基于STC8H1K28的双轴机械臂驱动模块:步进电机42HS348E,BH32角度传感器

作者:卓晴博士，清华大学自动化系

更新时间：2020-08-08 Saturday

 

■ 设计背景

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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：

1. 双轴机械臂调试

01模块设计

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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。 $T_2 = 0xFE38$。

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

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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

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★ 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： $f_p = {1 \over {2 \cdot T_p }} = 13.85kHz$

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

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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。

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1. AD设计工程文件:AD\XQWF\2020\机械臂\CNT2AXESSTC8H.SchDoc * ↩︎

2. C51工程文件:C51\STC\Project\XQWF\2020\STC8H2AXES\STC8H2AXES.uvproj ↩︎