摘  要： 選取STM32系列的STM32F103RBT6作為主控系統(tǒng)，以L6203作為直流電機(jī)的驅(qū)動,；根據(jù)小車的位置通過PID算法調(diào)節(jié)小車的速度,，對主控中高級定時器進(jìn)行設(shè)計，通過UART顯示數(shù)據(jù),；觀測小車運行過程中能否消除慣性帶來的影響并立刻轉(zhuǎn)向,，及PID算法是否可以應(yīng)用在噴繪機(jī)小車的控制系統(tǒng)中。經(jīng)過理論分析和軟硬件結(jié)合測試表明,，該設(shè)計不但解決了直流電機(jī)中由于慣性大難以剎車的問題,，并驗證了PID算法在噴繪機(jī)控制系統(tǒng)中的可行性和實用性。

　　關(guān)鍵詞： STM32,；L6203,；PID算法；噴繪機(jī)

0 引言

　　噴墨式噴繪機(jī)為保證噴繪出圖像精準(zhǔn)細(xì)膩,，小車上的噴頭每行掃描過程中按需進(jìn)行噴墨,，但是來自小車的平穩(wěn)性以及在改變方向時小車的運動狀態(tài)，直接影響噴頭墨滴噴出的位置,。如何在保證小車平穩(wěn)運行前提下,，根據(jù)提供的信號改變小車的運行狀態(tài)值得深入研究和探討。

1 系統(tǒng)設(shè)計理念

　　攜帶噴頭的小車在噴繪軌道上來回運動,，在需要的位置上（即像素點）噴頭進(jìn)行噴墨,。主控發(fā)控制信號給電機(jī)驅(qū)動模塊來控制電機(jī)，從而控制小車的方向和位置,。電機(jī)可以是步進(jìn)電機(jī),、位置控制方式的伺服電機(jī)和直流電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)啟動力矩大,，易于精確控制位置,，但很難達(dá)到高速，實際應(yīng)用中使用較少,。位置控制方式的伺服電機(jī)不但具有步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點,，而且內(nèi)置的控制器具有電子齒輪易改傳動比，實際應(yīng)用中采用較多,，但此電機(jī)非常昂貴,，從實際的成本出發(fā)不易選用,。綜合考慮，采用成本較低的普通直流電機(jī),，通過調(diào)整驅(qū)動電壓調(diào)整速度,，但直流電機(jī)不能精確定位，必須為其配備精密的位置檢測機(jī)構(gòu)以及伺服控制機(jī)構(gòu)才能實現(xiàn)較精確的定位,。由于攜帶噴頭的小車慣性很大,，方向調(diào)整時很難瞬時根據(jù)控制信號來更改方向，總是在主控發(fā)送完調(diào)整方向信號后速度慢慢減到0,，然后才能調(diào)整方向從0慢慢加速,。由于機(jī)械特性增加了誤差，不少研發(fā)人員采用在改變方向前先加高占空比反相沖擊電壓,，然后再調(diào)整適合的占空比,，但實際應(yīng)用過程中此方法并不完全合適。這是因為質(zhì)量太大,，高脈沖難以沖擊反相速度并調(diào)整方向,。綜合不同的方法和經(jīng)驗，借助STM32主控系統(tǒng)的優(yōu)勢,，通過理論研究和實際應(yīng)用迅速調(diào)整方向,，基本消除了物體質(zhì)量過大帶來的慣性影響，而且小車在實際運行中通過PID算法[1]達(dá)到平穩(wěn),。噴繪機(jī)的噴繪軌道是帶光柵的,，小車實際運行過程中接收光柵編碼器的位置信號，從而計算小車的位置和運動速度,。由于機(jī)械,、系統(tǒng)成本、復(fù)雜性,、實驗環(huán)境等多方面限制,，本設(shè)計系統(tǒng)沒有真正采用噴繪系統(tǒng)的小車作為研究對象，但為了說明和解決實際問題,，本設(shè)計系統(tǒng)采用同等系統(tǒng)的等效法進(jìn)行實驗,。設(shè)計系統(tǒng)等效法如下：在電機(jī)上固定噴頭和小車同等重量的物體（相當(dāng)于小車攜帶噴頭的運動系統(tǒng)），并在物體上綁定多圈可調(diào)電位器（相當(dāng)于光柵編碼器來傳送位置信號）,，電位器上綁定一定質(zhì)量的擺,，擺偏移設(shè)定點（相當(dāng)于小車系統(tǒng)的原點）的角度記作位置（相當(dāng)于小車偏移位置），通過PID算法調(diào)節(jié)擺的占空比（相當(dāng)于小車的速度）,，擺在偏移點左右轉(zhuǎn)動時瞬間改變電機(jī)的方向（相當(dāng)于小車方向調(diào)整）,。通過系統(tǒng)等效法驗證了此設(shè)計方法在噴繪系統(tǒng)的實用性和可行性。

2 基于系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　圖1,、2為控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)架構(gòu),，其中圖1是系統(tǒng)硬件的總體架構(gòu),，圖2是電機(jī)的驅(qū)動電路,。主控系統(tǒng)選取的是STM32系列的STM32F103RBT6,，選此控制系統(tǒng)是因為主控不但使用方便、成本較低,、通過高級定時器編程設(shè)計直接實現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動的死區(qū)設(shè)置,，并可適當(dāng)?shù)馗乃绤^(qū)時間，而且普通定時器也具有編碼功能,，可直接應(yīng)用在噴繪機(jī)控制系統(tǒng)中的光柵編碼器,，從而正交采集光柵信號檢測小車[2]的運行位置。PC與STM32主控交互,，可通過J-Link向主控中的Flash下載程序或通過PC的串口工具接收單片機(jī)發(fā)送的信息等,。設(shè)計中選取STM32為主控，選取支持死區(qū)模式的TIM1定時器的PWM輸出供給L6203信號,。主控中集成的AD主要是為了采樣搖擺偏移原點的位置（相當(dāng)于小車偏移位置）,，主控中的DMA主要是為了快速傳遞AD采樣信息。為實現(xiàn)嵌入式經(jīng)典理論中前后臺系統(tǒng)設(shè)計,，采用中斷方式（NVIC）來處理任務(wù),。主控中的RCC為系統(tǒng)需要的時鐘配置；GPIO為需要的引腳配置,，既包括AD引腳的采樣輸入引腳,，又包括定時器的PWM輸出引腳等；UART接口通過串口線和PC連接來顯示信息,；Tim4定時顯示處理向PC發(fā)送電機(jī)的狀態(tài)信息,；SysTick定時中斷處理不同角度下通過PID調(diào)整的占空比任務(wù)。

　　L6230電機(jī)的驅(qū)動模塊是手動焊接且通過測試可正常工作的,。之所以選擇以L6203為主芯片模塊,，是因為此模塊可以提供最大電流4 A、最大電壓48 V,，以便可以提供搖擺足夠大的速度,，來觀察高速運動下通過設(shè)置死區(qū)能否克服物體由于質(zhì)量大帶來的難以剎車問題，從而驗證此設(shè)計系統(tǒng)在噴繪領(lǐng)域的實用性,。主控和L6203跳線時,，為保護(hù)主控系統(tǒng)又要滿足主控和電機(jī)模塊的對地接入，L6203模塊在接入時的GND引腳先跳線到SEMSE引腳,，然后再跳線到L6203 GND引腳,，再接入到主控STM32的GND。此方法的主要作用是當(dāng)系統(tǒng)中電流過大時,，電流只會貫穿L6203,，不會燒壞STM32主控,，對主控起到保護(hù)作用。L6203的IN1和IN2為兩路PWM輸入,，Vs和SEMSE接入穩(wěn)壓電源的正負(fù)極,，EN為主控提供使能信號，OUT1和OUT2供給普通直流電機(jī)的電壓,。

3 基于系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　整個軟件架構(gòu)分別對串行通信,、高級定時器、AD角度采樣,、PID算法設(shè)計,、主控狀態(tài)機(jī)切換等進(jìn)行設(shè)計與研究，最后借助PC上的串口調(diào)試器人機(jī)交互來設(shè)置采樣位置和檢測系統(tǒng)的執(zhí)行狀態(tài),，從而證明系統(tǒng)可行性,。

　　3.1 軟件中狀態(tài)機(jī)切換

　　圖3為控制系統(tǒng)中狀態(tài)機(jī)間的切換。程序設(shè)計思想借助于嵌入式實時操作系統(tǒng)提出的前后臺系統(tǒng)理論,。為避免后臺系統(tǒng)打斷前臺系統(tǒng)對任務(wù)的處理有影響,，任務(wù)做在后臺中斷里，前臺的While（）死循環(huán)（LOOP狀態(tài)）中沒有任務(wù),，后臺通過中斷信號來告知處理器,，從而刺激中斷的發(fā)生。從狀態(tài)機(jī)的切換圖可以看出,，INIT狀態(tài)是系統(tǒng)初始化過程,，主要包括主控的定時器、輸入輸出引腳,、AD以及DMA等時鐘初始化,，定時器、AD轉(zhuǎn)化以及串口的輸入輸出引腳初始化,，定時器,、DMA、系統(tǒng)定時中斷的初始化以及DMA傳輸設(shè)置初始化,。初始化時設(shè)置的PC.4（GPIO_Mode_AIN模式）即模擬輸入模式,，當(dāng)PC.4引腳的信號發(fā)生變化時，即位置傳感器傳入當(dāng)前位置后進(jìn)入ADC狀態(tài),。為提高AD轉(zhuǎn)化速度和程序處理能力,，DMA初始化時借助DMA1的第12通道，直接把AD配置成從ADC1->DR的地址傳送到ad_sm地址,，此時為DMA狀態(tài),。傳輸完數(shù)值后進(jìn)入SMO狀態(tài)，此狀態(tài)下任務(wù)對傳遞的ad_sm做平滑處理，平滑處理次數(shù)越多值越精確,，此處做了8次平滑處理,。選擇8次處理，首先是因為經(jīng)過實際應(yīng)用知平滑處理過的AD數(shù)值誤差精度已達(dá)要求,。其次,，做8次平滑處理只需在數(shù)值累加時右移3位、結(jié)果中最后左移3位,，相比于復(fù)雜的乘除運算,，左右移操作不會占處理器太多處理時間,，一定程度上提高了系統(tǒng)的效率,，，否則需乘除法和借助浮點庫,，加大了主控需求,，給主控帶來了難度和挑戰(zhàn)。最后在SMO狀態(tài)（DMA中斷的處理程序）輸出處理后的位置采樣AD值ad_sm_new,，并將此處的ad_sm_new設(shè)置為全局變量數(shù)據(jù)共享即可進(jìn)入到Verify_Keep狀態(tài),。TIM4狀態(tài)中定時器設(shè)置為1 s中斷的方式采集ad_sm_new并通過串口發(fā)送給上位機(jī)，通過串口調(diào)試器顯示給程序員調(diào)試,。為滿足調(diào)整的精度要求,，系統(tǒng)初始化時設(shè)置系統(tǒng)定時器（滴答定時器），程序運行后處于Sys狀態(tài),，每10 ?滋s產(chǎn)生系統(tǒng)定時中斷對當(dāng)前位置采集到的AD值（即ad_sm_new）,，根據(jù)當(dāng)時的實際情形進(jìn)行PID調(diào)試或PI調(diào)試狀態(tài)后進(jìn)入PWM狀態(tài)，輸出調(diào)整PWM占空比（速度）,。采集到的位置要改變方向時（即到達(dá)一方向的終點時,，在Verify_Keep狀態(tài)下的判斷），進(jìn)行Deal2處理進(jìn)入Die狀態(tài),。由于在改變方向時直流電機(jī)不能立刻停下來改變方向,，每次都是在原始的方向減小到0然后再改變方向，這種情況不滿足實際的工作狀態(tài),。此狀態(tài)下通過初始化時設(shè)置的高級定時器,，設(shè)置死區(qū)加以控制小車方向的改變?？刂葡到y(tǒng)需要更改位置初始點設(shè)置以及系統(tǒng)定時中斷時間等參數(shù)時,，通過按鍵中斷促使發(fā)生，進(jìn)入到Key狀態(tài),，此狀態(tài)下有相應(yīng)的消抖處理,，一旦確認(rèn)特定的按鍵按下則進(jìn)入到Change狀態(tài)，通過串口顯示信息提示來更改初始點位置以及系統(tǒng)中斷時間等參數(shù)。

　　3.2 系統(tǒng)中PID算法的應(yīng)用

　　圖4為PID算法在程序中的應(yīng)用,。從程序框圖可知,，在初始點處設(shè)Uk=0，每10 ?滋s后進(jìn)入系統(tǒng)中斷采集位置AD值,，然后計算出偏差err,。若err大于設(shè)定的最大偏差，則需進(jìn)行比例,、積分,、微分共同調(diào)節(jié)；若小于設(shè)定偏差,，則只需比例,、積分調(diào)節(jié)，最后通過偏差數(shù)值乘以設(shè)定的比例值算出需要的Templ,，并把Uk進(jìn)行累積（最后的Uk為TIM1定時器需要裝載的值）來更改占空比,。若求出的偏差err>0則正向輸出PWM波形，否則反向輸出,。

　　PID程序設(shè)計重要的是調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)谋壤?、積分、微分系數(shù),，本系統(tǒng)在PID調(diào)節(jié)過程中首先把微分,、積分系數(shù)設(shè)為0，使之成為純比例調(diào)節(jié),。調(diào)節(jié)比例系數(shù)Kp由0增大,，直至出現(xiàn)震蕩后，減小Kp使震蕩消失后記此比例系數(shù)Kp,。比例系數(shù)確定后調(diào)節(jié)積分系數(shù)Ki,，積分系數(shù)的時間常數(shù)設(shè)為較大的Ti，然后為較小Ti使之出現(xiàn)振蕩,，然后再反過來增加Ti使振蕩消失后記此Ki,。最后在微分調(diào)節(jié)時先觀察，若發(fā)現(xiàn)控制有明顯的滯后時,，需對Kd進(jìn)行調(diào)節(jié)到合適,，否則不需調(diào)節(jié)Kd。通過此調(diào)節(jié)過程可知PID算法在此控制系統(tǒng)的簡單性和實用性,。

　　3.3 高級定時器在程序中的應(yīng)用設(shè)置

　　主控中的高級定時器TIM1能夠輸出兩路互補的PWM信號并能瞬時地關(guān)斷和接通,，同時設(shè)置定時器中的CCxE和CCxNE位插入死區(qū)。設(shè)置適當(dāng)?shù)牟迦胨绤^(qū)時間可以瞬間地調(diào)整搖擺（相當(dāng)于噴繪機(jī)中的小車）的方向,，不會因為慣性太大而難以剎車,。設(shè)置時定時器的PA9和PB14引腳對應(yīng)到OCx和OCxN,。庫函數(shù)通過設(shè)置TIM_BDTRInitStructure.TIM_DeadTime值來改變插入的死區(qū)時間。系統(tǒng)上電初期,，TIM1_BDTR寄存器中的MOE低即剎車功能禁止,。方向調(diào)整需要更改時，調(diào)整TIM1_BDTR寄存器BKE位來使能剎車功能,。當(dāng)不需要調(diào)整方向而在一個方向上平穩(wěn)運行時,，通過位置檢測來調(diào)整需要的占空比。圖5為系統(tǒng)剎車時序圖,，是搖擺調(diào)整方向時通過示波器測出的,。圖中1通道引入的是定時器1的PA9引腳，2互補通道引入的是定時器1 PB14引腳,，可看出兩條豎線間是插入的死區(qū)時間,，從右邊黑圈內(nèi)讀出兩豎線間的時間為300 ?滋s與高級定時器的設(shè)置相吻合。經(jīng)實際操作驗證,，此系統(tǒng)在此死區(qū)時間以及互補PWM信號設(shè)置下可瞬時改變方向,，基本消除了機(jī)械上慣性帶來的干擾,。

4 系統(tǒng)的測試

　　結(jié)合系統(tǒng)總體架構(gòu)的軟件和硬件平臺以及過程方法步驟的闡述,，最后測試結(jié)果如圖6、圖7所示,。其中圖6顯示了運動過程中的位置采樣信息,，從圖可知，在COM1下,、9 600 b/s傳輸率,、8個數(shù)據(jù)位、1個停止位,、無奇偶校驗下,，第一時刻采集到的位置值為198。圖7是PID在此位置調(diào)試下的示波器截圖,，顯示了此位置下通過PID調(diào)節(jié)后輸出的占空比PWM波形,。從截圖黑圈中可看出，在平穩(wěn)狀態(tài)下運行時的頻率為20 kHz,，占空比為28%,，滿足搖擺平穩(wěn)的運行狀態(tài)與實際的設(shè)置相吻合。結(jié)合圖5,、圖6,、圖7可看出搖擺在調(diào)整方向時的剎車以及PID在搖擺平穩(wěn)狀態(tài)下運行的可行性和實用性，證明此設(shè)計系統(tǒng)正確,，可投放到應(yīng)用領(lǐng)域,。

5 結(jié)論

　　隨著噴繪技術(shù)發(fā)展，對噴繪機(jī)中小車控制系統(tǒng)要求越來越高。本設(shè)計從簡單,、方便,、實用性考慮，將STM32作為主控制平臺,、L6203作為電機(jī)驅(qū)動,，系統(tǒng)結(jié)合軟件設(shè)計出噴繪機(jī)中小車的控制系統(tǒng)。通過實踐和理論研究證明此方案可行,，系統(tǒng)不僅簡捷,、方便，而且更改容易,，且執(zhí)行過程中一定程度上提高了系統(tǒng)的效率并解決了一定技術(shù)難題,，達(dá)到了理想的預(yù)期效果。但此設(shè)計控制系統(tǒng)沒能真正地面向噴繪機(jī)中小車系統(tǒng),，只是采取了系統(tǒng)等效法進(jìn)行了演示,，一定還有不少缺陷和不足，需以后加以彌補和改正,。也希望將來此設(shè)計系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用到噴繪機(jī)小車的控制系統(tǒng)中,。

　　參考文獻(xiàn)

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