基于STM32的SCARA机器人控制电路研究与设计.pdf

发布时间：2022-06-03 发布人：admin 分类：说明书资料大小：10.64M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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封面

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章系统组成与Cortex-M3微控制器分析

2.1 SCARA机器人主体结构

2.2 SCARA机器人伺服驱动系统

2.3 嵌入式系统简介

2.4.ARM Cortex-M3微控制器概述

2.4.1 Cortex-M3内核性能分析

2.4.2 从ARM7到Cortex-M3的升级

2.4.3 Thumb-2指令集

2.5 STM32系列微控制器

第3章 SCARA机器人控制电路硬件设计

3.1 硬件控制电路总体结构

3.2 STM32微控制器基本电路

3.3 电源电路设计

3.4 系统时钟电路设计

3.5 系统复位电路设计

3.6 USART通信电路设计

3.7 以太网通信电路设计

3.8 JTAG调试接口电路设计

3.9 LCD接口电路设计

3.10 存储电路设计

3.11 控制信号的差分输出与接收电路设计

3.12 CAN总线与RS-485通信电路设计

3.13 其他常用电路设计

3.14 PCB设计

第4章 SCARA机器人控制电路程序设计与调试

4.1 程序开发与STM32固件库

4.2 主程序设计

4.2.1 主程序设计思路

4.2.2 工程程序配置

4.2.3 位置控制程序

4.2.4 速度控制程序

4.2.5 位置与速度协调摔制程序

4.3 USART通信程序配置

4.4 编码器接口程序配置

4.5 程序调试实验结果

第5章 SCARA机器人控制电路电气设计

5.1 伺服电机与驱动器基本参数

5.2 伺服驱动器配线

5.3 输入输出信号连接器(CN1)配线

5.4 伺服驱动器参数设定

5.5 其他配线

结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及其科研工作

西南交通大学硕士学位论文基于STM32的SCARA机器人控制电路研究与设计姓名：兰功金申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：白天蕊201105

西南交通大学硕士研究生学位论文第f页摘要SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)是一种平面关节型工业机器人，具有四个自由度，包括X、Y、Z方向的旋转运动和沿Z轴的直线运动。工业机器人已经成为衡量一个国家制造水平和科技水平的重要标志，我国工业机器人技术远远落后欧美日等发达国家，因此研制我国自主的工业机器人显得尤为重要。本文设计了一个用于SCARA机器人运动控制的电路系统，详细介绍了SCARA硬件控制电路、运动控制规划与控制程序设计以及伺服驱动系统电气配线等相关设计过程，重点设计了有利于提高SCARA机器人性能的运动控制程序和有助于提高控制电路抗干扰性能的差分信号传输电路。以ARMCortex．M3内核的STM32F10xxx微控制器为核心设计了SCARA机器人硬件控制电路平台，主要包括STM32F10xxx基本电路、电源电路、时钟电路、复位电路、USART通信电路、以太网通信电路、JTAG调试接口电路、LCD接口电路、存储电路、控制信号差分输出与接收电路、CAN总线与RS．485通信电路等。控制电路系统具有体积小、低功耗、可靠性高、价格便宜、抗干扰能力强等特点。在程序设计上，重点分析了SCARA机器人控制丰程序的设计思路与过程。为了实现SCARA机器人运动过程的平滑加速、匀速、平滑减速运动，设计了伺服电机在位置控制模式下位置和速度控制以及S．曲线运动控制模式的控制信号脉冲规划的程序，同时还设计了USART通信程序与编码器接口程序等常用程序。实验结果基本实现了SCARA机器人的S．运动控制模式下的精确控制。论文最后设计了SCARA机器人控制电路的电气连接，包括伺服系统的基本参数设置，伺服电机系统主电路的配线，重点设计了驱动器核心信息接口输入输出信号连接器(CNl)端子的配线，控制电路系统试运行工作性能良好。关键词：SCARA；Cortex．M3；STM32；S一曲线运动控制模式；伺服电机

西南交通大学硕士研究生学位论文第1f页AbstractSCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotArm)isafacetjointindustrialrobot，withfourdegreesoffreedom，includingtheX，Y，ZdirectionofrotationandlinearmovementintheZaxis．Industrialrobotshavebecomethemeasureandimportantsymbolofacountry’Stechnologicalandmanufacturinglevel，China’SindustrialrobottechnologylagsfarbehindEuropeandotherdevelopedcountries，therefore，itisofgreatsignificancetodevelopChina’Sownindustrialrobots．ThepaperintroducesthedesignofacircuitsystemforthemotioncontrolofSCARArobot，detailingthedesignprocessofcontrolcircuit，motioncontrolplanning，controlprogramdesign，electricalwiringofservodrivesystems，focusingonthedesignofmotioncontrolprogramswhichhelpstotheimprovementofSCARArobotcapabilityandanti-interferencecapabilityoftransmissioncircuitfordifferentialsignals．ItdesignedhardwareplatformofSCARArobotwiththeSTM32F10xxxmicrocontrollerofARMCortex—M3coreasthecenterofcontrolcircuit，mainlyincludingSTM32F10xxxbasiccircuit，powercircuit，clockcircuit，resetcircuit，USARTcommunicationcircuit，Ethernetcommunicationcircuit，JTAGdebugginginterfacecircuits，LCDinterfacecircuit，memorycircuit，thedifferentialcontrolsignalsoutputandreceivingcircuit，CANbusandRS-485communicationscircuits．Thecontrolcircuitsystemischaracterizedbysmallersize，lowerpower，highreliability，cheaper，highanti·interferenceability，etc．Fortheprograms，thispaperfocusesontheanalysisofdesignideasandprocessesformainprogramofSCARArobotcontr01．Inordertorealizethesmoothacceleration，constantspeedandsmoothdecelerationoftheSCARArobotmotion,theauthordesignstheprogramsofpositionandvelocitycontrolforservomotorbythepositioncontrolmode，andpulseplanningprogramsforcontrolsignalsbytheS—curvemotioncontrolmode，andtheauthoralsodesignstheUSARTcommunicationprogram，encoderinterfaceprogramandothercommonprocedures．TheexperimentalresultshavebasicallyachievedprecisecontrolforSCARArobotbytheS-curvemotioncontrolmode．Finally，thepaperdesignstheelectricalwiringofSCARArobotcontrolcircuit，includingthesettingupofparametersforservosystem，wiringofservomotorsystemmaincircuit，focusingontheterminalwiringdesignofthedrive’Scoreinformationinputandoutputsignalinterfaceconnector(CN1)，thecontrolcircuitsystemrunswellforperformancetest．Keywords：SCARA；Cortex·M3；STM32；S-curvemotioncontrolmode；Servomotor

西南交通大学硕士研究生学位论文第1页第1章绪论1．1课题研究背景从工业机器人诞生到现在，工业机器人技术的发展经历了一个漫长而又渐进的过程，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，使得工业机器人技术这项交叉学科也得到了飞速发展，各种用于工业机器人制造的精密制造技术和整体配套工艺也得到了长足的进步和发展。工业机器人技术是一门高度交叉的前沿学科，代表了机电一体化技术的最高研究成果，涉及计算机技术、微电子技术、电气工程、机械工程、传感技术、自动控制理论及人工智能等多门学科，工业机器人已经成为衡量一个国家制造水平和科技水平的重要标志。工业机器人在工业生产中一般用于代替人做一些单调、频繁和重复的长时间作业的工作，或是危险、恶劣环境下的作业工作，主要职能一般是搬取零件和装配工作，在微电子制造业、塑料工业、汽车工业、电子产品工业、药品工业和食品工业等领域得到广泛的应用，它对于提高生产自动化水平、劳动生产率和经济效益、保证产品质量、保障人身安全、改善劳动环境，减轻劳动强度、节约原材料消耗以及降低生产成本等有着十分重要的意义。工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产方式和生活方式，机器人工业已经成为世界各国备受关注的产业【11。随着我国产业升级的不断推进及制造业向我国转移，产业结构从劳动密集型向现代化制造业方向发展，以及我国制造业发展带来的日益严峻的劳动力不足问题，特别是近期出现的“用工荒”、“招工难”等现象以及随着中国经济地图的悄然变化，中西部已经开始了与东部展开争抢劳动力的激烈竞争，劳动力短缺将是一种长期趋势，特别是对东部沿海经济发达地区日益严峻的劳动力短缺形势必须要有长期的应对策略，这就需要东部沿海地区加快产业转型，提高生产技术含量，加快生产自动化建设，这使得工业机器人市场空间不断扩大，每年新增的工业机器人台数和总量都在快速增长，使用工业机器人代替工业生产中的人力劳动成为解决劳动力短缺问题的有效途径和必然趋势，工业机器人自动化生产线成套设备的设计将是自动化装备的未来的发展方向及主流。在国外，为了保证产品质量，提高生产效率和操作安全性，已经有众多行业使用工业机器人自动化生产线，如汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业。欧美日等先进发达国家近半个世纪的工业机器人使用实践经验表明，工业机器人的普及是实现自动化生产，提高社会生产效率，解决劳动力短缺问题，推动企业和社会生产力发展的有效手段。正是出于这种趋势，我国SCARA工业机器人的市场需求空间十分巨大，研究和发展我国工业机器人产业已经成为势在必行的形势。由于工业机器人涉及多项科学及多项先进技术领域，这就决定了它是一门技术密集型、人才密集型以及资金密集型的行业，进入该领域的壁垒较高，我国不断推进的产业升级以及工业自动化要求拥有自主化的SCARA工业机器人来促进科学生产力的发展以解

西南交通大学硕士研究生学位论文第2页决日益严峻的劳动力短缺问题。国际电气电子工程师协会IEEE的科学家在对未来科技发展方向进行预测中提出了4个重点发展方向，工业机器人技术就是其中之～。工业机器人的很多核心技术，目前我国尚未掌握，这是影响我国工业机器人产业发展的一个重要瓶颈121。1．2国内外研究现状在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。经过长期的发展，相继形成了一批具有影响力的、技术成熟的著名工业机器人公司，如瑞典的ABB，日本的FANUC、YASKAWA、EPSON，德国的KUKA，美国的AdeptTechnology，意大利COMAU。目前，欧美日工业机器人制造业处于全球领先地位。据美国电气和电子工程师协会(IEEE)2010年统计数据，目前全球有大约100万台工业机器人，其分布密度如图1．1，其中日本的工业机器人分布密度最大，达到平均10000名工人有295台机器人，2007年，日本每小时就装配4．1个工业机器人，德国工人和机器人的比例是7：1，全球工业机器人的投资是180亿美元。预计在2011年，全球将有120万台工业机器人，目前，对全球机器人技术的发展最具有影响力的国家是美国和日本。美国在工业机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位，而日本牛产的工业机器人在数量、种类方面则居世界首位。295√羲黪0爹}i赣秽i。h氍僻如妇。豫国弧Am咄Cd5Africa*。07毫1■E“：彝，、8』j·‘1691¨163誊1261弘Regionataverages葛"lj。。84LL呈g暑。l‘一‘‘■o看囊茎耋吾>萋|l濑群z5u0。毒。塞垂重委萋萎薹妻耋,圣-7-耋爹。爹萎誊iZ=7芋主图1．12010年工业机器人区域分布密度我国关于SCARA工业机器人的相关研究开始于70年代初期，在当时的研发环境和背景下发展比较缓慢，研究和应用水平也相当有限。改革开放后，科研环境和背景得到很大的改善，在新的科技进步浪潮中，我国工业机器人技术的开发与研究得到前所未有的发展契机，经过“九五”攻关计划和863计划的支持已经取得了较大进展，工业机器人的研制、生产、应用都有了一定的进步，但与欧美日等发达国家的差距十分明显，进口品牌工业机器人依然占了绝大多数。我国在某些关键技术上有所突破，但还缺乏整体核心技术的突破，更未形成具有我

西南交通大学硕士研究生学位论文第3页国知识产权的工业机器人。目前我国工业机器人技术仍然处于落后水平，特别是在制造工艺与装备方面，不能生产高精密、高速与高效的关键部件。工业机器人涉及多项学科及多项先进技术领域，系统产品的结构复杂、技术含量高，设计开发比重非常大，需要将多学科的先进技术集合为一体，高度综合相关技术并对系统进行集成后，才可设计出符合要求的成套装备及系统产品，这就导致了我国工业机器人行业发展存在诸多问题，首先，行业整体自主创新能力不强，没有自主知识产权。其次，技术配套能力不强，我国相对落后的精密制造技术制约了SCARA机器人技术整体水平的提升。另外，我国SCARA工业机器人企业规模小、抗风险能力弱，受规模限制，很难在激烈的国际竞争中脱颖而出。我国工业机器人技术主题发展的战略目标是：根据21世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求，瞄准国际前沿高技术发展方向创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术【3J。未来几年，随着我国制造业的发展，特别是汽车及汽车零部件制造业的发展，以及应用领域正逐渐向电子信息产业领域延伸，为工业机器人提供了广阔的市场发展空间，预计我国工业机器人仍将保持稳定的增长势头，装配量将会稳固上升。1．3本文主要研究内容本文详细介绍了SCARA控制硬件电路、控制程序以及伺服系统电气实现等相关设计过程，总体可以分为四部分，分别为系统组成与微控制器分析、控制硬件电路设计、控制电路程序设计和控制电路电气连接，共分为五章，各章主要内容概述如下：第一章：介绍了课题相关背景及其意义，工业机器人技术国内外发展现状与差距，分析了国内工业机器人存在的问题，阐述了本文研究设计的主要内容。第二章：介绍了SCARA机器人的丰体结构与工作原理，分析了其常用驱动系统步进电机与伺服电机的工作原理，通过比较它们之间的性能特点，选定安川∑．II系列伺服电机系统为SCARA机器人的驱动系统。介绍了嵌入式系统与Cortex．M微控制器的相关知识，深入详细地分析了ARMCortex．M3内核的性能与优势，以及基于Cortex．M3内核的STM32微控制器及其应用。‘第三章：详细介绍了以STM32F100xxx微控制器为核心的嵌入式四轴伺服电机运动控制电路设计，整个系统控制电路包括STM32F10xx)(基本电路、电源电路、系统时钟电路、系统复位电路、USART通信电路、以太网通信电路、JTAG调试接口电路、LCD接口电路、存储器电路、控制信号差分输出与接收电路、CAN总线与RS．485通信电路等。电路设计使用Altium公司于2008年推出的AltiumDesignerWinter09，为SCARA机器人运动控制搭建高性能的硬件平台。第四章：讲述了SCARA机器人控制电路系统的程序设计与调试，首先是RealViewMDK开发套件相关知识，以及其与STM32固件库结合的程序开发步骤与优化。重点分析了SCARA机器人控制丰程序的设计思路与过程，介缁了如何实现伺服电机在位置控制模式下位置与速度的控制以及S．曲线运动控制模式的控制信号脉冲规划，同时还介绍了常用的USART通信程序与编码器接口程序的设计。最后通过实验验证SCARA机器人的运动性能。

西南交通大学硕士研究生学位论文第4页第五章：详细介绍了SCARA机器人控制电路系统的电气设计过程，包括伺服电机与驱动器的基本参数、伺服电机系统主电路的配线过程。重点阐述了驱动器核心信息接口输入输出信号连接器(CNl)端子的配线过程以及伺服驱动器位置控制模式的设置。结论：总结本论文的工作内容，为将来进一步研究提出预期规划和需要解决的问题。

．—————————』堕望奎兰堕主堑究生学位论文第5IIIII页第2章系统组成与Cortex—M3微控制器分析SCARA机器人由机械系统、驱动系统和控制系统三个基本部分组成，机械系统是SCARA机器人的结构部分，驱动系统则为SCARA机器人运动的执行电机系统，控制系统则是SCARA机器人的“大脑”，是决定SCARA机器人功能和性能的主要因素，是衔接主体和驱动系统的中间关键环节。随着以ARM为代表的微控制器性能不断提升，采用ARM嵌入式技术设计运动控制电路逐渐成为主流。2．1SCARA机器人主体结构SCARA(SelectiveComplianceAssemblyRobotAnll)是一种平面关节型工业机器人，具有四个自由度，包括X、Y、Z方向的旋转运动和沿z轴的直线运动，根据SCAI认机器人丰体结构图可以看到，SCARA机器人主要由四部分组成：基座、大臂、小臂、升降杆和末端执行器，其中大臂、小臂、升降杆和末端执行器分别为SCARA机器人的第一、二、三、四轴，即四个运动轴，通常也称为四个自由度，其主体结构如图2．1。机器人的运动副(转动副或移动副)常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度图2—1SCARA机器人主体结构数。SCARA机器人第一、二、四轴为旋转关节，其轴线是相互平行的，用于在平面内进行定位和定向，第三轴为移动关节，用于完成末端执行器抓取器件的升降运动，每

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