王建紅，陳耀忠，陸寶春，張建華，黃家才

(1.南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京 211167)

(2.北方信息控制集團(tuán)有限公司，江蘇南京 211153)

(3.南京理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院，江蘇南京 210094)

基于模糊PID控制的微位移平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王建紅1，陳耀忠2，陸寶春3，張建華1，黃家才1

(1.南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京 211167)

(2.北方信息控制集團(tuán)有限公司，江蘇南京 211153)

(3.南京理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院，江蘇南京 210094)

針對微細(xì)電化學(xué)加工的加工狀況，利用壓電陶瓷作為微位移器件，將高性能嵌入式微處理器、大規(guī)模可編程邏輯器件以及模糊PID算法應(yīng)用于微位移平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了微細(xì)加工控制領(lǐng)域的模糊PID微位移平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微位移平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)采用模糊PID控制算法，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差明顯減小。

電化學(xué)加工;微位移平臺(tái);監(jiān)控系統(tǒng);模糊PID控制

微細(xì)電化學(xué)加工利用電化學(xué)反應(yīng)去除材料，最終得到所需要的復(fù)雜形狀［1］。加工過程中，材料以離子方式去除［2］，無需在工件或零件表面施加切削力，無材料熔除與變形，具有其他微細(xì)加工方法無可比擬的優(yōu)勢，在微細(xì)精密成型、化學(xué)合成、納米結(jié)構(gòu)的形成等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［3］。

由于微細(xì)電化學(xué)加工零件尺寸較小，對機(jī)床的進(jìn)給精度要求較高，一般要求小于1μm，隨之而來的問題是，由于材料去除在極小空間內(nèi)進(jìn)行，同時(shí)受到加工微位移結(jié)構(gòu)——壓電致動(dòng)器的非線性、遲滯的影響以及加工間隙內(nèi)流場與電場分布的復(fù)雜性等制約［4－5］，加工間隙的數(shù)學(xué)建模十分困難，因此微位移平臺(tái)實(shí)際位置的測量與控制成為微細(xì)電化學(xué)加工的一大難題。

本文在微細(xì)電化學(xué)加工過程中檢測到微位移平臺(tái)的實(shí)際位置，基于高性能嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于模糊PID的控制器，形成一個(gè)控制間隙大小的閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過調(diào)整陰極進(jìn)給速度或加工電壓來調(diào)節(jié)微位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)位置，使之穩(wěn)定地保持在小間隙狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了對整個(gè)加工過程的良好控制。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

精密微位移機(jī)構(gòu)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)微米、亞微米及納米尺度運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行器，其行程小、靈敏度高。壓電陶瓷微位移器件具有位移分辨率高、出力大、響應(yīng)快、功耗小、無噪聲、不發(fā)熱等優(yōu)點(diǎn)，是目前最具有前途的微位移執(zhí)行器件［6］。

本系統(tǒng)中的大位移通過交流伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)，簡稱宏平臺(tái);微米量級的小位移及間隙調(diào)整通過壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)，簡稱微平臺(tái);極間電壓的脈寬監(jiān)測通過可編程器件實(shí)現(xiàn)，極間電壓幅值通過高速A/D檢測;電流幅值通過加工回路中串聯(lián)精密電阻、測量電阻兩端電壓間接得到。加工中滾珠絲杠的速度、位移控制由可編程邏輯器件完成。宏微兩級平臺(tái)的配合遵循以下原則:進(jìn)給過程中，位移超過50μm，壓電陶瓷位移器回復(fù)初始狀態(tài)，滾珠絲杠移動(dòng)。

2 微位移平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的微位移平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，微位移機(jī)構(gòu)有三路，每路可控，能完成三軸控制要求。位移精度可達(dá)到納米級，達(dá)到超微細(xì)加工的要求。

監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。電源模塊給整個(gè)控制系統(tǒng)供電，處理器選擇32位高速處理器S3C2410A，負(fù)責(zé)所有控制算法的實(shí)現(xiàn)，控制模塊由FPGA構(gòu)成，負(fù)責(zé)對AD、DA及鍵盤讀取進(jìn)行管理，測量模塊對各路的模擬量進(jìn)行采集，并經(jīng)AD轉(zhuǎn)換送入處理器，處理計(jì)算的結(jié)果經(jīng)DA轉(zhuǎn)換為模擬量，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊控制壓電陶瓷微位移機(jī)構(gòu)，人機(jī)交互模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)參數(shù)的輸入、顯示及與上位機(jī)的串口通信。

圖1 微位移平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 電源模塊

監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部芯片較多，芯片的工作電壓等級有1.2V、1.8V、3.3V、5V、±15V 等。基于系統(tǒng)的電壓等級和功耗的考慮，選擇常州市創(chuàng)聯(lián)電源有限公司生產(chǎn)的B－25P型開關(guān)電源，該開關(guān)電源的AC輸入是(220±15%)V，輸出有兩路:一路輸出為5V，最大輸出電流3A;另一路輸出為12V，最大輸出電流 1A。其中 5V通過 LM1117－3.3、LM1117－1.8、LM1117－1.2等電源轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)變?yōu)?.3V、1.8V、1.2V供給系統(tǒng)使用，12V通過DC－DC電源模塊DFA5－12S15轉(zhuǎn)變?yōu)椤?5V電壓。

2.2 處理器模塊

處理器模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)復(fù)雜控制算法的實(shí)現(xiàn)，所以要選擇一款高性能處理器。本文選用了三星公司基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC高速處理器S3C2410A，該處理器功能豐富，運(yùn)行速度快，最高工作頻率可達(dá)到203MHz，工作電壓為雙電壓:3.3V/2.5V。

2.3 驅(qū)動(dòng)模塊

壓電陶瓷材料在外電場的作用下，其內(nèi)部正負(fù)電荷中心的位置發(fā)生移動(dòng)，導(dǎo)致材料出現(xiàn)機(jī)械變形，從而產(chǎn)生位移，稱為逆壓電效應(yīng)。利用逆壓電效應(yīng)輸出高精度的控制電壓，可驅(qū)動(dòng)微位移。本文執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用低壓驅(qū)動(dòng)疊層機(jī)械封裝式壓電陶瓷致動(dòng)器(PZT)，處理器經(jīng)DA轉(zhuǎn)換后的模擬電壓范圍為0～10V，必須經(jīng)驅(qū)動(dòng)模塊放大至PZT的工作電壓(0～150V)。為保證控制精度，對PZT的控制選用明天科技有限公司的產(chǎn)品——壓電陶瓷精密控制器。PZT及其控制器共同構(gòu)成系統(tǒng)的控制對象。

2.4 測量模塊

驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部含有傳感器，可以測量位移、電壓等，構(gòu)成閉環(huán)控制。測量模塊包括DA、AD，可檢測0～10V的反饋電壓。由于處理器S3C2410核心板的外引腳數(shù)目有限，所以在設(shè)計(jì)中用FPGA來控制AD、DA。DA器件精度越高，則控制的位移精度也越高，本次設(shè)計(jì)選用了12位的 DA器件MX7541，位移控制精度達(dá)到15nm。因?yàn)锳D和DA出現(xiàn)在一個(gè)控制環(huán)里，所以二者轉(zhuǎn)換精度必須一致。雖然處理器S3C2410A自帶AD，但是它的轉(zhuǎn)換精度只有10位，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，因此另外選用了美國ADI公司的高速12位逐次比較型AD器件AD574A。

2.5 控制模塊

控制模塊選用了Lattice公司的FPGA芯片Lattice XP2－5，負(fù)責(zé)管理 AD、DA及鍵盤，主要任務(wù)包括AD、DA的地址譯碼、輸入緩沖、輸出鎖存、AD轉(zhuǎn)換、按鍵盤掃描邏輯完成鍵盤驅(qū)動(dòng)等，如圖2所示。FPGA內(nèi)部需要提供6個(gè)緩沖區(qū)，因?yàn)樽x緩沖區(qū)和寫緩沖區(qū)地址可以共用，所以只需要3個(gè)地址就可以了。

圖2 FPGA控制模塊圖

2.6 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)參數(shù)的輸入、顯示及串口通信，包括液晶顯示、4×4矩陣鍵盤輸入、串口通信設(shè)計(jì)。液晶采用華天正科技有限公司的TFT液晶模塊，可用圖表的形式顯示處理后的數(shù)據(jù)，4×4矩陣鍵盤的驅(qū)動(dòng)在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)，主要完成系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定和控制界面的切換，而串口通信采用CP1202芯片，將監(jiān)控系統(tǒng)串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成USB數(shù)據(jù)格式，以便實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)和上位機(jī)之間的通信。

3 微位移平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

微位移平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)平臺(tái)實(shí)際位移的實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且要實(shí)時(shí)顯示控制電壓的跟隨情況。工作臺(tái)中的位移傳感器將實(shí)際的位移經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送到處理器中，處理器對信號進(jìn)行模糊PID算法的調(diào)整，隨后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換去控制壓電陶瓷的微位移機(jī)構(gòu)，最終加載至工作臺(tái)，以達(dá)到快速、準(zhǔn)確跟隨加工間隙的目的。本文采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想，軟件總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件總體結(jié)構(gòu)

3.1 實(shí)時(shí)顯示模塊

實(shí)時(shí)顯示模塊主要完成對控制電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而顯示位移變化情況，不僅顯示X，Y，Z三軸控制電壓，而且顯示其反饋值。在操作系統(tǒng)中，創(chuàng)建了三個(gè)任務(wù)來處理三軸的顯示，每經(jīng)過一個(gè)采樣周期，屏幕的數(shù)值刷新一次，由于采樣周期短，所以顯示是連續(xù)的。

3.2 操作系統(tǒng)移植模塊

本文軟件采用μC/OS操作系統(tǒng)，而微位移平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件核心是S3C2410A處理器，所以必須將μC/OS操作系統(tǒng)移植到處理器S3C2410A平臺(tái)上，移植的過程包括整個(gè)系統(tǒng)的搭建以及對S3C2410A的底層配置，具體流程為:設(shè)置代碼存儲(chǔ)加載位置→編寫系統(tǒng)啟動(dòng)代碼→設(shè)置中斷處理任務(wù)→修改與調(diào)度相關(guān)代碼→完成系統(tǒng)的移植。

3.3 多任務(wù)調(diào)度模塊

多任務(wù)調(diào)度模塊主要完成各個(gè)任務(wù)間的調(diào)度、配合、中斷處理等。由于采用多任務(wù)的方式運(yùn)行，因此首先必須確定各任務(wù)的優(yōu)先級，然后進(jìn)行任務(wù)的時(shí)間分配，完成任務(wù)間的時(shí)序配合。

3.4 模糊PID控制模塊

模糊PID控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，關(guān)系到間隙的控制效果。系統(tǒng)將給定電壓值和反饋值進(jìn)行比較后，計(jì)算誤差e與誤差變化率ec，確定隸屬度，對清晰量進(jìn)行模糊化，然后進(jìn)行模糊推理，對PID參數(shù)進(jìn)行在線修改，再進(jìn)行模糊量清晰化輸出，以控制壓電陶瓷的微位移機(jī)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

PID參數(shù)模糊整定過程:首先找出Kp，Ki及Kd與e，ec之間的關(guān)系，制定模糊控制規(guī)則表。接著在系統(tǒng)運(yùn)行中，不斷地監(jiān)測e和ec，根據(jù)模糊控制規(guī)則表對Kp，Ki，Kd進(jìn)行在線修改，減小e和ec，從而使被控對象具有良好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。

圖4 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

目前常采用的模糊控制算法有CRI推理查表法、Mamdani直接推理法、后件函數(shù)法等。本文采用CRI推理查表法，將所有輸入量都量化為模糊語言變量值，并對輸入的模糊語言變量值進(jìn)行組合，求出輸入的模糊語言變量值和輸出的模糊語言變量值之間的關(guān)系，從而制定出模糊控制規(guī)則表。

4 實(shí)驗(yàn)測試

本設(shè)計(jì)選擇了ADS1.2作為控制器固件程序的編譯環(huán)境，H－JTAG作為調(diào)試代理。調(diào)試過程為:首先連接好各個(gè)部件，將ADS和H－JTAG設(shè)置關(guān)聯(lián)，然后將編寫好的VHDL程序下載到FPGA內(nèi)，C語言控制程序下載到FLASH程序存儲(chǔ)器內(nèi)，最后將C語言程序加載到ADS中進(jìn)行編譯和測試。

當(dāng)系統(tǒng)輸入控制電壓為1V時(shí)，模糊控制算法應(yīng)用前后的系統(tǒng)輸出電壓波形分別如圖5和圖6所示。

圖5 反饋波形(未加模糊控制算法)

比較圖5和圖6可知，未加算法時(shí)，反饋控制電壓信號的平均值為843mV，誤差為15.7%;加上算法以后，平均值為995mV，誤差為0.5%。穩(wěn)態(tài)誤差有明顯改善。

圖6 反饋波形(加模糊控制算法)

5 結(jié)束語

本文利用壓電陶瓷作為微位移器件，基于通用嵌入式處理器S3C2410和大規(guī)模可編程器件FPGA的輔助控制，設(shè)計(jì)了微細(xì)電化學(xué)微位移平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了μC/OS操作系統(tǒng)在S3C2410上的移植，并采用模糊PID控制加工位置，有效減小了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，微位移控制精度可以達(dá)到15nm。

［1］朱荻.微米與納米級加工技術(shù)［J］.航空制造技術(shù)，2002(6):22－25.

［2］朱荻.國外電解加工的研究進(jìn)展［J］.電加工與模具，2000(1):11－16.

［3］陳倫軍，李剛，趙萬生.微細(xì)特種加工的最新研究進(jìn)展［J］.電加工與模具，2006(3):24－28.

［4］Kozak J，Rajurkar K P，Makkar Y.Selected problems of micro electrochemical machining［J］.Journal of Material Processing Technology，2004，149(3):208 －213.

［5］Yung－Tien Liu，Rong－Fong Fung，Tai－Kun Huang.Dynamic responses of a precision positioning table impacted by a softmounted piezoelectric acturator［J］.Precision Engineering，2004(28):250－252.

［6］魏強(qiáng)，張玉林.壓電陶瓷微位移工作臺(tái)的建模方法［J］.光學(xué)精密工程，2007，10(15):1596－1601.

Design of Micro－displacement Platform Monitoring System Based on Fuzzy PID Control

WANG Jianhong1，CHEN Yaozhong2，LU Baochun3，ZHANG Jianhua1，HUANG Jiacai1
(1.Nanjing Institute of Technology，Jiangsu Nanjing，211167，China)
(2.North Industries Group Corporation，Jiangsu Nanjing，211153，China)
(3.Nanjing University of Science and Technology，Jiangsu Nanjing，210094，China)

In the process of micro electrochemical machining，it applies piezoelectric ceramic as micro － displacement device，embeds the high－performance into microprocessor，designs the large－scale programmable logic device as well as the fuzzy PID algorithm to develop the micro－displacement platform monitoring system in the micro－fabrication control field.Experimental results show that the fuzzy PID control algorithm can significantly reduce the steady－state error of the micro－displacement platform monitoring system.

Electrochemical Machining;Micro－displacement Platform;Monitoring System;Fuzzy PID Control

TP273.4

A

2095－509X(2013)11－0072－04

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.11.018

2013－08－26

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61104085);江蘇省高校自然科學(xué)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(11KJB510005)

王建紅(1977—)，女，江蘇如東人，南京工程學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)槲⒓?xì)加工技術(shù)。