李宏偉，楊繼森，江中偉，冉揚(yáng)潔，李小雨

(重慶理工大學(xué) 機(jī)械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心時柵傳感及先進(jìn)檢測技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400054)

0 引 言

時柵位移傳感器作為一種新型的絕對式角位移傳感器，采用“以時間測量空間”的新型原理作為理論基礎(chǔ)［1，2］，采用感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)作為其主要框架模型，測量精度高、穩(wěn)定性高、成本低，具有廣泛市場應(yīng)用前景［3］。時柵分度轉(zhuǎn)臺在高精度定位、機(jī)床回轉(zhuǎn)測量、標(biāo)定以及在科學(xué)研究中都有所應(yīng)用，針對傳統(tǒng)時柵分度轉(zhuǎn)臺采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動所凸顯出來的電機(jī)轉(zhuǎn)速較慢和細(xì)分問題的局限性，提出了采用伺服電機(jī)替代步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動裝置，利用高精度時柵角位移傳感器作為檢測單元構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。以μC/OS－Ⅱ操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺，構(gòu)建多任務(wù)管理為核心的新型伺服轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)。

1 精密運(yùn)動轉(zhuǎn)臺的設(shè)計(jì)方案

精密運(yùn)動轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)方案如圖1 所示，時柵位移傳感器作為位置檢測單元同轉(zhuǎn)臺同軸安裝，微處理器通過控制驅(qū)動來帶動電機(jī)使蝸輪副帶動轉(zhuǎn)動軸進(jìn)而轉(zhuǎn)臺同時柵位移傳感器同軸轉(zhuǎn)動，時柵位移檢測的實(shí)際轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過的角度通過串口發(fā)送到處理器中，與微處理器發(fā)出的指令相比較，即可以得到轉(zhuǎn)臺的誤差。然后通過單神經(jīng)元PID 控制算法達(dá)到對轉(zhuǎn)臺的精確控制。

2 伺服控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖1 時柵轉(zhuǎn)臺伺服控制系統(tǒng)方案Fig 1 Scheme of time grating turntable servo control system

該系統(tǒng)所使用的轉(zhuǎn)臺為時柵分度轉(zhuǎn)臺，驅(qū)動裝置為富士的GYS751 系列單軸交流伺服電機(jī)，電機(jī)的驅(qū)動選用與富士GYS751 系列伺服電機(jī)相匹配的RYC751D3—VVT2 型伺服放大器;轉(zhuǎn)臺的檢測單元為72 對極軸式時柵角位移傳感器，其測量范圍為0°～360°，測量不確定度為±1″［4］。整個伺服控制系統(tǒng)選用STM32F4 微處理器對伺服放大器進(jìn)行驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)的控制，利用時柵角位移傳感器將轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過的角度反饋給微處理器，構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，達(dá)到對轉(zhuǎn)臺的精確控制。其控制框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制模型Fig 2 System structure and control model

3 硬件設(shè)計(jì)

為了滿足時柵分度轉(zhuǎn)臺的低功耗、智能化、高速化和高精度的定位要求，整個硬件部分采用32 位ARM 處理器STM32F407VE 為核心，它具有增強(qiáng)型的DSP 指令集，高達(dá)1M 字節(jié)的片上閃存，系統(tǒng)晶振最高可達(dá)到168 MHz［5，6］。同時設(shè)計(jì)了顯示驅(qū)動模塊、鍵盤驅(qū)動模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊和串口通信模塊，如圖3 所示。

1)顯示與鍵盤驅(qū)動模塊:顯示選用分辨率為640×480，顯示顏色達(dá)256 色的6.4 in(1in=2.54 cm)的真彩液晶屏。STM32F4 微處理器通過GPIOB 的PB0—PB7 作為數(shù)據(jù)端口與LCD 的D0—D7 端口相連;PB8—PB10 作為控制寄存器地址線與LCD 的A0～A2 端口相連。由于LCD 和微處理器的工作電壓不同，因此，通過驅(qū)動芯片74LS245 連接微處理器和LCD 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

圖3 硬件電路Fig 3 Hardware circuit

針對鍵盤在工作現(xiàn)場的抗粉塵、抗油污和抗干擾能力等問題，選用薄膜按鍵，按鍵分為數(shù)字按鍵、字母按鍵和特殊功能按鍵，共計(jì)34 個，因此，選用5×8 的行列式鍵盤布局。為了提高微處理器的工作效率，選用專用的鍵盤驅(qū)動芯片CH454 進(jìn)行驅(qū)動。

2)電機(jī)驅(qū)動模塊:伺服電機(jī)的驅(qū)動選用與富士電機(jī)GYS751 系列相匹配的伺服放大器RYC751D3—VVT2，微處理器的PA6，PA7 作為差分脈沖的輸出端分別與伺服放大器的差分管腳CA，CB 相連;PA3，PA4 分別作為模擬速度信號輸出端分別與伺服放大器的VFEF，M5 模擬速度輸入端相連［7，8］。GYS751 伺服電機(jī)的U，V，W 三相端同伺服放大器的三相端相連，伺服放大器接收微控制器輸出的差分脈沖和模擬速度信號后就可以驅(qū)動伺服電機(jī)按預(yù)定的方式轉(zhuǎn)動。

3)光電隔離模塊:由于伺服電機(jī)驅(qū)動模塊RYC751D3—VVT2 輸出功率大，為了減少它對主控元件的影響，因此，需要在微處理器和電機(jī)驅(qū)動之間采用隔離器。本方案采用的隔離器為安華高科技(Avago Technologies)公司生產(chǎn)的高速光電隔離器6N137，它是一種高速光電隔離器，同時具有溫度、電流和電壓補(bǔ)償功能以及高的輸入輸出隔離和5 mA的極小輸出電流［9］。

4 系統(tǒng)控制模型與算法

由于PID 控制算法簡單、魯棒性好、可靠性高，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)工程控制，但常規(guī)的PID 控制存在一定的局限性，因此，出現(xiàn)了許多改進(jìn)的PID 控制算法［10］。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要本系統(tǒng)采用的是單神經(jīng)元PID 控制算法，單神經(jīng)元PID 控制算法結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示［11］。

設(shè)微控制器的發(fā)出的制定值為r(t);轉(zhuǎn)臺實(shí)際轉(zhuǎn)動角度值為y(t)，則經(jīng)過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的狀態(tài)量為

式中 x1(t)為系統(tǒng)誤差變化的累積;x2(t)為誤差的變化量;x3(t)為誤差變化的一階差分。取遞進(jìn)信號d(t)為

圖4 單神經(jīng)元PID 控制框圖Fig 4 Block diagram of single neuron PID control

圖中，K 為神經(jīng)元比例系數(shù)，K ＞0，而神經(jīng)元產(chǎn)生的控制信號u(t)為

5 軟件設(shè)計(jì)

為了提高整個系統(tǒng)的實(shí)時性與系統(tǒng)的可維護(hù)性，在系統(tǒng)控制部分采用了μC/OS－Ⅱ開源操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。此操作系統(tǒng)是一種占先式內(nèi)核的小型實(shí)時操作系統(tǒng)，代碼開源，比較方便進(jìn)行移值，整個軟件系統(tǒng)按照任務(wù)模塊設(shè)計(jì)，在操作系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)多任務(wù)分時運(yùn)行。

系統(tǒng)主要有三個任務(wù)模塊，分別為按鍵監(jiān)控任務(wù)、LCD顯示任務(wù)和鍵值處理任務(wù):

1)按鍵監(jiān)控任務(wù):該任務(wù)主要是負(fù)責(zé)鍵盤數(shù)據(jù)的輸入與存儲，并將輸入的命令鍵值轉(zhuǎn)換為命令編碼，交由鍵值處理任務(wù)處理;

2)LCD 顯示任務(wù):該任務(wù)主要是在LCD 上顯示系統(tǒng)的工作界面，響應(yīng)按鍵監(jiān)控任務(wù)，根據(jù)用戶的命令顯示相應(yīng)的操作界面，簡化系統(tǒng)的工作，提高工作效率;

3)鍵值處理任務(wù):該任務(wù)主要是根據(jù)按鍵監(jiān)控任務(wù)產(chǎn)生的用戶命令編碼，實(shí)時響應(yīng)用戶的按鍵命令，根據(jù)命令的分類，執(zhí)行相應(yīng)的命令功能。

整個軟件系統(tǒng)由3 個主要控制任務(wù)組成，并分時運(yùn)行，其初始化過程如圖5 所示。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

轉(zhuǎn)臺通過彈性聯(lián)軸器和時柵位移傳感器在伺服電機(jī)的帶動下同步轉(zhuǎn)動。通過電氣箱鍵盤向伺服電機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)動信號進(jìn)一步控制轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動。整個系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺如圖6 所示。

實(shí)驗(yàn)在精密實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，進(jìn)行了單次實(shí)驗(yàn)，得到了相關(guān)數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖7 所示，可以看出整個系統(tǒng)的建立時間約為120 ms;上升時間約為60 ms;超調(diào)量約為1.5%，對速度具有良好的響應(yīng)特性，圖8 所示為整個系統(tǒng)位置伺服誤差曲線輸出精度為±2″。

7 結(jié)束語

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖Fig 5 Flow chart of system software

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺Fig 6 Experimental platform

圖7 系統(tǒng)階躍響應(yīng)Fig 7 System step response

圖8 系統(tǒng)誤差曲線Fig 8 System error curve

本文系統(tǒng)利用單片微處器STM32F4 以及有效的將μC/OS－Ⅱ和單神經(jīng)元PID 算法有效的融合在一起，采用高精度時柵位移傳感器作為位置檢測單元構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有速度響應(yīng)時間短、精度高、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，從而為時柵轉(zhuǎn)臺的產(chǎn)業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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