基于ARM的直線式時柵傳感器自動閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計

張?zhí)旌?彭東林 楊繼森 鄭方燕 陳自然

（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，重慶 400054）

縱覽人類長度測量工具發(fā)展的過程，就是一部社會科技進(jìn)步史，從最早的機(jī)械式到現(xiàn)在應(yīng)用計算機(jī)作為測量工具。直線式時柵傳感器是一種全新原理的位移傳感器［1］。為了延伸時柵傳感器的種類，在圓時柵傳感器達(dá)到計量光柵水平并且批量化生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，著手對直線式時柵傳感器研究。本文利用PHILIPS公司的ARM處理器LPC2214和它內(nèi)部集成的脈寬調(diào)制器（PWM）、定時器（Timer），利用PWM發(fā)送高速脈沖，定時器同步計數(shù)方法，實現(xiàn)了高頻脈沖的輸出和脈沖數(shù)的精確控制，設(shè)計一套高精度自動閉環(huán)控制系統(tǒng)，并能與直線式時柵傳感器和上位機(jī)通信。

1 直線式時柵傳感器自動閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計

直線式時柵傳感器自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機(jī)通過串口向ARM控制器發(fā)送直線位移數(shù)據(jù)，ARM控制電動機(jī)旋轉(zhuǎn)以帶動滾珠絲杠，同時用串口接收直線時柵與直線光柵測量的反饋信號，形成閉環(huán)控制。控制完成后，ARM通過串口向上位機(jī)發(fā)送控制完成信號，上位機(jī)接收精密直線光柵和時柵的測量結(jié)果做差值運算，從而得到直線式時柵傳感器的誤差。然后向ARM處理器發(fā)送下一個設(shè)定的位移值，這樣在上位機(jī)主程序的控制下按步驟完成每一個設(shè)定目標(biāo)值的準(zhǔn)確控制，等到所有的目標(biāo)點都采集完成后，上位機(jī)得到并輸出直線時柵傳感器的全程原始誤差曲線。

2 自動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

自動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖1中控制模塊部分所示。

2．1ARM 控制器

LPC2214是PHILIPS公司新推出的基于ARM7TDMI－S的高性能32位RISC微控制器，集成了Thumb擴(kuò)展指令集，256 kB可在系統(tǒng)中編程（ISP）和可在應(yīng)用中編程（IAP）的片內(nèi)Flash。

FLASH編程時間為1 ms，128位寬度接口/加速器實現(xiàn)高速60 MHz的操作頻率。2個定時器（7個捕獲/比較通道），PWM單元可提供多達(dá)6個 PWM輸出，8通道10位ADC，實時時鐘，看門狗，定時器，112個通用I/O引腳。相對于普通ARM7芯片，LPC2214還提升了I/O端口的速度，具有很高的性價比［3－4］。

ARM控制器，其外圍電路（圖2）主要有6大部分［2－3］:電源電路、復(fù)位電路、時鐘電路、調(diào)試測試接口電路、步進(jìn)電動機(jī)控制接口電路和RS232通信串口電路。

電源電路為控制器提供穩(wěn)定的電源。由于系統(tǒng)對電壓要求比較高，且其功耗不是很大，所以不適合用開關(guān)電源，應(yīng)當(dāng)用低壓差模擬電源LDO，使之有很低的靜態(tài)電流。當(dāng)輸出電流減小時，靜態(tài)電流隨負(fù)載變化，并提高效率。

微控制器在上電時狀態(tài)并不確定，將造成微處理不能正確工作。為了解決這個問題，所以微控制器均有一個復(fù)位邏輯，它負(fù)責(zé)將微控制器初始化為某個確定的狀態(tài)。最簡單的阻容復(fù)位電路成本低廉，但不夠可靠。所以一般需要使用專門的復(fù)位芯片。

2．2 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電路

滾珠絲杠將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動，具有很小的摩擦阻力，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器，是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動元件。

根據(jù)現(xiàn)有的實驗裝置和控制要求，以及系統(tǒng)要具有良好的運動特性，并充分考慮裕量，選用臺灣ABBA的1605滾珠絲杠、轉(zhuǎn)矩較大的34HS300D型兩相混合式步進(jìn)電動機(jī)及與其配套的驅(qū)動器。為達(dá)到最高的控制精度，細(xì)分?jǐn)?shù)應(yīng)設(shè)為最大值。驅(qū)動器對輸入的電壓信號或電流信號均有要求，由此需設(shè)計控制器與驅(qū)動器的接口電路，以八同相三態(tài)緩沖器/線驅(qū)動器74HC244為接口芯片。經(jīng)過74HC244后將3.3 V高電平電壓轉(zhuǎn)換為驅(qū)動器要求的5 V，同時增強(qiáng)了驅(qū)動能力。系統(tǒng)選用CP/DIR控制方式，選用ARM的單邊沿脈寬調(diào)制輸出PWM2（P0.7）作為驅(qū)動脈沖信號。P0.5作為電動機(jī)使能控制信號，P0.6作為電動機(jī)轉(zhuǎn)動方向控制信號。由于電動機(jī)驅(qū)動器為大功率輸出器件，為了減少其對主控元件的影響，在微處理器與電動機(jī)控制器之間采用高速光電隔離器進(jìn)行光電隔離。

3 自動閉環(huán)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件設(shè)計要求:（1）能通過鍵盤操作，實現(xiàn)正向運行、反向運行、相對、絕對、停止、暫停、最優(yōu)化控制等功能;（2）正向、反向運行均可采用最優(yōu)化控制;（3）能通過顯示器顯示正、反向運行時的位移。

為滿足上述要求，軟件設(shè)計采用下列措施:（1）利用8279可編程鍵盤、顯示接口器件，識別鍵盤上閉合鍵的鍵號，實現(xiàn)調(diào)用不同子程序的功能;（2）采用ARM微處理器內(nèi)部的PWM和TIMER，向步進(jìn)電動機(jī)發(fā)送控制信號，同時正向運行時顯示提示符“Z”及運行頻率，反向運行時顯示提示符“F”及運行頻率;（3）正向運行與反向運行子程序中有判斷鍵值的功能，若接受到停止信號，則此時向步進(jìn)電動機(jī)發(fā)出停止信號，且顯示“STOP”提示符;若接受到暫停信號，則保留當(dāng)時的PWM信號值，同時顯示“PAUSE”提示符。

3．1 自動閉環(huán)控制系統(tǒng)流程圖

自動閉環(huán)控制系統(tǒng)流程圖如圖3所示。首先ARM控制器從串口接收運動位移信號，然后折算出步進(jìn)電動機(jī)完成轉(zhuǎn)動所需的脈沖數(shù)，發(fā)脈沖控制步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)動，脈沖發(fā)送完畢后從串口接收時柵測量結(jié)果的反饋信號，與上位機(jī)預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行比較。若一致，則輸出控制完畢信號，再從串口接收上位機(jī)傳來的下一個位移值;若不一致，再判斷是否超過了設(shè)定值，控制電動機(jī)轉(zhuǎn)動。為了實現(xiàn)對步進(jìn)電動機(jī)的更為精確定位和控制，更有效地避免過沖和失步現(xiàn)象的發(fā)生。在本設(shè)計中，當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)啟動或停止時，除采用升頻啟動和降頻停止技術(shù)之外，還對步進(jìn)電動機(jī)的步距角進(jìn)行細(xì)分。步進(jìn)電動機(jī)的步距角為1.8°，經(jīng)過驅(qū)動器200等分細(xì)分之后，每個驅(qū)動器脈沖當(dāng)量為 PD=0.009°。

3．2 步進(jìn)電動機(jī)的運行控制

由于步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動角位移與控制脈沖數(shù)成線性比例關(guān)系，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率也成正比。因此，可以利用ARM的脈寬調(diào)制器（PWM）產(chǎn)生變頻的驅(qū)動脈沖進(jìn)行電動機(jī)位移和速度的驅(qū)動控制。

3．2．1 步進(jìn)電動機(jī)的位置控制

步進(jìn)電動機(jī)的位置控制，指的是控制步進(jìn)電動機(jī)帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)從一個位置精確地運行到另一個位置。步進(jìn)電動機(jī)的位置控制需要兩個參數(shù)。第一個參數(shù)是步進(jìn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前的位置參數(shù)，稱其為絕對位置。絕對位置是有界限的，其界限是執(zhí)行機(jī)構(gòu)運動的范圍，超越了這個界限就應(yīng)報警。第二個參數(shù)是從當(dāng)前位置移動到目標(biāo)位置的距離，可以用折算的方式將這個距離折算成步進(jìn)電動機(jī)的步數(shù)。

對步進(jìn)電動機(jī)位置控制的一般做法是:步進(jìn)電動機(jī)每走一步，步數(shù)減1，如果沒有失步存在，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)到達(dá)目標(biāo)位置時，步數(shù)正好減到0。因此，用步數(shù)是否等于0來判斷是否移動到目標(biāo)位置，作為步進(jìn)電動機(jī)停止運行的信號［4］。

3．2．2 步進(jìn)電動機(jī)的速度控制

步進(jìn)電動機(jī)的速度控制通過ARM控制器發(fā)出的步進(jìn)脈沖頻率來實現(xiàn)。通過定時器中斷的方法，在中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行脈沖輸出操作，調(diào)整定時器的定時常數(shù)就可以實現(xiàn)調(diào)速。如果啟動時一次將速度升到給定速度，由于啟動頻率超過極限啟動頻率fq，步進(jìn)電動機(jī)會發(fā)生失步現(xiàn)象，因此會造成不能正常啟動。如果到終點時突然停下來，由于慣性作用，步進(jìn)電動機(jī)會發(fā)生過沖現(xiàn)象。所以，對步進(jìn)電動機(jī)的加減速有嚴(yán)格的要求，那就是保證在不失步和過沖的前提下，用最快的速度移動到指定位置［5］。實際應(yīng)用中常用的升降速曲線包括分段線性加速曲線和S形加減速曲線。S形（分段指數(shù)曲線）加減速曲線最好的選擇，如圖4b所示，這是因為電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系接近指數(shù)規(guī)律。

4 結(jié)語

此套基于ARM的自動閉環(huán)控制系統(tǒng)具有豐富的通信接口，控制精度高，抑制擾動能力強(qiáng)，能實現(xiàn)最優(yōu)控制。用于新型智能傳感器——直線式時柵傳感器自動閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計，如圖5。采用ARM作為主控芯片形成自動閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制精度能達(dá)到0.1 μm，在不喪失控制精度的同時極大地提高了測試效率。對直線式時柵傳感器的產(chǎn)品化進(jìn)程必將起到積極的促進(jìn)作用。

［1］彭東林，張興紅，劉小康，等．基于時空轉(zhuǎn)換的精密位移測量新方法與傳統(tǒng)方法的比較［J］．儀器儀表學(xué)報，2006，27（4）:423 －426．

［2］周立功，張華．深入淺出 ARM7——LPC213x/214x（上下冊）［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005．

［3］田澤．嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006．

［4］王曉明．電動機(jī)的單片機(jī)控制［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007．

［5］張?zhí)旌?，彭東林，楊繼森，等．直線式時柵傳感器的自動定位閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計［J］．工具技術(shù)，2010，44（4）:91 －93．