原标题：基于STM32F107的搬运机器人电机控制电路设计方案

基于STM32F107主控制器+升压芯片IR2103的搬运机器人电机控制电路设计方案

引言

随着工业自动化和机器人技术的快速发展，搬运机器人在生产线、仓储物流等领域的应用日益广泛。搬运机器人需具备高精度、高可靠性的电机控制系统，以应对复杂多变的作业环境。本文将详细介绍基于STM32F107主控制器和升压芯片IR2103的搬运机器人电机控制电路设计方案，涵盖主控芯片型号、电路设计、软件实现及功能特性等多个方面。

一、主控芯片型号及特性

1.1 STM32F107VCT6简介

STM32F107VCT6是ST Microelectronics推出的一款高性能通用微控制器芯片，属于STM32 F1系列产品线。该芯片采用ARM Cortex-M3内核，主频高达72MHz，集成了丰富的外设资源，如定时器、ADC（模数转换器）、UART（通用异步收发传输器）、SPI（串行外设接口）等，广泛应用于工业控制、家用电器、医疗设备等领域。其主要特性包括：

• 内核：ARM Cortex-M3，支持Thumb-2指令集，提供高效的代码执行效率。

• 主频：72MHz，确保快速的数据处理和实时响应能力。

• 存储资源：256KB闪存和64KB SRAM，满足复杂控制程序的存储需求。

• 工作电压：2.0V - 3.6V，适应多种供电环境。

• 外设接口：支持多个UART、SPI、I2C等通信接口，便于与外部设备连接。

1.2 在设计中的作用

STM32F107VCT6作为搬运机器人电机控制系统的主控制器，主要承担以下任务：

• 数据处理与决策：接收来自传感器、编码器等的输入信号，进行数据处理和逻辑判断，控制电机的运行状态。

• 电机控制：通过PWM（脉冲宽度调制）信号控制电机的转速和方向，实现精确控制。

• 通信接口：与上位机或其他控制设备通信，接收控制指令并反馈运行状态。

• 实时操作系统支持：支持μC/OS-II等实时操作系统，实现多任务调度和管理，提高系统稳定性和响应速度。

二、电路设计

2.1 电机驱动电路设计

搬运机器人电机驱动电路采用自举升压芯片IR2103和MOSFET管75N75组成桥式电路。75N75是MOSFET功率管，其最高耐压75V，最高耐流75A，适合驱动大功率电机。

• 桥式电路：由4个75N75组成H桥电路，Q1、Q4和Q2、Q3分别组成两个桥路，分别控制电机的正转和反转。

• 升压芯片IR2103：由于高端驱动的MOS管导通时源极电压和漏极电压相同且都等于供电电压VCC，要实现MOS管正常驱动，栅极电压需比VCC大。IR2103作为自举升压芯片，可将PWM信号输入HIN引脚，并通过EN1、EN2使能信号输出比VCC更高的电压至HO引脚，驱动MOS管正常工作。

• 过流保护：电机的相电流通过康铜丝转换成电压信号，经运算放大器放大后送至STM32F107的A/D转换模块进行采样。同时，通过电压比较器将电流信号转换为数字量送至控制器的外部中断口，实现过流保护。

2.2 编码器接口设计

搬运机器人电机控制系统采用增量式编码器进行速度反馈，舵机采用绝对值编码器进行位置反馈。

• 增量式编码器：与后轮驱动电机相连，通过测量编码器输出的脉冲信号计算电机转速，实现闭环控制。

• 绝对值编码器：与舵机相连，直接输出舵机的当前位置信息，实现精确位置控制。

2.3 通信接口设计

STM32F107VCT6提供多个UART接口，用于与上位机或其他控制设备通信。通过串口通信，上位机可以发送控制指令至主控制器，并接收主控制器反馈的运行状态信息。

三、软件实现

3.1 实时操作系统μC/OS-II

为了提高系统的稳定性和响应速度，本设计采用μC/OS-II实时操作系统。μC/OS-II是一种可移植的、可裁剪的、抢占式的实时多任务操作系统内核，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点。

• 任务划分：将搬运机器人电机控制系统的软件划分为多个任务，如电机控制任务、数据采集任务、通信任务等。每个任务独立运行，通过任务调度器进行管理和切换。

• 任务优先级：根据任务的紧急程度和重要性，为每个任务分配不同的优先级。例如，电机控制任务通常具有最高的优先级，以确保电机的实时响应；而数据采集和通信任务则可以在较低的优先级下运行。

• 任务间通信：使用消息队列、信号量等机制实现任务间的数据交换和同步。例如，数据采集任务将采集到的电机电流、速度等信息放入消息队列中，电机控制任务从队列中读取这些信息并进行相应的控制调整。

3.2 PWM信号生成

STM32F107VCT6内置的高级定时器（TIM1和TIM8）支持PWM信号生成功能。通过配置定时器的参数（如预分频器、计数器周期、比较匹配输出等），可以生成精确的PWM信号来控制电机的转速和方向。

• PWM分辨率：根据定时器的计数范围和实际应用需求，选择合适的PWM分辨率。较高的分辨率可以实现更精细的电机控制。

• 死区时间：在H桥驱动电路中，为了防止上下桥臂同时导通导致短路，需要设置死区时间。通过调整定时器的死区时间寄存器，可以设置合适的死区时间以保护电路安全。

3.3 编码器数据处理

增量式编码器输出的脉冲信号经过光电隔离和整形处理后，送入STM32F107VCT6的外部中断或定时器捕获单元进行计数。通过计算单位时间内的脉冲数，可以计算出电机的转速。同时，还可以利用编码器输出的方向信号来判断电机的旋转方向。

• 速度计算：根据编码器输出的脉冲数和采样时间，计算出电机的实际转速。

• 位置估算：对于没有使用绝对值编码器的场合，可以通过积分速度信号来估算电机的位置。但这种方法存在累积误差，需要定期校准。

3.4 过流保护

通过A/D转换模块采集电机相电流信号，并与预设的阈值进行比较。一旦电流超过阈值，立即触发过流保护机制，关闭电机驱动电路并发出报警信号。

• 阈值设置：根据电机的额定电流和过载能力，合理设置过流保护的阈值。

• 保护动作：一旦检测到过流情况，立即关闭PWM输出并停止电机运行，同时向上位机发送报警信息。

四、功能特性

4.1 高精度控制

通过精确的PWM信号生成和编码器反馈机制，实现对电机转速和位置的精确控制。无论是低速平稳运行还是高速动态响应，都能达到较高的控制精度。

4.2 稳定性强

采用μC/OS-II实时操作系统进行任务调度和管理，提高了系统的稳定性和可靠性。同时，通过过流保护等安全机制，确保电机在异常情况下能够安全停机并报警。

4.3 易于扩展

STM32F107VCT6具有丰富的外设接口和强大的处理能力，便于与其他传感器、执行器等设备连接和扩展。可以根据实际需求增加更多的控制功能和安全保护机制。

4.4 通信灵活

通过UART等通信接口与上位机或其他控制设备通信，实现远程控制和数据交换。支持多种通信协议和波特率设置，满足不同应用场景的需求。

五、结论

基于STM32F107VCT6主控制器和升压芯片IR2103的搬运机器人电机控制电路设计方案，实现了对电机的高精度、高稳定性控制。通过合理的硬件设计和软件实现，确保了电机在复杂多变的作业环境中能够稳定运行并满足各项性能指标要求。该设计方案不仅适用于搬运机器人领域，还可以广泛应用于其他需要精确电机控制的工业自动化和机器人系统中。