基于STM32的全自動(dòng)貼片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，杭州 310023)

0 引言

近年來現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展迅速，電子設(shè)備的生產(chǎn)和制造正向著智能化、高速化、高精度等方向發(fā)展，電子組裝技術(shù)的快速發(fā)展是現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的重要體現(xiàn)[1-2]。表面貼裝技術(shù)(SMT)是目前電子組裝行業(yè)里最流行的一種技術(shù)和工藝,是一種涉及多項(xiàng)內(nèi)容，將電子元器件貼裝到PCB電路板上的綜合技術(shù)[3]。人們對(duì)貼片機(jī)控制系統(tǒng)的研究取得了一些成果，如文獻(xiàn)[4-5]設(shè)計(jì)了一種由工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成的貼片機(jī)控制方法；文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種由PLC和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成的貼片機(jī)控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種基于DSP微處理器的運(yùn)動(dòng)控制板和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成的貼片機(jī)控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種緊湊型貼片機(jī)異構(gòu)多核可編程自動(dòng)化控制器(PAC)[9-10]；文獻(xiàn)[11]中設(shè)計(jì)了一種基于STM32F10X系列微處理器的控制系統(tǒng)，但是都沒有設(shè)計(jì)良好的閉環(huán)控制器。

在位置精度控制研究中，傳統(tǒng)的PID控制算法以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)仍被廣泛應(yīng)用，但是常規(guī)的PID控制算法對(duì)多變量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)難以達(dá)到理想的控制效果。為此，人們探索了一些智能算法應(yīng)用于貼片機(jī)控制系統(tǒng)中的位置精度控制，如模糊邏輯控制[12]、自適應(yīng)模糊PID控制[13]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[14]、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制[15]。相比傳統(tǒng)的PID控制，智能算法的應(yīng)用在一定程度上提高了位置控制精度，但是以上算法中沒有很好的考慮了系統(tǒng)內(nèi)外干擾對(duì)貼片精度的影響。

根據(jù)以上所述，本文設(shè)計(jì)了基于STM32微處理器的貼片機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，并且在位置精度控制中，考慮了內(nèi)外擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，設(shè)計(jì)了基于ADRC的閉環(huán)位置跟蹤控制器[16]，其線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(LESO)能夠?qū)崟r(shí)估計(jì)系統(tǒng)內(nèi)外擾動(dòng)，并通過設(shè)計(jì)的誤差補(bǔ)償控制律進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)較高精度的位置跟蹤控制。在實(shí)際貼片機(jī)控制系統(tǒng)測(cè)試中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾性較好，位置精度較高，滿足了貼片機(jī)控制系統(tǒng)的要求，表明了所設(shè)計(jì)的控制算法的有效性及控制系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

貼片機(jī)控制系統(tǒng)主要包括：貼片機(jī)架構(gòu)、上位機(jī)軟件、運(yùn)動(dòng)控制器。系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。上位機(jī)部分主要完成PCB板數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)和解析，并通過串口通信下發(fā)到運(yùn)動(dòng)控制器，數(shù)據(jù)信息包括元器件的種類、對(duì)應(yīng)位置的坐標(biāo)、對(duì)應(yīng)取料的料站編號(hào)、速度等；運(yùn)動(dòng)控制器接收并解析來自上位機(jī)軟件的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)相應(yīng)的控制命令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行，同時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)時(shí)接收來自執(zhí)行機(jī)構(gòu)反饋的位置信息，通過閉環(huán)控制器進(jìn)行位置跟蹤精度控制；595外擴(kuò)I/O模塊用于控制料站送料氣壓開關(guān)的電磁閥；五個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分別驅(qū)動(dòng)X，Y軸、機(jī)頭上下移動(dòng)的Z軸、吸嘴旋轉(zhuǎn)電機(jī)1和2；正負(fù)壓氣泵分別完成料站送料和吸嘴取放料。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

貼片機(jī)控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，其控制核心是STM32F103C8T6微處理器，主要模塊有：串口通信模塊、USB接口模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、Flash存儲(chǔ)模塊、編碼器數(shù)據(jù)采集模塊等。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 串口通信模塊

為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器與工控PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)信息快速交互，工控PC機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制器之間采用串口通信模式。根據(jù)實(shí)際控制要求設(shè)定上下位機(jī)的通信協(xié)議，根據(jù)通信協(xié)議，工控PC機(jī)將PCB版圖中相關(guān)的元器件數(shù)量、位置坐標(biāo)等信息以及控制命令等通過串口通信模塊下發(fā)到下位機(jī)，控制器收到相應(yīng)數(shù)據(jù)信息和控制命令后執(zhí)行操作。

2.2 USB接口模塊

USB接口模塊的設(shè)計(jì)主要是用于下位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的程序更新。為了方便日常生產(chǎn)中因需求改變需遠(yuǎn)程對(duì)程序進(jìn)行升級(jí)，進(jìn)而設(shè)計(jì)了可通過USB接口離線程序更新升級(jí)功能，該功能極大方便了系統(tǒng)的升級(jí)。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

在整個(gè)控制系統(tǒng)中總共有5個(gè)步進(jìn)電機(jī)，控制機(jī)頭縱向和橫向運(yùn)行的X，Y軸，選用型號(hào)為DM756D的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，機(jī)頭上下移動(dòng)的Z軸電機(jī)和吸嘴角度旋轉(zhuǎn)電機(jī)1和電機(jī)2均使用型號(hào)為HB420驅(qū)動(dòng)器，旋轉(zhuǎn)電機(jī)是為滿足PCB板上元器件不同角度的貼放?？刂茩C(jī)頭縱向和橫向運(yùn)行的X，Y軸電機(jī)是需要高精度控制，因此在這兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制中添加了閉環(huán)控制器來提高位置精度，每個(gè)步進(jìn)電機(jī)都安裝編碼器實(shí)時(shí)反饋信息，當(dāng)出現(xiàn)失步的現(xiàn)象時(shí)，閉環(huán)控制器會(huì)自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償來出現(xiàn)的控制偏差。

2.4 Flash存儲(chǔ)模塊

該存儲(chǔ)模塊主要用于存儲(chǔ)上位機(jī)下發(fā)的各類PCB版圖中元器件信息，包括數(shù)量、位置坐標(biāo)、角度、產(chǎn)量等數(shù)據(jù)信息；用于存儲(chǔ)運(yùn)動(dòng)控制過程中系統(tǒng)采集反饋等相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

2.5 編碼器數(shù)據(jù)采集模塊、

系統(tǒng)位置信息的實(shí)時(shí)反饋由編碼器完成，為了能提高貼片機(jī)的位置跟蹤精度，設(shè)置了閉環(huán)控制，根據(jù)編碼器反饋的實(shí)時(shí)位置信息與系統(tǒng)設(shè)定的參考軌跡信息作差可得到位置的誤差信息，進(jìn)而根據(jù)誤差信息作反饋控制，進(jìn)一步提高位置的跟蹤精度，從而提高貼片機(jī)的貼片精度。

2.6 電源穩(wěn)壓部分

正壓氣泵直接由220 V電源供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的供電電壓為24 V，芯片供電電壓為3.3 V，為了能夠使得電源處的電壓穩(wěn)定、波紋小，我們采用220 V的電源輸入經(jīng)開關(guān)電源調(diào)節(jié)分別輸出所需24 V和5 V的電壓，芯片所需的電壓由 SPX117-3.3轉(zhuǎn)化得到3.3 V電壓。

2.7 電磁閥控制電路部分

該系統(tǒng)中總共有48個(gè)獨(dú)立料盤，通過一個(gè)總的正壓氣泵來分別驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的料盤，由電磁閥來控制氣壓開關(guān)，當(dāng)吸嘴在對(duì)應(yīng)的料盤完成一次取料后，電磁閥完成一次開閉，相應(yīng)的料盤送料一次。由于48個(gè)料盤對(duì)應(yīng)48個(gè)電磁閥，因此需要有48個(gè)對(duì)應(yīng)的I/O口，故通過6片595芯片級(jí)聯(lián)的形式擴(kuò)展成48個(gè)I/O口，正好滿足系統(tǒng)需求。吸嘴在取放元器件過程中需要有正負(fù)壓的氣泵協(xié)同工作，因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)正壓和一個(gè)負(fù)壓氣泵來完成取放料。

2.8 X,Y軸位置精度控制

貼片機(jī)X，Y軸運(yùn)動(dòng)控制的工作狀態(tài)是高加速、高速的點(diǎn)到點(diǎn)之間的運(yùn)行，并且要實(shí)現(xiàn)高精度的位置跟蹤。為了達(dá)到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)平穩(wěn)、快速、精確位置跟蹤的要求，關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)有效的控制算法實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償控制，特別是針對(duì)系統(tǒng)位置的內(nèi)外干擾，這些干擾隨著系統(tǒng)工作狀態(tài)的變化而變化，具有很強(qiáng)的非線性，例如系統(tǒng)因步進(jìn)電機(jī)快速啟停，容易出現(xiàn)抖動(dòng)，這就會(huì)對(duì)貼裝的精度產(chǎn)生影響，因此需要通過控制器設(shè)計(jì)有效的算法進(jìn)行補(bǔ)償。

2.8.1 傳統(tǒng)的PID控制算法

PID控制算法一直以來是工業(yè)控制中應(yīng)用最為廣泛的算法，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是不需要被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行復(fù)雜的理論計(jì)算，只要在線根據(jù)被控量與給定值之間的偏差以及偏差的變化率等簡(jiǎn)單的參數(shù)，將偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構(gòu)成新的控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，PID的控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 PID控制結(jié)構(gòu)圖

其控制算法表示如下：

(1)

2.8.2 自抗擾控制算法

ADRC是一種集經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的算法，該算法由經(jīng)典的PID算法演變而來，采用了PID誤差反饋控制的核心思想，ADRC的核心是將系統(tǒng)未建模動(dòng)態(tài)和未知外界干擾都?xì)w結(jié)為對(duì)系統(tǒng)的“總擾動(dòng)”，通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器進(jìn)行估計(jì)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的誤差補(bǔ)償控制律進(jìn)行補(bǔ)償。

設(shè)計(jì)基于線性自抗擾控制(LADRC)的單軸位置跟蹤控制器，包括設(shè)計(jì)線性跟蹤微分器(LTD)，線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(LESO)和線性反饋控制律，其控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 自抗擾控制結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)線性跟蹤微分器，安排過渡過程給定信號(hào)xi0作為參考輸入，經(jīng)過跟蹤微分器獲得參考位置的近似微分信號(hào)xvi(k)，同時(shí)還可以獲得參考位置的過渡值xpi(k)，將設(shè)定的參考信號(hào)平滑化，防止產(chǎn)生超調(diào)，其形式如下：

(2)

其中：ri為跟蹤微分器的快速因子，fhi(k)為xvi(k)的微分值。

設(shè)計(jì)線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)和總和干擾(系統(tǒng)的內(nèi)外干擾)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)與補(bǔ)償，其形式如下：

(3)

(4)

其中epi(k)，evi(k)分別為第i軸系統(tǒng)的給定信號(hào)過渡值xpi(k)與位置估計(jì)值z(mì)pi(k)的誤差，給定信號(hào)的微分值xvi(k)與速度估計(jì)值z(mì)vi(k)的誤差，ui0(k)為誤差反饋控制量，ui(k)為最終的控制量。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)貼片機(jī)軟件系統(tǒng)主要由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件組成，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)軟件是在Windows7操作系統(tǒng)下，基于Visual Studio環(huán)境開發(fā)的。由圖5可以看出，上位機(jī)軟件包括人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)以及上位機(jī)與下位機(jī)協(xié)調(diào)程序設(shè)計(jì)等，其主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的總體管理，由多個(gè)操作界面組成，包括：開機(jī)主界面、文件管理界面、手動(dòng)調(diào)試界面、自動(dòng)運(yùn)行界面、生產(chǎn)監(jiān)測(cè)界面等，相應(yīng)的PCB板數(shù)據(jù)信息通過串口依次發(fā)送到下位機(jī)。

下位機(jī)系統(tǒng)軟件編譯環(huán)境采用ARM公司推出的針對(duì)各種嵌入式處理器的軟件開發(fā)工具RealView MDK，它提供了完善的設(shè)備調(diào)試和軟件仿真功能，包含了眾多的案例模板和固件實(shí)例，支持多種調(diào)試接口(如UART、JTAG 及JLINK等)，可大大減小開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期[12]。下位機(jī)系統(tǒng)軟件主要包括：貼片機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、生產(chǎn)運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、PCB數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)等，其主要功能是用來實(shí)現(xiàn)各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)控制、各種參數(shù)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理、安全監(jiān)測(cè)等。

在系統(tǒng)上電運(yùn)行過程中，上位機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，完成整個(gè)系統(tǒng)的管理；下位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器則負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的控制和協(xié)調(diào)。通過上位機(jī)和下位機(jī)的協(xié)同控制來完成整個(gè)貼片機(jī)控制系統(tǒng)的總控制，系統(tǒng)的控制流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)控制流程圖

4 系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果及其分析

根據(jù)上文貼片機(jī)整體框架和軟硬技術(shù)，本文所設(shè)計(jì)的貼片機(jī)實(shí)物測(cè)試平臺(tái)如圖7所示。

圖7 貼片機(jī)系統(tǒng)實(shí)物圖

通過該平臺(tái)進(jìn)行了手動(dòng)測(cè)試和全自動(dòng)貼片測(cè)試，基本已經(jīng)能達(dá)到貼片要求，與此同時(shí)，根據(jù)貼片機(jī)高精度的要求，分別測(cè)試了以傳統(tǒng)PID控制算法設(shè)計(jì)的閉環(huán)位置跟蹤控制器和以LADRC設(shè)計(jì)的閉環(huán)位置跟蹤控制器。系統(tǒng)的位置跟蹤精度測(cè)試過程如下：上位機(jī)完成期望軌跡的規(guī)劃，并將該軌跡分解生成對(duì)應(yīng)軸的參考軌跡，將數(shù)據(jù)信息通過串口通信發(fā)送到下位機(jī)控制器，下位機(jī)控制器接收來自上位機(jī)的數(shù)據(jù)信息，生成相應(yīng)的控制命令發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)時(shí)接收來自步進(jìn)電機(jī)編碼器反饋的信息，計(jì)算相應(yīng)的位置偏差，并通過控制算法生成新的控制量。位置跟蹤控制采用正弦函數(shù)作為參考曲線，通過多次調(diào)試選取相應(yīng)參數(shù)，LADRC控制器參數(shù)為kpx=kpy=0.5，kdx=kdy=0.5，bx0=by0=20，rx=ry=120，ωx=ωy=110，PID控制器參數(shù)為kp=64、ki=3.5、kd=7，其實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如下圖所示，圖8是基于LADRC單軸位置跟蹤控制效果圖(包括參考曲線、實(shí)際曲線和LESO估計(jì)的曲線)，圖9是基于LADRC和PID控制的單軸位置跟蹤誤差對(duì)比效果圖，圖10是兩種控制方法誤差累積對(duì)比圖，從圖9和圖10可看出相比傳統(tǒng)的PID控制LADRC控制的效果更好。表1是兩種位置跟蹤控制算法的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由表中數(shù)據(jù)可知相比傳統(tǒng)PID控制，LADRC控制的累積誤差減少了56.78%。通過上述實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知本文設(shè)計(jì)基于自抗擾控制器的控制系統(tǒng)具有更好的位置跟蹤控制效果。

圖8 單軸位置跟蹤效果圖

圖9 誤差變化對(duì)比圖

圖10 誤差累積對(duì)比圖

表1 位置跟蹤實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了基于STM32的貼片機(jī)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，相比市面上復(fù)雜的貼片機(jī)控制系統(tǒng)有著更好的操作性和可靠性。針對(duì)貼片機(jī)系統(tǒng)高速、高精度的要求，本文解決了X，Y軸高精度的位置跟蹤控制，該系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)中采用了具有干擾估計(jì)補(bǔ)償?shù)淖钥箶_控制器，較好的處理了因系統(tǒng)快速啟停引起抖動(dòng)等未知內(nèi)外干擾的影響，通過與傳統(tǒng)PID控制比較，表明了所設(shè)計(jì)控制器具有較好的控制性能。