穆悠 黃偉

（四川大學(xué)，四川 成都 610065）

激光跟蹤測量系統(tǒng)在工業(yè)大尺寸非接觸測量中有著廣泛的應(yīng)用[1]。它將二軸轉(zhuǎn)臺[2]與激光測距儀結(jié)合在一起，形成了可以測量三維空間點(diǎn)位置的裝置。作為激光跟蹤測量系統(tǒng)中跟蹤測量合作目標(biāo)的裝置，二軸轉(zhuǎn)臺應(yīng)具有轉(zhuǎn)角控制精度與分辨率高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。

1 二軸轉(zhuǎn)臺電控系統(tǒng)組成

二軸轉(zhuǎn)臺電控系統(tǒng)主要由2 路帶諧波減速器的五相步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、2 路24 位軸角編碼器、偏移測量模塊、4 路光電限位開關(guān)、主控器等組成。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電控系統(tǒng)組成

轉(zhuǎn)臺電機(jī)常采用伺服電機(jī)[3]，但為了簡化設(shè)計、降低控制難度，本設(shè)計選用步距角為0.72°，并帶有減速比為1：100 的諧波減速器的五相步進(jìn)電機(jī)RKS543AC 和RKS564AC。并選用與之配套的驅(qū)動器RKSD503、RKSD507，驅(qū)動器只需輸入脈沖即可驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，當(dāng)設(shè)置驅(qū)動器細(xì)分?jǐn)?shù)為250 時，對應(yīng)單步轉(zhuǎn)動角度為0.1"。由于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器輸入最高脈沖頻率為500KHz，則單軸最大轉(zhuǎn)動速度為14.4°/s。

24 位軸角編碼器采用定制增量式編碼器，其刻線為32400 線，經(jīng) 512 細(xì) 分 后 分 辨 率 為0.078125"，為便于后續(xù)控制電路進(jìn)行信號處理，將該信號乘1.28 后得到分辨率為0.1"的角度值再輸出。編碼器信號輸出接口采用RS422，通訊波特率為460800bps，編碼器每毫秒輸出1 次當(dāng)前角度值。由于編碼器為增量式，系統(tǒng)啟動后需進(jìn)行一次“找零”操作以確定系統(tǒng)零點(diǎn)。

偏移量測量模塊由四象限光電池及測量電路組成，它將反射光斑的偏移量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后再傳輸給控制器。為便于設(shè)計，該模塊與控制器之間的通訊也采用與編碼器相同的RS422 方式，通訊波特率為460800bps，偏移量測量模塊每毫秒輸出1 次當(dāng)前偏移量。

電控系統(tǒng)還具有與上位機(jī)通訊功能，可通過上位機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置及控制。與上位機(jī)通訊也采用RS422 方式，通訊波特率為115200bps。為提高抗干擾能力，通訊采用了電磁隔離。

2 主控器硬件電路設(shè)計

轉(zhuǎn)臺電控系統(tǒng)常采用DSP、FPGA 作為控制核心[4]。隨著電子技術(shù)發(fā)展，單片機(jī)也得到了飛速發(fā)展，特別是ARMCortex-M 系列單片機(jī)，CortexM4 就已經(jīng)有了較強(qiáng)的運(yùn)算能力，同時加入了浮點(diǎn)運(yùn)算、DSP 指令集等，能滿足電機(jī)控、工業(yè)自動化等應(yīng)用需求。本設(shè)計選用了帶雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算的STM32F767 單片機(jī)作為核心，加上串行通訊接口、電機(jī)驅(qū)動電路、限位開關(guān)接口、EEPROM 存儲等電路設(shè)計了二軸轉(zhuǎn)臺電控系統(tǒng)主控器。

2.1 電機(jī)驅(qū)動電路

電機(jī)轉(zhuǎn)動控制采用雙脈沖方式，STM32F767 定時器1 通道1、2 或定時器8 通道3、4 輸出的兩路脈沖信號CTRL_CW、CTRL_CCW 分別控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，電機(jī)驅(qū)動器每接收到一個脈沖信號就控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)1 步。為提高電機(jī)轉(zhuǎn)動最大速度，轉(zhuǎn)動控制信號采用5V 差動輸出方式，此時，電機(jī)驅(qū)動器最大輸入脈沖頻率可達(dá)到500KHz，是開路集電極信號輸入頻率的1 倍。除CTRL_CW、CTRL_CCW信號外，STM32F767 還通過輸出信號 CTRL_AWO、CTRL_FREE、CTRL_A_RST、CTRL_CS 等信號用于控制電機(jī)。同時電機(jī)運(yùn)行信息通過CTRL_READY、CTRL_ALM、CTRL_TIM 三條信號線輸入控制器。具體控制電路如圖2 所示，單片機(jī)輸出3.3V 信號經(jīng)電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC4245 轉(zhuǎn)換為5V 信號，其中脈沖信號經(jīng)AM26C31 轉(zhuǎn)換為差動信號控制電機(jī)驅(qū)動器。其余控制信號通過三極管2N3904 驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動器內(nèi)的光電耦合器。由電機(jī)驅(qū)動器輸出信號經(jīng)光電耦合器TLP291 和PC817 隔離后連接到單片機(jī)的I/O 口。

圖2 電機(jī)驅(qū)動電路

2.2 編碼器及偏移量測量模塊信號輸入電路

電控系統(tǒng)中2 路編碼器及偏移量測量模塊均采用RS422 串行通訊口與主控器通訊。具體電路如圖3 所示，STM32F767 的USART1、USART3 以及UART5 的輸出信號UART_A_TXD、UART_B_TXD、UART_C_TXD 經(jīng)過TXB0104轉(zhuǎn)換為5V 后再經(jīng)AM26C31 轉(zhuǎn)換為差動信號連接到2 個編碼器和偏移量測量模塊。它們的差分輸入信號E_A_A 與E_A_B、E_B_A 與E_B_B、E_C_A 與E_C_B 經(jīng)AM26C32 轉(zhuǎn)換為單端對地信號后，再經(jīng)TXB0104 轉(zhuǎn)換為3.3V，輸入到STM32F767 的USART1、USART3 以及UART5 輸入端。編碼器及偏移量測量模塊需要的5V 電源也由主控器分別通過圖3 中J1、J2、J3 提供。

圖3 編碼器及偏移量測量模塊串口通訊電路

2.3 與上位機(jī)通訊電路

主控器與上位機(jī)通訊同樣也采用RS422 串行通訊方式。由于可能受干擾影響，加入了隔離電路。具體電路如圖4 所示，STM32F767 的USART2 輸出信號UART_TX 經(jīng)電磁隔離芯片ISO7221 隔離后送入MAX490 轉(zhuǎn)換為差分信號PC_R22Y、PC_R22Z 連接到上位機(jī)。上位機(jī)輸入信號PC_R22A、PC_R22B 經(jīng)MAX490 轉(zhuǎn)換為單端對地信號后再經(jīng)電磁隔離芯片ISO7221 輸入到USART2 的輸入口。

圖4 上位機(jī)串口通訊電路

2.4 電源電路

由于編碼器、偏移量測量模塊、光電限位開關(guān)等均需由主控器供電，且需要3.3V、5V、12V、隔離5V 等多組電源，系統(tǒng)采用12V50W 開關(guān)電源，經(jīng)DCDC 輸出5V，再由低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）LM1117 輸出3.3V，隔離電源模塊B0505S 輸出隔離的5V。圖5 為12V 經(jīng)DCDC 輸出5V 的電路，其中TPS5430 最大可輸出3A 電流，效率最高達(dá)95%，完全能夠滿足要求。

圖5 5V 電源電路

3 主控器軟件設(shè)計

主控器軟件也采用模塊化設(shè)計，其主要結(jié)構(gòu)如圖6 所示，主要的模塊有：電機(jī)驅(qū)動與控制、偏移量測量數(shù)據(jù)處理、編碼器數(shù)據(jù)處理、運(yùn)動控制算法、錯誤處理等。其中電機(jī)和編碼器只畫出了一組。

圖6 主控器軟件結(jié)構(gòu)

其中編碼器信號輸入、偏移量測量模塊信號輸入、上位機(jī)通訊等均采用DMA 完成，電機(jī)控制脈沖的產(chǎn)生采用高級定時器PWM 輸出完成。

軟件中最重要的部分為電機(jī)控制信號的生成。在工作過程中，電機(jī)運(yùn)動分為兩種模式，一種為定位模式，另一種為跟蹤模式。定位模式即電機(jī)根據(jù)上位機(jī)發(fā)出的命令移動到相應(yīng)的位置。此時電機(jī)的控制以編碼器輸出為基準(zhǔn)。運(yùn)轉(zhuǎn)過程中要求電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度平穩(wěn)、加減速過程曲線連續(xù)平滑，為此采用了正弦曲線作為加減速度變化曲線[5,6,7]，電機(jī)運(yùn)行過程中不存在加速度及加加速度突變點(diǎn)。

跟蹤模式即電機(jī)根據(jù)偏移量測量模塊輸出的偏差信號進(jìn)行轉(zhuǎn)動，使偏差信號趨近于零。由于偏移量測量模塊每毫秒輸出1 次當(dāng)前偏差值，跟蹤模式采用的控制策略為：接收到偏移量測量模塊輸出的偏差信號后，計算對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)動步數(shù)N 和方向，再計算單片機(jī)定時器TIM1、TIM8 下次1ms 內(nèi)發(fā)出脈沖的周期T，并將T、N 和運(yùn)行方向保存在內(nèi)存中。當(dāng)定時器完成上次1ms 脈沖輸出后根據(jù)內(nèi)存中的T 值對定時器周期進(jìn)行設(shè)置，并將定時器的重復(fù)次數(shù)設(shè)置成N，再根據(jù)運(yùn)行方向使能相應(yīng)的輸出通道，使定時器按新設(shè)定值繼續(xù)運(yùn)行。其中定時器TIM1、TIM8 的重復(fù)次數(shù)設(shè)置成N 后，定時器會在發(fā)出N 個脈沖后再產(chǎn)生中斷，可不用專門進(jìn)行輸出脈沖計數(shù)以減小單片機(jī)負(fù)擔(dān)。需要注意的是，前面計算出的T和N 都有可能不是整數(shù)，需要進(jìn)行舍入，會帶來一定誤差。N出現(xiàn)誤差會使電機(jī)轉(zhuǎn)動角度出現(xiàn)偏差，但該誤差不會累積，會疊加在下次測量的偏差信號中。但隨著設(shè)置次數(shù)的增加T的誤差可能會累積，使定時器與偏移量測量模塊輸出信號同步出現(xiàn)問題，為此需再用一個定時器測量接收到偏移量測量模塊信號與定時器輸出信號完成之間的時間差，當(dāng)發(fā)現(xiàn)時間差發(fā)生較大變化時修改T 的大小使時間差回到正常范圍內(nèi)。

結(jié)束語

本二軸轉(zhuǎn)臺電控系統(tǒng)的硬件與軟件均采用模塊化設(shè)計，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制精度與分辨率高等特點(diǎn)。由于采用模塊化設(shè)計，能較方便地進(jìn)行模塊的增減，形成三軸或單軸轉(zhuǎn)臺的電控系統(tǒng)。同時，本轉(zhuǎn)臺中采用的正弦曲線加減速算法也能較方便的移植到其它步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中，在本課題組設(shè)計的單星模擬器設(shè)計[8]中的步進(jìn)電機(jī)控制也采用該算法，使定位速度和精度得到了提高。

將本課題組設(shè)計的帶絕對測距功能的干涉儀搭載在其上后進(jìn)行綜合測試，測試環(huán)境為實(shí)驗(yàn)室，恒溫20 度，同時采用多組反射鏡延長測量距離。經(jīng)測試得到：測量最大距離達(dá)到35m，絕對測距精度達(dá)到30μm/10m，干涉測距精度達(dá)到10μm/m，轉(zhuǎn)臺兩軸最大轉(zhuǎn)動速度為14.4°/s，最大加速度為30°/s2，定位分辨率為0.1"，以編碼器輸出為基準(zhǔn)的定位精度小于1"，達(dá)到了設(shè)計要求。