基于STM32的三維運動控制系統設計

熊方 劉旭 羅茂元

摘要：本文設計了一種通過X、Y、Z三軸位移來實現三維運動的控制系統。該系統以STM32F407ZGT6為控制核心、以TB6600為步進電機驅動模塊來控制三軸上螺桿的旋轉。文中詳細地介紹了該系統的機械結構設計、硬件電路設計和程序設計，通過實驗驗證，系統實現了啟停、加減速、運動方向、復位、定位等三維運動狀態的控制。

關鍵詞：STM32;三維運動;控制系統

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）06-0003-03

0 引言

運動控制器廣泛應用于智能機器人、全自動焊接機、點膠機、電纜生產牽引系統等自動化設備中。運動控制正朝著高速度、高精度、開放式的方向發展，國內外各大公司生產的運動控制器大多為通用型產品，普遍存在以下不足：功能強大、價格昂貴，在實際使用中往往只用到少數功能;封閉式的結構很難進行二次開發，靈活性較差[1]。本文將介紹一種基于STM32的三維運動系統設計并進行實驗驗證，該設計簡潔、運行穩定、易操作、便于二次開發。

1 三維運動系統機械結構設計

三維運動系統的機械結構，包括三維平臺、X/Y/Z三軸上的坐標尺、旋轉滑臺螺桿、驅動螺桿旋轉的步進電機MX/MY/MZ、安裝在Z軸上的控制對象，如圖1所示。X軸滑臺可以左右移動，Y軸滑臺可以前后移動，Z軸滑臺可以上下移動。

2 三維運動系統控制總方案

三維運動控制系統中，上位機發出命令，通過串口發送給控制器STM32，STM32根據命令控制步進電機動作，如圖2所示。MY電機控制水平面平臺板沿Y軸運動，將MZ電機固定在X軸電機的位移片上，從而實現X、Y、Z三個方向的位移。Z軸的位移可以實現控制對象的起落。

3 硬件電路設計

3.1 步進電機驅動模塊電路設計

系統采用TB6600驅動模塊，它是一款專業的兩相步進電機驅動，可實現正反轉控制[2]。通過S1、S2、S3三位撥碼開關選擇8檔細分控制，S4、S5、S6選擇8檔電流控制。比如：設定細分系數為4，電流控制2.0A。查看細分/電流選擇表，將S1、S2、S3分別設置為ON、OFF、OFF，S4、S5、S6分別設置為ON、OFF、OFF。驅動模塊推薦使用24V/3A開關電源供電。驅動模塊與控制器STM32之間共陰連接方法如圖3所示。

3.2 傳感器信號電路

在X、Y、Z三軸滑臺兩側安裝限位傳感器，防止滑塊跑出運動范圍。在三軸中間安裝原點傳感器，用于定位。當滑塊移動到傳感器旁邊，傳感器輸出有效低電平信號;當滑塊離開傳感器，輸出高電平無效信號。將傳感器輸出信號與STM32的GPIO口連接，如圖4所示。

3.3 串口硬件連接

串行通信廣泛應用于STM32與PC機之間通信，USART串口通過RX（接收數據）、TX（發送數據）和地3個引腳與其它設備連接在一起的[3]。如果使用USART1串口，PA9是STM32的發送端，PA10是接收端。PC機通過USB口與STM32串口之間需要一個USB轉串口的芯片CH340。

4 軟件設計

4.1 步進電機運動控制

如果驅動器與控制器采用共陰極連接方法，如圖3所示。控制器采用STM32F407ZGT6，假設采用通用兩相四線步進電機，步距角為1.8°，驅動器細分倍數為x，一個PWM脈沖的步進角為1.8/x。如果細分數為4，步進角就是0.45°。軟件設計如下：

4.1.1 轉速控制

設脈沖信號頻率為fHz，步進電機轉速為nr/min（轉/分），則它們之間的關系為：n=360f/（360x/1.8），即：f=10xn/3。若步進電機以300r/min運轉，細分數為4，需要脈沖頻率為4kHz。

4.1.2 定長控制

4.1.3 啟停控制

4.1.4 方向控制

4.1.5 限位控制

4.2 串行通信程序設計

利用STM32的USART1串口，計算機通過串口發送數據給STM32，對串口的設置如下：（1）串口、GPIO口時鐘使能;（2）引腳復用映射;（3）GPIO端口模式設置，模式設置為GPIO_Mode_AF;（4）串口參數初始化;（5）開啟中斷并且初始化NVIC;（6）使能串口;（7）編寫中斷處理函數;（8）串口數據接收;（9）串口傳輸狀態獲取與清除。

4.3 主函數程序設計

對上位機發送的命令進行編號，形成指令表，如0x01電機1啟動/停止，0x02電機1反向，0x03電機1復位……在主函數中，首先對各模塊進行初始化并開放中斷，然后再根據上位機發送的命令（指令編號）進行工作，如圖5所示。

5 結語

根據以上軟硬件設計方法，通過串口調試助手進行調試，功能全部實現：可以對X、Y、Z軸上的滑臺進行啟停、加減速、反向、復位、定長、限位的控制。還可以在上位機使用C#或VB6.0等軟件開發操作界面，代替串口調試助手，對系統的控制更方便、直觀。該開發系統簡潔易懂、可靠性高，尤其適合實訓教學。

參考文獻

[1] 陳亞，史釗亮，高錦宏，等.基于STM32+FPGA的六自由度機器人運動控制器設計[J].機械設計與制造，2020，4（4）：240-243.

[2] 劉忠強，張立，張春曉，等.雙軸步進電機驅動控制系統設計[J].自動化與儀表，2019，34（8）：29-33.

[3] 郭志勇.嵌入式技術與應用開發項目教程（STM32版）[M].北京：人民郵電出版社，2019.