微動(dòng)臺(tái)位移檢測(cè)及伺服控制系統(tǒng)的研究

吳年祥，陳小林

(安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，安徽 六安 237011)

陳小林(1965- ),男(漢族)，安徽六安人，副教授，學(xué)士，研究方向：電氣工程與自動(dòng)化。

微動(dòng)臺(tái)位移檢測(cè)及伺服控制系統(tǒng)的研究

吳年祥，陳小林

(安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，安徽 六安 237011)

設(shè)計(jì)一種以微控制器為核心的微動(dòng)工作臺(tái)位移檢測(cè)及伺服控制系統(tǒng)。信號(hào)處理電路采集傳感器輸出的信號(hào)，通過將其放大、濾波、細(xì)分辨向等處理后轉(zhuǎn)換成脈沖序列送給微控制器，微控制系統(tǒng)通過I/O口發(fā)送方向控制信號(hào)和脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)微動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)，通過在微動(dòng)臺(tái)上的光柵位移傳感器的同步移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)位移量的檢測(cè)。

微動(dòng)工作臺(tái)；光柵信號(hào)；細(xì)分辨向處理；步進(jìn)電機(jī)

圖1 微動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)產(chǎn)品的精度要求越來越高，機(jī)器必須嚴(yán)格依據(jù)給定的規(guī)程運(yùn)行。比如，機(jī)床的主軸與刀架之間必須按要求的運(yùn)動(dòng)軌跡作精確的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，高精度機(jī)械零部件必須按照尺寸和形狀加工。這都需要對(duì)機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行精確檢測(cè)，并在發(fā)現(xiàn)有偏離規(guī)定要求的傾向時(shí)通過微控制系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整與修正。機(jī)器要在高速下可靠、精密地運(yùn)行，離不開測(cè)量與控制技術(shù)?；跍y(cè)控技術(shù)開發(fā)的微動(dòng)位移檢測(cè)和伺服控制系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)微動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行智能控制和跟蹤，可以實(shí)現(xiàn)微動(dòng)臺(tái)大范圍微米級(jí)運(yùn)動(dòng)。

圖2 微控制系統(tǒng)原理圖

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以微控制器作為控制的核心，結(jié)合人機(jī)接口，實(shí)時(shí)完成對(duì)系統(tǒng)的控制。通過單片機(jī)的I/O口發(fā)送方向控制和脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器把方向控制和脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)變換為直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)輸送給步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)微動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。光柵位移傳感器在工作臺(tái)上同步移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作臺(tái)實(shí)時(shí)位移量的檢測(cè)，采集信號(hào)送給信號(hào)處理電路進(jìn)行處理；再將經(jīng)過信號(hào)放大、線路的濾波、信號(hào)的細(xì)分等處理后的脈沖序列送給單片機(jī)，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 微控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

8279接口芯片鍵盤和LED顯示器構(gòu)成一個(gè)最小單片機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)光柵信號(hào)的采集和步進(jìn)電機(jī)的控制，同時(shí)提供操作者對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的控制功能，如圖2所示。

傳統(tǒng)的8155/8255芯片既浪費(fèi)CPU資源又限制軟件結(jié)構(gòu)，所以本系統(tǒng)采用Intel可編程鍵盤/顯示器專用接口，8279可實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示器和鍵盤的自動(dòng)掃描并能識(shí)別鍵盤上閉合鍵的鍵號(hào)，減輕CPU的負(fù)擔(dān)，而且顯示穩(wěn)定、編程簡(jiǎn)單，不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作[1]。

系統(tǒng)中使用的光柵傳感器最大量程為80 mm，以μm為最小單位，用5位共陰數(shù)碼顯示器一共顯示80 000 μm。電路設(shè)計(jì)了4×4鍵盤，其中RST和RUN鍵為特殊功能鍵，由硬件電路實(shí)現(xiàn)功能，而實(shí)際的編碼矩陣鍵盤為14個(gè)，由軟件賦予其各自的功能。為了讀取鍵值運(yùn)算方便，將這14個(gè)鍵按00H～0DH排列，分別定義數(shù)字鍵0～9、換向鍵+/-、退位鍵BACK、清除鍵CE和電機(jī)調(diào)速鍵SPD。顯示器采用段碼輸出的消隱方案，顯示段碼從8279芯片OUTA、OUTB輸出，經(jīng)過段驅(qū)動(dòng)器后點(diǎn)亮數(shù)碼顯示器，且在消隱期間74LS373輸出為三態(tài)，消隱效果良好又不影響鍵盤的掃描。

2.2 光柵信號(hào)采集及處理電路

2.2.1 光柵位移傳感器的原理與選型

圖3 信號(hào)處理電路框圖

圖4 單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路

(a)正向運(yùn)動(dòng) (b)反向運(yùn)動(dòng) 圖5 單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路波形圖

光柵是一種增量式編碼的光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)器，以1個(gè)定光柵和1個(gè)動(dòng)光柵作為檢測(cè)元件，靠它產(chǎn)生莫爾條紋來檢測(cè)位移值，莫爾條紋的移動(dòng)與柵距之間的移動(dòng)一一對(duì)應(yīng)。若光柵標(biāo)尺為50線對(duì)/mm，當(dāng)移動(dòng)部件移動(dòng)xmm時(shí)，光柵尺上的莫爾條紋就要移過50x條。光柵位移傳感器的工作原理是：在光的干涉與衍射共同作用下，一對(duì)光柵副中的主光柵(標(biāo)尺光柵)和副光柵(指示光柵)相對(duì)位移時(shí)，產(chǎn)生黑白相間有規(guī)則的條紋圖形(通常稱為莫爾條紋)，再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器件將黑白相間(明暗相間)的條紋圖案轉(zhuǎn)換成后級(jí)電路處理的正弦變化電信號(hào)，經(jīng)過放大、整形、細(xì)分后，得到2路正交的方波，最后通過計(jì)數(shù)器對(duì)條紋進(jìn)行計(jì)數(shù)，得到微動(dòng)臺(tái)的位移量[2]。綜合考慮，該系統(tǒng)采用4路正弦信號(hào)的GCS868-5光柵位移傳感器：柵距為0.02 mm(50線對(duì)/mm)，精度為±0.015 mm(20 ℃，1 000 mm內(nèi))，分辨率為5 μm，輸出信號(hào)幅值為mV級(jí)，相位角依次差90°。

2.2.2 光柵采集及處理電路

從光柵傳感器輸出插頭采集到4路依次相位差90°的毫伏級(jí)微弱正弦信號(hào)。為簡(jiǎn)化電路的結(jié)構(gòu)，采用了兩兩差動(dòng)輸入放大器的方法，即0°和180°信號(hào)為一組，90°和270°信號(hào)為一組，分別作為2個(gè)差動(dòng)式放大器的輸入端。通過后續(xù)電路變換可提供2路相位差90°的信號(hào)，其中2級(jí)放大器兼做濾波器，通過整形電路轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)，再經(jīng)細(xì)分辨向電路產(chǎn)生兩路脈沖信號(hào)[3]，如圖3所示。

2.2.3 細(xì)分辨向電路

為提高微動(dòng)臺(tái)位移檢測(cè)的分辨力，光柵位移傳感器允許正反2個(gè)方向移動(dòng)，采用單穩(wěn)四細(xì)分辨向電路，利用單穩(wěn)提取兩路的方波信號(hào)邊沿來實(shí)現(xiàn)四細(xì)分[4]，如圖4所示。電壓比較器輸出2路相位差為90°的方波信號(hào)，即傳感器正向移動(dòng)和反向運(yùn)動(dòng)時(shí)波形圖。其中脈沖數(shù)表示指示光柵所移動(dòng)的條紋數(shù)，已知光柵柵距即可得出光柵所移動(dòng)的實(shí)際距離，即：D=w/[2×sin(a/2)]=w/a=kw。(w為柵距，即每毫米內(nèi)光柵的條紋數(shù)；D為莫爾條紋寬度；k為光柵放大倍數(shù)) 光柵移動(dòng)x條刻線，則莫爾條紋也移動(dòng)x條條紋；莫爾條紋產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，即光柵移動(dòng)的實(shí)際距離。

圖6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

步進(jìn)電機(jī)能把給定的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移，電脈沖信號(hào)與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度是相對(duì)應(yīng)的。給系統(tǒng)中使用的步進(jìn)電機(jī)提供1個(gè)電脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)過1.8°的步距角；若給步進(jìn)電機(jī)2個(gè)脈沖信號(hào)就轉(zhuǎn)過3.6°步距角；連續(xù)給定電脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)即可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)[5]。步進(jìn)電機(jī)工作至少需要電脈沖信號(hào)發(fā)生、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)3個(gè)方面的協(xié)調(diào)，即通過控制脈沖頻率高低來完成步進(jìn)電機(jī)速度和控制，通過脈沖數(shù)量來控制步進(jìn)電機(jī)的位置。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

由P1.0口輸出驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)，由T1定時(shí)器定時(shí)溢出中斷方式產(chǎn)生；由P1.1口輸出方向電平信號(hào)可使步進(jìn)電機(jī)換向，由換向鍵+/-控制電平的高低，經(jīng)反相器連接方向顯示數(shù)碼管的g端，實(shí)現(xiàn)正負(fù)顯示。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序主要分為鍵盤/顯示控制和對(duì)輸入脈沖計(jì)數(shù)2個(gè)部分。賦予各編碼鍵盤各自的功能，由鍵盤輸入工作臺(tái)移動(dòng)的預(yù)置值，由SPD鍵調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，由+/-鍵控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，按下RUN鍵后啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，開始對(duì)光柵傳感器輸入的測(cè)量脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)；當(dāng)工作臺(tái)移動(dòng)到所預(yù)置的位置時(shí)，單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，停止電機(jī)，從而完成閉環(huán)控制。整體程序流程如圖7所示。

3.2 鍵盤/顯示子程序的設(shè)計(jì)

該部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤的編碼、輸入鍵值的運(yùn)算和控制以及輸出顯示功能，程序流程如圖8所示。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

微動(dòng)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)包含微動(dòng)工作平臺(tái)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、微控制器和光柵傳感系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器把方向控制和脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)變換為直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)輸送給步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)微動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。位移量由光柵位移傳感器測(cè)得。

圖9 頻率-位移關(guān)系曲線

圖10 動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)平均步距曲線

4.1 驅(qū)動(dòng)頻率與位移的關(guān)系

4.2 平均步距與頻率的關(guān)系

在驅(qū)動(dòng)頻率為10 Hz，行程為13 mm時(shí)，測(cè)量微動(dòng)平臺(tái)線性運(yùn)動(dòng)的平均步距如圖10所示。由于微動(dòng)臺(tái)裝配精度與加工精度的關(guān)系，平均步距為(1.505±0.012) μm。實(shí)驗(yàn)表明，此裝置具有較好的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

本文提出了一個(gè)針對(duì)微動(dòng)臺(tái)位移測(cè)量的光柵控制系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)，微動(dòng)臺(tái)的位移基本符合模擬曲線，平均步距和誤差都達(dá)到了微米級(jí)，有較大驅(qū)動(dòng)力和行程。當(dāng)光功率計(jì)的分辨率為1 μW，系統(tǒng)測(cè)量位移的分辨率可以達(dá)到7 μm。若采用光纖傳感系統(tǒng)，精度會(huì)更高。

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ResearchofDisplacementMeasuringandServo-controllingSystemforMicro-Positoner

WUNianxiang，CHENXiaolin

(Department of mechanical and electrical engineering,Anhui National Defence Vocational College, Luan 237011, China)

A micro-motion working table system of displacement measuring and servo-controlling based on MCU is designed. The single-chip is used for controlling movement of the working table, controlling of the keyboard and display. The signal processing circuit samples the signal passed by grating displacement sensor, deals with it by amplifying, filtering and subdividing, and then switches it to a series of pulses which are sent to the single-chip. By I/O port, the single-chip sends the pulse signal and the direction controlling signal to make the step-servo motor turn. The working table brings along the grating displacement sensor moving, and meanwhile, the displacement is measured by the sensor.

micro motion working table; grating signal; subdividing to deal with; step-servo motor

2013-04-13

安徽省省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目“電氣自動(dòng)化技術(shù)專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)”(20101688)

吳年祥(1984- )，男(漢族)，安徽安慶人，助教，碩士，研究方向：電子與微控制技術(shù)、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)室管理。

TH701

A

2095-5383(2013)02-0043-04