基于STM32对于三轴机械臂控制器设计

 

➤ 01背景

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在 组装肩部带有减速器双轴机械臂组装与调试 的调试基础上，对于 两轴机械臂+机械爪整体控制板设计与机械爪控制调试 的双轴空集基本定型。除此之外增加了升降步进电机的控制。

这个版本在之前的调试基础之上，将控制器的主要MCUGG换成STM32。考虑到：

• 将UART增加到三个，可以实现调试、角度传感器、外部RS232通信等方面的功能；
• 对于输出脉冲进行终端控制。
• 提高内部RAM容量，为控制功能提供硬件资源。

● 第一版本设计错误

• MCU缺少DIR1,DIR龙哥485总线方向控制的信号。

 

➤ 02硬件设计

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为了加速升级，将硬件控制设计成两部分：

1. 核心板：包括有MCU，调试接口，3.3V电源。
2. 接口板：对角度传感器 角度编码器 ST-3806-15-RS 读写所使用的MODBUS总线（RS485+MODBUS协议），RS232接口，舵机接口，2003达林顿接口。

1.核心板设计¹

^{▲ 原理图设计}

^{▲ 单面PCB板图设计}

2.端口定义

(1) IO口

从左到右：PIN1 ~ 10

PIN1	PIN2	PIN3	PIN4	PIN5	PIN6	PIN7	PIN8	PIN9	PIN10
PS1	PS2	IO0	IO1	IO2	IO3	IO4	IO5	IO6	SERVO1

(2) 串口

从左到右：PIN1~ 6

PIN1	PIN2	PIN3	PIN4	PIN5	PIN6
+5V	GND	RXD2	TXD2	RXD3	TXD3

(3) 按键接口

从左到右： PIN1 ~ 6

PIN1	PIN2	PIN3	PIN4	PIN5	PIN6
+5V	GND	KEY1	KEY2	KEY3	KEY4

3.初步焊接与组装

^{▲ 快速制版的印刷电路板}

^{▲ 对PCB板线路使用烙铁镀上锡}

^{▲ 焊接TQFP48 STM32C103F8C6}

^{▲ 焊接TQFP48 STM32C103F8C6}

^{▲ 焊接TQFP48 STM32C103F8C6}

3.接口板设计

(1) 原理图和PCB版图设计²

^{▲ 原理图}

^{▲ PCB板图640}

(2) 焊接组装

^{▲ 焊接制作后的电路板}

^{▲ 外部接口定义}

^{▲ 组装在一起的电路板}

 

➤ 03初步调试

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1.硬件调试

(1) 上电测试

• 板上电源施加+5V，电流：38mA。
• U3 AS1117：输出电压 3.292V。

(2) 下载程序

^{▲ STM32的配置}

^{▲ 下载程序}

(3) 舵机控制脉冲

舵机的信号：

• 50Hz，脉冲宽度：1ms~2ms
• 极性是负极性。适合通过外围的反向输出缓冲。

^{▲ 输出SERVO的脉冲}

^{▲ 设置输出极性反过来}

 

➤ 04接口板调试

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在核心板调试的基础配合下，对接口板进行相应的调试。

1.控制串口

(1) 接口协议

控制协议可以参见 机械臂底层通信协议说明 。通讯底层协议为：

• 串行通信232逻辑电平
• 波特率： 115200bps

(2) 接口连线

命令串口连入UART3.

^{▲ 接口电路图和PCB版图640}

• 制作三芯接口对应：

PSEN	PIN1	PIN2	PIN3
DB9	PIN5	PIN3	PIN2
定义	GND	TXD	RXD

• 三芯接口：白色标记点对应RXD(PIN3)

在上电后对于PSEN中的RXD（PIN3）测量，会有大约-8.9V的输出电压。确认接口芯片MAX202工作正常。

(3) 接口联通测试

^{▲ 测试UART命令串口}

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# TEST1.PY                     -- by Dr. ZhuoQing 2020-10-23
#
# Note:
#============================================================

from head import *
import serial
from _ast import Or
from serial.serialutil import SerialException
sport = serial.Serial()
sport.baudrate = 115200
sport.timeout = 0.05
try:
    sport.port = 'COM10'
except:
    printf('Set sport port COM10 error. ')
try:
    sport.open()
except serial.serialutil.SerialException:
    printf('Open sport port COM10 error.')
else:
    printf('Open sport port COM10 Ok.')

while True:
    sport.write(b'U')
    time.sleep(1)

    ret = sport.read(100)
    printf(ret)

#------------------------------------------------------------
#        END OF FILE : TEST1.PY
#============================================================

2.角度传感器

根据 角度编码器 ST-3806-15-RS 中给出的接口标准，对于ST-3806-15-RS制作5pins的100mil的接口（Male）。

表格：角度传感器接头定义

红/RD	黑/BK	绿/GN	黄/YE	白/WH
+5~24V	0V	485A+	485B-	SET

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1. 核心板AD工程文件:AD\XQWF\2020\机械臂\F103C8CNT.SchDoc * ↩︎

2. 接口板的AD工程文件:AD\XQWF\2020\机械臂\CNTINTERFACE.PcbDoc ↩︎

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