基于stm32的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制分析設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-07-23 09:41 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 32強(qiáng)大的運(yùn)算和處理能力，采用單CPU 集中控制方式即可滿足要求。本課題研究的機(jī)械臂控制系統(tǒng)采用單CPU 集中控制方式，系統(tǒng)框圖如下：計(jì)算機(jī)JLink仿真器舵機(jī)關(guān)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)STM32關(guān)節(jié)控制系統(tǒng) 機(jī)械臂控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖計(jì)算機(jī)用于完成整個(gè)系統(tǒng)的管理、發(fā)送指令、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃等。計(jì)算機(jī)通過(guò)JLink仿真器將程序下載至STM32微處理器，向關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)發(fā)出位置指令，STM32根據(jù)指令輸出PWM 波，從而使機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過(guò)指定的角度，進(jìn)而使其按照預(yù)定的軌跡完成搬運(yùn)任務(wù)。本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)以STM32微處理器為核心，對(duì)直流伺服電機(jī)（舵機(jī)）進(jìn)行較為精確的運(yùn)動(dòng)控制。關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的工作原理是：STM32微處理器內(nèi)部的PWM 單元產(chǎn)生PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)內(nèi)部的齒輪組，其輸出端帶動(dòng)一個(gè)線性的比例電位器作為位置檢測(cè)，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號(hào)比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)正向或者反向的轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖最終趨于為0，從而達(dá)到使伺服電機(jī)的精確定位[17]。該關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：（1）使用以ContexM3為內(nèi)核的STM32F103ZET6作為系統(tǒng)的微控制器，與傳統(tǒng)的51單片機(jī)相比起來(lái)，具有功耗小，運(yùn)算能力大大增強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。（2）采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)，根據(jù)STM32微控制器輸出的PWM 控制信號(hào)的占空比來(lái)確定直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，控制起來(lái)簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確。第3章 機(jī)械臂控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)機(jī)械臂控制系統(tǒng)通常要滿足如下幾個(gè)基本的要求：（1）控制系統(tǒng)的微型化、輕型化和模塊化。（2）控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。（3）系統(tǒng)的穩(wěn)定性和開(kāi)放性。該機(jī)械臂控制系統(tǒng)由主控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊組成，每個(gè)子模塊的功能如下：主控制模塊：作為該控制系統(tǒng)的核心，包括 ARM CortexM3 內(nèi)核和有關(guān)外圍電路，主要負(fù)責(zé)完成 PWM 波（控制信號(hào)）的輸出。驅(qū)動(dòng)模塊：負(fù)責(zé)機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)，由舵機(jī)組成。電源模塊：機(jī)械臂控制系統(tǒng)采用雙電源供電模式， DCDC 可調(diào)降壓模塊實(shí)現(xiàn)供電。微控制器作為機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，如下幾個(gè)方面為重點(diǎn)進(jìn)行微控制器的選擇：★系統(tǒng)時(shí)鐘速度★運(yùn)算速度★功能★電機(jī)控制方式★ROM及ROM的大小★控制板的結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)過(guò)反復(fù)比較，本設(shè)計(jì)采用意法半導(dǎo)體公司的STM32處理器。STM32F103ZET6是基于32位ARM CortexM3內(nèi)核的微處理器，不但支持實(shí)時(shí)仿真，而且嵌入了512KB的高速閃存。CPU 的最高工作頻率為72MHz，支持Thumb2。 STM32該設(shè)計(jì)的主控制模塊的硬件系統(tǒng)包括電源電路、復(fù)位電路、系統(tǒng)時(shí)鐘電路以及 JTAG 調(diào)試電路四大組成部分。在硬件電路的設(shè)計(jì)中，電源模塊的設(shè)計(jì)是非常重要的，如果不能妥善處理，不但會(huì)使電路不能正常工作，嚴(yán)重的還可能燒毀電路。因此，在設(shè)計(jì)電源時(shí)務(wù)必要注意如下幾點(diǎn)：（1）交流輸入和直流輸出盡可能保持更大的距離；（2）地線要足夠粗，單點(diǎn)和多點(diǎn)相結(jié)合，同時(shí)分離模擬地和數(shù)字地；（3）散熱要好，布局應(yīng)合適； 電源電路圖如上圖所示。 復(fù)位電路圖如上圖所示，B1為整個(gè)板的復(fù)位按鈕，當(dāng)按鈕被按下時(shí)，STM32處理器、TFT彩屏等都將復(fù)位。STM32的VBAT 的供電是由外部電源完成的，在有外部電源（）的情況下，VBAT 供電而由外部電源實(shí)現(xiàn)供電。但是，當(dāng)外部電源斷開(kāi)的情況下， RTC的走時(shí)以及后備寄存器的內(nèi)容就會(huì)丟失。相關(guān)電路如下： 時(shí)鐘電路圖 JTAG調(diào)試電路軟件程序的編寫(xiě)通常是需要多次的修改才適用的，因此一些比較先進(jìn)的調(diào)試手段便應(yīng)運(yùn)而生。JTAG 仿真調(diào)試手段作為其中的一種，是由ARM 公司提出的。本設(shè)計(jì)采用占用IO口資源少的SWD調(diào)試，只需JTAG 仿真器上的4根線就能完成，如下圖所示： SWD調(diào)試電路圖通過(guò)SWD接口，我們可以燒錄和調(diào)試程序，開(kāi)發(fā)板的JTAG接口的硬件連接如上圖所示，可以與目前主流的JLINK V8仿真器配合
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