趙勇，張?zhí)扉_，齊秀娟

(青島理工大學自動化工程學院，山東青島 266033)

精密技術是現(xiàn)代機械加工技術發(fā)展的重要方向之一，發(fā)展尖端技術、發(fā)展國防工業(yè)、發(fā)展微電子工業(yè)等都需要精密加工制造出來的儀器設備。當代的精密加工工程是現(xiàn)代制造技術的前沿，也是明天技術的基礎［1］。精密加工的發(fā)展依賴于精密機床，因而精密機床的關鍵部分——精密控制系統(tǒng)始終為研究人員所重視。

音圈電機 (Voice Coil Motor)是基于安培力原理制造的一種新型直接驅(qū)動電機，具有高頻響、高精度的特點，有利于精密機床控制系統(tǒng)的實現(xiàn)［2］?；诖耍岢鲆环N以音圈電機提供驅(qū)動力，以STM32和LabVIEW作為上下位機構成控制系統(tǒng)的精密機床控制系統(tǒng)的設計方案。

1 控制技術的總體方案

機床的機械結構示意圖如圖1所示。

圖1 機械示意圖

機床由直線型音圈電機驅(qū)動，通過固定軸傳動，驅(qū)動由氣浮裝置支撐的平臺運動［3］。音圈電機是一種將電能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置，通過PWM輸出控制驅(qū)動器輸出不同電流控制音圈電機直線運動。

當前機床的控制系統(tǒng)主要由主控制系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和上位機等組成［4］。該機床的控制方式采用閉環(huán)控制方式，使用主流的PID控制。閉環(huán)控制中的反饋信號由測量系統(tǒng)獲得。上位機采用LabVIEW編寫，LabVIEW編制功能清晰，對采集來的實時位移數(shù)據(jù)進行處理，并執(zhí)行相關的控制［5］。其控制原理框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)原理框圖

2 硬件組成和結構

機床控制系統(tǒng)的硬件結構圖如圖3所示。

圖3 硬件結構圖

主要包括:PC、STM32F103RBT6、位移傳感器Mercury3000、音圈電機、信號處理電路、驅(qū)動器、載物平臺等。其中，Mercury3000是MicroE公司生產(chǎn)的光學編碼器，可提供5～0.020 μm的線性分辨率，選用鈉鈣玻璃的光柵尺，安裝長度是25 mm，可使用長度是20 mm。用SmartPrecision電子器件模塊對安裝好的光柵尺進行調(diào)整、校驗，調(diào)節(jié)測量的分辨率，平臺中采用的是2 μm的分辨率。

Mercury3000輸出兩路正交信號，由于正交信號的輸入阻抗較小，所以在微處理器采集的前端增加一個由LM358構成的跟隨器［6］，增加Mercury3000輸出正交信號的驅(qū)動能力。LM358內(nèi)部有兩個獨立的、高增益雙運算放大器，使用5 V單電源供電。最小系統(tǒng)由AMS117轉(zhuǎn)化成3.3 V供電。同時，整個系統(tǒng)通過LM2940提供5 V電壓，具體電路原理圖如圖4所示。

圖4 硬件電路原理圖

3 軟件設計

此方案軟件設計主要包括3個方面:上位機、下位機及通信協(xié)議制定。微處理器采集到位移數(shù)據(jù)通過RS232上傳到上位機，由LabVIEW進行接收、處理、顯示和保存。同時，上位機可以在線修改參數(shù)，下傳給微處理器達到控制目的。

3.1 上位機軟件

上位機軟件設計主要包括LabVIEW前面板和后臺程序框圖兩部分。前面板即為用戶界面，用來定義各種控件。后臺程序框圖采用數(shù)據(jù)流的方式處理數(shù)據(jù)。首先在計算機上安裝VISA驅(qū)動程序，然后進行各個功能模塊的開發(fā)，具體功能模塊可分為數(shù)據(jù)采集、保存數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)回放、實時顯示、參數(shù)設置等。LabVIEW是一種圖形化編程語言，易于理解和操作，提高了編程效率［7］。主要設計流程圖如圖5所示。

圖5 上位機軟件流程

主要功能模塊介紹如下:

(1)上位機主界面如圖6所示，分為串口設置、實時顯示、參數(shù)設置等。主界面中有開始運行、保存數(shù)據(jù)、正弦輸入、數(shù)據(jù)回放及退出程序等按鈕，點擊開始運行按鈕后，串口打開，保存數(shù)據(jù)、正弦輸入、數(shù)據(jù)回放按鈕使能，退出程序按鈕失能。關閉串口后，點擊退出按鈕就會退出整個主界面。

圖6 上位機主界面

(2)數(shù)據(jù)存儲與回放。數(shù)據(jù)采集過程中，運動軌跡與時間實時寫入列表框中，在采集結束時，打開數(shù)據(jù)保存按鈕，彈出選擇待寫入文件對話框，設定保存路徑和文件名，數(shù)據(jù)保存到Excel表格中。如果要查詢某一過程中的數(shù)據(jù)，找到相應Excel文件，點擊數(shù)據(jù)回放按鈕，運動軌跡曲線就會在歷史位移回放圖表中顯示出來。部分程序框圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)存儲與回放部分程序框圖

(3)位移設定。在此機床中，位移設定有2種方式:固定位移和正弦曲線位移。設定位移按照固定頻率和幅值的正弦曲線變化，驗證平臺的跟隨特性，跟隨特性測試將在下文介紹。2種方式都是利用PID閉環(huán)調(diào)節(jié)來實現(xiàn)精確、高速定位。

3.2 下位機部分軟件設計

下位機軟件采用C語言編寫，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、PWM輸出及與上位機通信等功能。

STM32F103RBT6單片機具有豐富的外設資源，其中高級定時器TIM1的編碼器接口可以采集位移傳感器產(chǎn)生的正交信號，正交信號經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成實際位移量;滴答時鐘Systick提供精確的定時器中斷;TIM2配置成PWM輸出模式，有3路USART串口通信可供選擇。系統(tǒng)上電復位后，首先初始化TIM1、Systick、TIM2和USART1，將采集的實時位移數(shù)據(jù)與設定位移做差，將此偏差作為PID控制器的輸入量，PID的采集周期為10 ms，PID輸出結果通過PWM輸出。同時，實時位移數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，通過USART1上傳給上位機［8］，流程圖如圖8所示。

圖8 下位機流程圖

STM32都是16位定時器，由于光柵尺計數(shù)會超過65535，通過直接讀取的方法已不能準確讀取數(shù)據(jù)，下面是解決定時器溢出的源碼:

經(jīng)過實際測試，光柵尺在50 ms內(nèi)都不會溢出，所以設定10 ms的中斷采集一次數(shù)據(jù)。上述代碼中MAX_COUNT是比10 ms內(nèi)出現(xiàn)的計數(shù)器最大值大的值，ENCODER_TIM_PERIOD是 TIM1周期，ENCODER_TIM_PERIOD要比MAX_COUNT大。最后定義一個32位的有符號變量currentCount，每10 ms執(zhí)行一次currentCount+=Enc_GetCount()，只需要讀取currentCount就會獲得位移信息。

PID控制器由比例單元 (P)、積分單元 (I)、微分單元 (D)組成，是一種非常廣泛的自動控制器。PID算法主要有增量式和位置式兩種，在此平臺中使用增量式PID算法［9］。

3.3 通信設計

通信設計的主要任務是對數(shù)據(jù)進行分割與轉(zhuǎn)化，從而得到需要的數(shù)據(jù)。在下位機與上位機通信過程中，數(shù)據(jù)是按照一定的通信協(xié)議進行封裝和傳輸?shù)摹Ｏ挛粰CSTM32把數(shù)據(jù)以16進制數(shù)組上傳，同理上位機也以16進制數(shù)組下傳數(shù)據(jù)。通信協(xié)議的使用一般有兩種方式:通用的工業(yè)通信協(xié)議和個人定制協(xié)議［10］。在此設計中，使用了自己定制的通信協(xié)議。

下位機接收上位機下傳數(shù)據(jù)和下位機發(fā)送上位機接收數(shù)據(jù)兩個過程使用了相同的數(shù)據(jù)封裝方式，其對數(shù)據(jù)的解析方法也一樣，所以在這一章中，只從下位機這一方面分析數(shù)據(jù)的傳輸過程。數(shù)據(jù)幀的封裝格式根據(jù)指令的不同分為讀數(shù)據(jù)幀和寫數(shù)據(jù)幀兩種，兩種數(shù)據(jù)幀的字節(jié)長度都是固定的。根據(jù)設計需要，讀數(shù)據(jù)幀和寫數(shù)據(jù)幀分別由18個和6個字節(jié)構成。讀數(shù)據(jù)幀起始符是0xE0，數(shù)據(jù)部分的16個字節(jié)平均分成4塊，每一塊分別表示的是P、I、D參數(shù)值和設定位移量;寫數(shù)據(jù)幀起始符是0xF0，數(shù)據(jù)部分4個字節(jié)表示實際位移量，兩者的結束符都為0x0D。其封裝格式分別如圖9和10所示。

圖9 讀數(shù)據(jù)幀

圖10 寫數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)接收過程如圖11所示。當有數(shù)據(jù)接收就會觸發(fā)USART1接收中斷，USART1_DR寄存器接收上位機下傳數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)中出現(xiàn)0xE0，依次讀取0xE0后17個字節(jié)的數(shù)據(jù)并存入數(shù)組，判斷數(shù)組中第17個元素是0x0D，計數(shù)器清零，將中間16個字節(jié)分別還原成P、I、D、設定位移參數(shù)值。

圖11 數(shù)據(jù)接收流程圖

4 測試機床的跟隨特性

測試機床在PID控制下的動態(tài)特性，調(diào)節(jié)PID控制參數(shù)，在同一組參數(shù)下，改變輸入正弦信號頻率，驗證運動平臺的跟隨效果。圖12和圖13分別為0.5 Hz和1.0 Hz下的跟隨曲線。曲線1是輸入正弦信號，曲線2是運動平臺的跟隨曲線。

圖12 0.5 Hz正弦曲線

圖13 1.0 Hz正弦曲線

從圖12和圖13可以看出:曲線1和曲線2的重合度較高，控制系統(tǒng)的跟隨效果較好。同時，圖12中曲線1和曲線2重合程度要比圖13的高，并且曲線2要光滑得多。所以可以看出:隨著正弦曲線頻率的增大，平臺跟隨特性變差。

5 結論

基于LabVIEW和STM32的精密機床控制系統(tǒng)，達到了控制精度，具有較高的響應速度。LabVIEW集成生成可執(zhí)行文件的程序，最后的可執(zhí)行文件可以在沒有安裝LabVIEW的計算機上使用，系統(tǒng)設計方案可以推廣到精密機床加工行業(yè)。

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