王紅敏，崔晨晨，隋文濤

(1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 山東 淄博 255049； 2. 中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

度盤式指示表是長(zhǎng)度測(cè)量中一種常用的計(jì)量器具，在生產(chǎn)企業(yè)及科研單位的計(jì)量部門使用頻率甚高，尤其在一些設(shè)備制造行業(yè)中，是企業(yè)保證質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。因使用頻率高，故指示表在使用過程中難免會(huì)產(chǎn)生誤差，為了提高度盤式指示表的檢測(cè)精度和速度，需要相應(yīng)的快速檢測(cè)設(shè)備[1]，本文將設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的伺服控制系統(tǒng)，以匹配其快速高精度檢測(cè)。

1 指示表自動(dòng)檢測(cè)儀伺服控制系統(tǒng)基本單元

伺服控制系統(tǒng)是指示表自動(dòng)檢測(cè)儀的重要組成部分，控制系統(tǒng)主要由PC、運(yùn)動(dòng)控制及數(shù)據(jù)采集器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、光柵位移傳感器、信號(hào)調(diào)理電路組成，其控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of servo control system

當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)，首先PC通過RS232串口將控制指令發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制器，運(yùn)動(dòng)控制器在接收到指令后，發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器細(xì)分放大后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[2-3]。步進(jìn)電機(jī)通過減速裝置將作用力傳遞給滾珠絲杠，絲杠帶動(dòng)與滑臺(tái)連接的測(cè)量頭對(duì)指示表進(jìn)行微量進(jìn)給，通過光柵位移傳感器把進(jìn)給量實(shí)時(shí)反饋給運(yùn)動(dòng)控制器，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，由此使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)更加精準(zhǔn)。

2 運(yùn)動(dòng)控制及數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的分析，綜合考慮系統(tǒng)性價(jià)比、兼容性、開發(fā)難度等因素，本系統(tǒng)選擇意法半導(dǎo)體公司的STM32F103C8T6單片機(jī)作為運(yùn)動(dòng)控制芯片，其主要功能是負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制，以及對(duì)光柵傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，此類型的單片機(jī)具有質(zhì)量好、功耗低、體積小、價(jià)格便宜、抗干擾能力強(qiáng)、技術(shù)成熟、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)[4-5]。

2.1 通信接口的選擇

PC與STM32之間選用RS232通訊協(xié)議，MAX232是一種把PC的串行口RS232信號(hào)電平(-10 V ，+10 V)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)所用到的TTL信號(hào)電平(0，+5 V)的芯片。其內(nèi)部具有雙組驅(qū)動(dòng)器和接收芯片，完全可以滿足RS232的電平轉(zhuǎn)換要求[6-7]。RS232串行線主要在計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，其轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2 MAX232芯片電平轉(zhuǎn)換電路Fig.2 Level switching circuit of MAX232 chip

2.2 光柵位移傳感器信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

2.2.1 差分電路設(shè)計(jì)

差分電路主要是將光柵尺的差動(dòng)輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端輸出信號(hào)，以便后面的電壓比較器使用。本電路選用INA105芯片，該芯片是精密差分放大器，不需要價(jià)格很高的電阻網(wǎng)路。用該芯片設(shè)計(jì)的差分放大電路具有較高的共模抑制比，可以很好地抑制零點(diǎn)漂移以及噪聲和干擾。其放大電路如圖3所示。

圖3 差分電路Fig.3 Differential circuit

2.2.2 電壓比較電路設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)選用的光柵位移傳感器輸出的信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)，因此選用電壓比較電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理，電壓比較電路可以把正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)。在本設(shè)計(jì)電路中選用MAX913芯片，MAX913是單路、高速、低功耗、具有差分輸入和互補(bǔ)TTL輸出的比較器，由MAX913組成的電壓比較電路如圖4所示。

圖4 電壓比較電路Fig.4 Voltage comparator circuit

2.2.3 細(xì)分辨向電路設(shè)計(jì)

正弦信號(hào)經(jīng)過電壓比較電路轉(zhuǎn)換成了方波信號(hào)，雖然能夠被單片機(jī)處理，但是為了提高位移測(cè)量的分辨力，要對(duì)整形后的方波信號(hào)進(jìn)行細(xì)分處理。由于測(cè)量指示表時(shí)要進(jìn)行正、反行程誤差的測(cè)量，所以需選用細(xì)分辨向電路。先由CD4013進(jìn)行二細(xì)分然后與后面的四細(xì)分電路級(jí)聯(lián)構(gòu)成八細(xì)分電路，通過兩路方波相位的相對(duì)導(dǎo)前和滯后的關(guān)系進(jìn)行方向的判別，其電路如圖5所示。

圖5 細(xì)分辨向電路Fig.5 Subdivision and direction-distinguishing circuit

2.2.4 可逆計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)

經(jīng)過細(xì)分辨向后，需要對(duì)細(xì)分后的方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，才能獲得相應(yīng)的位移量信息。本系統(tǒng)選用74LS193可逆計(jì)數(shù)器對(duì)細(xì)分后的方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。74LS193可逆計(jì)數(shù)器可以進(jìn)行4位二進(jìn)制輸出，本系統(tǒng)采用兩片74LS193級(jí)聯(lián)的方式，這樣最多可計(jì)255個(gè)脈沖。74LS193可逆計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)電路如圖6所示。

圖6 74LS193可逆計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)電路Fig.6 The cascade circuit of 74LS193 reversible counter

2.2.5 數(shù)據(jù)緩沖器設(shè)計(jì)

脈沖信號(hào)經(jīng)過可逆計(jì)數(shù)器后，為了保證可逆計(jì)數(shù)器傳送給STM32的數(shù)據(jù)不發(fā)生丟失，還需要經(jīng)過數(shù)據(jù)緩沖器才能與STM32相連。針對(duì)本系統(tǒng)測(cè)量精度的要求，需選用高性能的緩沖芯片。本系統(tǒng)選用74LS125芯片作為數(shù)據(jù)緩沖器，74LS125是四總線數(shù)據(jù)緩沖器。因?yàn)榧?jí)聯(lián)后的74LS193輸出的是8位數(shù)據(jù)，所以這里對(duì)74LS125也采用了級(jí)聯(lián)方式與74LS193進(jìn)行連接。其連接后的電路如圖7所示。

圖7 74LS193與74LS125級(jí)聯(lián)電路Fig.7 Cascade circuit for 74LS193 and 74LS125

3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

在考慮選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，要求其不僅要驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作，還要達(dá)到相應(yīng)的細(xì)分要求，同時(shí)在盡量降低驅(qū)動(dòng)器功耗的情況下，要保證功率放大器的安全運(yùn)行，所以本系統(tǒng)選用THB6064AH二相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用脈寬調(diào)制和斬波驅(qū)動(dòng)方式，可以進(jìn)行雙全橋MOSFET驅(qū)動(dòng)，最高耐壓高達(dá)50 V，峰值電流為4.5 A，具有自動(dòng)限流和半流鎖定功能，內(nèi)置溫度保護(hù)及過流保護(hù)，低電壓檢測(cè)電路，可以進(jìn)行8種細(xì)分方式和4種衰減方式的選擇，具有穩(wěn)定性高、價(jià)格較低、外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此該芯片為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高性能、低成本、小型化步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)提供了最佳方案[8-10]。THB6064AH芯片的應(yīng)用電路如圖8所示。

圖8 THB6064AH應(yīng)用電路Fig.8 THB6064AH application circuit

4 結(jié)束語

本文對(duì)指示表自動(dòng)檢測(cè)儀的伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行了完整的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)控制器，并對(duì)信號(hào)處理電路和驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其主要?jiǎng)?chuàng)造性工作如下：(1)系統(tǒng)中采用高性能驅(qū)動(dòng)芯片，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)和精準(zhǔn)，其進(jìn)給量誤差小于0.1 μm。(2)對(duì)光柵位移傳感器輸出的正弦信號(hào)進(jìn)行了濾波、整形、細(xì)分辨向、計(jì)數(shù)緩沖等處理，經(jīng)實(shí)際測(cè)試檢驗(yàn)，該伺服控制系統(tǒng)的測(cè)量誤差不超過0.25 μm，與之前的指示表檢測(cè)相比較[11]，大大提高了系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度。

因此，該伺服控制系統(tǒng)在測(cè)量方式、分辨力和測(cè)量準(zhǔn)確度等方面均有進(jìn)一步提高，為儀表檢測(cè)提供了一種精確高效的檢測(cè)方法，對(duì)于指示表檢測(cè)儀的準(zhǔn)確快速檢測(cè)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。