Как подключить сервопривод к stm32
Digitrode
цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы
Используем STM32 для управления серводвигателем с помощью ШИМ
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) используется для управления амплитудой цифровых сигналов с целью управления устройствами и приложениями. В этом уроке мы узнаем, как генерировать переменный сигнал ШИМ с помощью микроконтроллера серии STM32 (STM32F103C). Переменный сигнал ШИМ используется для управления скоростью двигателей или вентиляторов постоянного тока. Этот подход также используется в устройствах диммирования. Солнечные зарядные устройства также работают с переменным сигналом ШИМ. Угол и направление серводвигателей также контролируются с помощью сигнала ШИМ.
В данном примере мы разберем принцип работы ШИМ в STM32 с использованием серводвигателя. Мы также узнаем, как соединить сервопривод с платой STM32F103C8. В нашем случае будет использоваться потенциометр для изменения положения вала серводвигателя и ЖК-дисплей для отображения значения угла.
Широтно-импульсная модуляция – это процесс или метод модуляции, используемый в большинстве систем связи для кодирования амплитуды сигнала прямо в ширину импульса или длительность другого сигнала, обычно сигнала несущей, для передачи. Несмотря на то, что ШИМ также используется в коммуникациях, его основная цель – фактически контролировать мощность, которая подается на различные типы электрических устройств, особенно на инерционные нагрузки, такие как двигатели переменного и постоянного тока.
ШИМ характеризуется скважностью или коэффициентом заполнения. Скважность измеряется в процентах. Коэффициент заполнения в процентах конкретно описывает процент времени, в течение которого цифровой сигнал высокий в течение интервала или периода времени. Этот период обратно пропорционален частоте сигнала. Если цифровой сигнал заполняет половину времени всего периода, мы бы сказали, что цифровой сигнал имеет коэффициент заполнения 50% и напоминает идеальный меандр. Если процент выше 50%, цифровой сигнал тратит больше времени в высоком состоянии, чем в низком, и наоборот, если коэффициент составляет менее 50%. Смотрите рисунок ниже для полного понимания.
Микроконтроллер STM32F103C имеет 15 выводов ШИМ и 10 выводов АЦП. Он имеет 7 таймеров, и каждый выход ШИМ обеспечивается каналом, подключенным к 4 таймерам. Он имеет 16-битное разрешение ШИМ, т.е. 2 в степени 16. Из-за этого его счетчики и переменные могут достигать значения 65535. Поскольку он имеет тактовую частоту 72 МГц, его выход ШИМ может иметь максимальный период около одной миллисекунды.
Значение 65535 дает полное вращение сервомотора (скважность 100%). Значение 32767 дает половину поворота (скважность 50%). Значение 13107 дает 20% от полного вращения (скважность 20%).
Таким образом, в этом руководстве по ШИМ мы будем использовать потенциометр 100 КОм и STM32, чтобы изменять угол поворота серводвигателя SG90 с использованием метода ШИМ. ЖК-дисплей 16 × 2 используется для отображения угла поворота в градусах. Принципиальная схема подключения представлена далее.
В STM32F103C имеется 10 выводов АЦП (PA0-PB1), и мы будем использовать только один вывод (PA5) для аналогового считывания для установки положения вала двигателя с помощью потенциометра. Также из 15 выводов ШИМ STM32 (PA0, PA1, PA2, PA3, PA6, PA7, PA8, PA9, PA10, PB0, PB1, PB6, PB7, PB8, PB9), один вывод PA0 будет использоваться для подачи импульсов на ШИМ-контакт сервопривода. ЖК-дисплей 16 × 2 подключен к STM32 со следующими контактами: rs = PB11, en = PB10, d4 = PA4, d5 = PA3, d6 = PA2, d7 = PA1. К нему подключен потенциометр 10К для регулировки контрастности.
Код программы управления сервомотором с помощью ШИМ микроконтроллера STM32 написан на C-подобном языке Arduino и приведен далее. Посмотрите в другом нашем материале, как запрограммировать STM32 с помощью Arduino IDE.
STM32F1xx — лечимся от ардуинозависимости вместе
Потолок
Теперь перейдем к более насущным вопросам. Что же нам понадобится для того чтобы начать работать с STM32F?
Начинаем работать с STM32F1xx
Вопреки мнениям некоторых товарищей, вам будет достаточно 300р. На покупку вот такой вот отладочной платы: STM32VLDISCOVERY 
Она сразу содержит и программатор, и программируемую часть в виде контроллера STM32F100RB на борту.
Также, очень не помешает вот такая вот макетка: WBU-206 
Позволяет не отвлекаться на пайку, а сразу сосредоточиться на поставленных целях. Правда, сложные схемы на ней выглядят отвратительно – тугие переплетения проводов могут вселить ужас в неокрепшие умы)
Вот, в принципе и все из железа что понадобится для начала. Так как основы работы изложил в своих статьях уважаемый DiHalt, я не стану повторяться и буду считать что создать проект в Keil, скомпилять его и прошить сможет любой читатель статьи. Если нет – просвещаемся на easyelectronics.ru.
Для того чтобы было не так скучно работать, начнем не с надоевших всем светодиодов, а с сервоприводов. Сервопривод представляет собой электродвигатель, который включен в следящую систему. Обратная связь реализуется получением информации о фактическом положении вала – допустим, размещением потенциометра на одном из валов редуктора.
Управляющая система получает от нас информацию о том, на какой угол мы хотим повернуть вал сервы, от потенциометра – на какой он сейчас повернут, и формирует управляющее напряжение на обмотках двигателя. Все это китайские товарищи упихивают в очень малогабаритные корпуса, например, такие: Tower Pro MG90S 
Стоят они меньше 200р, доставка бесплатная (правда, довольно долгая), редуктор – металлический, а не пластиковый. Традиционно, сервы управляются ШИМ-сигналом с частотой 20-60 Гц (обратите внимание, герц, а не килогерц), скважностью сигнала задается угол поворота. Конкретные значения зависят от самого серво-мотора, так что будем эксперементировать, благо можно отлаживать прошивку на ходу. К сожалению, инфы конкретно на эти моторы я не нашел, поэтому навскидку выбрал значения от японских сервоприводов Futaba — к счастью, китайские разработчики не сильно отошли от стандартов, и серва его вполне поняла. Целью статьи будет завести таймер на STM32F1xx, сформировать им ШИМ-сигнал и с помощью это ШИМа покрутить китайскую серву.
Обратимся к железу. В данном случае никаких особых схем от нас не потребуется – все уже есть на отладочной плате. Нам остается только подключить к ней серву. Стандартный сервомотор имеет 3 провода – земля, питание и управление (обычно раскрашенных в черный, красный и оранжевый цвета соответственно). Для упомянутых мною MG90S приводов питание может варьироваться от 4.8 до 6В, а потребление на холостом ходу, согласно моим измерениям, не превышает 40 мА, так что запитать их можно прямо от пина 5В отладочной платы. ШИМ будем подавать с одного из таймеров на борту контроллера. Каждый таймер имеет по 4 независимых ШИМ-канала, так что можно не напрягаясь крутить до 4х сервоприводов одним таймером. Таймеры с номерами 1 и 8 несколько более продвинутые, чем остальные – они предназначены для управления драйверами полевых транзисторов, включенных в полумостовую схему, поэтому пока их касаться не будем (несмотря на то, что они также могут выдавать простые шим-сигналы).
Вместо этого воспользуемся таймером под номером 2, который попадает в категорию General Purpose Timers. Для управления сервами мне было удобно воспользоваться его каналами 3 и 4. Согласно документации, 3 и 4 каналы выведены на пины PA2 и PA3.
Итак, в итоге наш плацдарм для экспериментов представляет собой отладочную плату STM32VLDISCOVERY, подключенную к USB компьютера и два сервопривода Tower Pro MG90S, земли которых (черный провод) соединены с пином GND отладочной платы, питание подключено к ее пину 5В а управляющие провода первого и второго сервы подключены к пинам PA2 и PA3 соответственно. Если у вас есть осциллограф, можно подключить его каналы к PA2, PA3 чтобы сразу наблюдать формируемый сигнал.
Теперь перейдем к коду.
Программная часть
В коде я буду делать упор на работу с регистрами вместо использования Standard Peripherals Library – т.к. ИМХО следует изучить, как это все работает изнутри, прежде чем пытаться абстрагироваться от железа. Будем считать, что создать проект для отладочной платы в кейле и подключить CMSIS для вас не составит труда, это подробно описано в статье на easyelectronics ARM. Учебный Курс. Keil + CMSIS. Создание проекта
Итак, стартовой позицией для нас будет проект в Keil uVision с подключенной CMSIS:
Это все должно у вас компиляться, прошиваться в память контроллера и дебаггиться. Если этого не происходит – читаем упомянутую статью на easyelectronics.
Стартовый код из ассемблерного файла (у меня он зовется startup_stm32f10x_md_vl.s) содержит объявление хенделеров перываний и эксепшенов, которые могут быть безболезненно переопределены в нашей программе. Также он вызывает функцию SystemInit, определенную в файле core_cm3.h библиотеки CMSIS. В ней настраиваются некоторые регистры, в частности, отвечающие за тактирование – это все можно сделать и вручную, заменив вызов SystemInit в стартовом файле на вызов своей функции, но сейчас не будем останавливаться на этом вопросе. Отмечу только, что частота выставляется в соответствии с настройками в файле system_stm32f10x.c, где на строке 76 дефайнится SYSCLK_FREQ_24MHz, равное 24000000.
Управляющий код очень простой, однако, есть несколько моментов, на которые следует обратить внимание, чтобы не пришлось долго искать проблему в коде.
Первый момент упомянут DiHalt’ом – в STMках по умолчанию отключено тактирование практически всех периферийных модулей в целях сбережения энергии. Так что первым делом подаем такты на нашу периферию:
В этих двух строках мы устанавливаем биты TIM2EN (для подачи клока на таймер 2) и IOPAEN (для подачи клока на порт А) в регистрах APB1ENR и APB2ENR соответственно (APB1 и APB2 Peripheral Clock Enable Register).
А вот дальше идет еще одна важная вещь:
Тут все весьма тривиально: регистр PSC (Prescaler) отвечает за предделитель, регистр ARR (Auto-reload register) – за максимальное значение, до которого будет тикать таймер. Выставив в ARR число 0хFFF получаем 12-разрядный таймер, период его счета будет равен тактовой частоте, деленной на 0xFFF, то есть 24000000/4096 = 5859. Разделив это значение еще на 0xA7, получим 5859/167 = 35 Гц.
Значение регистров CCR3 и CCR4 (Capture Compare register) сравнивается со значением счетчика и задает собственно скважность ШИМа. Дальше настраиваем режим работы таймера:
Константа SystemCoreClock определена в system_stm32f10x.c, строка 114, и равна числу тактовых сигналов ядра за 1 с, то есть 24000000.
Осталось описать обработчик прерывания по таймеру и работа будет завершена!
Так как каналов у нас два, напишем обработчик с расчетом на оба канала сразу. Так как пространство памяти у нас едино, мы можем свободно обращаться к регистрам как к обычным ячейкам памяти, поэтому сразу объявляем указатель на два регистра:
Дальше все очень просто – организуем цикл по двум каналам, добавляем или вычитаем 1 из текущего значения скважности (в зависимости от направления) и по достижении сервой крайнего положения меняем направления.
Все, компиляем, и если все сделано правильно, то наслаждаемся зрелищем типа того, что представлено мной на видео ниже.
Полный код проекта выглядит так:
На этом у меня пока все. Если вас эта тема заинтересовала, то в следующих статьях постараюсь рассмотреть что-нибудь поинтереснее, допустим, работу с дисплеем от мобильного телефона.
Servo Motor Control With STM32F4 ARM MCU
Introduction: Servo Motor Control With STM32F4 ARM MCU
Hello again buddies 🙂 So, in this project we will control a servo motor with STM32F4 ARM MCU. In my case, I will use discovery board, but if you grasp the gist of problem, then you can apply it for every MCU. So. let’s get started 🙂
Step 1: Hardware and Software Requirements
In terms of hardware we will need:
In terms of software we will need:
If you have all of these, jump to the next step 🙂
Step 2: STM32CubeMX Configuration
As you know, for controlling a servo motor we need PWM signal. The requirements in terms of PWM signal are like that:
So, we need to configure PWM and for that purpose we will use Timer1.
Now, let’s talk a bit about this step:
Our APB1 Timer clock’s frequency is 16MHz. So, it means that it is required 16,000,000 ticks to get 1 second. However, we set our prescaler to 160. It means, we divide our frequency by that number and decreased the number of ticks down to 100,000. So, for 1 second we need 100,000 ticks. However, we need 20mS of PWM period as we stated before. So, based on simple math, we need 2000 ticks for 20mS. So, by setting Counter Period to 2000 we determine the period of the PWM signal which is 20mS. Now we need to determine the tick number for getting On times from 0.5mS to 2.5mS. We can get this equation from simple math and it is:
On_Time = (Tick_Number / 100). Keep in mind that this is the on_time that changes the angle of servo motor. So, below image I summarize this step. If you have any question write in the comments and I will answer as quick as possible.
After doing all of these generate code 🙂
Step 3: Keil UVision Coding
So, let’s first determine what we want to do? We want, to write a function that accepts degree and write it to the servo. So, how we will do that? As we have said before, in order to change angle we need to change the on time. Our angles change between [0,180] and our number of ticks which determines on time changes between [50, 250]. So, we need a mapping function that maps given angle to range of number of ticks. For example, for 0 degree 50 ticks, for 180 degree 250 ticks and so on. So let’s write our mapping function:
This is our mapping function. Do you interested how it is derived? Then read that. So, we take our ranges and the value that we want to map.
Now, let’s write a function that accepts angle and maps it to the range of ticks:
As you can see, this code accepts angle and maps it to the range of number of ticks. An then, the number of ticks is given to the CCR1 register which controls the on time and so, angle.
However, in order to all of these to work we first start the pwm which can be done by just a line of code:
So, we have a function that accepts angle and write it to the servo. Let’s test it and write our sweep function which is very easy:
Step 4: The Result 🙂
So, this is the end. If you have any question please ask. I will be happy in order to answer them. Thank you very much for reading and hope I will see you in the next project 🙂
Управление сервоприводом с помощью HMI LCD экрана и STM32
В данной статье мы рассмотрим процесс создания графического интерфейса для HMI дисплея STONE, который управляется посредством последовательного интерфейса (UART), что позволяет существенно экономить время и силы при разработке пользовательского интерфейса для вашего устройства. По сути, вы скорее рисуете интерфейс, а не пишите код.
Итак, насколько прост данный экран в использовании? Давайте разработаем интерфейс дисплея для управления углом поворота сервопривода.
Начнем с разработки интерфейса HMI дисплея, для этого создадим два изображения. Необходимо сделать идентичные картинки, со всеми элементами в одинаковых позициях. На втором изображении я добавил эффекты нажатия для кнопок.
Рисунок 1. Изображения дисплея без взаимодействия с кнопками (слева) и эффекта нажатия без масштабирования (справа)
Таким образом, при нажатии позиций «+» или «-» будет отображаться второе изображение в соответствующей позиции.
А теперь давайте детально рассмотрим процесс создания проекта.
Создание нового проекта
Для начала, давайте загрузим и установим бесплатное программное обеспечение для проектирования графического интерфейса для дисплеев STONE: https://www.stoneitech.com/support/download
Создаем новый проект, в первую очередь необходимо выбрать разрешение используемого экрана. Я выставляю разрешение 480×272, кроме того, если вы, как и я, используете экран в горизонтальной ориентации, то остальные настройки остаются неизменными. Здесь же вы можете изменить место для сохранения файла.
Рисунок 2. Создание нового проекта
Второй этап – добавляем изображения
Изображения, необходимые для проекта добавляем в папку «Picture file». Имя изображения должно начинаться с цифры, но никаких особых требований к номеру нет. Размер изображения должен соответствовать разрешению вашего экрана, иначе появится сообщение об ошибке.
Я добавил два изображения, по умолчанию отображается изображение с номером 2, поэтому мне необходимо изменить настройки экрана внутри заставки, отображаемой в соответствии с номером изображения (см. Рисунок 4).
Рисунок 3. Добавление изображений
Рисунок 4. Настройка параметров экрана
В-третьих, давайте добавим изображения значков
Если в вашем проекте есть разные типы файлов изображений, нам нужно создать несколько папок .ico для хранения различных типов изображений значков.
Рисунок 5. Добавление значков
В-четвертых, добавляем область сенсорной кнопки
В правой части интерфейса отображаются параметры, здесь настраиваем области нажатия клавиш, соответствующие изображениям нашего интерфейса. Настраиваем отдельно для позиции «-», затем для позиции «+».
Рисунок 6. Добавление области нажатия клавиш
Далее добавляем элемент управления скользящей шкалой
В раскрывающемся меню панели инструментов выберите масштаб ползунка, в столбце справа выбираем изображения для ползунка и настраиваем свойства. Если вы хотите отобразить значок ползунка, отрегулируйте размер элемента управления масштабом ползунка, чтобы он соответствовал вашему значению шкалы. Стоит отметить, что значок может выходить за нижнюю границу шкалы при полном масштабе, вы можете управлять ползунком масштабирования, регулируя размер ползунка. Также можно отрегулировать смещение координаты X, чтобы выровнять её.
Есть и другие свойства элемента управления скользящей шкалой, которые необходимо изменить: сохраненное положение будет соответствовать «+» и «-» в текущем состоянии, а минимальный масштаб и максимальный масштаб соответствуют шкале внизу.
Рисунок 7. Добавление скользящей шкалы
Следующий шаг – добавление области регулировки перетаскиванием
В раскрывающемся меню панели инструментов выберите настройку перетаскивания, чтобы расположить область. Для установления соответствующего размера, измените его свойства: адрес хранилища по-прежнему соответствует указанному выше, необходимо отрегулировать диапазон максимального и минимального значений.
Рисунок 8. Добавление области перетаскивания
Завершая работу с дизайном экрана, мы можем проверить его корректность с помощью моделирования. Если проблем с разработкой пользовательского интерфейса не возникло, приступаем к написанию прошивки для микроконтроллера.
Рисунок 9. Готовый графический интерфейс
Написание кода для STM32
Я использовал STM32Cube для генерации проекта. Настраиваем ШИМ на выходе канала tim2 ch1, минимальная регулировка составляет 1 мкс, это для точности, регулировка сервопривода составляет 0-270°, что соответствует импульсу 0.5-2.5 мс. Выходная частота ШИМ составляет 100 кГц.
Откройте USART1, здесь я использовал DMA, в основном потому, что мне так удобней и привычней. На рисунке 10 показаны снимки экрана с информацией о конфигурации, после завершения настройки генерируем код проекта.
Рисунок 10. Настройка генератора проекта STM32Cube
После завершения настройки мы должны добавить код. Всё, что нам нужно сделать, это добавить массив и флаг приема данных по последовательному порту.
Добавляем функции инициализации перед бесконечным циклом while(1):
Если флаг приема данных выставляется, то обрабатываем это событие.
Ну и так как у нас довольно простая задача, то решаем её в лоб. Смотрим на принятый проект и выставляем в соответствии с ним скважность выходного ШИМ сигнала.
Теперь мы можем скомпилировать проект и прошить экран. Следует отметить, что моя плата напрямую подключена к порту ввода-вывода, здесь на экране паяные соединения J17, которые необходимо пропаять.
Рисунок 11. Паяные соединения
Как только все будет подключено, мы сможем все включить и наконец попробовать протестировать работу устройства. Я сделал несколько фото, для демонстрации того, как все работает!
Рисунок 12. Демонстрации работы устройства
Итак, при помощи кнопок «+» и «-» или посредством перетаскивания ползунка, вы можете управлять изменением угла поворота сервопривода. Несмотря на отсутствие видео по данному проекту, все заинтересовавшиеся могут самостоятельно проверить работоспособность проекта, выполнив представленные в статье действия. Благодаря тому, что в основе дизайна пользовательского интерфейса лежат обычные изображения, процесс разработки устройства относительно прост.
Управление сервоприводом
Довелось немного поработать с сервоприводами, решил поделиться информацией.
Думаю любой человек представляет себе, что такое электродвигатель, нет? — тогда вспомните какой нибудь вентилятор. Какая характерная черта? Правильно, подали напряжение он крутится, сняли напряжение — не крутится. Сервопривод, это тоже движок, но в отличие от других, на сколько скажешь ему повернуться, на столько он и повернется и остановится. Пока держится управляющий сигнал, сервопривод будет фиксировать свое положение. Можете его хоть руками покрутить, он все равно вернется в заданное положение.
Угол на который поворачивается серва, задается шириной импульса. Стоит уточнить небольшую тонкость, сервоприводы бывают разные. Бывают такие, которые крутятся постоянно в определенную сторону, при этом ширина импульса влияет только на скорость поворота. Бывают многооборотистые. Те о которых речь пойдет дальше, на сайте производителя имеют явную маркировку, в которой указан угол поворота. Поэтому учтите если серва, не имеет явной маркировки, то может оказаться так, что она тупо постоянно вращается. Не путайте, надписи 0.20 sec/60° означают скорость вращения, они никак не связаны с максимальным углом поворота.
Перейдем к теории. Представляем себе микроконтроллер с подключенным к АЦП входу резистором R и некий движок, который крутится по ШИМ сигналу PWM. Допустим уровень сигнала АЦП напрямую связан с ШИМ выходом, тогда когда мы будем крутить резистор, то скорость будет меняться, когда напряжение АЦП станет равным 0, движок остановится. 
Теперь рассмотрим вариант 2. Ручка резистора насажена на вал двигателя, таким образом, что когда двигатель вращается, он изменяет сопротивление резистора, следовательно и напряжение, которое подается на вход АЦП. При этом, если имеется еще один источник сигнала, то микроконтроллер сравнивает напряжение на входах и если оно больше, то крутит в одну сторону, если меньше, то в другую. Рано или поздно напряжения уровняются и движок остановится. Поэтому серва включает в себя все что нарисовано: резистор, микроконтроллер, двигатель. Внешний сигнал естественно подавать должны мы, чтобы управлять. 
Типовые кишки выглядят так: 
На фотке видно что резистор и моторчик соединяется через кучу шестеренок, поэтому если полезете внутрь будьте готовы что на вас высыпется все это добро. Вид снизу 
Чаще всего ширина импульса колеблется в диапазоне от 1100мкс до 1900мкс, при периоде 20мс, но цифры могут отличаться, причем достаточно сильно. Пример из даташита:
Control System: +Pulse Width Control 1520usec Neutral
Required Pulse: 3-5 Volt Peak to Peak Square Wave
Operating Voltage: 4.8 Volts
Operating Speed (6V): 0.20sec/60 degrees at no load
Operating Angle: 45 Deg. one side pulse traveling 400usec
Continuous Rotation Modifiable: No
Direction: Counter Clockwise/Pulse Traveling 1520-1900usec
Перейдем к практике. Есть поциент Futaba S3152, которым нужно покрутить туды — сюды. 
Также можно это дело потестить в протеусе. Обычное подключение по трем проводам красный +5В, черный — земля, белый — управляющий. 
В последних версиях CAVR, в Codewizard появилось много ништяков, например можно вбить цифры в попугаях и увидеть период и импульс в секундах. Собственно нам важен режим fast pwm top ICR. Примечателен этот режим тем, что ICR задает период, а OCR ширину импульса. 
Период вычисляется очень просто:
ICR = (Частота таймера/50Hz)-1
Тогда нужную ширину импульса можно легко вычислить по пропорции:
20ms = ICR
?ms = OCR
В итоге можно переписать так:
OCR = (x*ICR)/20; где x это необходимая длительность импульса. Например, нужна длительность импульса в 1мс, значит OCR= (1*9C3)/20=0x7C.
И пара бонусных моментов. Особо крутые сервоприводы могут программироваться, качаешь отдельную софтинку, покупаешь спецпрограмматор и втыкаешься в те же 3 провода и можно регулировать параметры. Фактически прошивайка работает по юарту. 
Еще один момент, это крепление нагрузки. Пластиковые штуки, которые крепятся на вал называются качалками. 
8 комментариев: Управление сервоприводом
Спасибо за статью! Подскажите, пожалуйста, а как управлять сервоприводом на 24В с управляющей линией на 10В? Уже пару дней бьюсь ничего не получается… Если не сложно не могли бы Вы схему набросать, хоть от руки. Заранее спасибо!