本文設(shè)計實現(xiàn)了一種三路步進電機控制系統(tǒng)，它基于RTThread嵌入式實時系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的實時性和后期的功能擴展能力。系統(tǒng)控制電路采用STM32F4系列的微控制器，結(jié)合小功率步進電機驅(qū)動器A4988，完成了硬件電路板設(shè)計。軟件中運用操作系統(tǒng)自帶的finsh機制，實現(xiàn)對指令的初步解析，控制系統(tǒng)可以通過讀取G指令,控制多路電機按照一定軌跡運動，同時可以調(diào)節(jié)電機運動的加減速參數(shù)。實際項目驗證證明該系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性。

隨著計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，步進電機作為自動化控制的執(zhí)行單元，越來越多地運用在各種領(lǐng)域中，許多控制領(lǐng)域需要對多臺步進電機進行同步協(xié)調(diào)控制,如軍事、航空、機器人控制。特別是近年來，隨著嵌入式技術(shù)和集成化的發(fā)展，其應(yīng)用范圍逐步擴大，逐漸擴展到普通民用行業(yè)，如小型雕刻機、3D打印等。步進電機作為一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的機電元件，其最大的優(yōu)點是易于開環(huán)控制、無積累誤差。在應(yīng)用中，對速度、位置的精度控制尤為重要，所以對于電機的控制要具有實時性[1]。

傳統(tǒng)上，單片機控制適合比較簡單的電機控制系統(tǒng)，對于復(fù)雜的系統(tǒng)，若電機控制只為其中的一個模塊，既要求電機控制模塊內(nèi)部協(xié)調(diào)運動，又要求與其他模塊保持同步，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實現(xiàn)難度大。

隨著單片機本身性能的增強，在嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，完成對多電機的實時協(xié)調(diào)控制具有很多優(yōu)點。嵌入式系統(tǒng)的實時性特點可以使其勝任對多電機的協(xié)調(diào)控制；可裁減性特點可以使得系統(tǒng)容易擴展其他模塊；能夠支持多任務(wù)，使得程序開發(fā)更加容易，便于維護，同時能夠提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[2]。

本研究基于嵌入式實時系統(tǒng)設(shè)計出一套多步進電機控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)基于嵌入式技術(shù)協(xié)同控制三路步進電機，以對多軸系統(tǒng)的速度、位置達到精確控制，并且可以實時調(diào)節(jié)電機的運動速度。本設(shè)計的重點為軟件方面對電機的協(xié)同控制，使得系統(tǒng)對電機的定位精度達到預(yù)期的目的。系統(tǒng)本身很容易地根據(jù)不同功能需求擴展出各種功能，具有一定實用價值。

硬件電路設(shè)計

1.1總體設(shè)計

本設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

主控芯片采用內(nèi)置的UART串口與上位機通信，接收上位機發(fā)送的控制指令，并向上位機發(fā)送系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)。通過SPI接口讀取SD卡中的Gcode文件，主控芯片逐行解析文件中的G指令，根據(jù)G指令中位置偏移和速度，最終得到驅(qū)動電機的脈沖，從而控制3路步進電機按照推薦速度精確達到目的位置。3路限位開關(guān)可以反饋電機的位置信息，主要用于初始化步進電機系統(tǒng)，從而規(guī)定電機系統(tǒng)內(nèi)部坐標(biāo)系。

本設(shè)計電路中主控制器采用ST公司的STM32F4系列微控制器，電機驅(qū)動芯片采用A4988，作為執(zhí)行機構(gòu)的步進電機使用兩相四線的42步進電機。

1.2主控芯片

本系統(tǒng)電路中主控芯片采用基于ARM內(nèi)核的STM32F40x微控制器，芯片內(nèi)部含有1 MB Flash和256 KB RAM，完全可以運行小型的嵌入式系統(tǒng)。該微控制器還包括了大量的片上外設(shè)資源，非常適合控制類應(yīng)用。

1.3驅(qū)動模塊

本系統(tǒng)電路中電機驅(qū)動模塊采用Allegro公司的A4988電機驅(qū)動器，該驅(qū)動器是一個完整的帶有內(nèi)置轉(zhuǎn)換器的微電機驅(qū)動器，它可在全、半、1/4、1/8 及 1/16 步進模式時操作雙極步進電動機，具有高達35 V和±2 A的輸出驅(qū)動能力，且控制簡單，只需在驅(qū)動器相應(yīng)引腳輸入一個脈沖即可驅(qū)動步進電動機產(chǎn)生一個微步，程序不必再考慮相序表等電機底層的控制，驅(qū)動模塊電路如圖2所示。

圖2 驅(qū)動模塊

本設(shè)備采用1/16細(xì)分模式，MS1、MS2、MS3引腳需置高電平，主控制器只需控制電機驅(qū)動芯片上的ENABLE、DIR、STEP三個引腳即可完全控制此步進電機。ENABLE為步進電機控制器的使能端；DIR為電機的方向控制端，用于控制電機的轉(zhuǎn)動方向；STEP為電機的步數(shù)控制端，輸入脈沖來控制電機的步數(shù)以及轉(zhuǎn)速。

軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.1軟件總體設(shè)計

根據(jù)設(shè)計需要實現(xiàn)的目標(biāo)，本文把系統(tǒng)分為不同的子功能，充分利用嵌入式系統(tǒng)多任務(wù)的優(yōu)勢，把各個子功能作為系統(tǒng)中不同的任務(wù)進程實現(xiàn)，包括：上位機指令解析任務(wù)、用戶界面顯示、記錄監(jiān)視進程、運動規(guī)劃管理進程、電機驅(qū)動任務(wù)，各個任務(wù)通過嵌入式系統(tǒng)的信號量進行同步。為了保證步進電機系統(tǒng)的實時性，其中電機驅(qū)動進程為核心進程，設(shè)定其任務(wù)優(yōu)先級最高，除中斷外，沒有任何進程可以搶占它的CPU控制權(quán)。

系統(tǒng)設(shè)計有用戶互交界面，終端選用串口工控彩屏，控制簡單，作為系統(tǒng)脫離上位機時的控制方式。

本文將主要介紹軟件設(shè)計電機運動規(guī)劃和底層驅(qū)動的實現(xiàn)：從串口或SD卡讀取運動指令，轉(zhuǎn)換為實際的電機機構(gòu)的移動。

① 使用finsh shell機制從串口或直接從SD卡讀取指令，識別指令，隨后存放入指令緩沖區(qū)；

② 運動規(guī)劃進程取得指令，把它們轉(zhuǎn)化為Block塊對象，其中包含了速度、方向、加速度等信息，并加入Planner中的環(huán)形緩沖隊列中；

③ 無論什么時候Planner中存在Block塊對象，電機驅(qū)動進程都將會啟動，讀取塊對象，并啟動定時器中斷。

2.2嵌入式系統(tǒng)選擇

在實時嵌入式系統(tǒng)的選擇上，本設(shè)計選用了RTThread嵌入式操作系統(tǒng)，它是一款類Linux系統(tǒng)，它是一款國內(nèi)的開源全搶占的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核[3]。RTThread實時操作系統(tǒng)內(nèi)核是一個高效的硬實時內(nèi)核，它具備非常優(yōu)異的實時性、穩(wěn)定性、可裁減性，最小可以只有3 KB ROM和1 KB RAM占用。其內(nèi)核包提供了大部分的同步和通信機制，并且任務(wù)調(diào)度算法基于優(yōu)先級的全搶占式線程調(diào)度，最多可支持256個線程優(yōu)先級。此嵌入式系統(tǒng)支持從ARM7到CortexM3等多種類型內(nèi)核的處理器。

除了內(nèi)核之外，此嵌入式系統(tǒng)還用于文件系統(tǒng)、TCP/IP協(xié)議棧、圖形用戶界面、用戶shell組件，本設(shè)計中就運用了系統(tǒng)的shell組件來簡化命令解析功能。

上位機指令解析任務(wù)依靠嵌入式系統(tǒng)中的finsh shell機制，finsh shell是RTThread內(nèi)置的用戶命令行組件，用戶能夠通過串口設(shè)備使用finsh shell，它在系統(tǒng)中被設(shè)計為一個獨立的進程，其進程默認(rèn)優(yōu)先級為8，進程試圖從外部設(shè)備中獲得用戶的輸入，然后對用戶命令進行解析執(zhí)行。依靠嵌入式系統(tǒng)提供的shell機制，可以輕易地自定義用戶指令，通過如下宏定義實現(xiàn)：FINSH_FUNCTION_EXPORT_ALIAS（）。

圖3 Gcode_recev流程圖

本文中實現(xiàn)一個Gcode_recev（char *movecmd）函數(shù)，參數(shù)movecmd為一行或多行G指令，函數(shù)的結(jié)構(gòu)流程圖如圖3所示，其中指令緩沖區(qū)為全局的自定義的結(jié)構(gòu)體。結(jié)構(gòu)體包含一個環(huán)形緩沖區(qū)和一個信號量，通過這個全局變量實現(xiàn)進程間的數(shù)據(jù)共享，并且用信號量避免緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的競爭。

通過宏定義“FINSH_FUNCTION_EXPORT_ALIAS(Gcode_recev,G,"Gcode_recev(“”)")”,我們可以通過串口終端以G(“cmd”)的形式執(zhí)行運動指令，達到調(diào)試的目的。除此之外，系統(tǒng)還實現(xiàn)了關(guān)啟電機、清除運動緩沖、查看參數(shù)等函數(shù)功能。

2.3運動規(guī)劃管理

圖4 運動規(guī)劃管理流程圖

系統(tǒng)的實際使用狀態(tài)通常為一端不斷讀取運動指令，另一端不斷驅(qū)動多路步進電機移動。兩端中間存在一個結(jié)構(gòu)體隊列來緩沖兩端執(zhí)行速度的差異，進程的結(jié)構(gòu)流程圖如圖4所示。

系統(tǒng)通過串口或SD卡能夠識別的運動指令(通常為G指令)，指令中包含了電機移動的目的坐標(biāo)和速度參數(shù)。讀取一行運動指令后，系統(tǒng)結(jié)合全局信息對指令進行解析，為了防止電機啟動時，啟動速度過快造成失步，或電機停止時速度過快而不能精確定位，步進電機的運動方式采用梯形運動方式。

在程序中，設(shè)計了Planner_t結(jié)構(gòu)體。stage1部分為一個環(huán)形緩沖區(qū)，緩沖區(qū)大小可以根據(jù)實際使用情況定義。代碼如下：

typedef struct{
//stage1
stepBlock_t stepBlock[BUFFER_SIZE];
int32_thead , tail , len;
//stage2V
……
}Planner_t;

而stepBlock_t結(jié)構(gòu)體中包含了各步進電機運動的方向、步數(shù)、主步數(shù)（即各電機運動步數(shù)的最大值）、加速前步數(shù)、減速前步數(shù)、速度等信息，用于底層的電機驅(qū)動函數(shù)代碼如下：

typedef struct{
//stage1
int32_t steps[3];
bool dir[STEPPER_NUM];
int32_t steps_event_count;
//stage2
int32_t accelerate_until;
int32_t decelerate_after;
float acceleration;
}stepBlock_t;

2.4電機驅(qū)動

以上只是對步進電機運動的規(guī)劃，并沒有涉及到底層的電機驅(qū)動，實際的電機驅(qū)動一般采用兩種方式：定時器PWM脈沖或定時器中斷[4]。本文中采用定時器中斷函數(shù)在操作系統(tǒng)下層直接驅(qū)動步進電機，只需在中斷函數(shù)中向某個電機驅(qū)動器CLK引腳發(fā)送一個脈沖，即可驅(qū)動電機一微步。

在系統(tǒng)中的多個用戶任務(wù)進程中，電機驅(qū)動進程是最重要的，它實際上完成了對步進電機最底層的控制，為了保證當(dāng)前運動指令下電機運行的流暢，此進程對時間要求非常敏感，它在系統(tǒng)中決定了電機運動速度的上限。進程流程圖如圖5所示,此進程用一個不斷循環(huán)的函數(shù)實現(xiàn)，對應(yīng)于規(guī)劃管理進程不斷向Planner結(jié)構(gòu)體中填充塊數(shù)據(jù)，電機驅(qū)動進程則不斷從Planner中取出塊數(shù)據(jù)，根據(jù)Block塊中的參數(shù)啟動Timer定時器，首次設(shè)置定時器參數(shù)，最終在定時器中斷服務(wù)函數(shù)中驅(qū)動電機運動。

圖5 電機驅(qū)動進程

STM32F40x系列微控制器用于多個定時器資源，并且其時鐘頻率最高可達到84 MHz。本系統(tǒng)中，電機的最大轉(zhuǎn)速為1500 PRM，驅(qū)動器取16細(xì)分時，若要達到此速度，需要定時器頻率約為72 kHz，考慮到系統(tǒng)多任務(wù)的復(fù)雜性，也完全可以滿足需要。

定時器中斷在系統(tǒng)中的應(yīng)用僅保證兩個微步間隔時間的精確性，為了保證嵌入式系統(tǒng)的實時性，定時器的中斷服務(wù)函數(shù)執(zhí)行時間應(yīng)盡量縮短[5]，因此在中斷服務(wù)函數(shù)中只做兩件必要的任務(wù)：給步進電機脈沖和更新定時器。中斷服務(wù)函數(shù)流程圖如圖6所示。

圖6 中斷服務(wù)函數(shù)流程圖

結(jié)語

本文在RTThread的嵌入式實時系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了對多路步進電機的控制，基于嵌入式系統(tǒng)，系統(tǒng)功能按模塊設(shè)計實現(xiàn)，大大減小了設(shè)計的整體難度，并且有利于系統(tǒng)后期的功能擴展,以較低的成本實現(xiàn)多路步進電機的控制?；诖嗽O(shè)計的3D打印機項目已經(jīng)在使用，且系統(tǒng)運行穩(wěn)定。