基于STM32的光柵尺速度位移檢測

鄭忠杰，陳德傳

(杭州電子科技大學自動化學院，浙江杭州310018)

0 引言

在精密直線伺服控制場合，一般使用光柵尺作為速度、位移檢測元件，它的測量精度高，可達幾微米［1］。為提高光柵尺的分辨率，傳統(tǒng)做法是利用數(shù)字邏輯芯片對光柵尺的輸出信號進行4倍頻和辨向［2］，然后再傳送給后續(xù)處理單元。近年來也有人用現(xiàn)場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)來實現(xiàn) 4倍頻和辨向功能［3、4］，這樣雖然精簡了元器件，但 FPGA本身成本也較高。STM32F103VE是意法半導體公司推出的面向工控領(lǐng)域的高性價比的32位微處理器，共含有8個16位定時器，其中6個定時器可工作于編碼器模式，內(nèi)置4倍頻和辨向功能，且可抑制脈沖抖動［5］，模式十分適合于反饋光柵尺的實時速度和位置。為此，本文探討了基于STM32F103VE的光柵尺信號處理和速度位移檢測方法，具有實用意義。

1 工作原理

本文以普通光柵尺為研究對象，其輸出4路相位依次相差90°的近似正弦信號。由方波的信號特征可知最多可對正交方波進行4倍頻處理，且4倍頻后的每個信號脈沖均對應(yīng)于某一實際位置。具體的信號處理過程如圖1所示，步驟為:(1)對4路正弦信號通過運算放大器TL082進行差分放大后得到2路正交正弦波;(2)2路正交正弦波經(jīng)施密特觸發(fā)器CD40106整形后得到2路正交方波;(3)2路正交方波經(jīng)光耦隔離后送入微處理器STM32F103VE，由定時器進行4倍頻和辨向，并對脈沖進行加減計數(shù)，進而計算速度位移。

圖1 光柵尺信號處理過程

2 信號處理電路

光柵尺輸出4路信號ui，可表示為:

式中，up為直流偏置，A為信號幅值，w為光柵柵距，x為光柵位移。由于幅值A(chǔ)很小，因此需將2對信號(ui，ui+2)經(jīng)如圖2所示電路進行差分放大，得到2路相位依次相差90°正弦信號uoi，i=0，1。在圖 2 中，R1=R3，R4=R5=2R2，C1=C2，則輸入輸出關(guān)系可表示為:

式中，α=R2/R1為放大系數(shù)，與后續(xù)施密特觸發(fā)器的上下門限有關(guān)，=R2C1為濾波常數(shù)，由關(guān)系式1/＜(1 000VmaxN)求出，其中Vmax為光柵尺最大速度，N為光柵尺每毫米線數(shù)。

將2路正弦信號uoi經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后可得2路相位依次相差90°的方波信號A、B，其電路如圖3所示，波形如圖4所示。圖3中，R6=R7，C3=C4，主要是為了消除運放的噪聲，由關(guān)系式R6C3＜1/(20×1 000VmaxN)求出。圖4中，VT+和VT－分別為施密特觸發(fā)器CD40106的上下門限。

圖2 帶直流偏置的減法電路

圖3 整形濾波電路

A、B信號經(jīng)光耦隔離后便可送入微處理器。STM32F103VE的定時器在編碼器模式下計數(shù)器的動作如圖5所示。計數(shù)器對A、B信號的上升沿和下降沿同時進行計數(shù)從而實現(xiàn)4倍頻效果，根據(jù)A、B信號的超前滯后關(guān)系決定向上計數(shù)還是向下計數(shù)，此外，圖5也顯示了輸入信號A、B的抖動是如何被抑制的。

圖4 uoi與A、B信號時序圖

圖5 編碼器模式下的計數(shù)器動作

3 速度位移檢測方法

為了在光柵尺低速和高速運動時使速度都具有較高的檢測精度，采用M/T法測速［6］，其示意圖如圖6所示。圖6中，Tc是采樣時鐘，其值固定不變;T是檢測周期，由采樣脈沖Tc邊沿之后4倍頻信號的第一個脈沖邊沿決定，其值是可變的。假設(shè)光柵尺移動速度為V，檢測周期T內(nèi)光柵尺的位移量為d，則:

在檢測周期T內(nèi)檢測到的4倍頻脈沖數(shù)為M1，則位移d又可表示為:

若時鐘脈沖頻率為f0，在檢測周期T內(nèi)時鐘脈沖計數(shù)值為M2，則檢測周期T為:

圖6 M/T法測速示意圖

綜合式3 5便可求出移動速度為:

對4倍頻脈沖數(shù)一直累加計數(shù)得到M3，則光柵尺的位移為:

軟件設(shè)計方面需用到4個定時器，其中定時器1 3用于M/T法測速，定時器4用于位移檢測。定時器1工作于定時模式，每隔Tc時間產(chǎn)生一個中斷;定時器2工作于編碼器模式，用于對A、B相信號4倍頻和辨向，及對脈沖計數(shù)以獲得M1;定時器3工作于計時模式，用于對微處理器時鐘脈沖計數(shù)以獲得M2;定時器4工作于計數(shù)模式，對4倍頻信號累加以獲得M1Σ。定時器1 4的中斷程序如圖7 10所示。

圖7 定時器1中斷程序

圖8 定時器2中斷程序

圖9 定時器3中斷程序

圖10 定時器4中斷程序

圖8中，M1、M2的計算公式分別為:

圖9中，M3的計算公式為:

式中，T4_CNT為定時器4的當前計數(shù)值。

4 實驗分析

經(jīng)差分放大后的正弦信號和整形后所得的方波信號如圖11所示，從圖11中可以看出，經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后所得的方波邊沿十分陡峭。光柵尺輸出正弦信號的實際頻率與經(jīng)ST－M32F103VE內(nèi)置4倍頻后的所測頻率如表1所示，從表1中可知，在中低頻時所測頻率值幾乎等于實際值，在高頻時也僅有微小誤差，滿足伺服系統(tǒng)的精度要求。

圖11 正弦信號整形前后波形圖

表1 實際頻率與測量頻率

5 結(jié)束語

本文所提出的基于STM32F103VE的光柵尺信號處理和速度位移檢測方法，及其軟硬件實現(xiàn)方案，具有容易實現(xiàn)，成本低、可靠性高的特點，在直線伺服控制場合有實用價值。

［1］陳慶樟.光柵位移傳感器在位置伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用及誤差分析［J］.機床與液壓，2008，36(8):216－217.

［2］劉保錄.計量光柵尺四倍頻辨向電路［J］.電氣自動化，1995，(6):56－57.

［3］韋雄波，艾武，閆光亞，等.基于FPGA的光柵尺位置速度反饋模塊設(shè)計［J］.湖北工業(yè)大學學報，2010，25(1):72－74.

［4］王成元，常國祥，夏加寬.基于FPGA的光柵信號智能接口模塊［J］.電氣傳動，2007，37(4):56－61.

［5］劉軍.例說STM32［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2011:122－128.

［6］阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)－運動控制系統(tǒng)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004:41－44.