基于STM32的全自动动平衡机控制系统设计.pdf

2024年 第2期（总218期）CFHI电力传动及自动化一重技术随着现代工业的发展，动平衡控制技术在机械工程中得到广泛应用。动平衡机是一种专门用于平衡旋转机械的设备，可以有效提高机械设备的运行精度和寿命。全自动动平衡机控制系统对实现机械平衡有重要意义。动平衡机由电机带动被测转子作旋转运动。该控制系统主要针对小型转子的动平衡测量，由步进电机通过带传动带动转子旋转。步进电机能够将电脉冲信号转换为角位移或线位移。它的步距角与驱动脉冲一一对应，能够避免长时间累积误差。此外，通过驱动器的细分设置，可以提高控制精度。步进电机还能够与结构简单、能够灵活设定精度的开环控制系统结合，从而实现对速度和位置的精确控制1。目前，动平衡机的控制系统主要有传统电机调速控制系统和基于 PLC的控制系统。这些系统虽然可以实现动平衡机的控制和监测，但调试困难、控制精度不高。为解决以上问题，本文提出一种基于 STM32的全自动动平衡机控制系统设计方案，采用STM32为主控 MCU，通过 HMI 人机界面监控动平衡机，调试方便、控制精度高、效果直观、性能稳定2。1.沈阳理工大学机械工程学院硕士研究生，辽宁沈阳110159；2.沈阳理工大学机械工程学院副教授，辽宁沈阳11015910.3969/j.issn.1673-3355.2024.02.018基于STM32的全自动动平衡机控制系统设计史俊彬1，韩辉2摘要：针对传统动平衡机功能单一、转速与位置控制和显示不灵活，以及特定微控制器无法二次开发的问题，提出以STM32单片机为控制器,结合步进电机、霍尔传感器、AD采集电路、HMI人机界面实现全自动动平衡机控制系统的软硬件设计。由HMI人机界面设置及显示状态参数，控制动平衡机的启停、加减速、转向调节及位置;通过细分设置步进电机驱动器实现被测转子的精确定位;实时显示被测转子转速、转向、驱动脉冲频率。试验证明,该控制系统控制方便，显示直观，工作稳定，测量不同转子灵活准确。关键词：全自动动平衡机；步进电机；单片机；人机界面中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1673-3355（2024）02-0018-04Design of Full-automatic Control System of the Dynamic Balancing Device Based on STM32Shi Junbin,Han HuiAbstract:Aiming at the problems of the traditional dynamic balancing devices including sole function,inflexible controland display of rotational speed and position,as well as the impossibility of secondary development of the specificmicrocontroller,this paper proposes a method of software and hardware design by using STM32 single chip microcomputeras controller,while combining with stepping motor,Hall senor,AD acquisition circuit and human-machine interface torealize full-automatic control of the dynamic balancing device.The function of HMI is to set and display the statusparameters,and control start-stop,acceleration and deceleration,steering adjustment and position of the dynamicbalancing device;the stepping motor driver is set in subdivisions to realize precise positioning of the rotor for measurement;and the system can display the rotate speed,direction and driving pulse frequency of the rotor at real-time.Test resultsshow that the control system designed has the advantages of convenient control,direct display,stable operation and flexibleand accurate measurement of different rotors.Key words:Full-automatic dynamic balancing device;stepping motor;single chip microcomputer;human-machine interface60CFHI2024年 第2期（总218期）CFHI TECHNOLOGY电力传动及自动化1工作原理及控制系统全自动动平衡机是一种专门针对平衡旋转机械的设备，其工作原理是通过测试旋转机械的动平衡，确定旋转机械的不平衡量，在动平衡机通过配重或去重，使旋转机械达到平衡状态。目前，动平衡机的控制系统主要有两种，一种是传统电机调速控制系统，另一种是基于 PLC的控制系统。传统电机调速控制系统以电机转速作为控制量，通过电机控制旋转机械的转速。该系统的优点是控制简单，但调试困难、控制精度不高。基于 PLC 的控制系统用 PLC 控制器作主控制器，通过对IO口的控制监控动平衡机。该系统的优点是可编程性强，但控制精度不高、扩展性差。2理论分析与计算2.1步进电机及驱动器单片机 I/O 输出电流能力较弱。本文采用的STM32ZET6单片机。即使将其配置为强推挽输出模式,最大输出电流也20 mA。本文的步进电机型号42BYGH39-401AS，工作电流1.2 A，单片机I/O无法驱动步进电机。而采用驱动器可以大大简化控制电路，通过细分设置提高控制精度，简化控制程序3,4。本文选用的HST-8325B驱动器具有抗压过流保护、响应快、噪声低、运行平稳等优点（见表1）。2.2步进电机控制精度设定及转速计算步 进 电 机 42BYGH39-401AS 的 固 有 步 距 角1.8，每转一周需要200个脉冲。采用的驱动器最大支持256细分，而本文将驱动器设置为16细分，发送 1 600 个脉冲时步进电机旋转一周。由此可知，当步进电机接收到一个脉冲时，步进电机会旋转0.2255。电机转速与脉冲频率、电机固有步距角及细分数之间存在以下关系：V=Pe360m（1）式中：V电机转速（rad/s）；P脉冲频率（Hz）；e电机固有步距角，（）；m细分数。2.3脉冲信号的产生及速度控制定时器可以对输入的时钟进行计数，当计数值达到设定值时触发中断。使用 TIM 定时器输出PWM信号控制电机，通过改变PWM频率实现动平衡 机 的 加 减 速。定 时 器 的 时 钟 来 源 是 RCC-TIMxCLK，频率值为系统主频、时基单元的计数基准频率都是72 MHz。PSC预分频器可设置值为065 535，实际分频系数为预分频器值+1，最大可达65 536分频。计数器对预分频后的时钟进行计数，每个上升沿计数器值会+1，最大计数值为65 535。当计数器计数到最大值或自动重装载寄存器设定值时触发中断并重新计数6。通过设置预分频器PSC 的值和自动重装载寄存器 ARR 的值来完成PWM频率的控制（见图1）。PWM 信号的输出通过 OC（Output Compare）输出比较功能实现，通过比较CNT与CCR寄存器值的关系，对输出电平进行置1、置0或翻转操作，输出一定频率和占空比的PWM信号。PWM的频率与预分频系数PSC和自动重装载寄存器值ARR的关系为：Freq=CKPSCPSC+1ARR+1（2）式中：CKPSC进入时基单元的时钟频率，一般为72 MHz；PSC预分频器的值；ARR自动重装载寄存器的值。表1步进电机驱动器引脚功能引脚PULDIRVCCENS8SW5SW7SW4SW1SW3GNDVDC+A+A-B+B-功能脉冲：上升沿有效，1个脉冲周期走1个步距角。方向：TTL电平。光耦驱动电源。使能端：高电平启动,低电平停止。NC拨码开关细分设定。拨码开关设置无脉冲时电流是否减半。拨码开关工作电流设定。驱动器GND驱动器VCC电机A相+电机A相-电机B相+电机B相-来自RCC的TIMxCLK内部时钟（CK_INT）触发控制器控制器TRGO至DAC自动重装载寄存器UUIU+/-CNT计数器CK_CNTPSC预分频器CKPSC停止、清除或递增图1时基单元612024年 第2期（总218期）CFHI电力传动及自动化一重技术2.4动平衡机的位置控制该控制系统采用主从定时器精确控制脉冲个数。在主从模式下，TIMx定时器以内部连接方式实现定时器同步或链接。以其中一个定时器为主设备，另一个定时器为从设备。主设备负责提供时钟信号和处理中断，从设备生成脉冲信号。主设备可以对从设备的计数器进行复位、启动、停止或提供时钟信号等操作。这种设计使主、从定时器协同工作，精确控制脉冲个数。单片机在收到角度指令的同时启动主定时器提供时钟，而从定时器通过输出PWM波控制电机，主定时器计时相应时间后进入中断程序，在中断程序中关闭从定时器，达到输出目标角度所需脉冲个数的目的。本文采用TIM3输出PWM信号，将TIM3的预分频值PSC3设为71，即分频系数为72。根据公式，进入时基单元的时钟频率为1 MHz。同时，将自动重装载寄存器 ARR3 的值设置为 999。设置后，PWM 信号的频率为 1 000 Hz。另外，本文还用TIM4提供时钟和中断服务函数。TIM4的预分频值设置PSC4为7 199，即分频系数为7 200，则进入时基单元的时钟频率为 10 kHz，将自动重装载寄存器ARR4的值作为形参来控制脉冲个数。具体计算为：N=Freq3T4（3）Freq3=72MPSC3+1ARR3+1（4）T4=()PSC4+1()ARR4+172M（5）式中：N脉冲个数；Freq3TIM3 的频率；T4TIM4 的计数周期；PSC3TIM3 的预分频值；ARR3TIM3的重装载值；PSC4TIM4的预分频值；ARR4TIM4的重装载值。将PSC3=71；ARR3=999；PSC4=7 199带入得：N=ARR410（6）3基于STM32的动平衡机控制系统本文提出的基于 STM32的动平衡机控制系统采用 STM32F103 作为主控芯片，具有调试方便、控制精度高等优点。动平衡机的控制系统需要完成以下功能：采集测量数据、控制并显示转速、显示并向其他设备传输测量结果。因此，控制系统需要配备多种传感器和执行器，如步进电机、驱动器、霍尔传感器、压电传感器。人机界面是系统与用户之间进行交互和信息交换的媒介，实现信息转换，通过HMI控制下位机运行并监测其状态参数（见图2）。3.1硬件设计该动平衡机控制系统使用STM32F103ZET6单片机作主控MCU，该单片机拥有丰富的资源，并且带有外部总线（FSMC），可以外扩SRAM和连接LCD等，便于二次开发。采用FESETE S-60-24开关电源，以输出电压12 V，额定电流2.5 A，给电机驱动器VDC+供电，通过12 V转5 V电源转换模块给单片机及驱动器 VCC+供电。上位机使用MT6103IP 作为状态显示及功能控制界面，通过MODBUS RTU 协议由 RS232 串口与单片机通信，通过03功能码读取多个寄存器，通过06功能码写入单个寄存器，下位机对寄存器中相应位置的值进行判断（见表 2），从而读取上位机发出的命令7。3.2软件设计在动平衡机控制系统软件设计中，单片机程序由KEIL5 MDK编写及烧录，编写时要注意资源分配，防止资源重复使用，使程序无法运行。采用模块化设计，利用主程序调用各个子程序。为了实现C语言图2系统整体结构框图功能码01H02H03H04H05H06H0FH10H功能说明读取输出线圈读取输入线圈读取保持寄存器读取输入寄存器写入单线圈写入单寄存器写入多线圈写入多寄存器表2MODBUS功能码对照表HMI电源转换模版开关电源12V驱动器霍尔传感器滤波放大电路步进电机转子压电传感器单片机62CFHI2024年 第2期（总218期）CFHI TECHNOLOGY电力传动及自动化程序的移植性及主程序调用、移植和升级，各子程序被设计为应用程序接口（API）函数，方便主程序调用不同的功能模块，以及移植和升级。单片机采用不同频率的脉冲控制步进电机的速度，位置控制由定时器和脉冲频率共同实现。上位机采用 EasyBuilderPro 设计与下载人机界面，将MODBUS协议的板级支持包烧入单片机中（见图3、图4），实现单片机与上位机的通信8。上位机报文接收CRC校验功能码判断执行功能下位机写入NY图3MODBUS板级支持包程序流程图图4人机交互界面4结语本文基于 STM32的动平衡机控制系统，采用主从结构，以HMI人机界面取代电脑作为上位机，由单片机及信号采集硬件电路组成下位机，上、下位机间通过MODBUS协议进行信息交互。下位机接收到上位机的命令后开始测试，将传感器及采集系统的数据处理后传给上位机，通过上位机进行检测与显示。该系统控制显示一体化，电路连接简单，测量直观方便，工作稳定，必将取代以往的动平衡设备。参考文献 1 王邦继，等.步进电机控制系统建模及加减速曲线优化J.电机与控制学报,2018，22(1):37-42；52.2 吕颖利,赵会娟.基于单片机的步进电机控制系统研究J.南方农机,2022，53(08):132-134.3 赵鹏，等.步进电机控制系统设计与实现.自动化仪表J,2022，43(11):87-90；94.4 金博丕，等.智能调节续流模式的步进电机细分控制J.东北大学学报（自然科学版）,2022，43(3):390-396；403.5 耿兴华，等.基于STM32的电机控制实验平台设计与实现J.实验室科学,2022，25(3):66-69；74.6 丁力，等.基于STM32的嵌入式测控系统设计J.中南大学学报(自然科学版),2013，44(S1):260-265.7 周明,王振,马睿.STM32单片机与组态屏Modbus通讯模拟设计J.电脑知识与技术,2020，16(26):207-208.8 王春雷,曹东兴.两相混合式步进电机全速范围无位置传感器速度控制J.电机与控制学报,2022，26(3):41-48.收稿日期：2023-10-08（上接第56页）在核反应堆含硼石墨组件焊缝检测上，能够同时检测两件含硼石墨组件焊缝，工作稳定，成片率高，显著提升产品检测效率。5结语针对含硼石墨组件焊缝数量多，透照时间长的检测要求，通过合理布置透照方式，实现同时检测两条含硼石墨组件焊缝的目标，在保证焊缝质量的基础上，透照时间减少一半，解决检测周期长的难题，为国家重点项目按节点完成提供有力保障。参考文献 1 NB/T 20003.3-2015 核电厂核岛机械设备无损检测第3部分：射线检测S收稿日期：2024-03-01 4 Li-xin TIAN.Design and implementation of motion control systemfor plate cutting machine based on PLCJ.HydromechatronicsEngineering，2015(12):95-100.5 孙勤，章德平，陈彪.PLC开发平台的研究及实现J.现代制造工程，2007（7）:116-119.6 廖常初.S7-1200 PLC编程及应用M.北京：机械工业出版社，2021.7 王海珍，彭梅香.一种基于 PCL 的柔性自动化生产线系统J.企业技术开发，2015（7）：45-52.8 刘兆亮.基于PLC控制的柔性生产线中自动分拣系统的研究D.湖北:湖北工业大学,2017.9 陆雪影基于PLC的工业机器人控制系统关键技术研究J科技创新与应用，2018，9(12)：148149.收稿日期：2023-11-01（上接第67页）63