基于STC8H1K28的双轴机械臂驱动模块:步进电机42HS348E,BH32角度传感器
■ 设计背景
这是一款用于化学实验室样品上样器的机械臂。设置有肘关节、肩关节以及上下移动关节。
▲ 双轴机械臂结构
肘关节和肩关节运动驱动电机使用的是 42HS48EIS闭环步进电机 , 该电机的 转动角度使用高精度角度传感器 进行测量过。两个关节的步进电机的外部接口是一致的，只是输出在肩关节所使用得到功率（输出扭矩）大一些，体积长。
- 存在的一个问题：步进电机42HS48EIS 资料中提到该电机是一款闭环步进电机，带有不丢步高效低发热编码器。这个性能在后面实验中需要加以验证。
□ 说明：关于42HS48EIS闭环特性在下面博文中进行了验证： 双轴机械臂调试：步进电机42HS348E,BH32角度传感器，MCU:STC8H1K28
▲ 角度传感器、步进电机
角度传感器使用了 BH38绝对位置14bit角度传感器 ，使用MODBUS RS485协议读取角度。采用该角度传感器是为了形成两个关节运动的角度闭环。
- 相关工作：
- 双轴机械臂调试
01模块设计
1.性能指标
(1) 设计要求
- 具有两路步进电机驱动脉冲输出
- 具有两路MODBUS接口，读取两路BH38绝对角度穿就穿数值；
- 具有统一的WiFi调试接口。
(2) 设计参考
步进电机驱动接口可以参照： STC8K28步进电机ULC2003触发器 中的方案。实际控制输出信号包括有三个：PUL，DIR，MF（步进电机释放）
BH38的485总结接口参照 BH38旋转编码器初步测试 中的接口。对于两路的RS485的输入，则通过 肖特基二极管1N5819 (40V,1A,Vf=0.34V)组成与门之后发送到单片机的RXD。
▲ 使用二极管与门合成两路RS485输入到单片机
2.电路设计1
(1) 原理图设计
(2) PCB设计
- 角度传感器接口定义：
| PIN | 符号 | 功能 |
|---|---|---|
| 1 | +5V | 工作电源 |
| 2 | GND | 电源地 |
| A | RS485 | A+ |
| B | RS485 | B- |
| 5 | CLR | 清楚传感器角度(+5V) |
| 6 | INIT | 设置(+5V) |
- 步进电机控制接口定义：
| PIN | 符号 | 功能 |
|---|---|---|
| 1 | +5V | 上拉电源 |
| 2 | PUL | 脉冲输出 |
| 3 | DIR | 方向控制 |
| 4 | ENA | 使能控制 |
3.单片机软件2
- OSC：35MHz， DEBUG UART:460800bps
(1) 设置UART2波特率
在35MHz时钟频率下， UART2输出19200的波特率设置。T2=0xFE38T_2 = 0xFE38T2=0xFE38。
测量TXD2发送0x55波形，可以确定输出的波特率为19200bps。
▲ 测量TXD2发送波形
(2) 测试IO
测试其它IO的功能。
02双路角度传感器读取
1.BH60文件模块拷贝与修改
(1) 拷贝生成BH60文件模块
将在博文基于STC8H1K28的BH60的角度读写模块对应的BH60头文件和C语言文件拷贝到当前工程文件中。
(2) 对BH60进行修改
- 增加DIR1_PIN,DIR2_PIN的定义以及初始化；
- 去除PROGRAM_PIN, CLEAR_PIN的定义和初始化
- 定义g_ucBH60Channel定义；
- 增加BH60DirOnOff()定义。
- 对BH60SendBuffer()函数进行更新。
2.测试BH60读写角度
(1) 传感器接口
按照BH38绝对位置14bit角度传感器中对于BH38传感器的接口定义来制作传感器的接头。这与本电路板的接口定义是一样的。
(2) 角度读写实验
将两个端口的CLEARx_PIN, PROGRAMx_PIN都初始化为0。分别测试PANG1，PANG2上的对于传感器的读取功能。
注意： BH60Init(1)：其中的地址使用缺省的1。
▲ 第一通道RS485的DIR（蓝色）与接收到RI（青色）信号
注意：在上述波形中，返回的RI波形低电平大于1.5V，实际上STC8H1K28无法接收到这个波形。通过更换MAX487芯片之后，接收到的波形低电平接近0V，此时STC8H1K28才能够正常接收到返回的数据。
通过改造BH60ReadNumber(ucChannel)，可以分别读取两个角度传感器的角度。
//----------------------------------------------------------------------
if(++nShowCount >= 500) {nShowCount = 0; printf("%ld %ld\r\n", BH60ReadNumber(0), BH60ReadNumber(1));
}
▲ 分别使用BH60，BH38进行双通道读取实验
通过验证，可以正确的读取两个通道的角度。
(3) 读取角度的时间
读取两个通道的角度所需要的时间：20mS。
如果没有连接角度传感器：读取两个通道的角度所需要的时间14ms。
因此，平均读取一个通道的角度，所需要的时间：没有安装角度传感器时需要7ms，安装角度传感器的时候需要10ms。
//----------------------------------------------------------------------
if(++nShowCount >= 500) {nShowCount = 0; g_ucTime0MS = 0;BH60ReadNumber(0);BH60ReadNumber(1);nShowCount = g_ucTime0MS;printf("%ld %ld, %d\r\n", BH60ReadNumber(0), BH60ReadNumber(1), nShowCount);
}
03步进电机驱动
★ 注意：电机的供电电压需要大于15V。可以选择16~24V的电压。
1.改造主循环频率
将原来的主循环中的WaitTime(1)修改成Delay(100)，主循环的周期变为：Tp=0.0358ms。如果形成脉冲，则可以形成的频率为：fp=12⋅Tp=13.85kHzf_p = {1 \over {2 \cdot T_p }} = 13.85kHzfp=2⋅Tp1=13.85kHz
下图是设置Delay(50)情况下的旋转情况。
2.串口命令
下面给出了串口命令。其中
- angle : 读取两个角度数值
- step1,step2,step12分别控制pulse1,2的数量。参数是一个长整数。大于0：你是转旋转；小于0：顺时针旋转。
else IFARG0("angle") {printf("%ld %ld\r\n", BH60ReadNumber(0), BH60ReadNumber(1));
} else IFARG0("step1") {sscanf(SDA(1), "%ld", &g_lnPulse1Number);if(g_lnPulse1Number > 0) {ON(DIR1_PIN);} else {g_lnPulse1Number = -g_lnPulse1Number;OFF(DIR1_PIN);}} else IFARG0("step2") {sscanf(SDA(1), "%ld", &g_lnPulse2Number);if(g_lnPulse2Number > 0) {ON(DIR2_PIN);} else {g_lnPulse2Number = -g_lnPulse2Number;OFF(DIR2_PIN);}} else IFARG0("step12") {sscanf(SDA(1), "%ld", &g_lnPulse1Number);sscanf(SDA(2), "%2ld", &g_lnPulse2Number);if(g_lnPulse1Number > 0) {ON(DIR1_PIN);} else {g_lnPulse1Number = -g_lnPulse1Number;OFF(DIR1_PIN);} if(g_lnPulse2Number > 0) {ON(DIR2_PIN);} else {g_lnPulse2Number = -g_lnPulse2Number;OFF(DIR2_PIN);}
※ 结论
制作了基于STC8H1K28单片机的双轴机械臂的控制板。并给出的基于ASCII串口命令的调试方式。使用基于WiFi调试模块，可以方便进行远程下载程序和调试参数。
■ 相关文献链接:
- 42HS48步进电机实验
- 使用高精度旋转编码器BH60测量步进电机转动角度
- 三拓高速42闭环步进电机驱动器一体机编码器48mm60mm大扭矩NEMA17-淘宝网
- 双轴机械臂调试：步进电机42HS348E,BH32角度传感器，MCU:STC8H1K28
- BH38旋转编码器初步测试
- STC8K28步进电机ULC2003触发器
- 肖特基二极管1N5819
- 基于STC8H1K28的BH60的角度读写模块
- 两轴机械臂+机械爪整体控制电路设计
AD设计工程文件:AD\XQWF\2020\机械臂\CNT2AXESSTC8H.SchDoc * ↩︎
C51工程文件:C51\STC\Project\XQWF\2020\STC8H2AXES\STC8H2AXES.uvproj ↩︎
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- 双轴机械臂位置闭环控制：STC8H1K28，42HS48EIS,BH32
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- 双轴机械臂调试：步进电机42HS348E,BH32角度传感器，MCU:STC8H1K28
■ 前言 这款双轴机械臂是应用于实验室中进行自动样品转换的执行机构.为了能够在一定范围内将试剂瓶(试管) 完成自动搬运,需要完成对样品的抓取,提升和放下.水平移动(二维) 等功能.使用带有肘关节.肩关 ...
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