李宏偉，楊繼森，江中偉，冉揚(yáng)潔，李小雨

(重慶理工大學(xué) 機(jī)械檢測(cè)技術(shù)與裝備教育部工程研究中心時(shí)柵傳感及先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400054)

0 引 言

時(shí)柵位移傳感器作為一種新型的絕對(duì)式角位移傳感器，采用“以時(shí)間測(cè)量空間”的新型原理作為理論基礎(chǔ)［1，2］，采用感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)作為其主要框架模型，測(cè)量精度高、穩(wěn)定性高、成本低，具有廣泛市場(chǎng)應(yīng)用前景［3］。時(shí)柵分度轉(zhuǎn)臺(tái)在高精度定位、機(jī)床回轉(zhuǎn)測(cè)量、標(biāo)定以及在科學(xué)研究中都有所應(yīng)用，針對(duì)傳統(tǒng)時(shí)柵分度轉(zhuǎn)臺(tái)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)所凸顯出來(lái)的電機(jī)轉(zhuǎn)速較慢和細(xì)分問(wèn)題的局限性，提出了采用伺服電機(jī)替代步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，利用高精度時(shí)柵角位移傳感器作為檢測(cè)單元構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。以μC/OS－Ⅱ操作系統(tǒng)作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，構(gòu)建多任務(wù)管理為核心的新型伺服轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)。

1 精密運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)方案

精密運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案如圖1 所示，時(shí)柵位移傳感器作為位置檢測(cè)單元同轉(zhuǎn)臺(tái)同軸安裝，微處理器通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)電機(jī)使蝸輪副帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)而轉(zhuǎn)臺(tái)同時(shí)柵位移傳感器同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，時(shí)柵位移檢測(cè)的實(shí)際轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)過(guò)的角度通過(guò)串口發(fā)送到處理器中，與微處理器發(fā)出的指令相比較，即可以得到轉(zhuǎn)臺(tái)的誤差。然后通過(guò)單神經(jīng)元PID 控制算法達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的精確控制。

2 伺服控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖1 時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)方案Fig 1 Scheme of time grating turntable servo control system

該系統(tǒng)所使用的轉(zhuǎn)臺(tái)為時(shí)柵分度轉(zhuǎn)臺(tái)，驅(qū)動(dòng)裝置為富士的GYS751 系列單軸交流伺服電機(jī)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)選用與富士GYS751 系列伺服電機(jī)相匹配的RYC751D3—VVT2 型伺服放大器;轉(zhuǎn)臺(tái)的檢測(cè)單元為72 對(duì)極軸式時(shí)柵角位移傳感器，其測(cè)量范圍為0°～360°，測(cè)量不確定度為±1″［4］。整個(gè)伺服控制系統(tǒng)選用STM32F4 微處理器對(duì)伺服放大器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制，利用時(shí)柵角位移傳感器將轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)過(guò)的角度反饋給微處理器，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的精確控制。其控制框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制模型Fig 2 System structure and control model

3 硬件設(shè)計(jì)

為了滿足時(shí)柵分度轉(zhuǎn)臺(tái)的低功耗、智能化、高速化和高精度的定位要求，整個(gè)硬件部分采用32 位ARM 處理器STM32F407VE 為核心，它具有增強(qiáng)型的DSP 指令集，高達(dá)1M 字節(jié)的片上閃存，系統(tǒng)晶振最高可達(dá)到168 MHz［5，6］。同時(shí)設(shè)計(jì)了顯示驅(qū)動(dòng)模塊、鍵盤驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和串口通信模塊，如圖3 所示。

1)顯示與鍵盤驅(qū)動(dòng)模塊:顯示選用分辨率為640×480，顯示顏色達(dá)256 色的6.4 in(1in=2.54 cm)的真彩液晶屏。STM32F4 微處理器通過(guò)GPIOB 的PB0—PB7 作為數(shù)據(jù)端口與LCD 的D0—D7 端口相連;PB8—PB10 作為控制寄存器地址線與LCD 的A0～A2 端口相連。由于LCD 和微處理器的工作電壓不同，因此，通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片74LS245 連接微處理器和LCD 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

圖3 硬件電路Fig 3 Hardware circuit

針對(duì)鍵盤在工作現(xiàn)場(chǎng)的抗粉塵、抗油污和抗干擾能力等問(wèn)題，選用薄膜按鍵，按鍵分為數(shù)字按鍵、字母按鍵和特殊功能按鍵，共計(jì)34 個(gè)，因此，選用5×8 的行列式鍵盤布局。為了提高微處理器的工作效率，選用專用的鍵盤驅(qū)動(dòng)芯片CH454 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

2)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊:伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)選用與富士電機(jī)GYS751 系列相匹配的伺服放大器RYC751D3—VVT2，微處理器的PA6，PA7 作為差分脈沖的輸出端分別與伺服放大器的差分管腳CA，CB 相連;PA3，PA4 分別作為模擬速度信號(hào)輸出端分別與伺服放大器的VFEF，M5 模擬速度輸入端相連［7，8］。GYS751 伺服電機(jī)的U，V，W 三相端同伺服放大器的三相端相連，伺服放大器接收微控制器輸出的差分脈沖和模擬速度信號(hào)后就可以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)按預(yù)定的方式轉(zhuǎn)動(dòng)。

3)光電隔離模塊:由于伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊RYC751D3—VVT2 輸出功率大，為了減少它對(duì)主控元件的影響，因此，需要在微處理器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)之間采用隔離器。本方案采用的隔離器為安華高科技(Avago Technologies)公司生產(chǎn)的高速光電隔離器6N137，它是一種高速光電隔離器，同時(shí)具有溫度、電流和電壓補(bǔ)償功能以及高的輸入輸出隔離和5 mA的極小輸出電流［9］。

4 系統(tǒng)控制模型與算法

由于PID 控制算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)工程控制，但常規(guī)的PID 控制存在一定的局限性，因此，出現(xiàn)了許多改進(jìn)的PID 控制算法［10］。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要本系統(tǒng)采用的是單神經(jīng)元PID 控制算法，單神經(jīng)元PID 控制算法結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示［11］。

設(shè)微控制器的發(fā)出的制定值為r(t);轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度值為y(t)，則經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的狀態(tài)量為

式中 x1(t)為系統(tǒng)誤差變化的累積;x2(t)為誤差的變化量;x3(t)為誤差變化的一階差分。取遞進(jìn)信號(hào)d(t)為

圖4 單神經(jīng)元PID 控制框圖Fig 4 Block diagram of single neuron PID control

圖中，K 為神經(jīng)元比例系數(shù)，K ＞0，而神經(jīng)元產(chǎn)生的控制信號(hào)u(t)為

5 軟件設(shè)計(jì)

為了提高整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與系統(tǒng)的可維護(hù)性，在系統(tǒng)控制部分采用了μC/OS－Ⅱ開(kāi)源操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。此操作系統(tǒng)是一種占先式內(nèi)核的小型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，代碼開(kāi)源，比較方便進(jìn)行移值，整個(gè)軟件系統(tǒng)按照任務(wù)模塊設(shè)計(jì)，在操作系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)多任務(wù)分時(shí)運(yùn)行。

系統(tǒng)主要有三個(gè)任務(wù)模塊，分別為按鍵監(jiān)控任務(wù)、LCD顯示任務(wù)和鍵值處理任務(wù):

1)按鍵監(jiān)控任務(wù):該任務(wù)主要是負(fù)責(zé)鍵盤數(shù)據(jù)的輸入與存儲(chǔ)，并將輸入的命令鍵值轉(zhuǎn)換為命令編碼，交由鍵值處理任務(wù)處理;

2)LCD 顯示任務(wù):該任務(wù)主要是在LCD 上顯示系統(tǒng)的工作界面，響應(yīng)按鍵監(jiān)控任務(wù)，根據(jù)用戶的命令顯示相應(yīng)的操作界面，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的工作，提高工作效率;

3)鍵值處理任務(wù):該任務(wù)主要是根據(jù)按鍵監(jiān)控任務(wù)產(chǎn)生的用戶命令編碼，實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶的按鍵命令，根據(jù)命令的分類，執(zhí)行相應(yīng)的命令功能。

整個(gè)軟件系統(tǒng)由3 個(gè)主要控制任務(wù)組成，并分時(shí)運(yùn)行，其初始化過(guò)程如圖5 所示。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)彈性聯(lián)軸器和時(shí)柵位移傳感器在伺服電機(jī)的帶動(dòng)下同步轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)電氣箱鍵盤向伺服電機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)進(jìn)一步控制轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6 所示。

實(shí)驗(yàn)在精密實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，進(jìn)行了單次實(shí)驗(yàn)，得到了相關(guān)數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖7 所示，可以看出整個(gè)系統(tǒng)的建立時(shí)間約為120 ms;上升時(shí)間約為60 ms;超調(diào)量約為1.5%，對(duì)速度具有良好的響應(yīng)特性，圖8 所示為整個(gè)系統(tǒng)位置伺服誤差曲線輸出精度為±2″。

7 結(jié)束語(yǔ)

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖Fig 5 Flow chart of system software

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig 6 Experimental platform

圖7 系統(tǒng)階躍響應(yīng)Fig 7 System step response

圖8 系統(tǒng)誤差曲線Fig 8 System error curve

本文系統(tǒng)利用單片微處器STM32F4 以及有效的將μC/OS－Ⅱ和單神經(jīng)元PID 算法有效的融合在一起，采用高精度時(shí)柵位移傳感器作為位置檢測(cè)單元構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有速度響應(yīng)時(shí)間短、精度高、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，從而為時(shí)柵轉(zhuǎn)臺(tái)的產(chǎn)業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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