張淑芳，劉 江，吳健俊，張 濤，馮兆池

（1.天津大學 電子信息工程與自動化學院，天津 300072；2.中國科學院 大連化學物理研究所，催化基礎國家重點實驗室，遼寧 大連 116023）

0 引言

隨著計算機技術的進步，自動化控制的相關研究得到了空前發(fā)展。自動化技術推動了生產關系的變革，解放發(fā)展了生產力[1]。傳統(tǒng)的拉曼光譜儀光路控制系統(tǒng)需要光柵進行分段式轉動控制，操作復雜精度不好控制，且無法實現(xiàn)激光波長的連續(xù)在線可調[2]，本文設計出一種光路自動化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)避免了由于實驗人員人工調節(jié)引入的誤差，具有應用廣泛、穩(wěn)定可靠、高精度、抗干擾能力強等特點。

步進電機憑借其成本較低、控制方法簡單等優(yōu)點，被廣泛應用在自動化控制領域中[3]。通過給定不同頻率的脈沖以及不同數(shù)量的脈沖數(shù)，可以改變電機運轉速度和電機旋轉角度。結合步進電機驅動器，也可以更改電機旋轉角度。對于電機控制的研究中，由于其穩(wěn)定又簡易，大多數(shù)研究均采用開環(huán)系統(tǒng)[4-7]。但是，電機的開環(huán)設計對于控制升降臺的移動是有局限性的。首先，升降臺上升與下降是有固定量程的，如果升降臺偏移位置超出量程范圍，則會發(fā)生電機堵轉現(xiàn)象；其次，當電機高速運轉時，會發(fā)生“丟步”現(xiàn)象，導致脈沖數(shù)與電機旋轉角度不符，長此以往下去，會造成控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定，形成累計誤差。

針對上述問題，本文設計一種多光路自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠解決傳統(tǒng)的人工調節(jié)光路位置存在的精度低等問題，并設計了良好的人機交互功能，更加便捷地控制光路位置。本系統(tǒng)所包含功能如下：閉環(huán)自檢、光路接入、升降臺復原、堵轉限位值預設、毫米級位移微調和堵轉預警等。

1 多光路自動化控制系統(tǒng)整體功能設計

1.1 多光路控制系統(tǒng)的主體構成

本文設計的激光拉曼光譜儀光路自動化控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示。它主要由脈沖生成模塊、定時器模塊、步進電機、步進電機驅動器、升降臺、壓力傳感器以及MC9S12XEP100 主控板等部分組成。本設計采用MC9S12XEP100 作為核心控制器，負責整個系統(tǒng)調度。首先，主控器通過脈沖信號、方向信號、使能信號等控制步進電機驅動器從而驅動電機運轉；此外，壓力傳感器信號作為一種閉環(huán)反饋信息提供給主控器用于閉環(huán)自檢功能；最后，上位機部分通過SCI串口通信、藍牙模塊通信等實現(xiàn)頂層應用對底層硬件的控制，更加便捷地實現(xiàn)光路控制。

圖1 多光路自動化控制系統(tǒng)示意圖Fig.1 Block diagram of multi-optical automatic control system

光路控制系統(tǒng)的基本工作原理為：通過數(shù)學建模將步距角、脈沖數(shù)、細分系數(shù)與升降臺位移之間建立聯(lián)系，即通過改變電機旋轉角度從而控制升降臺的縱向位移。上述只是開環(huán)的電機控制系統(tǒng)，雖然已滿足大多數(shù)電機控制系統(tǒng)，但是為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性與高精度，本文采用閉環(huán)和堵轉預警的方式來保障系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。閉環(huán)自檢是通過壓力傳感器實現(xiàn)，每次接入光路之前，升降臺都要進行一個閉環(huán)自檢操作，從而避免實際操作過程中由于斷電造成升降臺無法復原的現(xiàn)象發(fā)生，確保每次接入光路前初始位置相同；堵轉預警功能是通過計數(shù)單向移動的最大脈沖數(shù)，當該數(shù)量到達一定閾值之后，則停止滑動升降臺，起到了堵轉預警的作用。此外，為了實現(xiàn)對升降臺更為精準的控制，增設微調位移1 mm 功能，該功能也是通過PWM（Pulse Width Modulation）與定時器實現(xiàn)。最后，通過CAN（Controller Area Network）總線串口通信模塊、藍牙模塊可實現(xiàn)上位機與主控板的通信，從而更加便捷地進行光路控制。

多光路自動化控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示，主要包括PWM 脈沖生成模塊、ECT（Enhanced Capture Timer Module）定時器模塊、壓力傳感器閉環(huán)檢測模塊、人機交互模塊等。

圖2 多光路自動化控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Operation block diagram of multi-optical automatic control system

由圖2可知，首先初始化PWM 模塊和定時器模塊，該模塊負責提供特定頻率的脈沖信號作為步進電機控制器的脈沖信號輸入；設定主控制器的某個引腳作為輸出端，通過向該引腳賦值來決定步進電機旋轉方向；步進電器驅動器負責為步進電機輸出穩(wěn)定電流，并通過細分系數(shù)以及輸入其內部的脈沖信號控制電機旋轉方向和旋轉速度；步進電機通過聯(lián)軸器連接升降臺，此部分可將旋轉角度轉換為縱向位移，即角度旋轉帶動升降臺滑動。

1.2 步進電機與升降臺的控制

步進電機是控制系統(tǒng)中常見的控制部件，由步進電機驅動器驅動。步進電機的轉速由脈沖頻率和驅動器細分系數(shù)共同決定；步進電機轉角由脈沖數(shù)決定。步進電機的一個關鍵參數(shù)是步距角θs[8]，用于表示給定一個脈沖信號，步進電機轉角度數(shù)。本設計采用步距角θs為1.8°的42HBD40BJ4 步進電機，步進電機轉速與脈沖頻率、細分系數(shù)關系如公式(1)所示：

式中：w表示電機轉速，r/min；f表示脈沖頻率；θs表示步距角；x表示細分系數(shù)，由步進電機驅動器的撥碼開關決定。由公式可知，電機轉速由脈沖頻率、步距角、細分系數(shù)共同決定。當電機選擇完畢后，步距角就固定不變了，所以轉速最終只與脈沖頻率與細分系數(shù)有關。在本設計中，設定脈沖頻率為50 Hz，細分系數(shù)為2。

電機通過聯(lián)軸器與升降臺直接相連，連接示意圖如圖3所示。當電機旋轉一周之后。對應升降臺會發(fā)生10 mm 的偏移量Δx10mm。所以轉化的對應關系如公式(2)所示。

圖3 電機、聯(lián)軸器、升降臺Fig.3 Motor, coupling, lifting table

式中：表明給定電機驅動器200 個脈沖，電機會旋轉1 周，通過聯(lián)軸器帶動升降臺發(fā)生10 mm 的位移偏移。

步進電機驅動器負責驅動電機運行，通過輸入脈沖數(shù)量、頻率、細分系數(shù)改變電機轉速、轉角；通過改變撥碼開關改變驅動電流。根據(jù)步進電機工作電流設定撥碼開關S4、S5、S6，本實驗采用的電機驅動電流為1.5 A，故撥碼開關分別設定為ON/ON/OFF，撥碼開關S4、S5、S6 負責控制細分系數(shù)，本實驗測試了細分系數(shù)與電機轉速、升降臺位移的對應關系，具體細節(jié)見實驗結果部分。

步進電機驅動器與電機的連接電路如圖4所示。本文采用共陽極接法，將公共端接入VCC，脈沖信號通過PWM 引腳輸出來控制，DIR（DIRECTION）通過主控板對應引腳來控制。步進電機的驅動電流為1.5 A，細分系數(shù)為2，控制電機低速運轉。

圖4 電路接線方法Fig.4 Circuit wiring method

2 閉環(huán)控制算法

2.1 壓力傳感器模塊

本實驗通過壓力傳感器來實現(xiàn)閉環(huán)自檢功能，壓力傳感器如圖5所示。采用FSR（Forse Sensing Resistor）膜壓力傳感器，可以將施加在FSR 傳感器薄膜區(qū)域的壓力轉換為電阻值的變化，從而獲得壓力信息。當升降臺下降時會和底部發(fā)生撞擊，壓力傳感器可以檢測到底部撞擊，通過改變運動方向向上滑動到預設好的位置，即可實現(xiàn)閉環(huán)自檢功能。

圖5 FSR 薄膜壓力傳感器Fig.5 FSR thin film pressure sensor

由于薄膜區(qū)域厚度很薄，且不會產生形變。故當升降臺撞擊薄膜片時，不會產生行程差，這樣更加有利于高精度升降臺的位置偏移。

該傳感器會產生一個模擬信號輸出VO，一個高低電平輸出DO。當檢測到壓力時，該模塊DO 引腳會輸出高電平，發(fā)光二極管導通發(fā)亮。與XEP100 主控板結合起來時，可以通過檢測引腳電平，來判斷是否發(fā)生碰撞。當主控器檢測到引腳出現(xiàn)高電平時，方向端信號就發(fā)生改變，從而使得升降臺復位，實現(xiàn)閉環(huán)自檢功能。

2.2 控制系統(tǒng)算法設計

由于實際工程需求，需要設計多光路自動化控制系統(tǒng)。光路1、光路2、光路3 實現(xiàn)的功能一樣，僅需要設計算法來實現(xiàn)多光路自動化控制。由于PWM 模塊存在8 個獨立的通道輸出PWM 波，所以額外初始化兩個PWM 波作為光路2、光路3 的脈沖信號源即可。采用同一定時器為不同脈沖波計數(shù)，PWM 波輸出頻率由內部相關寄存器控制。計算公式如下所示：

式中：OSCCLK 表示晶振頻率，通過鎖相環(huán)倍頻后得到系統(tǒng)總線頻率為32 MHz，通過一系列寄存器設定，如PWMSCLA、PWMPERx 等，最終PWM 波的輸出頻率控制在50 Hz。

采用ECT定時器對PWM 的輸出進行計數(shù)，即可實現(xiàn)對電機轉速和轉角的精準控制。在ECT 定時器的設定中，首先設定定時器周期，TSCR2 寄存器設為0x07，表示對系統(tǒng)時鐘進行128 分頻，如式(7)所示：

此時，定時器計數(shù)一次會耗時4 μs，設定TC0 初始值為TCNT＋62500，此時，當定時器溢出時，時鐘計時0.25 s。當程序控制ECT 定時器循環(huán)4 次，即可計時1 s。

此時可有如下對應關系：定時器計時1 s，主控器產生50 個脈沖，電機旋轉90°，升降臺上升2.5 mm。多光路控制系統(tǒng)主體算法流程框圖如圖6所示。

圖6 主體算法框圖Fig.6 Main algorithm block diagram

2.3 閉環(huán)控制算法設計

本文創(chuàng)新性的采用壓力傳感器作為閉環(huán)自檢的核心部件，通過壓力傳感器檢測壓力信號從而檢測升降臺是否觸底。由于傳感器薄膜僅僅存在可忽略不計的微小形變，所以不會造成行程誤差。在自檢模式下，主控板會實時監(jiān)測壓力傳感器DO 端的電平變化，當檢測到高電平時，主控板會控制升降臺向相反方向移動，由于底部到平衡位置的行程固定不變，通過公式計算，即可求出需要的PWM 脈沖的數(shù)量。閉環(huán)自檢功能的程序流程圖如圖7所示。

圖7 閉環(huán)自檢功能算法框圖Fig.7 Closed-loop self-check function algorithm block diagram

算法實現(xiàn)步驟如下：

步驟1：選擇光路，使能對應PWM 脈沖源，分頻對應 PWM 脈沖源，通過設定對應的使能位PWMEx、分頻系數(shù)位PWMCLK 寄存器實現(xiàn)。

步驟2：主控器實時檢測壓力傳感器輸出端引腳D0，當引腳電平為低電平時，執(zhí)行步驟3，否則，執(zhí)行步驟4。

步驟3：控制方向端DIRx＝1，控制升降臺向下移動，并執(zhí)行步驟2，實時檢測傳感器輸出端D0 狀態(tài)。

步驟4：此時控制電機方向端DIRx＝0，使電機向上運動。通過提前標定好平衡位置與壓力傳感器的距離，從而計算ECT 定時器需定時的脈沖個數(shù)，完成閉環(huán)自檢功能，計算公式如下所示：

式中：dx表示平衡位置相對于壓力傳感器的縱向距離；dT表示電機運轉一周期升降臺的位移變化；Npulse表示電機運轉一周所需的脈沖數(shù)；Tpulse表示電機運轉一周所需要的時間；通過上述公式可以計算出升降臺復位所需的定時器時間tx以及脈沖數(shù)Nx，通過設定定時器寄存器中TC0 初值，即可實現(xiàn)閉環(huán)自檢功能。首先需要清除定時器標志位，并對定時器賦初值，判斷定時器是否溢出，若溢出，則執(zhí)行步驟5，否則循環(huán)計時。

步驟5：判斷是否達到步驟4 中的預設值dx，達到預設值之后則閉環(huán)自檢功能結束，否則執(zhí)行步驟4。

此外，由于升降臺的量程在±35 mm 范圍內，所以需要設計堵轉預警功能，以防電機發(fā)生堵轉問題。通過設定全局變量count 來計數(shù)向上、向下運行時的脈沖數(shù)量，由于脈沖數(shù)量與升降臺位移存在數(shù)學對應關系，通過設定全局變量count 與預設閾值的大小關系即可。

3 測量實驗與結果

3.1 人機交互軟件的設計

圖8為電腦端人機交互控制界面，所設計的控制軟件能滿足自動化控制的基本需求，主要功能包括光路選擇、設定轉速、設定脈沖數(shù)（堵轉限位值）、光路的上升與下降、光路自檢等功能，圖中右側可實時反饋各光路實際測量值，通過CAN 總線實現(xiàn)上位機與下位機的通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與實時顯示。本文實驗均在此軟件下開展的，良好的人機交互便于實驗數(shù)據(jù)的記錄與實驗現(xiàn)象的觀察。

圖8 上位機人機交互界面Fig.8 Host computer man-machine interface

3.2 主控板及外設引腳功能設定

由于多光路控制系統(tǒng)涉及到三路光的自動化控制，所以引腳連線略顯復雜，主要涉及到步進電機、步進電機驅動器、壓力傳感器、PWM 輸出端與主控板引腳的連接。表1記錄主控制器各引腳功能及連線。

表1 主控制器引腳功能Table 1 Main controller pin function

3.3 多光路自動化控制系統(tǒng)功能驗證

1）閉環(huán)自檢

實驗設定通過改變升降臺初始位置，來觀察閉環(huán)自檢功能的穩(wěn)定性，為了全面驗證閉環(huán)自檢功能的性能，實驗設定了10 組不同的起始位置數(shù)據(jù)，其中5組數(shù)據(jù)位于平衡位置之上，5 組數(shù)據(jù)位于平衡位置之下，記錄自檢完成后升降臺的最終位置。實驗記錄如表2所示。

表2 閉環(huán)自檢測量結果Table 2 Closed-loop self-test results mm

2）方向端、細分系數(shù)和脈沖數(shù)與位移的對應關系

該實驗驗證方向端信號、細分系數(shù)、脈沖數(shù)與升降臺的位移關系，從而驗證本文中數(shù)學建模的準確性。實驗記錄結果如表3所示，其中＋/－表示相對于平衡位置上升/下降的位移。

表3 實驗測量結果Table 3 Experimental measurement results mm

4 結論

本文設計了多光路自動化控制系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)的激光拉曼光譜儀光路控制系統(tǒng)操作復雜精度不好控制，且無法實現(xiàn)激光位置的連續(xù)在線可調的問題；此外，本文提出了一種基于薄膜壓力傳感器的閉環(huán)自檢方法，該方法能夠解決系統(tǒng)突然斷電時的升降臺復原問題，從而確保每次接入光路時起始位置一致，保障系統(tǒng)穩(wěn)定性；毫米級位移微調操作使得光路控制更加便利；堵轉預警部分中，當升降臺偏移超出量程位置時，升降臺會自動停止，該部分可以有效避免電機堵轉現(xiàn)象的發(fā)生，同時也對電機、升降臺起到了一定的保護作用；堵轉限位值預設功能，可精確控制升降臺定位點。在應用端部分，該控制系統(tǒng)不僅可以通過功能按鍵控制，也可以通過CAN 總線與電腦終端通信，能夠實現(xiàn)電腦端APP 實時監(jiān)測實驗數(shù)據(jù)，進一步拓寬了該光路控制系統(tǒng)的應用場景。