基于STM32的伺服控制系统研究

高志辉 黄海元

【摘要】本文以STM32为控制器、57HS09步进电机为执行机构，采用DM442进行细分驱动。对伺服控制系统的总体方案、硬件方案、软件方案进行了设计。经过实验验证，系统能够有效的跟踪目标物体，且具有良好的控制精度和可靠性。

【关键词】STM32;步进电机;细分驱动

1.引言

随着我国经济的快速发展，体育娱乐赛事中的直升飞机以及私人飞机的需求量不断扩大。目前，我国正在试点开放部分区域进行低空飞行。但是，按照我国现有的城市管理水平和设施情况来说，开放低空飞行必将面临不少困难。保障飞行安全做好低空飞行预警是开放低空飞行的首要的技术瓶颈。低空预警雷达的有效使用实现了低空飞行预警，为低空领域的开放起到了一定的技术支持作用。但低空预警雷达仍具有局限性，不能提供直观的图像信息。

光电技术的快速发展，使得机（车、船）载光电监视跟踪系统广泛应用于制导、侦查、火控、光电对抗以及体育、消防、环境监控、公共安全等领域。光电监视跟踪系统能够提供直观、清晰的图像信息，有效的弥补了低空预警雷达的不足之处。

光电监视跟踪系统配合雷达使用，为监管部门提供空中目标的方位、距离、高度等情报信息，利用可见光摄像机和红外热像仪传感器组合，对需要进行监控的区域进行全天时视频探测与监视。本文主要是对低空预警光电监控跟踪系统中的伺服控制子系统进行研究。

2.总体方案设计

2.1 控制方案

光电监视跟踪系统根据雷达探测到目标的位置信息，算出方位电机和俯仰电机的角度值，然后转换成脉冲數。通过对脉冲的控制进而控制方位轴和俯仰轴的运动，达到实时跟踪。光电监测跟踪系统的总体框图如图1所示。

图1光电监视跟踪系统总体框图

上位PC机把经图像处理得出的坐标偏差通过串口协议下载给运动控制器，运动控制器经过计算得到偏差角数据，并发出相应的方向脉冲和pwm控制脉冲信号给二维转台的步进电机驱动器，直接调整两个电机的转向和转速。由光电编码器实现系统的闭环控制，提高控制精度。二维转台原理框图如图2所示。

图2 二维转台原理框图

2.2 结构方案

转台结构主要有敞开式U型、封闭式0型和T型。U型和T型结构对称性差、结构刚度小、结构较复杂、体积大，常用于低速摆动工况，一般用于中框架和外框架。0型结构对称性好、结构刚度大，结构简单，体积小，常用于高速整圈旋转，一般用于中框架和内框架。

本系统的结构方案拟采用O型框架作为方位轴框架，U型框架作为俯仰轴框架。图3为转台结构图。

图3 转台结构图

3.硬件系统设计

系统硬件平台是完成运动目标自动跟踪的重要保证，根据需要拟设计一套硬件平台：采用STM32F103RBT6作为转台控制系统主要的硬件处理器，以及转台步进电机及其驱动器，光电编码器，光电耦合器等。基于STM32F103RBT6的转台控制功能模块如图4所示。

图4 基于STM32F10X的转台控制功能模块

3.1 STM32F103RBT6控制器

STM32F103RBT6拥有的资源包括128KB FLASH、20KB SRAM、2个SPI、3个串口、一个USB、1个CAN、2个12位的ADC（16通道）、RTC、DMA、4个16位定时器、51个可用的I/O脚等。步进电机通过脉冲和方向的方式进行控制，而STM32F103RBT6的定时器都可以用来产生PWM输出，STM32F103RBT6最多可以同时产生30路PWM输出，完全可以脉冲步进电机的需求。

3.2 步进电机及驱动器

步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或直线运动的执行机构，当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度即步距角。利用STM32F103RBT6产生PWM脉冲信号和方向信号来控制驱动器，进而控制步进电机，并通过改变PWM脉冲信号频率实现步进电机的变速控制过程。通过软件控制PWM脉冲串的疏密来控制运动过程中的加减速，加密脉冲串可实现加速过程，稀疏脉冲串可实现减少过程。步进电机采用细分驱动技术，细分步距角，提高定位精度。

本系统方位电机和俯仰电机均使用57HS09型两相混合式步进电机，步进电机的步距角为1.8°。为提高转台转速稳定性所采用的具有细分功能的两相混合式步进电机驱动是DM442，最大细分数为25600步数/转。控制器，步进电机及驱动器的连线图如图5所示。

3.3 光电编码器

光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。在选择光电编码器时，要考虑被测元件的精度，要使它能与被测元件的精度相匹配，一般编码器的精度要高于被测元件的精度。

图5 连线图

4.软件系统设计

性能要求、完整、可靠的硬件系统设计是整体设计的前提条件，完善有效的软件设计才能发挥硬件资源的潜力，最终实现系统的功能要求。

主程序是控制系统的核心部分，主要完成系统的初始化（I/O口、串行通信接口、定时器等的初始化），计数器周期寄存器初值的计算，各标志位的置位与复位，接收光电编码器信号，中断配置，系统自检等功能。主程序完成初始化后，进入循环等待中断。中断程序完成对上位机下传数据的接收，并根据相应的算法将接收数据转化成方向脉冲和PWM控制脉冲。主程序控制流程如图6所示。

图6 主程序控制流程图

5.结论

通过实验室验证可知，基于STM32的伺服控制系统能够实现，达到实验要求，为样机设计提供了一定的理论和实验基础。

参考文献

[1]史伟会.太阳自动跟踪系统研究[D].上海：东华大学，2011.

[2]张春光.太阳能电池板二维自动跟踪系统的研究[D].山西：太原科技大学，2013.

[3]胖莹.基于STM32的太阳跟踪控制系统的设计与研究[D].河北：燕山大学，2012.

[4]刘娟.雷达天线测试转台控制系统的研制[J].计算机测量与控制，2008，16（6）：811-814.

[5]杨继森，万文略，郑文燕，张天恒.精密数控分度转台的控制系统设计[J].仪表技术与传感器，2010（7）：95-98.