基于STM32F407單片機的某飛行器舵機控制系統硬件設計

王霞 付森 劉輝

摘要：本論文采用STM32F407單片機作為舵機硬件電路的主要控制部分，在控制系統中，詳細介紹了硬件電路的設計組成，該設計具有成本低、抗干擾能力強、反應速度快、精度高、容易操作等特點，該硬件系統滿足飛行器的要求，可在控制中廣泛使用。

關鍵詞：STM3F407芯片 ? 舵機控制系統 ?硬件電路

1 引言

隨著現代戰爭模式的發展，導彈防御體系不斷完善，與此同時，新的突防手段日益增多，尤其是精確制導武器在戰爭中的作用越發凸顯，在此背景下精確制導武器正朝著偵察、打擊、毀傷評估等功能一體化方向發展，該飛行器可以執行巡邏飛行、偵察監視、毀傷評估、空中無線中繼及攻擊目標等任務。與此同時，對飛行器的控制系統要求也越來越高，傳統的飛行控制設計模式已經無法滿足要求，為提高某飛行器的控制精度和可靠性，本文采用STM32F407為控制器核心，STM32F407是一款功能很強的芯片，將它運用在飛行器控制系統可實現控制舵機、數據采集、串口通信和人機交換等任務，該高速處理芯片的推出使研究飛行器等非線性控制系統設計具有現實和長遠意義[1-3]。

2 舵機控制系統原理

舵機控制系統是飛行器控制系統中的一個重要組成部分，舵機控制系統的性能直接決定了飛行器的飛行性能。在飛行器飛行過程中，舵機系統對飛行器的飛行姿態進行不斷修正與調節[4]，使飛行器按規劃的路線進行飛行，從而命中目標。

在舵機系統設計中，整個舵機控制系統的主芯片采用STM32F407芯片，通過舵機控制電路的設計來實現數據傳輸、串口通信、姿態控制等功能。飛行過程中，飛行器的飛控計算機通過數據通訊接口將飛行控制指令傳給舵機系統的控制器，舵機的控制模塊接到信號后，對飛行控制指令進行處理，并根據新的位置指令與反饋信息對舵機進行實時控制。

舵機主要是由無刷電機、舵機控制器和傳感器3部分組成。其中，舵機的控制器是舵機控制系統的核心，主要有數據通訊接口、中央控制單元、邏輯換向單元、隔離放大單元以及功率驅動單元組成[5];中央控制單元完成一系列的數字調節，邏輯換向單元負責接收舵機電機的換向信息和實時位置信息，并產生新的方向變換信號，并由隔離放大單元與功率驅動單元完成該控制信號的隔離與放大。舵機的工作時，舵機控制器接受飛控計算機給出的舵偏角指令，然后與檢測得到的實際舵面偏轉角送入AD轉換單元和信號處理單元，進行一系列信息處理，從而控制舵機。

舵機控制系統組成框圖如圖1所示。

3 舵機控制系統硬件電路設計

本系統采用的是意法半導體（ST）公司推出的高性能微控制器（STM32F407），其采用了90納米的NVM工藝和ART（自適應實時存儲器加速器），STM32高性能系列有STM32F2、STM32F4、STM32F7、STM32H7，主要用于功能復雜的應用，比如圖像采集的處理、高性能嵌入式系統、工業機械等應用，廣泛應用于工業控制、消費電子、物聯網、通訊設備、醫療服務、安防監控等應用領域，其優異的性能進一步推動了生活和產業智能化的發展。

和51單片機相比，STM32407可以一次處理數據寬度32位，而51只能處理8位，STM32的內部RAM和ROM（flash）都比51大得多，STM32F407有256kRAM、1MROM，主頻也很高，分別達到72M和168M，運算能力要強大的多，片上外設也比較豐富，定時器多達14個或17個，PWM功能強大，其ADC精度也達到12位，還有DA模塊、實時時鐘，較高檔次的還有浮點運算單元功能，特別是DMA控制器，將CPU從繁忙的數據中解脫出來，另外還有FMSC內存接口;外部接口也比較豐富，多個串口USB控制SPI、I2C等一應俱全，同時有效地提高了整個系統的集成度。

舵機控制系統的電路設計主要包括主控電路的設計、接口設計、驅動電源的設計。主要內容為：

（1） 主控電路的設計

在主控電路中，系統時鐘采用8MHz無源晶振作為主控芯片的外設參考時鐘，復位電路采用上電直接復位的方式[6]。其中STM32F407的EPWM模塊產生4路PWM信號，4路方向信號。STM32F407單片機輸出的是3.3V邏輯TTL電平，因此在電路中加入74LVC245芯片[7]，一方面可防止電機驅動板對單片機的反向電流，起到保護主控制器的作用;另一方面該芯片具有增大驅動的能力，使輸出信號的電流更大。

（2） 接口設計

采用CAN總線接口，接收飛控計算機的位置信息。其中，STM32F407主控芯片自帶基本擴展CAN，該總線支持CAN協議2.0A和2.0B，波特率最高達1Mbps，支持時間觸發通信，具有3個發送郵箱，具有3級深度的2個接收FIFO，具有28個可變的過濾器組，每個濾波器組的位寬都可以獨立配置，以滿足應用程序的不同需求。由于CAN總線協議通信速度快，通信距離遠，具有錯誤檢測、錯誤通知和錯誤恢復功能，并且在總線上增加單元時，連接在總線上的其它單元的軟硬件及應用層都不需要改變。所以，使用CAN總線傳輸數據非常方便，其它接口電路可以直接掛在CAN總線上，接收飛控計算機的位置指令。

（3） 驅動電源的設計

飛行器所帶的DC-DC電源模塊供電電壓為28V和12V。其中28V為舵機系統供電;12V是為主控制系統供電。而在主控制系統中還需要5V、3.3V電壓，其中5V為系統內部分模擬器件電源供電，3.3V為本控制系統大部分數字芯片供電以及作為單片機外設工作電源。其中，12V轉5V通過CJ78M05電源管理芯片轉換得到的，其輸出電流可達到1A，可滿足主控制系統的需要[6]。5V轉3.3V通過AMS1117芯片實現，AMS1117芯片是一個線性穩壓器，其內部有過熱保護和限流保護，可以滿足主控系統的要求。

4 結束語

系統設計實現了以STM32F407處理器為控制核心，使用CAN總線的通訊方式，采用獨立的四路EPWM輸出方法，運用12位AD采集舵面位置信號的控制系統。該系統充分利用了STM32F407芯片的高速運算處理能力以及其豐富的外部接口特點，簡化了電路設計的難度，提高了可靠性。在硬件設計的整個過程中，系統控制器集成化和小型化程度高，并且注重可靠性的設計，系統抗干擾能力強，實現了飛行器控制系統對硬件功能要求。

參考文獻

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[2] 秦文普. 基于DSP的數字化舵機系統設計與實現[D]. 北京：清華大學，2005.

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[4] 孟兵. 彈道修正彈電動舵機的設計與控制[D]. 南京：南京理工大學，2014.

[5] 周永龍. 基于STM32的數字舵機控制系統的設計[J]. 計算機測量與控制，2011，19（1）：66-68.

[6] 張林健. 基于STM32的數字電動舵機的控制設計[D]. 廣州：廣州工業大學，2017.

[7] 倪原. 某飛行器舵機控制系統硬件設計[J]. 電子設計工程，2013，21（6）.