魏謀文，何漢武，胡兆勇，陳詩接

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東 廣州510006；2.廣東省中山市金龍游樂設(shè)備有限公司，廣東 中山528400）

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的穩(wěn)步增長，城鄉(xiāng)居民消費結(jié)構(gòu)的升級，文化娛樂業(yè)在不斷探索中發(fā)生了巨大變化，娛樂的內(nèi)容、方式、手段、載體都融入了新創(chuàng)意和高科技[1]。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，向我們提供了一種新的體驗方式，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，復(fù)雜或抽象系統(tǒng)的概念，可以通過將系統(tǒng)的各子部件以某種方式表示成具有確切含義的符號而得以表達[2]。在此背景下，論文提出了一種以STM32F103為核心的電動機控制系統(tǒng)應(yīng)用于虛擬環(huán)境下動感體驗的方案。

1 系統(tǒng)組成

虛擬體驗是個體與三維計算機模擬交互時栩栩如生的、卷入性的和感性的心理狀態(tài)（活動），主要目的在于使得人有接近真實的體驗。動感座椅作為其體驗方式中的一種重要的設(shè)備，其目的在于使得人有接近真實的前傾、后仰、顛簸等物理體驗，控制系是整個環(huán)境的核心。因此在結(jié)合虛擬環(huán)境的基礎(chǔ)上，運動控制系統(tǒng)的信息采樣和指令發(fā)送要求實時性好，運動控制策略要在以人的真實感覺為前提，同時平臺的穩(wěn)定性和安全性要得到保障[2~3]。

本文涉及的動感座椅是2個直線電機和1個萬向機構(gòu)作為執(zhí)行機械的平臺，直線電機、萬向機構(gòu)按照等邊三角形設(shè)計，如圖1所示。通過控制兩個直線電機的運動模擬虛擬環(huán)境中虛擬汽車的直線行駛、轉(zhuǎn)彎行駛、斜坡行駛等動作。

圖1 控制平臺示意圖

根據(jù)控制平臺設(shè)計要求，系統(tǒng)包括由虛擬環(huán)境、信息處理、運動執(zhí)行三部分，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能框圖

其中，虛擬環(huán)境部分，負責(zé)營造逼真的虛擬環(huán)境，虛擬環(huán)境的逼真程度主要體現(xiàn)在三維場景的質(zhì)量以及與用戶的交互過程上，三維虛擬場景的渲染效果與系統(tǒng)的沉浸感及實時性密切相關(guān)；信息處理部分，負責(zé)信號分析和處理，結(jié)合控制策略，給出運動控制指令，主要由微處理器完成，該處理器相當(dāng)于整個系統(tǒng)的大腦，由它接收信號，也由它發(fā)出指令；運動執(zhí)行部分，主要負責(zé)響應(yīng)運動控制指令做出實時的機械運動。

2 基于STM32F103控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

本控制系統(tǒng)選用STM32F103作為主控制芯片，系統(tǒng)首先由Keil uvision4作為軟件開發(fā)工具，在線開發(fā)出對伺服電機的控制程序，調(diào)試運行成功以后，再把代碼通過JTAG下載到STM32F103控制板的FLASH上，經(jīng)STM32F103處理后，發(fā)出的位置指令信號（脈沖/方向），伺服驅(qū)動器接收位置指令信號，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，進而使電動推桿作直線運動；另一方面，在外圍安裝有一傳感器，通過傳感器采集模塊對執(zhí)行機構(gòu)的位置進行采集進而反饋到控制板內(nèi)，進而達到對電機運動的反饋控制調(diào)節(jié)，圖3為控制系統(tǒng)邏輯框圖。

圖3 控制系統(tǒng)邏輯框圖

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1.1 STM32F103微處理器

STM32F103系列處理器是由意法半導(dǎo)體ST公司設(shè)計，其使用了高性能的ARM Cortex-M3 32位的RSIC內(nèi)核，其工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲器（高達128 K字節(jié)的閃存和20 K字節(jié)SRAM），具有豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)，STM32F103以其強大的內(nèi)核及其豐富的外設(shè)使其在控制應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛的使用[4]。系統(tǒng)主控芯片STM32F103VBH6的具體參數(shù)及IO引腳定義可參考STM32F10XXX中文參考手冊。

2.1.2 主要電路

（1）電源

STM32F103工作電壓為3.3 V，因此本系設(shè)計為3.3 V應(yīng)用系統(tǒng)。首先，由電源接口輸入12 V直流電源，經(jīng)電容濾波，然后通過LM2576T-5.0芯片將電源穩(wěn)壓至5 V，再使用AMS1117 3.3芯片穩(wěn)壓輸出3.3 V電壓。電源電路如圖4所示。

圖4 穩(wěn)壓電路

（2）復(fù)位、晶振和啟動

復(fù)位電路如圖5所示，復(fù)位部分采用一個按鍵開關(guān)來實現(xiàn)。

圖5 復(fù)位電路

時鐘電路如圖6所示，8 MHz無源晶振，提供硬件時序；32.768 kHz晶振為實時時鐘使用。

圖6 時鐘電路

啟動模式電路如圖7所示，系統(tǒng)啟動通過BOOT[1:0]引腳電平選擇不同的啟動模式。BOOT1=x，BOOT0=0：用戶閃存被選為啟動區(qū)，表示任意電平；BOOT1=0，BOOT0=1：系統(tǒng)內(nèi)存被選為啟動區(qū)；BOOT1=1，BOOT0=1：嵌入式SRAM被選為啟動區(qū)。

圖7 啟動模式選擇電路

（3）JTAG接口

JTAG調(diào)試接口如圖8所示，采用標(biāo)準(zhǔn)的20pin接口，通過此接口利用外部Jlink仿真器可以來對系統(tǒng)進行調(diào)試和程序的下載。

圖8 JTAG接口電路

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

STM32F103微處理器基于ARM Cortex-M3 32位的RSIC內(nèi)核，很多基于ARM嵌入式開發(fā)環(huán)境可以用于STM32F103開發(fā)平臺。本系統(tǒng)開發(fā)軟使用Keil uvision4，Keil是德國知名軟件公司Keil（現(xiàn)已并入ARM公司）開發(fā)的微控制器軟件開發(fā)平臺，是目前ARM單片機開發(fā)的主流工具。

STM32F103的PWM產(chǎn)生是由定時器模塊完成的，STM32F103中的定時器除了TIM6和TIM7外，其他定時器都可以用來產(chǎn)生PWM輸出，每個定時器都具有16位向上、向下、上下自動裝載計數(shù)器，有4個獨立的通道。通用定時器（TIM2~TIM5）可以同時產(chǎn)生多達4路的PWM輸出，而高級定時器TIM1和TIM8可以產(chǎn)生多達7路的PWM輸出，STM32最多可以同時產(chǎn)生30路的PWM輸出[5]。在Keil uvision4中STM32F103F通用定時器TIMx（x=2，3，4，5）產(chǎn)生PWM波形流程如圖9所示。

圖9 輸出PWM流程圖

根據(jù)公式：

可以求出TIMx預(yù)分頻器的值TIMx_Period。其中，TIMxCLK=72 MHz，fTIMx各通道PWM的輸出頻率。通過調(diào)節(jié)預(yù)分頻器的值TIMx_Period來調(diào)節(jié)各通道的PWM的輸出頻率，通過輸出頻率進而調(diào)節(jié)電機的速度。圖10為TIM2的CH3（PA2）在Keil uvision4軟件中仿真產(chǎn)生PWM波形。

圖10 PWM輸出波形（fTIM2=100 kHz）

2.3 伺服馬達與伺服驅(qū)動器

系統(tǒng)伺服馬達選用的是東元TSB系列TSB08751C-2BT-3，輸出功率750 w。本系統(tǒng)驅(qū)動器選用的是東元TSTE系列TSTE20C經(jīng)濟型驅(qū)動器，內(nèi)置增量式編碼器。東元TSTE20C伺服驅(qū)動器外型精簡且機能實用，具備轉(zhuǎn)矩、速度、位置、點對點定位及混合模式切換功能，內(nèi)建回生煞車晶體、RS232/RS485通訊接口，完善的異常報警保護機制,具有高優(yōu)勢之性價比。

東元伺服驅(qū)動器提供單模式（位置、速度、轉(zhuǎn)矩）及雙模式切換（位置/速度、速度/轉(zhuǎn)矩、位置/轉(zhuǎn)矩）二類控制方式，這里選擇單模式位置控制，在位置控制方式下，伺服驅(qū)動器CN1控制信號端4腳（Pulse）信號作為外部脈沖控制信號輸入，6腳(Sign)作為外部方向信號輸入，5腳（/Pulse）、7腳(/Sign)接地；伺服驅(qū)動器CN2編碼器站連接伺服馬達。

2.4 電機位置的計算

查閱東元TSTE產(chǎn)品說明書知，東元TSTE系列T STE20C經(jīng)濟型驅(qū)動器內(nèi)置增量式編碼器：2 000 ppr/2 500 ppr，與馬達TSB08751C結(jié)合時，內(nèi)置增量式編碼器規(guī)格為：2 500 ppr。經(jīng)2相計數(shù)后，在電子齒輪比設(shè)為1的情況下，馬達旋轉(zhuǎn)一周，直線推桿移動2.5 mm，周期計數(shù)需10 000個脈沖[5]。進而根據(jù)計數(shù)器的值能得到電動推桿的具體位置，具體計算如下：

其中，

θ為每個脈沖對應(yīng)的角度；

θm為馬達旋轉(zhuǎn)的角度；

Num為定時器發(fā)出的脈沖數(shù)；

s為直線推桿移動的距離；

2.5 電機方向與位置檢測的控制

STM32系列的通用輸入輸出GPIO有很強大的功能，其每個IO口可以自由編程，可以獨立控制每個IO口的方向（輸入/輸出模式），可以獨立設(shè)置每個IO的輸出狀態(tài)（高/低電平）[4]。這里選用如PE1（PE2）作為輸出（高/低電平），控制電機Ⅰ（電機Ⅱ）正反轉(zhuǎn)；選用如PE8作為輸入，檢測電動推桿Ⅰ（電動推桿Ⅱ）限位開關(guān)狀態(tài)。

通過輸入口電平變化來檢測限位開關(guān)狀態(tài)，進而根據(jù)電平的變化來推算此時電機的轉(zhuǎn)向，然后再根據(jù)脈沖個數(shù)推算電機位置，該方法具有簡單易實現(xiàn)的優(yōu)點。實驗結(jié)果表明，該方法具有較好的檢測效果，檢測結(jié)果準(zhǔn)確，電機運動過程平穩(wěn)。

2.6 系統(tǒng)實物構(gòu)成

如上所述，本文系統(tǒng)由以STM32F103為核心芯片的控制卡、東元TSTE系列驅(qū)動器、東元TSB系列馬達、力姆泰克IMB系列伺服電動缸等組成一個整的控制系統(tǒng)。圖11為控制系統(tǒng)實物連接圖。

圖11 控制系統(tǒng)實連接圖

3 結(jié)束語

本文將嵌入式技術(shù)運用于虛擬體驗的動感座椅控制系統(tǒng)，設(shè)計一種基于STM32F-103為控制核心的虛擬體驗動感座椅控制系統(tǒng)，利用STM32F103定時器產(chǎn)生PWM控制信號，實現(xiàn)對伺服電動機的速度控制；利用STM32F103輸出口高低電平的變化，實現(xiàn)對伺服電機轉(zhuǎn)向的控制；利用STM32F103輸入口，實現(xiàn)對伺服電機的位置檢測控制。該方案充分利用STM32F103的超強實時計算能力和一些集成器件，使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、性能良好、成本低和可靠性強等特點。

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