0引言传统行业中，将一个大的负载挂载到一个指定的空间位置上，需要很多的人力，加载负载的时间长，效率和安全系数都比较低。随着信息技术、网络技术、智能控制技术、运动控制系统、伺服系统的快速发展以及上位机的人－机交互系统广泛的应用于工业环境中。本文基于STM32控制的多轴运动控制系统的软硬件的运动平台，多轴运动平台的多自由度可以将负载挂载到空间的任意的一个位置，整个控制系统加载速度快，效率和安全系数高，人－机交互界面友好，克服了传统行业的弊端，满足了实际工业环境中的需求。1系统硬件设计设计的多轴运动控制系统的硬件部分主要包括PC人－机交互界面、ARM主控制板、电机驱动器、电机、传感器部分和执行机构。整个系统的硬件结构如图1所示。图1多轴运动控制系统结构与原理示意图主要作用：（1）PC人－机交互界面PC上位机的作用是通过串口接收ARM控制器传来的数据流经过分析、显示、处理后反馈给ARM控制器，数据的主要来源有给驱动器的脉冲PWM、电机运动方向、速度及执行机构的位置信息以及外部传感器传来的环境信息。（2）ARM主控制器作为数据传输的一个桥梁，可以进行数据的交换也可以对数据进行处理和分析。（3）驱动器和传感器部分驱动器接收ARM控制板来的信号控制电机的速度、方向，传递给执行机构完成所预计的动作。2下位机硬件电路设计下位机硬件结构如图2所示，STM32控制的3个主要模块：数据采集模块、控制模块和数据传输模块。采集的数据主要是滚珠丝杆传动平台的位置传感器（原点位置、限位开关）、3个接触式传感器。控制模块主要是给4个电机的驱动器的脉冲信号和方向信号以及接触传感器连接的小电机的运动信号。数据传输指的是下位机上传给上位机的数据，包括运动平台上电机的速度和位置信息。图2下位机硬件构架图煤矿机械CoalMineMachineryVol.38No.02Feb.2017第38卷第02期2017年02月doi:10.13436/j.mkjx.201702034*四川省科技支撑项目（2015GZX0101）基于STM32多轴运动控制平台的设计与实现*徐喆，肖世德，叶美松，张志锋，赵阳（西南交通大学机械工程学院，成都610031）摘要：以多轴运动控制平台为研究对象，结合ARM芯片与上位机软件VS2010设计出一套运动控制系统，旨在将负载通过运动控制平台快速准确稳定的加载到指定的位置，测试结果表明，设计的多轴运动控制平台满足用户对运动控制系统稳、快、准以及易操作的要求。关键词：多轴运动控制平台；VS2010；ARM中图分类号：TP273文献标志码：A文章编号：1003－0794（2017）02－0099－03DesignandImplementationofMulti-axisMotionControlPlatformBasedonSTM32XUZhe，XIAOShi-de，YEMei-song，ZHANGZhi-feng，ZHAOYang(CollegeofMechanicalEngineering，SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu610031，China)Abstract:ResearchobjectisMulti-axismotioncontrolplatform，VS2010softwareincombinationwithARMchipdesigningasetofmotioncontrolsystem.Theaimistoloadthecargoquicklyandaccuratelyandstablytothespecifiedlocationthroughthemotioncontrolplatform.Theresultsofthetestshowthatthedesignofthemulti-axismotioncontrolplatformmeettheneedsoftheusersformotioncontrolsystemstable，fast，accurateandeasytooperate.Keywords：multi-axismotioncontrolplatform；VS2010；ARMPC人机交互界面ARM控制器驱动器传感器电机执行机构24V供电电源稳压电路电源备用冗余电路电池3.3V电源稳压电路STM32F103ZET6芯片及外围电路GPIOADCDIDOAIAODACUART0UART1数字量输入数字量输出数字量输入数字量输出光耦隔离模拟隔离运动控制台位置传感器RS485上位机99中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

硬件电路的主控芯片采用的是ARM内核Cor-tex-M3的STM32F10x系列FI03ZET6芯片，该芯片拥有512k的Flash存储器和64k的RAM,高达72M的频率数据和指令分别走不同的流水线,以确保CPU运行速度达到最大化，其高度集成、低成本、低功耗、低电压高效率等特点完全能够满足工业现场环境里信息采集的需求。为了保证工业环境中因为环境的因素导致主电源断电而导致系统无法正常工作，设计出的电池冗余备用电路如图3所示。图3电池冗余备用电路图当系统的主电源没有掉电的情况时，在给可反复充电的锂电池AAA充电，其中TP4075为电源充电芯片，A3401为P沟道MOS管，当外部未掉电时处于截断状态；当外部掉电时，MOS管处于导通状态，电池开始工作，保证了整个系统能够持续的工作。为了防止工业里复杂的环境对系统硬件的干扰，本文设计硬件抗干扰方法：（1）光电隔离光耦隔离电路如图4所示，光电隔离是借助光耦隔离器PS2801进行信号的隔离，使夹杂在开关量中的干扰信号无法顺利通过光电隔离回路的另一侧，因此达到了抗干扰的保护作用。图4光耦隔离电路图（2）电源线和地线的设计接地是抑制干扰很重要的方法。本文的硬件电路中其模拟电路和数字电路和电源端的地线相连，并且电源线和地线的走线尽量去靠近走线减少所包围的环路面积，从而进一步降低系统的电磁干扰能力。（3）去耦电容的配置在STM32电路板的关键部位都配置了一个去耦电容，主要目的是吸收集成电路开门与关门瞬间的充放电能量，同时又可以过滤掉一些电路元器件的高频噪声。以上抗干扰设计可以提高系统的稳定性，满足工业环境里的工作要求。3多轴运动平台结构模型作为一个精密多轴运动控制平台，整个机械结构有4个自由度，能够沿着X、Y、Z轴移动，同时也能绕着Z轴的旋转，通过控制4个电机的控制器操纵与它相连的机械结构，从而完成所预定的运动轨迹。本文X轴和Y轴的移动是通过滚珠丝杠加直线导轨的方案实现的。该组合是属于比较高端的传动部件，实现原理是将原有的滑动摩擦转换为滚动摩擦，即用很小的驱动力可以获得很大的传动力，其传动效率比常规的传动产品高出10倍。此外它具有传动精度高、传动速度快、运行稳定、故障率低、控制复杂和噪音都比较低等优点，符合本文的传动需求。如图5所示。通过一个升降平台和一个旋转平台完成沿着Z轴和饶Z轴的运动，机械运动装置是靠精确的步进电机控制，实际的工业环境里是液压控制或者是其他的控制方式，因为实际的环境里负载非常大，需要液压式的驱动才能满足实际的需求。本文所构建的是一个结构模型，原理上是比较相似的，实际情况的控制方式是不一样的。通过对上面4个自由度的控制可以将负载挂载到量程范围内的任意一个空间位置上。图5多轴运动控制平台实物图1.控制升降平台的驱动电机2.旋转平台3.控制旋转平台的驱动电机4.升降平台5.控制Y轴的驱动电机6.溜板7.滑块8.丝杠前端轴承座9.控制X轴的驱动电机10.联轴器11.滚珠丝杠12.直线导轨4控制程序的实现设计的多轴运动平台控制程序包括运动控制部分和运动显示部分，运动控制部分的目的在于将负载挂载到图6的平面模型上。图6被挂载物侧面平面图挂载的目标物体是一个对称的模型，两侧的平面图结构是一样的，平面上有2个孔大小一样，距离L2是固定的，左端面到第1个孔的距离L1以及第1个第38卷第02期Vol.38No.02基于STM32多轴运动控制平台的设计与实现———徐喆，等123456789101112L1L2L3R410kΩ10μFC34TP4057VCCBATPROGCHRGSTDBYGNDVIND1IN5819A03401VBAT+VBAT-5V6R110kΩR32.7kΩR55kΩ3R130GND215LL4148DIR433.3kΩPS2801-1D8LD3DI+DI-2kΩR41U153.3V100中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

孔到地面的距离L3都是固定的，负载的一个平面上正好有2个突出的圆柱，2个圆柱之间的距离和2个孔之间的距离是相同的，圆柱和孔有一个很好的配合关系。负载和挂载的目标物体体积都比较大，要实现挂载物上的圆柱和被挂载物的孔比较精确的配合起来，需要传感器采集这个平面的信息以及高精度的控制多轴运动控制平台。负载在旋转运动平台上，在旋转平台的上方有3个可伸缩杆，杆上分别都装有一个接触传感器，从左至右传感器分别为接触传感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。接触传感器Ⅱ、Ⅲ采集的环境信息可以确定负载的平面和挂载的目标物体是平行的，接触传感器Ⅰ的作用是确定负载上的圆柱和挂载物上的圆孔是否对准。传感器Ⅰ到负载上的第1个圆柱的距离和挂载的目标物体的左端面到第1圆孔的距离相等也就是L1，在接触传感器Ⅱ、Ⅲ确定2个端面是平行后，控制上半部分的平台往右移动直到接触传感器Ⅰ与图6中左端面接触，此时保证了圆柱和圆孔是对中的。程序控制流程如图7所示，流程图中的X、Y轴坐标与图5中的X、Y坐标一致,左右运动以及逆时针和顺时针方向都以图5的方向为参考方向。总体就是接触传感器Ⅱ、Ⅲ确定一个平面，接触传感器Ⅰ确定位置，升降的高度是固定的，3个方向的确定就能精确的保证负载能够挂载到目标物体上。图7控制程序流程图5上位机软件的实现VisualStudio是目前比较流行的Windows平台应用程序开发环境。本文所设计的上位机软件是用C#语言进行开发的，C#语言集成了VB语言的可视化操作和C++的高运行效率，成为了当前.NET开发的首选语言。上位机软件的主要作用是将下位机所采集的数据可视化，并且对采集的数据进行监控和处理，可以直观地表现出系统所处的运行状态，根据现场的实际情况设计出比较友好的人-机交互界面。上位机的系统功能如图8所示。图8人-机交互界面功能框图6结语本文设计了一个基于STM32的多轴运动控制平台模型，下位机实现数据的实时采集，上位机实现数据的处理和监控，有良好的人-机交互接口。设计的硬件电路能够满足现场复杂环境的干扰，控制程序稳定高效，可以应对各类意外的情况，不会因为错误地操作带来严重的损失。该系统具有一定的推广价值，为解决重量较大的负载难以挂载的问题提供了解决方案，研究的运动控制模型能够快速高效的完成挂载任务，节约了大量时间和空间以及人力资源。参考文献：［1］朱佳炜.多轴数控运动平台的研制［D］.成都：西南交通大学,2014.［2］吴君.多轴运动控制系统的设计与应用［D］.上海：上海交通大学,2011.［3］唐志强,黄道平,刘少君.基于USB总线的多轴运动控制平台设计［J］.组合机床与自动化加工技术,2010（11）:74-77+86.［4］高瑞,苗长云,王中伟.基于LabVIEW的多轴运动控制系统的设计与开发［J］.天津工业大学学报,2008,27（6）:58-61.［5］王亚丽,刘广亮,李向东,等.基于CPAC多轴运动控制教学平台的设计与实现［J］.实验室研究与探索,2012,31（8）:17-19+22.［6］杨欢,苗长云,白华.超声检测多轴运动控制器及其上位机软件设计［J］.仪表技术与传感器,2015（7）:45-47.［7］龙建明,熊刚,张争刚,等.基于STC89C52的温室大棚温湿度控制器［J］.计算机与现代化,2015（3）：88－90＋95.［8］宋振鹏,孟祥印,徐鑫凯,等.基于Modbus与ZigBee的通信冗余过程控制系统开发［J］.电子技术应用,2016，42（1）：61-64.［9］徐鑫凯,孟祥印,郝梦捷,等.基于GPRS的天然气调压站远程监控系统设计［J］.电子技术应用,2015,41（10）:13-16.［10］闫莎莎.基于DSP+CPLD的多轴运动控制器平台设计及单轴伺服运动控制算法研究［D］.杭州：浙江大学,2010.［11］华磊.一种六轴工业机器人及多轴联动控制系统的研究［D］.广州：华南理工大学,2014.作者简介：徐喆（1992-），江苏无锡人，硕士研究生，主要研究方向：过程控制，电子信箱：1203832913@qq.com.责任编辑：吕振明收稿日期：2016－12－09第38卷第02期Vol.38No.02基于STM32多轴运动控制平台的设计与实现———徐喆，等人工开车将承载物运载到目标物体附近人工启动系统初始化各运动部件回到初始位置3个伸缩杆往前伸传感器Ⅱ有接触信号传感器Ⅲ有接触信号控制旋转平台逆时针旋转直到传感器Ⅲ有接触信号是是否否控制旋转平台顺时针旋转直到传感器Ⅱ有接触信号人工加载锁紧装置升降平台下降各运动部件回到初始位置控制升降平台升到固定的高度控制X轴驱动电机往左移动使圆柱和圆孔准确的镶嵌控制Y轴驱动电机往前移动直到传感器Ⅰ有接触信号准备下一次的加载任务上位机人-机交互界面登录界面接触传感器状态值报警设置位置速度信息显示人工智能模式切换各电机点位运动历史数据数据监控101中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net