杜曉偉，涂明武，王東鋒

（空軍工程大學(xué)航空機(jī)務(wù)士官學(xué)校，信陽 464000）

0 引言

1 伺服控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

軍用飛機(jī)等大型裝備的燒傷和彈片的破孔等損傷常需要將損傷部位切割后，再采用補(bǔ)片鉚接等修理方法。然而對(duì)于飛機(jī)常用的鈦合金等結(jié)構(gòu)，常規(guī)刀具切割困難、效率低，難以滿足戰(zhàn)傷搶修需要。比較理想的切割手段是采用激光切割，該技術(shù)已在國內(nèi)金屬材料切割和汽車制造等工業(yè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。但作為激光切割系統(tǒng)的關(guān)鍵組件之一，激光切割頭的伺服控制技術(shù)仍以德國等進(jìn)口技術(shù)為主，國內(nèi)技術(shù)還存在控制精度低和抗干擾能力差等問題[1]。尤其在裝備戰(zhàn)傷搶修領(lǐng)域，對(duì)激光切割頭伺服控制信號(hào)的精度和抗干擾能力具有更高的要求。例如，當(dāng)激光焦距控制誤差超過0.1mm時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生鋸齒狀切痕和燒焦等缺陷，嚴(yán)重影響切割質(zhì)量。由于PWM脈寬調(diào)制和差分放大技術(shù)在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)抗干擾處理方面具有較好的優(yōu)點(diǎn)，本文基于STM32F103RCT6單片機(jī)設(shè)計(jì)了用于戰(zhàn)傷搶修領(lǐng)域的PWM差分方式驅(qū)動(dòng)的激光切割頭伺服控制系統(tǒng)。試用表明，該系統(tǒng)具有體積小、精度高、處理速度快和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。

激光切割頭伺服控制系統(tǒng)主要作用是[2]，在切割過程中，通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)激光切割頭正、反轉(zhuǎn)，使激光焦距能夠依據(jù)板材凸凹不平的變化自動(dòng)保持恒定，從而實(shí)現(xiàn)良好的切割動(dòng)作。該系統(tǒng)包括激光切割頭（與板材構(gòu)成電容傳感器）、電容檢測(cè)芯片、STM32F103RCT6單片機(jī)、PWM差分驅(qū)動(dòng)模塊和伺服電機(jī)系統(tǒng)，其中電容傳感器設(shè)置在激光切割頭噴嘴上，用于將感應(yīng)到的電容傳送給專用電容檢測(cè)芯片PCAP01。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。電容檢測(cè)芯片用于檢測(cè)電容傳感器信號(hào)，并將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后以SPI總線的方式將數(shù)字采集結(jié)果發(fā)送到STM32F103RCT6單片機(jī)。單片機(jī)再將該數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為2路PWM信號(hào)，經(jīng)后級(jí)濾波和差分放大后輸出伺服驅(qū)動(dòng)器控制電壓信號(hào)，并根據(jù)該電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)激光切割頭向上或向下移動(dòng)，保持焦距恒定。

圖1 激光切割頭伺服控制系統(tǒng)框圖

2 伺服系統(tǒng)控制原理

激光切割頭伺服控制系統(tǒng)控制的原理如圖2所示，電容檢測(cè)芯片PCAP01在單片機(jī)STM32F103RCT6控制下，可以500次/s的速度對(duì)板材與激光噴嘴之間的電容進(jìn)行高速測(cè)量，通過標(biāo)定算法將該電容轉(zhuǎn)換為激光噴嘴與金屬板材之間的實(shí)際切割間隙dx。如果理想切割間隙為d0，則當(dāng)dxd0時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)輸出正電壓，使伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)激光切割頭向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)dx=d0時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)輸出0V控制電壓，使電機(jī)停轉(zhuǎn)，激光切割頭停止運(yùn)動(dòng)。

圖2 伺服系統(tǒng)控制原理圖

3 信號(hào)處理與電路設(shè)計(jì)

3.1 PWM信號(hào)發(fā)生設(shè)計(jì)

STM32F103RCT6的高級(jí)控制定時(shí)器TIM1和TIM8能夠輸出2路互補(bǔ)PWM信號(hào)，并且能夠管理輸出的瞬時(shí)關(guān)斷和接通，在控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)方面具有良好的靈活性。本文采用的該單片機(jī)TIM1的OC1和OC1N輸出的2路互補(bǔ)PWM信號(hào)作為伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。TIM1的頻率采用系統(tǒng)時(shí)鐘，即72MHz。TIM1自動(dòng)重裝載寄存器的值arr-1，則PWM頻率=72MHz/arr。TIM1的捕獲/比較寄存器TIM1_CCR1的值設(shè)置為pwm_value。為根據(jù)電容傳感器的測(cè)量結(jié)果確定PWM占空比，為伺服電機(jī)提供合適的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，輸出PWM的算法如下：

當(dāng)dx>d0時(shí)，占空比>50%，電機(jī)正轉(zhuǎn)；

當(dāng)dx

當(dāng)dx=d0時(shí)，占空比=50%，電機(jī)停轉(zhuǎn)。

定時(shí)器TIM1輸出互補(bǔ)PWM信號(hào)的部分C語言程序如下：

3.2 PWM輸出濾波設(shè)計(jì)

單片機(jī)輸出的PWM波形需要經(jīng)低通濾波后，轉(zhuǎn)換為模擬電壓才能驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)中，STM32F103RCT6采用3.3V作為工作電源，圖3是其輸出PWM 波形的示意圖，該波形可用分段函數(shù)表示如下[3]：

其中：T是計(jì)數(shù)脈沖的周期；N是PWM波一個(gè)周期的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)，也就是定時(shí)器TIM1的arr-1的值，本設(shè)計(jì)取N=255；n是PWM波一個(gè)周期中高電平的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)，也就是TIM1的捕獲/比較寄存器TIM1_CCR1的值，即由激光切割頭噴嘴間隙dx決定的pwm_value值，該值決定了PWM波形的占空比，也決定了伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制電壓；k為諧波次數(shù)；t為時(shí)間。

圖3 PWM輸出波形示意圖

將式(1)展開為如下傅里葉級(jí)數(shù)：

式中第1項(xiàng)為直流分量，第2項(xiàng)為1次諧波分量，第3項(xiàng)為大于1次的高次諧波分量。式(2)中的直流分量與占空比n/N成線性關(guān)系。這正是PWM需要輸出的模擬電壓。式(2)中1次諧波的頻率為1/(NT)，該頻率就是PWM 的輸出頻率。如果一個(gè)低通濾波器能濾除該1次諧波，則高次諧波可以認(rèn)為被完全濾除。

如果將上述從PWM到模擬電壓的變換設(shè)計(jì)為8位分辨率，則1位精度為：

本文采用圖4所示二階RC低通濾波器，由于式(2)中1次諧波的振幅為：要求該1次諧波經(jīng)圖4低通濾波器后，振幅2.1V能夠衰減為0.01289V，即衰減倍數(shù)為：

圖4 二階低通濾波器

在圖4中令R1=R2=R，C1=C=C，根據(jù)二階低通濾波器幅頻特性公式[4]：

式(3)中，f是單片機(jī)輸出PWM波形的頻率，因?yàn)槭?位分辨率，故f=72MHz/256 =281.25kHz。而二階低通濾波器的截止頻率f0遠(yuǎn)小于f，則：

所以式(3)可粗略變形為下式：

由式(4)可計(jì)算出：

由于圖4二階低通濾波器截止頻率：

為滿足上述條件，并考慮元器件的標(biāo)準(zhǔn)化，可取R=1k，C=6800pF。則實(shí)際截止頻率f0=23.42kHz。單片機(jī)輸出的281.25kHz的PWM信號(hào)經(jīng)此二階低通濾波器后，可以很好地濾除1次諧波和高次諧波，得到穩(wěn)定的8位精度的模擬電壓信號(hào)。對(duì)圖4所示二階低通濾波器采用Proteus仿真，將虛擬示波器的通道A、B和C分別連接輸入信號(hào)端、一階RC濾波輸出端和二階RC濾波輸出端，并將輸入信號(hào)設(shè)置為幅值2.1V、頻率280kHz的正弦波。其仿真結(jié)果如圖5所示?？梢?，該二階低通濾波器可很好地濾除1次及高次諧波，得到穩(wěn)定的模擬電壓信號(hào)。

圖5 二階低通濾波器的仿真結(jié)果

3.3 PWM差分驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用高級(jí)定時(shí)器TIM1的OC1和OC1N兩個(gè)PWM互補(bǔ)通道輸出的PWM1和PWM2，分別經(jīng)上述二階低通濾波器后，各自經(jīng)過一級(jí)射極跟隨器后可得2路輸出VOUT1和VOUT2模擬電壓信號(hào)，再送入減法器進(jìn)行差分放大，即可得激光切割頭伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)VOUT。差分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖6所示。當(dāng)VOUT1>VOUT2（占空比>50%）時(shí)，VOUT為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)VOUT1

圖6 PWM差分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于STM32F103RCT6單片機(jī)的激光切割頭伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路、相關(guān)算法和控制程序，設(shè)計(jì)的二階RC低通濾波器能很好地將2路互補(bǔ)的PWM波轉(zhuǎn)換為8位精度的模擬電壓控制信號(hào)，并通過差分放大的方式為伺服電機(jī)系統(tǒng)提供了抗干擾能力良好的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)響應(yīng)速度快，可靠性高，能很好地滿足激光切割需要。