趙勇，張?zhí)扉_，齊秀娟

(青島理工大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島 266033)

精密技術(shù)是現(xiàn)代機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，發(fā)展尖端技術(shù)、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(shè)備。當(dāng)代的精密加工工程是現(xiàn)代制造技術(shù)的前沿，也是明天技術(shù)的基礎(chǔ)［1］。精密加工的發(fā)展依賴于精密機(jī)床，因而精密機(jī)床的關(guān)鍵部分——精密控制系統(tǒng)始終為研究人員所重視。

音圈電機(jī) (Voice Coil Motor)是基于安培力原理制造的一種新型直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，具有高頻響、高精度的特點(diǎn)，有利于精密機(jī)床控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［2］?；诖耍岢鲆环N以音圈電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，以STM32和LabVIEW作為上下位機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)的精密機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 控制技術(shù)的總體方案

機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械示意圖

機(jī)床由直線型音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過固定軸傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)由氣浮裝置支撐的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)［3］。音圈電機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，通過PWM輸出控制驅(qū)動(dòng)器輸出不同電流控制音圈電機(jī)直線運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)前機(jī)床的控制系統(tǒng)主要由主控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、位置控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和上位機(jī)等組成［4］。該機(jī)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(hào)由測量系統(tǒng)獲得。上位機(jī)采用LabVIEW編寫，LabVIEW編制功能清晰，對(duì)采集來的實(shí)時(shí)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并執(zhí)行相關(guān)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(jié)構(gòu)

機(jī)床控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)圖

主要包括:PC、STM32F103RBT6、位移傳感器Mercury3000、音圈電機(jī)、信號(hào)處理電路、驅(qū)動(dòng)器、載物平臺(tái)等。其中，Mercury3000是MicroE公司生產(chǎn)的光學(xué)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(duì)安裝好的光柵尺進(jìn)行調(diào)整、校驗(yàn)，調(diào)節(jié)測量的分辨率，平臺(tái)中采用的是2 μm的分辨率。

Mercury3000輸出兩路正交信號(hào)，由于正交信號(hào)的輸入阻抗較小，所以在微處理器采集的前端增加一個(gè)由LM358構(gòu)成的跟隨器［6］，增加Mercury3000輸出正交信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。LM358內(nèi)部有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益雙運(yùn)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(shí)，整個(gè)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(shè)計(jì)

此方案軟件設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)方面:上位機(jī)、下位機(jī)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(jī)，由LabVIEW進(jìn)行接收、處理、顯示和保存。同時(shí)，上位機(jī)可以在線修改參數(shù)，下傳給微處理器達(dá)到控制目的。

3.1 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要包括LabVIEW前面板和后臺(tái)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(tái)程序框圖采用數(shù)據(jù)流的方式處理數(shù)據(jù)。首先在計(jì)算機(jī)上安裝VISA驅(qū)動(dòng)程序，然后進(jìn)行各個(gè)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(shí)時(shí)顯示、參數(shù)設(shè)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(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 上位機(jī)軟件流程

主要功能模塊介紹如下:

(1)上位機(jī)主界面如圖6所示，分為串口設(shè)置、實(shí)時(shí)顯示、參數(shù)設(shè)置等。主界面中有開始運(yùn)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(diǎn)擊開始運(yùn)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(guān)閉串口后，點(diǎn)擊退出按鈕就會(huì)退出整個(gè)主界面。

圖6 上位機(jī)主界面

(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放。數(shù)據(jù)采集過程中，運(yùn)動(dòng)軌跡與時(shí)間實(shí)時(shí)寫入列表框中，在采集結(jié)束時(shí)，打開數(shù)據(jù)保存按鈕，彈出選擇待寫入文件對(duì)話框，設(shè)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(yīng)Excel文件，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)回放按鈕，運(yùn)動(dòng)軌跡曲線就會(huì)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(chǔ)與回放部分程序框圖

(3)位移設(shè)定。在此機(jī)床中，位移設(shè)定有2種方式:固定位移和正弦曲線位移。設(shè)定位移按照固定頻率和幅值的正弦曲線變化，驗(yàn)證平臺(tái)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(shí)現(xiàn)精確、高速定位。

3.2 下位機(jī)部分軟件設(shè)計(jì)

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

STM32F103RBT6單片機(jī)具有豐富的外設(shè)資源，其中高級(jí)定時(shí)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(hào)，正交信號(hào)經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成實(shí)際位移量;滴答時(shí)鐘Systick提供精確的定時(shí)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(fù)位后，首先初始化TIM1、Systick、TIM2和USART1，將采集的實(shí)時(shí)位移數(shù)據(jù)與設(shè)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(jié)果通過PWM輸出。同時(shí)，實(shí)時(shí)位移數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，通過USART1上傳給上位機(jī)［8］，流程圖如圖8所示。

圖8 下位機(jī)流程圖

STM32都是16位定時(shí)器，由于光柵尺計(jì)數(shù)會(huì)超過65535，通過直接讀取的方法已不能準(zhǔn)確讀取數(shù)據(jù)，下面是解決定時(shí)器溢出的源碼:

經(jīng)過實(shí)際測試，光柵尺在50 ms內(nèi)都不會(huì)溢出，所以設(shè)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(jì)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(gè)32位的有符號(hào)變量currentCount，每10 ms執(zhí)行一次currentCount+=Enc_GetCount()，只需要讀取currentCount就會(huì)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(dòng)控制器。PID算法主要有增量式和位置式兩種，在此平臺(tái)中使用增量式PID算法［9］。

3.3 通信設(shè)計(jì)

通信設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分割與轉(zhuǎn)化，從而得到需要的數(shù)據(jù)。在下位機(jī)與上位機(jī)通信過程中，數(shù)據(jù)是按照一定的通信協(xié)議進(jìn)行封裝和傳輸?shù)?。下位機(jī)STM32把數(shù)據(jù)以16進(jìn)制數(shù)組上傳，同理上位機(jī)也以16進(jìn)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(gè)人定制協(xié)議［10］。在此設(shè)計(jì)中，使用了自己定制的通信協(xié)議。

下位機(jī)接收上位機(jī)下傳數(shù)據(jù)和下位機(jī)發(fā)送上位機(jī)接收數(shù)據(jù)兩個(gè)過程使用了相同的數(shù)據(jù)封裝方式，其對(duì)數(shù)據(jù)的解析方法也一樣，所以在這一章中，只從下位機(jī)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(shè)計(jì)需要，讀數(shù)據(jù)幀和寫數(shù)據(jù)幀分別由18個(gè)和6個(gè)字節(jié)構(gòu)成。讀數(shù)據(jù)幀起始符是0xE0，數(shù)據(jù)部分的16個(gè)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(shè)定位移量;寫數(shù)據(jù)幀起始符是0xF0，數(shù)據(jù)部分4個(gè)字節(jié)表示實(shí)際位移量，兩者的結(jié)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(dāng)有數(shù)據(jù)接收就會(huì)觸發(fā)USART1接收中斷，USART1_DR寄存器接收上位機(jī)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(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)并存入數(shù)組，判斷數(shù)組中第17個(gè)元素是0x0D，計(jì)數(shù)器清零，將中間16個(gè)字節(jié)分別還原成P、I、D、設(shè)定位移參數(shù)值。

圖11 數(shù)據(jù)接收流程圖

4 測試機(jī)床的跟隨特性

測試機(jī)床在PID控制下的動(dòng)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(hào)頻率，驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(hào)，曲線2是運(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(shí)，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(tái)跟隨特性變差。

5 結(jié)論

基于LabVIEW和STM32的精密機(jī)床控制系統(tǒng)，達(dá)到了控制精度，具有較高的響應(yīng)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(jì)算機(jī)上使用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可以推廣到精密機(jī)床加工行業(yè)。

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