基于STM32的小型升降平臺伺服控制系統設計

孔鵬

（淮北工業與藝術學校，安徽淮北，235000）

0 引言

精密的測量一起往往需借助外部支撐支架提供承載和調資平臺。實際生產過程中，儀器的滾轉、俯仰和偏航調資可使用微調旋鈕即可完成，且調資誤差不大，精度較高，可滿足工業精度測量需求[1~4]。而儀器的高度方向調整屬于大尺寸范圍裝調，以適應不同高度產品的精度測量需要，大范圍裝調極易出現調整過小和調整過度等現象，導致試驗人員需反復裝調支架，耗時耗力，因此繼續研制一種可使支架自動伺服調整裝置，實現對儀器的承載和調姿兩用功能。目前，關于伺服平臺微控制器的研究層出不窮[5,6]。ZHANG H-F[7]等論述了機械設備故障的早期檢測是工業生產中的最重要的問題之一，文中開發了基于STM32的信號采集系統的微控制器系統，可以快速采集并實時顯示旋轉軸X、Y、Z的多通道振動信號，系統具有結構簡單、功耗低、小型化等特點，為本文的控制器軟件設計提供了參考。本文選擇使用STM32微控制器作為控制核心，采用PID控制器作為執行機構閉環控制的算法，采用微控制器作為控制核心時，離散型PID控制算法較為常用。

1 硬件設計

■ 1.1 整體硬件設計

如圖 1所示，系統整體硬件包括STM32F429單片機、PC機、直流電機H橋驅動器、直流電機及其編碼器、直流電源、復位電路、晶振電路、外部晶振電路、LED指示燈、串口電路、行星減速器、滾珠絲杠等。其中；串口電路與PC機連接，實現單片機與PC機間的通信；LED指示燈用于指示系統開啟工作，在非工作狀態下為關閉狀態；系統由12V直流電源為直流電機H橋和直流電機供電，通過穩壓降壓芯片實現3.3V降壓，為單片機供電；直流電機編碼器與單片機連接，用于傳輸直流電機位置信號；直流電機與行星減速器連接，行星減速器與滾珠絲杠連接，實現直流電機轉動到執行機構平移的運動轉換，行星減速器減速比和滾珠絲杠導程可根據實際需求選擇。

圖1 整體硬件設計

■ 1.2 復位與晶振電路

設計的晶振及復位電路如圖 2所示，復位開關SW一端與地連接，另一端通過上來電阻與3.3V高電平連接，NRST與控制器的復位引腳連接，當復位開關按下一段時間后控制器復位，程序重新開始運行。設計外部晶振為25MHz，通過兩個22pF的濾波電容與地連接。

圖2 復位與晶振電路

■ 1.3 穩壓降壓電路

由于控制器與電機驅動電路使用同一電源供電，因此需將12V的高壓電源進行降壓和穩壓，以為控制器提供標準的3.3V電源。使用RT9193穩壓降壓芯片實現電壓的降低與穩壓控制，其電路圖如圖 3所示，圖中D1 RED為紅色LED燈，用于指示電源系統已開啟并正常工作。

圖3 穩壓降壓電路

■ 1.4 串口電路

如圖4所示，采用USB轉串口電路實現RS232通信協議[8]，USB轉串口轉換芯片為CH340G，配置串口波特率為115200Hz，無奇偶校驗位，8位數據幀格式，1位停止位，數據傳輸為收發模式。

圖4 CH340G轉串口電路

■ 1.5 直流電機H橋驅動

選擇常用的永磁式直流電機，直流電機額定電壓為12V，通過H橋全橋驅動方式實現PWM波形的輸入和電機控制電壓的輸出。H橋由最基本的4個MOS管與EG2104S芯片組成，EG2104S是一款高性價比IGBT管柵極驅動專用芯片，內部集成了邏輯信號輸入處理電路、死區時控制電路、電平位移電路、脈沖濾波電路及輸出驅動電路，專用于電機驅動控制器、電源DC-DC中的驅動電路，其一般邏輯電路設計如圖 5所示，圖中Vcc為芯片工作電源輸入；IN為邏輯輸入控制信號；SD為邏輯輸入控制低電平有效；LO為輸出控制低端MOS功率管的導通與截止；VS為高端懸浮接地；HO為輸出控制高端MOS功率管的導通與截止；VB為高端懸浮電源。EG2104S的高端工作電壓可達600V，低端電壓范圍為10~12V。

圖5 EG2104S邏輯電路圖

■ 1.6 PID控制器

工業上常使用PID控制器實現控制系統閉環控制，而隨著計算機技術的發展，離散型PID控制器越來越被廣泛使用，其一般表達式為：

式中kp為比例系數；ki為積分系數；kd為微分系數；T為采樣周期；k為第k個采樣點；e(k)和e(k-1)分別為第k和k-1個采樣點偏差。

2 軟件設計

■ 2.1 系統整體軟件架構

系統整體軟件架構如圖 6所示，軟件架構包括2大方面：PC機端和控制器端。在PC機端主要為控制系統的人機交互界面，進行基于串口通信的界面設計，具備設置串口配置參數、打開關閉串口、向控制器發送數據、運動啟停、故障指示等功能；在控制器端主要配置6個系統任務：系統啟動任務、LED任務、PID控制器任務；PWM波形輸入任務、RS232通信任務、電機驅動任務；控制器與直流電機通過編碼器實現連接。

圖6 系統整體軟件架構

■ 2.2 PC機及人機界面設計

在Visual Studio 2013軟件中基于C#語言編寫控制系統人機界面如圖 7所示。通過“打開串口”按鈕打開與控制器通信的串口，串口默認波特率為115200Hz，無奇偶校驗位，8位數據位，1位停止位；通過“KP”、“KI”、“KD”可編輯文本框配置PID控制器的控制參數，通過“PID控制參數”按鈕將控制參數數據發送至控制器；通過“開啟系統”啟動控制器的電機驅動任務，通過高度控制“MIN”、“當前”、“MAX”可編輯文本框設置最小、當前、最大控制高度，通過“運動啟動”按鈕啟動電機驅動任務，并運行值當前高度控制值；界面中包含了三個指示燈：“開啟系統”指示燈用于指示系統是否開啟，若開啟則亮紅燈，否則為綠燈；“運動中”指示燈用于指示電機是否處于運動狀態，若是則亮綠燈，否則為紅燈；“通信正?！敝甘緹粲糜跈z測上位機與控制器的通信是否正常，若正常則亮綠燈，否則為紅燈。

圖7 人機界面設計

■ 2.3 控制器軟件設計

基于UCOS操作系統，配置控制器的6個系統任務如表1所示。在軟件設計中各任務分別用taskStart、LEDTask、PIDTask、PWMTask、RSTask、MotorDriveTask表示。

表1 控制器任務配置

3 系統調試

搭建上位機+控制器+H橋驅動器+減速器的試驗模型，支架當前高度為1000mm，在上位機中設置當前高度控制值為1500mm，即讓支架從1000mm高度逐漸運動至1500mm高度，取10s區間內的控制系統運行情況，得到控制系統的位置跟蹤情況如圖 8所示?？芍?500mm的階躍信號激勵下，電機驅動減速機和絲杠逐漸向1500mm高度運行，從跟蹤高度曲線可以看出，系統在上升過程中出了輕微震顫，導致跟蹤高度曲線有毛刺，這與機械系統本身振動和信號噪聲有關。但系統仍然逐漸向控制高度上升，最終在8s左右時達到1500mm的穩態值，且穩態誤差很小，達到了較高的控制精度，滿足測量要求。

圖8 控制系統位置跟蹤情況

4 結束語

本文研制了一種基于STM32的小型升降平臺伺服控制系統，以STM32單片機為控制核心，通過外接直流電機H橋驅動器的方式實現了電機驅動與控制。基于C#語言編寫了控制系統上位機，可實現與控制器的串口通信、PID控制參數設置，當前控制高度控制等功能，實現了升降平臺的較高精度伺服控制。但系統未進行較全面的設計和研究，如在上位機中實現PID控制任務，以減輕控制器的工作量等。