基于ARM的高精度全閉環(huán)時柵數(shù)控轉(zhuǎn)臺*＊1

高忠華 陳錫侯 鄭方燕 楊繼森

（①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;②合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

時柵角位移傳感器是一種全新原理的傳感器，其 測量精度經(jīng)中國測試技術(shù)研究院檢定達(dá)±0.8″［1］。時柵轉(zhuǎn)臺是把時柵傳感器做為測角元件安裝于回轉(zhuǎn)工作臺（簡稱轉(zhuǎn)臺）內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺分度的數(shù)字化顯示［2］。隨著機(jī)械加工的自動化水平和加工精度的不斷提高，人們對轉(zhuǎn)臺的自動定位的精度要求也越來越高。而市場上常見的數(shù)控轉(zhuǎn)臺，大多是利用伺服電動機(jī)上的角度編碼器作為反饋信號實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的。它實(shí)質(zhì)上是一種半閉環(huán)的控制系統(tǒng)，如圖1所示。這種控制方案對轉(zhuǎn)臺的機(jī)械傳動精度要求很高，一般適用于轉(zhuǎn)臺分度精度和控制精度要求不高的場合。文獻(xiàn)［3］中采用CNC系統(tǒng)對各軸的補(bǔ)償功能實(shí)現(xiàn)了高精度定位，但它不能脫離數(shù)控機(jī)床單獨(dú)使用。為此本文提出了一種全閉環(huán)的轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)，如圖2所示。把所在課題組研制的高精度時柵傳感器作為反饋元件用來實(shí)時檢測轉(zhuǎn)臺的位置，以ARM7作為核心控制器件，并配以步進(jìn)電動機(jī)組成了一個獨(dú)立的全閉環(huán)的數(shù)控轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)，廣泛地應(yīng)用于各種場合。

1 時柵轉(zhuǎn)臺全閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計

時柵轉(zhuǎn)臺全閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。以ARM控制器作為數(shù)字控制系統(tǒng)核心控制器件，步進(jìn)電動機(jī)作為驅(qū)動部件，經(jīng)過一定的傳動比帶動轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過一定的角度。高精度時柵角位移傳感器做為測角元件安裝于轉(zhuǎn)臺內(nèi)，把轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過的角度信息通過串口RS232實(shí)時反饋給ARM控制器，并與給定的角度設(shè)定值比較。通過一定的軟件控制算法，把差值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖，經(jīng)ARM控制器輸出，改變步進(jìn)電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角，從而形成了一個全閉環(huán)的角位移控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了角位移的精準(zhǔn)定位。

2 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用ARMLPC2138作為時柵轉(zhuǎn)臺數(shù)控系統(tǒng)的核心器件。LPC2138是PHILIPS公司推出的基于ARM7內(nèi)核的高性能芯片，除了內(nèi)置了串行通信接口外，還內(nèi)置了脈寬調(diào)制器，使其對步進(jìn)電動機(jī)的控制變得十分簡單易行?；贚PC2138控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

ARM控制器除了有時鐘電路和穩(wěn)定的供電電源外，還要有一個復(fù)位邏輯電路，以保證ARM上電后有一個確定的工作狀態(tài)。此外還必須留有JTAG程序仿真調(diào)試接口電路。

2.1 RS232接口電路設(shè)計

RS－232接口是一種串行通信接口。由于該系統(tǒng)通信距離近，無需使用握手信號，只需3根信號線:TXD（發(fā)送線）、RXD（接收線）和GND（地線）。系統(tǒng)的供電是3.3 V，所以要使用SP3232E進(jìn)行RS－232電平轉(zhuǎn)換。如圖4所示，Tx0、Tx1為發(fā)送數(shù)據(jù)端，Rx0與Rx1為接收數(shù)據(jù)端。LPC2138具有一個普通串口UART0和一個帶Modem接口的UART1。而SP3232E是一個2驅(qū)動器/2接收器的器件，為充分利用硬件資源，可將UART1接口也留出，便于以后系統(tǒng)升級。

2.2 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電路

電動機(jī)選用兩相混合式步進(jìn)電動機(jī)，斯達(dá)公司的34HS300DZ型電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩較大，可滿足一般的使用要求。驅(qū)動器選用MS－2H090M型，使用時細(xì)分?jǐn)?shù)調(diào)至最大，此時步進(jìn)電動機(jī)輸出的步距角為0.009°，這樣的步距角依然無法滿足高精度的要求。由于轉(zhuǎn)臺的蝸輪副的傳動比為90∶1，再加上2∶1的同步輪減速，折算到轉(zhuǎn)臺上的步距角為0.18″，這樣經(jīng)過機(jī)械傳動比減速達(dá)到了步距角細(xì)分的目的。ARM控制電動機(jī)驅(qū)動器的輸出引腳只有3.3 V，采用三態(tài)輸出的總線收發(fā)器74LS245，增強(qiáng)ARM輸出的驅(qū)動能力。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

該系統(tǒng)軟件設(shè)計主要實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)的高精度定位功能，另外還要求有友好的操作界面，功能完善，鍵盤設(shè)計合理，便于操作等功能。圖5給出了電動機(jī)控制的算法流程圖。

首先把通過串口接收的時柵反饋數(shù)據(jù)與從鍵盤接收的角位移設(shè)定值在ARM控制器中相比較。如果與設(shè)定值相差較多，則控制器控制電動機(jī)以較大的速度迅速粗定位至與設(shè)定值相差1°以內(nèi)。在電動機(jī)加速過程中，要經(jīng)歷加速、勻速和減速過程。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，步進(jìn)電動機(jī)要發(fā)生失步現(xiàn)象，因此會造成不能正常啟動。如果到終點(diǎn)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，會造成位置精度降低。所以，對步進(jìn)電動機(jī)的加減速要有嚴(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的粗定位位置。精定位采用慢速的逐次逼近設(shè)定值的算法，直至達(dá)到控制精度范圍內(nèi)為止。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

全閉環(huán)時柵數(shù)控轉(zhuǎn)臺實(shí)物如圖6所示。

對整周360°范圍內(nèi)每間隔36°設(shè)置一個設(shè)定值，定點(diǎn)采集10個位置的數(shù)據(jù)。根據(jù)該數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)際定位值以及時柵在每一點(diǎn)的誤差值可以計算出該控制系統(tǒng)的綜合誤差。表1為經(jīng)多次測試之后選出的綜合誤差最大的一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

選用的時柵傳感器自身精度為±1″，該系統(tǒng)的定位誤差與傳感器誤差合起來的總誤差＜±2″。從數(shù)據(jù)中可以看出，數(shù)控系統(tǒng)的自身的定位誤差≤0.72″，是由于采用全閉環(huán)的控制方案，大大提高了其定位的能力。

表1 全閉環(huán)時柵數(shù)控轉(zhuǎn)臺實(shí)測誤差數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

基于ARM的高精度時柵數(shù)控轉(zhuǎn)臺全閉環(huán)控制系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)臺蝸輪副加工精度不足的情況下，采用全閉環(huán)的控制方法，提高了控制系統(tǒng)的定位精度。在步進(jìn)電動機(jī)步距角細(xì)分不足的情況下，采用機(jī)械傳動比細(xì)分的方法，把電動機(jī)步距角折算到轉(zhuǎn)臺的圓分度上，解決了細(xì)分問題，而且簡單易行，具有較好的市場應(yīng)用前景。

［1］彭東林，劉小康，張興紅，等.時柵位移傳感器原理與發(fā)展歷程［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，24（10）:40－45.

［2］高忠華，彭東林，王先全，等.用于高精度數(shù)顯時柵轉(zhuǎn)臺的全自動測控系統(tǒng)［J］.工具技術(shù)，2008，42（9）:95 －97.

［3］張敬毅，倪俊霞.半閉環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺定位精度的補(bǔ)償和調(diào)整［J］.制造業(yè)自動化，2000，22（6）:59 －60.