薛鵬

摘 ?要：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)離子束刻蝕機(jī)控制算法和軌跡擬合算法的硬件基礎(chǔ)，因此需要在傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)上，進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以滿(mǎn)足離子束刻蝕機(jī)刻蝕閃耀曲面光柵的要求，文章按照離子束刻蝕機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的功能要求設(shè)計(jì)了工作平臺(tái)的電控系統(tǒng)，首先介紹了電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能模塊布置，之后分別對(duì)電控系統(tǒng)的四個(gè)主要功能模塊的軟件和硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別為：供電模塊、真空獲得模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、通訊模塊。為實(shí)現(xiàn)離子束刻蝕機(jī)控制算法和軌跡擬合算法提供了實(shí)際實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī);硬件設(shè)計(jì);運(yùn)動(dòng)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）13-0095-02

Abstract： The motion control system is the hardware basis to realize the control algorithm and trajectory fitting algorithm of ion beam etching machine. therefore， further research needs to be carried out on the transmission motion control system to meet the requirements of ion beam etching machine etching blazed surface gratings. In this paper， the functional requirements of the motion control system of ion beam etching machine are studied. the electronic control system of the working platform is designed. Firstly， the structure and functional module arrangement of the electronic control system are introduced. Then， the software and hardware circuits of the four main functional modules of the electronic control system are designed， which are： power supply module， vacuum acquisition module， motion control module， communication module. It provides a practical experimental platform for the realization of ion beam etching machine control algorithm and trajectory fitting algorithm.

Keywords： stepping motor; hardware design; motion control

1 供電模塊

由于整個(gè)系統(tǒng)中有眾多電子設(shè)備同時(shí)工作，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)各個(gè)設(shè)備的上電應(yīng)嚴(yán)格按照一定的先后順序進(jìn)行，包括真空泵組的工作電源及控制系統(tǒng)工作臺(tái)需要的工作電壓（+5V，+24V等），以避免因?yàn)樯想婍樞虻腻e(cuò)誤造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定等潛在的危險(xiǎn)情況出現(xiàn)。

運(yùn)行模式的切換主要是針對(duì)真空獲得部分。對(duì)于真空獲得其存在兩種運(yùn)行模式，即手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。在自動(dòng)模式下真空泵組根據(jù)程序設(shè)定好的條件運(yùn)行，無(wú)需操作人員進(jìn)行任何操作即可以形成及保持真空。手動(dòng)模式操作情況下，真空獲得的主控單元（PLC模塊）不起作用，真空的形成和保持完全由操作人員在1號(hào)機(jī)柜提供的手動(dòng)控制模版上進(jìn)行，其各種狀態(tài)信息的反饋完全由操場(chǎng)人員完成。

2 真空獲得模塊

真空獲得主要是電控系統(tǒng)與真空泵組的電氣控制接口及真空形成保持流程的執(zhí)行單元。該部分主要介紹真空形成保持的流程，控制模塊與真空泵組的電氣接口設(shè)計(jì)。

從實(shí)際應(yīng)用情況出發(fā)，要求真空聯(lián)鎖的控制實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)目標(biāo)：（1）可以嚴(yán)格按照真空聯(lián)鎖的流程完成真空的

形成和保持。（2）當(dāng)系統(tǒng)的主控軟件及其它部分停止工作時(shí)，真空聯(lián)鎖控制仍能可靠安全的保證系統(tǒng)真空。（3）可以在自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式下切換。

3 運(yùn)動(dòng)控制模塊

運(yùn)動(dòng)控制部分主要是完成樣品工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)擬合以及束流檢測(cè)電機(jī)的控制;在進(jìn)行工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌誤差修正補(bǔ)償時(shí)可以采集光柵尺及編碼器輸出信號(hào);可以存儲(chǔ)應(yīng)用軟件生成的運(yùn)動(dòng)軌跡補(bǔ)償數(shù)據(jù);通過(guò)串口與在真空室內(nèi)的PLC模塊通訊采集工作臺(tái)及束流檢測(cè)位置開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。

將詳細(xì)介紹運(yùn)動(dòng)控制各個(gè)部分硬件設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

對(duì)于兩種電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制接口（Dir+，Dir-，Pulse+，Pulse-，Enable+，Enable-）支持TTL電平輸入;光柵尺編碼器工作電源為5V，主控芯片及其外圍芯片工作電壓包括+5V/3.3V兩個(gè)電源等級(jí)。因此電源需要提供5V/5A的輸出能力，對(duì)于3.3V/2A通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片提供，其具體型號(hào)為T(mén)PS7333，輸入電壓為5V。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的電源分為兩部分：+48V/22A;+24V/2A，5V/5A。如圖4所示。

4 數(shù)據(jù)通訊模塊

數(shù)據(jù)通訊以RS232或RS485為基礎(chǔ)構(gòu)建，由于RS232及RS485之間轉(zhuǎn)換很容易實(shí)現(xiàn)，因此不硬性規(guī)定各部分所采用的方式，具體根據(jù)情況增加RS232/485轉(zhuǎn)換器。動(dòng)作命令為一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一節(jié)點(diǎn)的某個(gè)部件發(fā)出動(dòng)作命令，接收節(jié)點(diǎn)接收并執(zhí)行命令后向命令發(fā)出節(jié)點(diǎn)以狀態(tài)命令格式返回動(dòng)作執(zhí)行結(jié)果（圖5）。

5 實(shí)際調(diào)試實(shí)驗(yàn)

為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，本節(jié)設(shè)計(jì)了兩種不同預(yù)定轉(zhuǎn)速下的傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方式如下：步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速由主控芯片ATmega128L通過(guò)調(diào)速器獲取，并通過(guò)RS232/RS485串口傳輸?shù)诫娔X記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并運(yùn)用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。

如圖6，預(yù)設(shè)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/分鐘的傳統(tǒng)電控系統(tǒng)和本文電控系統(tǒng)控制下的實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)，圖中A轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)為傳統(tǒng)電控系統(tǒng)，其具有0.8s左右的上升時(shí)間，其轉(zhuǎn)速超調(diào)至620轉(zhuǎn)/分鐘，超調(diào)量達(dá)到了20%，并且在2s實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。圖中B轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)為本文電控系統(tǒng)，本文電控系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速上升時(shí)間約為0.5s，轉(zhuǎn)速超調(diào)至530轉(zhuǎn)/分鐘，超調(diào)量約為6%，并且在1.2s實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了離子束刻蝕機(jī)電控系統(tǒng)，首先介紹了電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能模塊布置，之后分別對(duì)電控系統(tǒng)的四個(gè)主要功能模塊的軟件和硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)離子束刻蝕軌跡擬合算法提供了硬件支持，并進(jìn)行了實(shí)際狀態(tài)下的控制實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足離子束刻蝕機(jī)的運(yùn)動(dòng)精度求。

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