淺談基于STM32和LM629的伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張曉亞　王雁平　唐東成　覃鳳

摘要：本文主要介紹基于STM32和LM629的伺服控制模塊設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)述了該系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在整體上有比較高的精度，并且穩(wěn)定性比較好，綜合設(shè)計(jì)性能比較好，實(shí)時(shí)性比較高。

關(guān)鍵詞：STM32；伺服控制系統(tǒng)；L298N；LM629

中圖分類號(hào)：TP273；TM383.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）04-0009-02

機(jī)械手關(guān)節(jié)是機(jī)器人的主要部件，其每一個(gè)關(guān)節(jié)能否完成準(zhǔn)確的動(dòng)作是至關(guān)重要的。本文主要是講控制機(jī)器手關(guān)節(jié)的一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)——伺服控制模塊。整個(gè)系統(tǒng)主要是采用STM32和LM629實(shí)現(xiàn)的，能夠很好的提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，減小誤差，最終能夠達(dá)到預(yù)期精確的位置控制。

1 伺服控制系統(tǒng)的工作原理

如圖1所示，本文設(shè)計(jì)的伺服控制模塊的硬件部分包括：能夠顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示模塊、能夠輸入數(shù)據(jù)的鍵盤模塊、核心控制單元STM32及能夠給其提供的時(shí)鐘脈沖模塊、專門針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的LM629芯片[1]以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N等等。

該伺服控制模塊的采用的是STM32作為主處理器，主要統(tǒng)籌安排整個(gè)系統(tǒng)地運(yùn)行工作。該芯片可以和LM629進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，能夠?qū)崟r(shí)控制LM629，并且LM629可以根據(jù)鍵盤輸入模塊所輸入的數(shù)據(jù)參數(shù)對(duì)電機(jī)的速度、加速度及位置進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N受專門的運(yùn)動(dòng)控制芯片LM629的控制，而L298N通過(guò)增量式光電編碼器將電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和各種參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化處理，反饋給LM629，這樣就構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，LM629可以能夠很好的完成對(duì)電機(jī)的控制。

2 主處理器

主處理器采用的是STM32F407ZGT6，該芯片的配置非?！皬?qiáng)悍”，有112個(gè)通用輸入/輸出口，192KB的SRAM，1024KB的FLASH，12個(gè)16位的定時(shí)器及兩個(gè)32位的定時(shí)器，2個(gè)CAN總線接口，2個(gè)DMA控制器（16通道），3個(gè)12位ADC和2個(gè)12位DAC，2個(gè)全雙工I2是，3個(gè)I2C，一個(gè)攝像頭接口和一個(gè)硬件隨機(jī)數(shù)生成器等等。

3 LM629的工作原理

LM629是一專門用于電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的芯片[2]，主要包括用于暫時(shí)存放位置、加速度及速度信號(hào)數(shù)據(jù)的32寄存器，并且可以根據(jù)電機(jī)運(yùn)動(dòng)期間反饋的具體參數(shù)進(jìn)行改變；16位PID可編程數(shù)字濾波器及寬度為8位的PWM輸出信號(hào)接口；速度梯形發(fā)生器；增量式編碼器接口以及實(shí)時(shí)可編程主機(jī)中斷發(fā)生器等等。

如圖2所示，LM629通過(guò)接口與主處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，主處理器把控制電機(jī)的具體參數(shù)發(fā)送給PID控制器，并且可以把設(shè)定好的運(yùn)動(dòng)位置參數(shù)傳送給位置發(fā)生器。PID控制器經(jīng)過(guò)信號(hào)處理，把主處理器設(shè)定的PID參數(shù)進(jìn)一步傳送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N，然后再由L298N控制電機(jī)。增量式光電編碼器把電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的信息通過(guò)LM629的增量式編碼器接口傳送給LM629的位置反饋處理器[3]，并進(jìn)一步進(jìn)行處理，其中包括電機(jī)的具體位置、速度等信息。這樣LM629就構(gòu)成了一個(gè)完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，LM629的目標(biāo)就是就是能夠?qū)崟r(shí)跟隨位置生成器中設(shè)定的目標(biāo)參數(shù)，最終完成主處理器對(duì)電機(jī)的控制。

4 L298N工作原理

L298N是控制模塊與電機(jī)之間的一驅(qū)動(dòng)模塊， 內(nèi)部含有4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。內(nèi)含有2個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，能夠接受TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。對(duì)電機(jī)電壓控制方式有兩種：開(kāi)關(guān)性驅(qū)動(dòng)方式在線性放大驅(qū)動(dòng)方式和線性放大驅(qū)動(dòng)方式。L298N采用的是開(kāi)放性驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)脈沖調(diào)制（PWM）來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的電壓，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

5 伺服控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

如圖3所示，伺服控制系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)框圖，主要包括初始化和對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)的設(shè)定的。

5.1 初始化

初始化主要是將STM32的輸入輸出端口初始化和顯示屏初始化，以便等待從外圍設(shè)備輸入的各種控制電機(jī)的初始參數(shù)及顯示屏能夠顯示電機(jī)的實(shí)時(shí)參數(shù)。

5.2 系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定及實(shí)施

通過(guò)鍵盤可以把設(shè)定電機(jī)的各個(gè)參數(shù)輸入到主處理器，系統(tǒng)可以通過(guò)SRAM讀入系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)LM629進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，傳送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N對(duì)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于STM32 和LM629構(gòu)成的伺服控制系統(tǒng)，有著完整的硬件控制結(jié)構(gòu)和軟件程序設(shè)計(jì)，并且也應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制精度高，實(shí)時(shí)性比較好，可擴(kuò)展性比較強(qiáng)，穩(wěn)定性比較好。

參考文獻(xiàn)

[1]王華，王立權(quán).電機(jī)專用控制器LM629的應(yīng)用研究[J].電子器件，2005，28（2）：330-333.

[2]廉春原，張永春，王雁平.基于LM629的機(jī)械手關(guān)節(jié)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)[J].湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36（4）：104-109.

[3]王華，孟慶鑫，王立權(quán)，譚穎.基于LM629的位置伺服控制模塊的設(shè)計(jì)與研究[J].控制與監(jiān)測(cè)，2005，（2）：83-84.