高忠華 陳錫侯 鄭方燕 楊繼森

（①重慶理工大學機械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶400054;②合肥工業(yè)大學儀器科學與光電工程學院，安徽合肥 230009）

時柵角位移傳感器是一種全新原理的傳感器，其 測量精度經(jīng)中國測試技術(shù)研究院檢定達±0.8″［1］。時柵轉(zhuǎn)臺是把時柵傳感器做為測角元件安裝于回轉(zhuǎn)工作臺（簡稱轉(zhuǎn)臺）內(nèi)部，實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺分度的數(shù)字化顯示［2］。隨著機械加工的自動化水平和加工精度的不斷提高，人們對轉(zhuǎn)臺的自動定位的精度要求也越來越高。而市場上常見的數(shù)控轉(zhuǎn)臺，大多是利用伺服電動機上的角度編碼器作為反饋信號實現(xiàn)數(shù)字控制的。它實質(zhì)上是一種半閉環(huán)的控制系統(tǒng)，如圖1所示。這種控制方案對轉(zhuǎn)臺的機械傳動精度要求很高，一般適用于轉(zhuǎn)臺分度精度和控制精度要求不高的場合。文獻［3］中采用CNC系統(tǒng)對各軸的補償功能實現(xiàn)了高精度定位，但它不能脫離數(shù)控機床單獨使用。為此本文提出了一種全閉環(huán)的轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)，如圖2所示。把所在課題組研制的高精度時柵傳感器作為反饋元件用來實時檢測轉(zhuǎn)臺的位置，以ARM7作為核心控制器件，并配以步進電動機組成了一個獨立的全閉環(huán)的數(shù)控轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)，廣泛地應(yīng)用于各種場合。

1 時柵轉(zhuǎn)臺全閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計

時柵轉(zhuǎn)臺全閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。以ARM控制器作為數(shù)字控制系統(tǒng)核心控制器件，步進電動機作為驅(qū)動部件，經(jīng)過一定的傳動比帶動轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過一定的角度。高精度時柵角位移傳感器做為測角元件安裝于轉(zhuǎn)臺內(nèi)，把轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過的角度信息通過串口RS232實時反饋給ARM控制器，并與給定的角度設(shè)定值比較。通過一定的軟件控制算法，把差值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖，經(jīng)ARM控制器輸出，改變步進電動機的輸出轉(zhuǎn)角，從而形成了一個全閉環(huán)的角位移控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了角位移的精準定位。

2 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用ARMLPC2138作為時柵轉(zhuǎn)臺數(shù)控系統(tǒng)的核心器件。LPC2138是PHILIPS公司推出的基于ARM7內(nèi)核的高性能芯片，除了內(nèi)置了串行通信接口外，還內(nèi)置了脈寬調(diào)制器，使其對步進電動機的控制變得十分簡單易行?；贚PC2138控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

ARM控制器除了有時鐘電路和穩(wěn)定的供電電源外，還要有一個復位邏輯電路，以保證ARM上電后有一個確定的工作狀態(tài)。此外還必須留有JTAG程序仿真調(diào)試接口電路。

2.1 RS232接口電路設(shè)計

RS－232接口是一種串行通信接口。由于該系統(tǒng)通信距離近，無需使用握手信號，只需3根信號線:TXD（發(fā)送線）、RXD（接收線）和GND（地線）。系統(tǒng)的供電是3.3 V，所以要使用SP3232E進行RS－232電平轉(zhuǎn)換。如圖4所示，Tx0、Tx1為發(fā)送數(shù)據(jù)端，Rx0與Rx1為接收數(shù)據(jù)端。LPC2138具有一個普通串口UART0和一個帶Modem接口的UART1。而SP3232E是一個2驅(qū)動器/2接收器的器件，為充分利用硬件資源，可將UART1接口也留出，便于以后系統(tǒng)升級。

2.2 步進電動機驅(qū)動電路

電動機選用兩相混合式步進電動機，斯達公司的34HS300DZ型電動機輸出轉(zhuǎn)矩較大，可滿足一般的使用要求。驅(qū)動器選用MS－2H090M型，使用時細分數(shù)調(diào)至最大，此時步進電動機輸出的步距角為0.009°，這樣的步距角依然無法滿足高精度的要求。由于轉(zhuǎn)臺的蝸輪副的傳動比為90∶1，再加上2∶1的同步輪減速，折算到轉(zhuǎn)臺上的步距角為0.18″，這樣經(jīng)過機械傳動比減速達到了步距角細分的目的。ARM控制電動機驅(qū)動器的輸出引腳只有3.3 V，采用三態(tài)輸出的總線收發(fā)器74LS245，增強ARM輸出的驅(qū)動能力。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)軟件設(shè)計主要實現(xiàn)步進電動機的高精度定位功能，另外還要求有友好的操作界面，功能完善，鍵盤設(shè)計合理，便于操作等功能。圖5給出了電動機控制的算法流程圖。

首先把通過串口接收的時柵反饋數(shù)據(jù)與從鍵盤接收的角位移設(shè)定值在ARM控制器中相比較。如果與設(shè)定值相差較多，則控制器控制電動機以較大的速度迅速粗定位至與設(shè)定值相差1°以內(nèi)。在電動機加速過程中，要經(jīng)歷加速、勻速和減速過程。如果啟動時一次將速度升到給定速度，由于啟動頻率超過極限啟動頻率，步進電動機要發(fā)生失步現(xiàn)象，因此會造成不能正常啟動。如果到終點時突然停下來，由于慣性作用，步進電動機會發(fā)生過沖現(xiàn)象，會造成位置精度降低。所以，對步進電動機的加減速要有嚴格的要求。那就是保證在不失步和過沖的前提下，用最快的速度移動到指定的粗定位位置。精定位采用慢速的逐次逼近設(shè)定值的算法，直至達到控制精度范圍內(nèi)為止。

4 實驗數(shù)據(jù)及分析

全閉環(huán)時柵數(shù)控轉(zhuǎn)臺實物如圖6所示。

對整周360°范圍內(nèi)每間隔36°設(shè)置一個設(shè)定值，定點采集10個位置的數(shù)據(jù)。根據(jù)該數(shù)控系統(tǒng)的實際定位值以及時柵在每一點的誤差值可以計算出該控制系統(tǒng)的綜合誤差。表1為經(jīng)多次測試之后選出的綜合誤差最大的一組實驗數(shù)據(jù)。

選用的時柵傳感器自身精度為±1″，該系統(tǒng)的定位誤差與傳感器誤差合起來的總誤差＜±2″。從數(shù)據(jù)中可以看出，數(shù)控系統(tǒng)的自身的定位誤差≤0.72″，是由于采用全閉環(huán)的控制方案，大大提高了其定位的能力。

表1 全閉環(huán)時柵數(shù)控轉(zhuǎn)臺實測誤差數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

基于ARM的高精度時柵數(shù)控轉(zhuǎn)臺全閉環(huán)控制系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)臺蝸輪副加工精度不足的情況下，采用全閉環(huán)的控制方法，提高了控制系統(tǒng)的定位精度。在步進電動機步距角細分不足的情況下，采用機械傳動比細分的方法，把電動機步距角折算到轉(zhuǎn)臺的圓分度上，解決了細分問題，而且簡單易行，具有較好的市場應(yīng)用前景。

［1］彭東林，劉小康，張興紅，等.時柵位移傳感器原理與發(fā)展歷程［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2010，24（10）:40－45.

［2］高忠華，彭東林，王先全，等.用于高精度數(shù)顯時柵轉(zhuǎn)臺的全自動測控系統(tǒng)［J］.工具技術(shù)，2008，42（9）:95 －97.

［3］張敬毅，倪俊霞.半閉環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺定位精度的補償和調(diào)整［J］.制造業(yè)自動化，2000，22（6）:59 －60.