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东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 9 页
2.3.2机械臂控制系统结构
本课题研究的机械臂控制系统采用单CPU 集中控制方式，系统框图如下： 计 算 机 J-Link 仿 真 器 STM32 舵机 关节执行机构 关节控制系统 图2.1 机械臂控制系统结构图
计算机用于完成整个系统的管理、发送指令、运动轨迹规划等。计算机通过J-Link仿真器将程序下载至STM32微处理器，向关节控制系统发出位置指令，STM32根据指令输出PWM 波，从而使机械臂的各个关节转过指定的角度，进而使其按照预定的轨迹完成搬运任务。
2.3.3关节控制系统的控制策略
本课题设计的机械臂关节控制系统以STM32微处理器为核心，对直流伺服电机（舵机）进行较为精确的运动控制。
关节控制系统的工作原理是：STM32微处理器内部的PWM 单元产生PWM信号，驱动直流伺服电机旋转。电机驱动舵机内部的齿轮组，其输出端带动一个线性的比例电位器作为位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或者反向的转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲最终趋于为0，从而达到使伺服电机的精确定位[17]。
该关节控制系统的主要特点如下：
（1）使用以Contex-M3为内核的STM32F103ZET6作为系统的微控制器，与传统的51单片机相比起来，具有功耗小，运算能力大大增强的优点。
（2）采用直流伺服电机驱动机械臂的各个关节，根据STM32微控制器输出的PWM 控制信号的占空比来确定直流电动机的转速和转向，控制起来简单，准确。 2.4本章小结
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本章介绍了4自由度机械臂的结构形式，根据腰关节、肩关节、肘关节和腕关节4个旋转关节的运动特点，从整体上确定了该机械臂控制系统的控制方案。首先确定了该关节控制系统采用单CPU 集中控制方式，然后说明了关节控制系统的工作原理，最后介绍了本设计的关节控制系统的一些主要特点。
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3机械臂控制系统硬件设计
3.1机械臂控制系统概述
机械臂控制系统通常要满足如下几个基本的要求：
（1）控制系统的微型化、轻型化和模块化。因为机械臂的控制系统是安装在机械臂上的，所以为了安装的方便和减轻机械臂的负载，控制系统应尽可能实现微型化和轻型化；另外，为了达到系统的各单元之间有要求的独立性的目的，要尽量实现模块化。
（2）控制系统的实时性。为了满足机械臂的输入输出信息量大，并且计算量大，同时要保证较高的控制精度的要求，机械臂控制系统必须具有较好的实时性。
（3）系统的稳定性和开放性。稳定是保证系统正常运行的前提和保证，所以机械臂控制系统必须具有一定的稳定性以保证系统的低故障率。此外，为了实现控制系统以后的改进和可以方便的移植到其他的位置，这就要求控制系统具有好的开放性[18]。
该机械臂控制系统由主控制模块、电机驱动模块和电源模块组成，每个子模块的功能如下：
主控制模块：作为该控制系统的核心，包括 ARM Cortex-M3 内核和有关外围电路，主要负责完成 PWM 波（控制信号）的输出。
驱动模块：负责机械臂各个关节的驱动，由舵机组成。
电源模块：机械臂控制系统采用双电源供电模式，STM32单片机经过AMS1117-3.3V稳压芯片供电，舵机驱动模块采用7.2V可充电电池经LM2596 DC-DC 可调降压模块实现供电。 3.2微处理器选型
微控制器作为机械臂运动控制系统的核心，其性能对控制效果起着至关重要的作用，因此高性能的CPU是必需的。微控制器的选择对机械臂系统的设计影响很大，所以要在具体分析了该控制系统的特点和要求后选择合适的微控制器，应基于整个系统的控制速度及其智能水平两个方面，以如下几个方面为重点进行微控制器的选择：
·系统时钟速度
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·运算速度 ·功能
·电机控制方式 ·ROM及ROM的大小 ·控制板的结构尺寸
目前，应用于机械臂的微控制器有很多种，最广泛的有8/16位单片机和数字信号处理器两种。选择8/16位单片机进行控制系统的设计简单，开发周期较短，但数据处理能力弱，需要附加很多的外部设备如PID 调节器和PWM 发生器等才能完成较为复杂的控制，而且系统的稳定性不强，开发板尺寸较大。相比于8/16位单片机，数字信号处理器具有处理能力强、速度快、开发板体积小等特点，但在中断处理、位处理方面，DSP 不如单片机的资料多，而且芯片的价格以及其相应的开发软件也比较贵，针对性性比较强，但是通用性一般比较差。
具有同等性能的ARM 微处理器与DSP 相比，资源更加的丰富，通用性明显增强，它所具有的处理速度快、性价比高、功耗低等优点使其得到了广泛的应用。虽然作为32位的微处理器，但是由于ARM 内部具有16位的Thumb 指令集，这使其能够作为16位的单片机使用，却拥有了32位单片机的处理速度。所以，用单片机和DSP 实现的系统，ARM 都可以实现。
在上述分析的基础上，经过反复比较，本设计采用意法半导体公司的STM32处理器，如图3.1所示。STM32F103ZET6是基于32位ARM Cortex-M3内核的微处理器，不但支持实时仿真，而且嵌入了512KB的高速闪存。CPU 的最高工作频率为72MHz，支持Thumb-2。
图3.1 STM32
STM32的主要特性如下[19~22]：