基于STM32的运动控制器设计

基于 STM32 的运动控制器设计指导教师 梁维源摘要运动控制器是现在社会的主流发展，不管是现在还是将来都会有重要的运用。本文运用 STM32 输出 PWM 波对电机进行控制使他们能分别沿着 X 轴和 Y 轴以及 Z 轴移动，STM32 发送指令，由 TB6560 驱动芯片驱动进电机，在图纸上实现绘画，定位，转孔。选用 STM32 芯片作为控制核心，通过控制步进电机来控制机器臂，带动 X 轴和 Y 轴以及 Z 轴进行平面画图。该运动控制器具有精度高、操作方便、速度快、低成本等特点。关键词：运动控制器；STM32；步进电机；TB6560Based on the STM32 motion controller designElectronic information engineering specialty level 2011 jiang shijian Supervisor Liang Weiyuan Abstract The motion controller is now the mainstream of the development of society, both now and in the future will have important applications. Great defense and industrial applications as well as in life. In this paper, the output PWM wave STM32 motor control so that they can along the X-axis and Y-axis and Z-axis movement, STM32 send commands respectively, driven by a stepping motor driver chip TB6560 realize painting, positioning, turn the hole in the drawings. The program makes the selection STM32 chip stepper motor control system by controlling the stepper motor to control the robotic arm from the drive to the X and Y and Z axis plane drawing. The motion controller with high precision, easy operation, fast, low cost. Has great development prospects. Keywords: Movement Control System, STM32,Stepping motor, TB6560目录前言 .1第一章运动控制器的总设计方案 .1第二章运动电路控制器三维平台设计 .32.1 硬件设计框图 .32.2 运动电路控制控制电路图 .32.3 运动控制器机械运动电路图 .4第三章运动控制器的硬件设计 .43.1 步进电机 .43.1.1 主要构造 .43.1.2 步进电机分类 .53.1.3 步进电机工作原理 .53.1.4 步进电机的特点 .63.1.5 步进电机的控制方法 .63.2 STM32F103VET6 .73.2.1 STM32F103VET6 最小系统 .73.3.2 STM32F103VET6 定时器 .83.3.2.1 基本定时器 .93.3.2.2 通用定时器 .93.3.3.3 高级定时器 .103.3 TB6560 步进电机驱动器 .113.3.1 TB6560 步进电机驱动模块 .113.3.2 TB6560 步进电机驱动器特点 .133.3.3 TB6560 步进电机驱动器功能 .13第四章运动控制器的软件设计 .134.1PWM 概述 .144.1.1 PWM 简介 .144.1.2 PWM 实现 .144.2.设计要求 .154.3 程序的配置 .164.3.1.PWM 波输出的配置 .164.3.2 绘图控制程序的配置 .18总结 .19致谢 .20参考文献 .20附录程序代码 .21钦州学院本科毕业论文（设计）1前言自从运动控制器诞生以来，它不仅推动了社会的发展，也推动了新的技术革新。运动控制器是美国政府对“NGC”项目，这是下一代控制器开始，进而研究机构已开始对运动控制研究。随后运动控制器迅速发展，直到今年来运动控制技术不断被完善改良，已经成为一个独特的体系。就目前国类而言只要分为三类。第一种是用单片机或微处理器当作中枢的控制器，这类运动控制器的运转速率较慢，精度不高，成本相对于其他控制器较低，在一些只需要低速运功控制和对轨迹要求不高的轮廓控制场合应用 1。第二种是用专用芯片（ASIC）当作中枢的控制器，这类控制器构造单一，然而大多数只可输出脉冲信号。由于该控制器能够提供高速的连续插值，没有前瞻性功能（看头） ，特别是对于连续加工场合中存在大量的小片段，使用这种控制器不合适。第三种是基于 PC 总线的以 DSP 和 FPGA 作为核心处理器的开放式运动控制器。这种运动控制器用 DSP 芯片当作中枢的控制器，以 PC 机作为信息处理平台，运动控制器以插卡方式式嵌入 PC 机，以“PC+运动控制器”的形式。这类运动控制器完美使用了李永乐 DSP 的高速数据处理能力和 FPGA 的超强逻辑处理能力，便于设计出效果完美、性能优优质的运动控制系统。相对的，我们可以选择适当的方案设计自己产品。第一章运动控制器的总设计方案经过查找资料，并选择了其中的一种优质方案设运动控制器的设计方案。利用步进电机，STM32 最小系统以及矩阵按键搭建一个智能用于运动控制器的平台，人通过控制按键输入指令让 STM32 控制芯片控平台上的三只电机完成相应的功能。在控制器的运动平台上，传动方向为 Y 轴电机固定在平台上，用一个电机控制水平面平台板沿 X 轴运动，将 Z 轴方向的电机固定在 Y 轴电机的位移片上来实现2X,Y,Z 三个方向的位移来实现绘图，其中通过控制 Z 步进电机的位移来控制笔的起落，控制 X 轴和 Y 轴的电机来控制笔的平面运动轨迹，同样也可实现空间立体画图。整个系统基本上就分为三个模块，电机驱动、电路控制和机械运动两个部分。电机驱动电路和 STM32 最小系统是电路的重要组成部分。按键模块的主要作用就是向控制芯片输入相应的控制指令，通过按键来选择相应的指令，这些按键的内容是和控制器运动相对应的。TB6560 驱动模块主要目的就是驱动步进电机运行进而实现图案的规划，Z 轴的起落控制达到控制绘图笔起笔落笔的控制。机械部分主要由步进电机驱动的玻璃板和机械手。在每个坐标轴的的的两端都安装了行程开关，使控制臂滑动到尽头时能够停止，对平台具有保护作用。同时也可以实现自检和找回原点的功能。每个滑片在滑轨上滑动，当滑动到滑轨尽头就会碰到开关，这时就会给使 STM32 发出一个反转信号，接着 STM32 控制电机反转，机器臂找到原点。支架上的 Z 轴底部固定有一支画笔，Z 轴电机通电的时，通过 STM32 控制 Z轴机械臂来控制抬笔和落笔。这个动作可以适当添加一个开关来判断是否停止笔的下落。通过 X/Y/Z 轴的机械通过程序控制步进电机电机的转与不转，运动速度的快慢不同，使笔在纸上画出不同的轨迹，写出要求的英文和汉字。运动控制器的机械结构，包括三维平台，X/Y/Z 坐标尺， Z、Y、Z 坐标尺驱动螺杆驱以及动步进电机 MZ ，MX 和 MY。控制器和 STM32 最小系统接口，如图 1.1 所示：钦州学院本科毕业论文（设计）3图 1.1 运动控制器机械原理从图中可以看出，Z 轴的最低端的位置就是放置绘图笔位置。通过控制 3 个步进电机的运动，使螺杆驱动的两个运动的标尺，而让画笔描绘轨迹在绘图板上，并最终实现绘图功能。第二章运动电路控制器三维平台设计2.1 硬件设计框图图 2.1 系统框图2.2 运动电路控制控制电路图本设计的控制模块实物图如图 2.2 所示。STM32TB6560 驱动模块 My外部输入控路TB6560 驱动模块 MxTB6560 驱动模块 MzX 向工作台Y 向工作台Z 向工作台4图 2.2 控制模块实物图2.3 运动控制器机械运动电路图三维运动控制工作台由 X 轴滑台，Y 轴划台以及 Z 轴滑台以及绘图笔组成。三个方向的运动都具有具有独立性，这样方便控制。根据设计要求绘图的的要求的精度和图形。其中控制模式是用指令控制机械手臂，处理 X-Y-Z 平台上的三个坐标轴方向的动态定位来实现精度控制画图。结构示意图和实际图如 2.3 图所示：图 2.3 机械臂结构图Z 轴滑台Y 轴滑台三维平台X 轴滑台绘图笔Z 轴步进电机钦州学院本科毕业论文（设计）5第三章运动控制器的硬件设计3.1 步进电机3.1.1 主要构造人们早在 20 世纪 20 年代就开始使用这类电机。不管是在社会还是在国防上，只要有使物体产生运动的，将主要使用步进电机作为驱动力。随着社会的发展，步进电机的规模也越来越大，但是无论怎样，他们可以按照自己的生产类型分为：可变磁阻步进电动机及永磁步进电机。步进电机是由一组缠绕在电机固定部件-定子齿槽上的线圈驱动的。通常情况下，一根绕成圈状的金属丝叫做螺线管，而在电机中，绕在齿上的金属丝则叫做绕组、线圈、或相。3.1.2 步进电机分类步进电机分为：永磁型（PM） ，反应型（VR）和混合型（HB）等三种。永磁型：步进大多是二相的步进电机，且转角多为 7.5 度和 15 度。反应型：步进大多为三相的步进电机，可实现大转矩输出，步进角多为为 1.5度，但电机的使用存在许多的环境问题，因此在欧美等发达国家 80 年代已被裁汰。混合式步进：是指结合了永磁式和反应式两种步进电机的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机的应用最为广泛。本文选用此种步进电机，型号 17HD0044-01，即通常所说的 42 步进电机。 42 步步进电机如图 3.1 所示。6图 3.1 步进电机 3.1.3 步进电机工作原理 通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以通过控制脉冲数量和电动机各相绕组的通电顺序来来使步进电机精准定位。步进电机工作原理图如图 3.2 所示。图 3.2 步进电机工作原理图