基于STM32F407的彎管機(jī)控制器設(shè)計

秦懷宇，田討論（江蘇科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，張家港，215600）

基于STM32F407的彎管機(jī)控制器設(shè)計

秦懷宇，田討論
（江蘇科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，張家港，215600）

PLC控制的彎管機(jī)價格昂貴，利用率低，競爭力不強(qiáng)。本文利用最新的以ARM Cortex-M4為內(nèi)核的微控制器STM32F407為控制核心，針對采用繞彎彎管工藝的彎管機(jī)，開發(fā)彎管機(jī)控制器。設(shè)計了控制器的軟硬件系統(tǒng)，并進(jìn)行功能性測試，取得預(yù)期效果。

微控制器；彎管機(jī)；直流伺服電機(jī)

0　緒論

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，汽車制造業(yè)、航空航天工業(yè)、石油化工行業(yè)及其他行業(yè)對彎管件的需求日益增加，并且對彎管件的精度要求也越來越高，傳統(tǒng)的手工加工及低精度的機(jī)械加工已經(jīng)無法滿足這種要求。在這種情況下，數(shù)控彎管機(jī)應(yīng)運而生。數(shù)控彎管機(jī)加工精度高，使用方便，效率較高?，F(xiàn)代數(shù)控彎管機(jī)多采用PLC作為控制核心，PLC具有適應(yīng)性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、使用方便的優(yōu)點，但同時，PLC價格昂貴，利用率低，造成了一定的資源浪費。Cortex-M4內(nèi)核處理器成本低、功耗低，且結(jié)合32位控制技術(shù)與數(shù)字信號處理技術(shù)的優(yōu)點，適合于彎管機(jī)控制器的設(shè)計。

本文采用微控制器STM32F407最小系統(tǒng)設(shè)計彎管機(jī)控制器。

1　系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)由STM32F407最小系統(tǒng)，USB口轉(zhuǎn)串口模塊，L298N芯片構(gòu)成的H橋驅(qū)動模塊，直流伺服電機(jī)，電機(jī)制動電路及上位機(jī)軟件組成。STM32F407是彎管機(jī)控制器的核心單元，完成從USB轉(zhuǎn)串口模塊讀取由上位機(jī)發(fā)出的指令并執(zhí)行相應(yīng)動作，接收伺服電機(jī)的編碼器發(fā)出的位置信號，通過H橋驅(qū)動模塊驅(qū)動直流伺服電機(jī)的功能。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

1.1系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文采用ST官方推出的入門級開發(fā)板STM32F4-Discovery，板載芯片為STM32F407VGT6，板上包括了一個ST-LINK/V2 調(diào)試工具和2 個ST MEMS、USB OTG接口等。其供電電路如圖2所示。STM32F407的供電范圍在1.8v到3.6v，其典型值為3.3v。

電機(jī)選用日本多摩川精機(jī)株式會社生產(chǎn)的TS3738N4E11直流伺服電機(jī)，其驅(qū)動模塊采用L298N。L298N工作時能夠承受較高的電壓，工作電壓最高時可以達(dá)到46V；同時，也具有較大的輸出電流，穩(wěn)定工作時電流可達(dá)2A，瞬間輸出電流可達(dá)3A；額定功率達(dá)到25w。L298N內(nèi)部擁有兩個H橋全橋電機(jī)驅(qū)動電路，能夠驅(qū)動直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)以及繼電器線圈等感性負(fù)載；L298N利用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平控制。一片L298N具有兩個使能端，當(dāng)使能端為低電平時，輸出端輸出低電平，電機(jī)停轉(zhuǎn)。

L298N電機(jī)驅(qū)動模塊原理圖如圖3所示：

1.2系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計軟件系統(tǒng)的框架由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，如圖4所示：

圖4　 彎管機(jī)控制器軟件系統(tǒng)框架

上位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)人機(jī)界面顯示，及向下位機(jī)發(fā)送指令：上位機(jī)通過串口讀取下位機(jī)發(fā)送的控制器狀態(tài)，同時可以向下機(jī)發(fā)送由用戶編輯的指令。串口通訊由微軟提供的MSComm控件完成，使用簡單可靠。下位機(jī)軟件由串口通訊程序、電機(jī)制動程序、直流伺服電機(jī)驅(qū)動程序及相應(yīng)的中斷服務(wù)程序構(gòu)成。圖5為上位機(jī)串口通信程序流程圖。

下位機(jī)程序包括串口通信程序，PWM波產(chǎn)生程序，定時器編碼器接口程序，延時程序和相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。首先，程序完成系統(tǒng)的初始化，如NVIC中斷控制系統(tǒng)，RCC外設(shè)時鐘，定時器，GPIO的初始化等。完成系統(tǒng)的初始化后，微控制器不斷檢測串口接收狀態(tài)變量接收結(jié)束標(biāo)志位（此變量為在中斷服務(wù)文件中定義的無符號字符型全局變量，在接收完成時，將接收結(jié)束標(biāo)志位置1），在該位為1時，通過接收字符的長度，判斷并得到電機(jī)控制量和電機(jī)參數(shù)，并啟動電機(jī)轉(zhuǎn)動。其流程圖如圖6所示：

圖5　 上位機(jī)串口通信程序流程圖

圖2　 STM32F407供電電路

圖3　 L298N電機(jī)驅(qū)動模塊原理圖

圖6　 下位機(jī)程序流程圖

2 測試

彎管機(jī)控制器涉及硬件較多，調(diào)試時需要按照相關(guān)要求。首先，要給系統(tǒng)供電。連接好系統(tǒng)后，將H橋電機(jī)驅(qū)動模塊電源電壓調(diào)為7伏，繼電器供電電壓為12伏。系統(tǒng)采用上海穩(wěn)壓電源廠生產(chǎn)的WY-301S型穩(wěn)壓直流電源。該直流穩(wěn)壓電源提供兩路獨立的直流電源，分別為H橋電機(jī)驅(qū)動模塊和12V電磁繼電器供電。直流伺服電機(jī)在不同的電壓下，轉(zhuǎn)速不同。電壓越大，轉(zhuǎn)速越快，轉(zhuǎn)子慣性也越大。當(dāng)H橋電機(jī)驅(qū)動模塊供電電壓為7伏時，電機(jī)轉(zhuǎn)速較為合適，能夠及時制動。

在控制指令編輯區(qū)輸入指令后，點擊運行按鈕前，需要在菜單欄設(shè)置選項中，設(shè)置A軸電機(jī)的參數(shù)，即A軸電機(jī)每轉(zhuǎn)動一周工作臺移動距離。如果此參數(shù)沒有設(shè)置，下位機(jī)將無法執(zhí)行彎管操作。這時，下位機(jī)會每間隔1S向上位機(jī)發(fā)送字符‘E’，顯示系統(tǒng)出錯。上位機(jī)在接收到‘E’字符后，會發(fā)出警報，并顯示提示信息。如圖7所示。復(fù)位系統(tǒng)后，設(shè)置好電機(jī)參數(shù)，點擊運行按鈕，電機(jī)就會在微控制器的控制下，按照指令，完成相應(yīng)動作。如圖8所示

圖7　 錯誤警報

圖8　系統(tǒng)正常運行

3 結(jié)語

本設(shè)計雖然完成彎管機(jī)最基本的三個彎管動作，但仍存在以下問題：

（1） 直流伺服電機(jī)在斷電后，由于慣性，并不是斷電立即停止。因此，導(dǎo)致由上位機(jī)發(fā)出的指令和實際運行的結(jié)果存在較大誤差。在增加短路制動電路和降低電機(jī)轉(zhuǎn)速的情況下，仍有些許誤差。在后續(xù)的研究和開發(fā)中，可以考慮在停轉(zhuǎn)前，逐步降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，以提高控制精度。

（2） 微控制器在不帶隔離電路的情況下，穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如PLC，考慮到彎管機(jī)工作環(huán)境的多變和電氣環(huán)境的復(fù)雜性，彎管機(jī)控制器必須具有高度的穩(wěn)定性。在下一步的工作中，需要研究如何提高控制器的穩(wěn)定性。

（3） 完成的彎管動作太少，而數(shù)控彎管機(jī)則非常復(fù)雜。在后續(xù)的工作中，需要增加控制器的彎管動作。

［1］ 蒙博宇. STM32自學(xué)筆記［M］.北京：北京航空航天出版社，2012.

［2］ 黃智偉，王兵，朱衛(wèi)華. STM32微控制器應(yīng)用設(shè)計與實踐［M］，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012

［4］ 崔風(fēng)波.伺服技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢.伺服控制，2007（4）：5.9

［5］ 王健.現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)技術(shù)和市場發(fā)展綜述.伺服控制，2007（1）：16.21

［6］ 華 清 遠(yuǎn) 見 嵌 入 式 培 訓(xùn) 中 心 .Cortex 系 列 ARM 內(nèi) 核 介 紹 ［EB/OL］.http：//www.hqyj.com，2009

The Design of Bending Machine Controller based on STM32F407

Qin Huaiyu，Tian Taolun
（Jiangsu University of Science and Technology，School of Electro and Information，Zhangjiagang，215600）

Bending Machine Controller based on PLC is expensive，ineffective and lack of challenge.Using the latest ARM Cortex-M4 core microcontroller STM32F407 as the control center， developing bending machine controller，play to the advantages of the micro-controller，easy to use and flexible，perform similar functions under the premise of saving production costs.The system are designed，tested and approved well.

micro controller；bending machine；DC servo motor

2014-8-28