基于STM32的二維滑臺不規(guī)則軌跡精密控制

摘要：在工業(yè)控制中，往往要求多個步進電機控制多維滑臺，且能同時進行多維精密控制或者單維精密控制，這樣才能精確控制滑臺在多維上的軌跡。本文在分析STM32產(chǎn)生PWM波的頻率和時序以及步進電機控制原理的基礎(chǔ)上提出了一種通過程序設(shè)置實現(xiàn)定時器中斷控制PWM數(shù)量的方法，從而精確控制PWM波頻率及輸出特定個數(shù)的PWM波，在機車牽引梁數(shù)控磨削設(shè)備的實際項目中實現(xiàn)步進電機精確控制二維滑臺的不規(guī)則軌跡，并分析了系統(tǒng)的可靠性。該步進電機精密控制方法可推廣到許多實際的應用項目中。

在現(xiàn)代工業(yè)控制中步進電機的控制是滑臺控制的執(zhí)行機構(gòu)。區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機轉(zhuǎn)速由脈沖信號的頻率決定。

在很多情況下需要讓步進電機控制滑臺運動非常精確的距離，且運行軌跡是不規(guī)則的，運行時速度需可調(diào)。本文首先介紹系統(tǒng)的硬件電路原理;分析了控制滑臺運行不規(guī)則軌跡的計算方法;在此基礎(chǔ)上提出了用定時器中斷的方法精確控制PWM數(shù)量;介紹了具體的軟件實現(xiàn)方法并分析了系統(tǒng)測試結(jié)果。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本論文基于機車牽引梁數(shù)控磨削設(shè)備的電控設(shè)計，此設(shè)備用來磨削一個帶弧線的六邊形物體，因此要求設(shè)計兩維滑臺的電控部分，以精密控制磨削頭的運行軌跡，經(jīng)分析此軌跡呈不規(guī)則路線。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，本系統(tǒng)的主控芯片是STM32F407，該芯片主頻高達168 MHz，PWM定時器的頻率同樣可以達到168 MHz，在頻率要求較高的設(shè)計中有較顯著的優(yōu)勢。同時對于定時器中斷控制PWM數(shù)量可以防止中斷嵌套，且可以顯著減少中斷現(xiàn)場保護的開銷，且該芯片支持SPI、CAN、I2C等多種協(xié)議。

主機和從機分別用兩臺兩相步進電機來帶動X軸和Y軸滑臺，步進電機用M860驅(qū)動器來驅(qū)動。STM32主控板給驅(qū)動器發(fā)送PWM信號、方向和使能信號，驅(qū)動器經(jīng)過光耦隔離并細分后來驅(qū)動步進電機。本系統(tǒng)主機和從機之間用CAN總線來進行通信，CAN總線具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點。主機和從機可以單獨運行，只有當需要的時候采用CAN總線來進行同步。主機設(shè)置PWM的頻率、滑臺位置等數(shù)據(jù)以及發(fā)送開始運行、停止運行等信號，從機通過CAN總線接收相關(guān)數(shù)據(jù)和指令。當從機結(jié)束運行就會發(fā)送結(jié)束信號給主機。主機和從機之間通過CAN總線進行同步。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 二維滑臺的運行模式

以二維滑臺為研究對象，滑臺由步進電機帶動，滑臺的運行模式中包含了二維滑臺的單獨運行和同時運行，假設(shè)滑臺的齒距為10 mm(步進電機轉(zhuǎn)動一圈，滑臺前進10 mm)。

假設(shè)目標滑臺前進距離為L。驅(qū)動器細分倍數(shù)為、步進電機總步數(shù)、PWM脈沖總個數(shù)為別為n、N、P。則

為了便于計算，此次設(shè)計將驅(qū)動器細分倍數(shù)設(shè)為5，則

P=N=100L (2)

即當滑臺需要前進距離為Lmm時，則步進電機總步數(shù)以及PWM脈沖總個數(shù)也應該為100 L。

如圖2所示是二維滑臺的不規(guī)則運動軌跡，軌跡由直線、斜線、圓弧組成。各種軌跡實現(xiàn)方法如下：

1)斜線軌跡

由圖2可知，二維滑臺有同時運動和結(jié)束的過程，對于斜線部分X軸滑臺運距離為n1的過程中Y軸滑臺同時運行距離為n2。有公式2可知X軸滑臺和Y軸滑臺運行n1和n2的距離所需要的PWM的脈沖個數(shù)分別為P1、P2則有P1=100n1，P2=100n2，以X軸為基準，則

n2=n1·cosα (3)

P2=P1cosα (4)

STM32定時器產(chǎn)生的PWM頻率由系統(tǒng)時鐘f、預分頻值M、計數(shù)周期T決定，系統(tǒng)時鐘f和和預分頻值M不變，以改變計數(shù)周期T來改變PWM的頻率。

以X軸滑臺為基準，Tx、Ty分別為X和Y軸定時器計數(shù)周期，Vx、Vy分別為X軸和Y軸定時器頻率，則有

2)單滑臺運動軌跡

如圖2所示，對于距離為n3的部分，由于只需要在X軸方向上運動，由公式2可知需要的PWM數(shù)量為100n3，因此只需要設(shè)置X軸定時器的PWM頻率為固定值。并且計數(shù)100n3個PWM數(shù)量然后停止，軌跡在X軸方向上運動的距離就為n3。

而對于距離為n4的部分，和n3部分唯一不同的地方就是此時只需在Y軸方向運動。因此只需要設(shè)置Y軸定時器的PWM頻率為固定值，并且計數(shù)100n4個PWM然后停止。

3)圓弧軌跡

而圓弧部分是以直線切割的方式實現(xiàn)的，圓弧角度為90度，D點是圓弧的中心點，圓弧半徑為55 mm。

D點以上以X軸為基準，假設(shè)X軸定時器產(chǎn)生的PWM頻率為，每輸出100個PWM時Y軸定時器頻率變換一次。假設(shè)A點變換了n-1次PWM，而B點變換了n次PWM，則A點坐標為(100(n-1)，Ya)，B點坐標為(100n，Yb)，圓弧半徑為R，則有

但是由于圓弧中點對應的X軸的PWM數(shù)量往往不是100的倍數(shù)，所以假設(shè)C點是離中點D最近的點，C點變換了m次PWM，則C點X軸坐標為100m，D點X和Y軸的坐標都為，則有

在D點以下以Y軸為基準，假設(shè)Y軸定時器產(chǎn)生的PWM頻率為Vy固定不變，每輸出100個PWM時X軸定時器頻率變換一次。假設(shè)E點變換了i-1次 PWM，而F點變換了i次PWM，則E點坐標為(Xe，Yd-100(i-1))，F(xiàn)點坐標為(Xf，Yd-100i)，圓弧半徑為R，則有

通過式(8)、(11)、(19)，在程序的每一步中設(shè)置Tx、Ty的值來實現(xiàn)X、Y軸滑臺以所要求的軌跡運動。

2.2 統(tǒng)軟件流程圖

如圖3所示是系統(tǒng)軟件的流程圖，系統(tǒng)在初始化時為了防止意外的碰撞，需要尋找零點，尋找零點結(jié)束后進行滑臺轉(zhuǎn)速、軌跡中每一步PWM數(shù)量的設(shè)置，并通過 CAN總線將設(shè)置的數(shù)據(jù)發(fā)送給從機。設(shè)置完成后，當主機檢測到物件過來的信號后，將開始運行的信號通過CAN總線發(fā)送給從機，使主機與從機同時開始運行，當從機運行完成后發(fā)送反饋信號給從機，主從機同時停止運行。當一次運行完成以后看情況確定是否需要重新設(shè)置參數(shù)，如果需要重新設(shè)置則進入滑臺運行軌跡參數(shù)設(shè)置狂態(tài)，否則進入等待運行狀態(tài)。

在主從機運行過程中，由滑臺運行模式可知，滑臺是以不規(guī)則的軌跡運行的。因此根據(jù)滑臺的運行模式，在每一步運行之前需要計算滑臺運行的距離及兩個滑臺的PWM頻率。

3 系統(tǒng)測試

將該系統(tǒng)運用到實際的環(huán)境中，以垂直于地面放置的二維滑臺為研究對象，使滑臺以圖2中的軌跡運行。在設(shè)備運行的起始點做標記，設(shè)置滑臺運行在90秒/圈，45秒/圈30秒/圈三種速度下，并且分別運行10圈，15圈，20圈，25圈得到運行結(jié)束時與起始點的距離，如表1所示，同樣轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)動圈數(shù)越多誤差越大;轉(zhuǎn)動相同圈數(shù)的情況下，滑臺轉(zhuǎn)速越高誤差也是越大。

經(jīng)過實際分析得出，這些誤差是由兩方面造成的。一方面，由于滑臺是垂直于地面放置，滑臺在下降過程中難免會因為重力的作用而下降。另一方面，在定時器輸出 PWM數(shù)量固定的情況下，由于在系統(tǒng)運動過程中需要改變經(jīng)常需要改變PWM的頻率，而改變一次PWM的頻率會有1個CLOCK的延遲。

4 結(jié)束語

本文介紹了用STM32控制滑臺運行不規(guī)則軌跡的計算方法，在此基礎(chǔ)上提出了用定時器中斷的方法精確控制PWM數(shù)量。通過精密控制X軸和Y軸的滑臺，使磨削頭能以直線、斜線和弧線的軌跡精確運動，達到成功磨削工件的目的。經(jīng)過實際的測試表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，精確度較高。

本次設(shè)計是二維的滑臺，但設(shè)計的思想和方法也可推廣到三維滑臺的控制設(shè)計。要想獲得更精確的步進電機控制，可考慮使用DSP作為主控芯片，從而可以有更高的運算速度和控制精度。本論文精確控制兩維滑臺運行軌跡的方法可推廣應用到許多步進電機控制的項目中，比如本實驗室另一個項目——顯微鏡電動載物臺的精密控制。