 連線圖

4.軟件系統設計

性能要求、完整、可靠的硬件系統設計是整體設計的前提條件，完善有效的軟件設計才能發揮硬件資源的潛力，最終實現系統的功能要求。

主程序是控制系統的核心部分，主要完成系統的初始化（I/O口、串行通信接口、定時器等的初始化），計數器周期寄存器初值的計算，各標志位的置位與復位，接收光電編碼器信號，中斷配置，系統自檢等功能。主程序完成初始化后，進入循環等待中斷。中斷程序完成對上位機下傳數據的接收，并根據相應的算法將接收數據轉化成方向脈沖和PWM控制脈沖。主程序控制流程如圖6所示。

圖6 主程序控制流程圖

5.結論

通過實驗室驗證可知，基于STM32的伺服控制系統能夠實現，達到實驗要求，為樣機設計提供了一定的理論和實驗基礎。

參考文獻

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