基于STM32的三軸并聯(lián)式繪圖平臺(tái)的研究

陳錦儒 劉梓涵 林楚玲 葉偉森

（韶關(guān)學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512000）

1 主要研究?jī)?nèi)容

該課題主要的研究?jī)?nèi)容為通過(guò)改裝三軸運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)，加裝繪圖器，如圖1所示，使其成為三軸并聯(lián)式繪圖控制平臺(tái)。如圖2所示。通過(guò)建立基于Delta的運(yùn)動(dòng)控制模型，使用逆推、建模的方法，建立繪圖筆空間變換函數(shù)，根據(jù)設(shè)定的運(yùn)動(dòng)路徑函數(shù)，利用直線插值法以及曲線插值法進(jìn)行運(yùn)算，最后使用ARM系列嵌入式芯片STM32對(duì)其進(jìn)行控制，使其可以繪制各種圖形。

圖1 繪圖器

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

DM556步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，只需要STM32輸出PWM波，通過(guò)控制脈沖數(shù)即可控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，精確度高、不容易失步。使用驅(qū)動(dòng)器共陽(yáng)極接線法，3個(gè)驅(qū)動(dòng)器的脈沖端PLU+、轉(zhuǎn)向控制端CIR+、使能端EN+接口全部接3.3 V，脈沖輸入端PLU-接STM32的定時(shí)器脈沖輸出口，轉(zhuǎn)向控制端CLR-和使能端EN-接STM32的普通I/O口，用于控制轉(zhuǎn)向和使能驅(qū)動(dòng)器。

圖2 三軸運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)

2.2 主控芯片選擇

STM32F103ZET6系列單片機(jī)是ST公司生產(chǎn)的高性能單片機(jī)，具有速度快、低功耗且抗干擾強(qiáng)的特點(diǎn)。該芯片內(nèi)部集成了復(fù)位電路、多路普通定時(shí)器以及2個(gè)高級(jí)定時(shí)器，可用于產(chǎn)生PWM脈沖以及定時(shí)計(jì)時(shí)器、編碼器輸入等。工作頻率：72 MHz，512 K用戶應(yīng)用程序存儲(chǔ)空間，芯片上集成2 k字節(jié)RAM。7個(gè)32位定時(shí)器可以很方便地實(shí)現(xiàn)我們所需的功能，利用其強(qiáng)大的功能不僅可以簡(jiǎn)化硬件電路，而且還可以大幅度提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，節(jié)約硬件成本。使用最小系統(tǒng)板作為主控板，結(jié)構(gòu)緊湊，工作穩(wěn)定。

2.3 電源的選擇

該設(shè)計(jì)使用開(kāi)關(guān)電源作為主電源，輸出電壓為12 V。由于STM32最小系統(tǒng)板具有穩(wěn)壓芯片，可將12 V電壓穩(wěn)定到3.3 V供芯片使用，因此將12 V的電壓直接輸入最小系統(tǒng)板。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的工作電壓為12 V。

2.4 總體電路框圖

該項(xiàng)目需要同時(shí)驅(qū)動(dòng)3路步進(jìn)電機(jī)，因此必須要有3路脈沖控制信號(hào)輸出，同時(shí)也要有3路的方向控制I/O口輸出。該系統(tǒng)采用芯片STM32F103ZET6作為主控制器，利用其定時(shí)器作為脈沖控制信號(hào)源，并利用其72 MHz的內(nèi)核進(jìn)行高速運(yùn)算。該系統(tǒng)的總體框架圖如圖3所示。從總體上看，整個(gè)系統(tǒng)由按鍵輸入電路、STM32主控芯片最小系統(tǒng)電路、DM556電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及步進(jìn)電機(jī)組成。

圖3 三軸繪圖系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)總體框架

3 軟件系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)

3.1 總體軟件框圖

整個(gè)軟件系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制主要分成3個(gè)部分，分別是1）模式選擇代碼：利用單片機(jī)的獨(dú)立按鈕控制信號(hào)的輸入，可以設(shè)置其運(yùn)動(dòng)的初始位置以及終點(diǎn)位置，并且可以設(shè)置其畫(huà)圖的軌跡；2）限位檢測(cè)開(kāi)關(guān)的檢測(cè)代碼：利用單片機(jī)的中斷作為限位檢測(cè)，可用于系統(tǒng)初始化的校準(zhǔn)以及系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的限位保護(hù)，防止機(jī)器越過(guò)工作區(qū)導(dǎo)致硬件損壞；3）脈沖信號(hào)數(shù)的輸出以及方向控制代碼。整個(gè)系統(tǒng)代碼主要包括了串口通信代碼、脈沖輸出代碼、限位檢測(cè)代碼，笛卡爾坐標(biāo)系變換代碼，步距計(jì)算代碼。

3.2 各模塊程序設(shè)計(jì)

3.2.1 定時(shí)器初始化程序

定時(shí)器初始化模塊通過(guò)配置STM32內(nèi)置的定時(shí)器，把定時(shí)器配置成占空比為50 %、頻率可調(diào)的脈沖輸出模式，并且設(shè)置其產(chǎn)生中斷，使其在使用脈沖控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，進(jìn)入中斷函數(shù)，處理額外的任務(wù)。

3.2.2 定時(shí)器中斷處理

定時(shí)器中斷主要有3個(gè)功能。

（1）限位保護(hù)，防止到達(dá)頂端后繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，損壞機(jī)器。

（2）檢測(cè)運(yùn)動(dòng)模式下，繪圖器是否到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。

（3）步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制。

3.2.3 空間坐標(biāo)變換

笛卡爾坐標(biāo)系與Delta空間坐標(biāo)變換算法是利用笛卡爾坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行空間變換，使我們眼中的X、Y、Z坐標(biāo)系變成三軸并聯(lián)式繪圖機(jī)的世界坐標(biāo)系。通過(guò)Delta空間變換算法，可以算出笛卡爾坐標(biāo)系下的目標(biāo)坐標(biāo)與Delta空間坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的3個(gè)軸的滑塊高度。并且通過(guò)步距計(jì)算函數(shù)，計(jì)算出滑塊應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的距離以及STM32應(yīng)該輸出的脈沖數(shù)。

4 系統(tǒng)調(diào)試與測(cè)試

4.1 硬件電路的測(cè)試

4.1.1 電源部分

按要求接電源線，并且把輸入檔位設(shè)置為220 V。檢查接線無(wú)誤后上電，測(cè)量輸入電壓以及開(kāi)關(guān)通電后輸出端是否有12 V電壓輸出。

4.1.2 最小系統(tǒng)板以及各個(gè)外設(shè)

上電后，測(cè)量STM32最小系統(tǒng)板的輸入電壓是否為12 V，測(cè)量STM32的VCC引腳是否為3.3 V，并且檢查能否成功下載代碼以及運(yùn)行檢測(cè)程序，最后用示波器檢測(cè)定時(shí)器脈沖輸出端口的波形是否正確，檢測(cè)顯示屏等器件是否正常工作。

4.2 軟件代碼的調(diào)試

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，整個(gè)系統(tǒng)由初始化模塊程序、PWM輸出程序，定時(shí)器程序，按鍵檢測(cè)模塊程序、顯示屏輸入模塊程序等部分組成。系統(tǒng)上電后，對(duì)相關(guān)外設(shè)進(jìn)行初始化，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行。在執(zhí)行過(guò)程中，根據(jù)運(yùn)行流程分別調(diào)用各個(gè)功能模塊，完成脈沖輸出控制步進(jìn)電機(jī)。

軟件調(diào)試時(shí)，使用串口通信程序通過(guò)STM32與PC端的串口通信，使用上位機(jī)獲取、觀察STM32上傳的繪圖器的笛卡爾空間坐標(biāo)，以及經(jīng)過(guò)Delta坐標(biāo)變換運(yùn)算之后得到的滑塊位置數(shù)據(jù)。完成這一步之后，用尺子測(cè)量、檢查、校驗(yàn)坐標(biāo)變換Delta算法的輸出與步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際位置的偏差，并通過(guò)調(diào)整參數(shù)來(lái)提高步進(jìn)電機(jī)的控制精度。

5 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、控制理論方面的知識(shí)，通過(guò)理論與實(shí)際相結(jié)合提出并論證設(shè)計(jì)方案，然后進(jìn)行軟、硬件調(diào)試，最后使整個(gè)機(jī)器系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，本著穩(wěn)定性和精確性并重的原則，采取了諸多有效措施，極大地提高了控制的精確度。

筆者通過(guò)不斷地對(duì)硬件試驗(yàn)和程序進(jìn)行調(diào)試，使系統(tǒng)可以較好地滿足要求，無(wú)論是畫(huà)圓還是畫(huà)直線均能獲得較好的效果。