设计研发2019.11基于STM32三维移动平台控制器设计姚清华，王珈宁(长春工业大学,吉林长春,130012)摘要：本文使用STM32F103RET6为LIBS检测实验设计了一款三维移动平台控制器，对电源控制电路和电机驱动电路进行设计，针对实验需求选用了适用于实验的步进电机，并可以通过上位机平台对其进行控制。此设计可以避免在实验过程中检测的点重复打在同一点引起检测数据不准确，在检测过程中，能够实现根据需求移动，有重要的现实意义。关键词：STM32；三维移动平台；步进电机；平稳控制Design of Controller for 3D Mobile Platform Based on STM32Yao Qinghua，Wang Jianing(Changchun University of Technology, Changchun Jilin,130012)Abstract:In this paper, a three-dimensional mobile platform controller is designed for LIBS test using STM32F103RET6. The power control circuit and motor drive circuit are designed. According to the experimental requirements, stepper motors suitable for the experiment are selected, and can be controlled by the upper computer platform. This design can avoid duplicating the test points in the process of experiment and cause inaccurate test data. In the process of detection, it can realize the movement according to the needs, which has important practical significance.Keywords: STM32; 3D mobile platform; stepping motor; stationary control
0 引言
在检测实验中，为了使得检测数据更加精确，需要避免一直击打在同一点进行检测，而且这种控制精度要求也很高。伺服电机虽然可以实现反馈控制，可以达到的转矩也高于步进电机，但是价格也过高，不适用于小型的实验需求。本文选用的步进电机适用于短距离频繁运动的情况，配合步进驱动器，可以实现很小的步进角，使得控制精度非常精确[1,2]。
文选择ARM控制器，ARM控制器有以下优点：（1）ARM处理器体积小、不占空间，能够完美完成嵌入式环境下的应用，同时保持着超强的性能，消耗最少的功率。ARM从性能价格可以找到平衡，所以是最佳选择。（2）ARM处理器执行指令速度快，而且指令长度固定。它有31个32位的通用寄存器和6个32位的状态寄存器，用来指示芯片内部程序的工作状态。
综合考虑，本文使用STM32F103RET6微控制器作为主控芯片。该芯片具有以下特点：（1）为ARM32位的Cortex-M3内核，最高72MHz工作频率；（2）存储器从256K字节的闪存程序存储器，高达K字节的SRAM，带4个片选的静态存储器控制器。支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存储器；（3）时钟、复位和电源管理：①2.0V～3.6V供电和I/O引脚；②上电/断电复位(POR/PDR)；③4MHz～16MHz晶体振荡器；④内嵌经出厂调校的8MHz的RC振荡器；（4）两个高级控制定时器(TIM1和TIM8)可以被看成是分配到6个通道的三相PWM发生器，它具有带死区插入的互补PWM输出，还可以被当成完整的通用定时器。
1 分析功能与性能需求
可移动方向：X轴，Y轴，Z轴向移动平台活动行程：X轴：-10cm~10cm；Y轴：-10cm~10cm；Z轴：-10cm~10cm。行程分辨率：1mm或1步移动速度≤1mm/1s重复定位精度：≤0.100mm加工台平面度：≤0.010mm
2 系统硬件设计
2.1 控制芯片选择
控制器是整个控制平台的核心，它确定了整个控制器的复杂程度，也关系着整个控制过程中的数据处理的能力。对于主控芯片的选择，需要从芯片的性能，开发的成本，以及一些功能扩展性的要求考虑。控制器主要可以分为ARM控制器，高速运动控制芯片和高CPU三种。基于整个控制系统要求，本
2.2 电源模块设计
电源模块除为单片机提供供电外，还为后续步进电机驱动芯片提供电压。使用24V开关电源作为整个控制系统的电源入口，24V电源进来后有很多的噪声，所以需要用到静噪滤波器。它是为电子设备提供电磁噪声抑制的电子元件，配合屏蔽罩和其他保护装置一起使用。这种滤波器仅从通过连线传导的电流中提取并移除引起电磁噪声的元件。BNX002方形静噪滤波器构成的降噪电路如图1所示。
122019.11设计研发U100B+24VC102100uF/35VDGNDC1030.01uFVINC101100uF/35VGND2.3 步进电机模块整个平台的控制实际上就是对步进电机进行控制。整个控制系统的精度和速度的要求都取决于对步进电机的控制。所以要选择合适的步进电机以及采取合理的控制方式。1CBCG2PSGCGCGBNX002-013456图1 电源降噪电路经处理后的24V电源需要通过降压得到我们需要的电压为外部设备正常供电，LM22673开关稳压器外部组件极少，易于使用，可提供高达3A的负载电流。并且特有出色的线路和负载调节能力。LM22673有5V固定输出和可调电压输出两种。500kHz的开关频率使得小型外部组件的使用成为可能，并可实现良好的瞬态响应。它还内置热关断和限流功能，可防止器件发生意外过载。24V转5V电路图如图2所示。C1000.01uFU101BOOTSWNCVINIADJGNDFBSSLM22673D+5VC104100uF/35VR1002KR101680RDGND图4 步进电机控制为了达到精确的位移，达到较高的精度效率，步进电动机的电流偏大，但不可以直接直流电机加电。它是靠单片机产生脉冲来控制转矩的，单片机本身驱动电流较小，驱动不8765L100+24V10uHD100SK56C1234了电机绕组，要用驱动电路产生较大电流，直接驱动会烧坏单片机，因此需要加入驱动电路。在本次控制中选取专门用于双极型步进电机的A3977型步进电机驱动器对其进行控制驱动,不仅应用电路简单，而且使用方便。他内部具有步进和直接译码接口，正反转控制电路、双H桥驱动，电流输出2.5A，最大输出功率可接近90W。它可以实现对自动混合模式电流衰减的控制，PWM电流控制等[3,4]。在选择步进电机的时候，需要考虑到在使用中的控制精度和其特性功率等问题，综合考虑，选择两相57mm混合式步进电机。
C1051uFDGNDDGND图2 +24V转+5V电路图
经降压后的5V电源通过低压降稳压器（LDO）AMS1117-3.3得到单片机所需的3.3V，这样单片机才能正常工作，其电路图如图3所示。
D+5VU102INC1070.1uFOUTOUT1GNDAMS1117-3.3DGNDC10910uFC1080.1uFD+3.3V3 系统软件设计
3.1 下位机软件设计
对于三维移动平台的下位机软件设计流程图如图6所示。
开始初始化定义开启外部中断和定时器并设定初值NN图3 +5V转+3.3V电路图
R50C5010KDGND0.22uFD+5VR5110KR52C5210K0.22uFDGNDR53C5510K0.22uFDGNDOUT1ADIR1P501324OUT1BOUT2B12345671011121314OUT1AOUT2AFlag==0？Y电机停转DGNDOUT2AD+5VR54C5610KDGND0.22uF+24VU5028SENSE1LOAD SUPPLY1HOMESLEEP27DIRENABLE26ENABLE1OUT1BOUT1AOUT1B25C51PFDCP224C53RC1CP123AGNDVCP220.22uFC54REFPGND210.22uFDGNDRC2VREG2019LOGIC SUPPLYSTEPSTEP10.22uFDGNDOUT2BOUT2AOUT2B1817MS2RESET16+24VMS1SRSENSE2LOAD SUPPLY215A3977Flag==1？Y电机正转Flag==2？Y电机反转图6 下位机软件流程图
3.2 上位机软件设计
上位机的界面功能有：可以对升降平台的运动进行控制；可以通过点击界面按
图5 步进电机驱动模块
（下转第18页）
13设计研发时刻，对应速度极大时刻；极小值出现在每个周期的nT/2时表明在水流刻,对应速度极小时刻，有一段时间Nin为负值，速度较小时，水流反而对转轮造成阻力。使用相同建模仿真和数据分析方法，得到3种不同振幅（8cm、10cm、12cm）的水力效率见表1。表1 不同振幅计算得到的平均水利效率工况（振幅）平均水力功率/W平均水力效率8cm1.070.18310cm2.620.21612cm4.460.2142019.11在某个振幅位置呈现出极大值。另外，根据流场计算结果分析得到该轮机的的水利效率值偏低，需要进一步开展优化设计，在系统的各活动部件采取降低摩擦力的措施，改善水轮叶片翼型设计与导流水道的整体设计，以减小能量损失。参考文献[1]Masuda Y. et. al., Experience in Pneumatic Wave Energy Conversion in Japan, Proceeding of ASCE Specialty Conference on Utilization of Ocean Waves-Wave to Energy Conversion, 1986.[2]Liang Xianguang, Wang Wei, Du Bin and Jiang Niandong, Experimental Research on Performance of BBDB -- Wave-activated Generation Device Model, The Second European Wave Power Conference, 1995, Lisbon, pp.95-106.[3]Shuichi Nagata*1, Kazutaka Toyota, Yasutaka Imai, etc.An experimental study of a total efficiency of a floating-type wave energy converter “Backward Bent Duct Buoy”. OTEC Saga University.16, 67-76, 2011-09.[4]杨春霞, 张玉全, 郑源, 等.一种利潮汐发电的双向贯流式水轮机[P].20130738718.6 2013.12.27.[5]童军杰, 凌长明, 马晓茜.一种近岸波浪能发电装置及数值计算[J].热能动力工程 2014.09.
[6]童军杰, 钟碧良, 马晓茜.叶片结构对双通道海流能发电
装置的影响[J].水力发电 2016.07.
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[9]杨豪, 吴康明, 孙昱声, 韩聪.微小型波浪能发电机的发
展[J].电子制作, 2015(02) : 262.
将表1中数据作图如图5，可见随着振幅增加，平均水力功率呈二次曲线增长，平均水利效率在振幅10cm处最大。图5 功率、效率与振幅关系曲线
5 结论及建议
本文设计了一种活塞式波浪能静水层发电系统并建立相对应的数值计算模型和数据分析方法，它可分析往复式打水水泵发电系统的水力功率、效率等性能参数，并对比分析了不同振幅的功率和效率等参数，在分析的范围内发现如下规律：(1)本活塞式波浪能静水层发电系统的功率与振幅呈二次曲线正相关；(2)活塞式波浪能静水层发电系统的效率
（上接第13页）
表1 步进电机参数表
型号STD-58D4008
步矩角（deg）
1.8
电压（V）
1.8
电流（A）电阻（Ω）电感（mH）保持转矩（mN-m）转动惯量（g-cm2）
4.4
0.4
1.3
922
330
引线数（Pin）
8
钮实现通过点击“上行”“、下行”按钮可以调节，每次调节补步长为1mm，如果需要让升降平台归于原位，则点击“复位”按钮。
对三维移动平台进行了搭建设计，与之前的设计电路相比，本次设计方案更加简单，具有更好的控制精度，能够满足在检测实验中的应用需求。
参考文献
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电脑知识与技术, 2011, 7(24) : 6017-6019.
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图7 三维移动平台
4 小结
本设计基于STM32F103RET6微控制器及步进电机控制，
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