如何实现基于STM32对于三轴机械臂控制器设计？

本文使用了STM32对于一款三轴机械臂进行初步驱动，调试他的各个关节的运动情况。
➤ 01背景

  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

  为了加速升级，将硬件控制设计成两部分：

• 核心板：包括有MCU，调试接口，3.3V电源。
  
• 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
[tr]PIN1PIN2PIN3PIN4PIN5PIN6PIN7PIN8PIN9PIN10[/tr]

PS1

PS2

IO0

IO1

IO2

IO3

IO4

IO5

IO6

SERVO1

(2) 串口

从左到右：PIN1~ 6
[tr]PIN1PIN2PIN3PIN4PIN5PIN6[/tr]

+5V

GND

RXD2

TXD2

RXD3

TXD3

(3) 按键接口

从左到右： PIN1 ~ 6
[tr]PIN1PIN2PIN3PIN4PIN5PIN6[/tr]

+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3

  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

  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：
  
  

[tr]PSENPIN1PIN2PIN3[/tr]

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
[tr]红/RD黑/BK绿/GN黄/YE白/WH[/tr]

+5~24V

0V

485A+

485B-

SET