海流傳感器標(biāo)定平臺控制系統(tǒng)的研究*

徐 健，王 勇

(合肥工業(yè)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009)

?

海流傳感器標(biāo)定平臺控制系統(tǒng)的研究*

徐 健，王 勇

(合肥工業(yè)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009)

針對海流傳感器標(biāo)定平臺提出的定位精度高、速度平穩(wěn)、超低速運行的要求，對伺服控制技術(shù)進行研究，設(shè)計一種基于STM32微控制器的運動控制系統(tǒng)，使實驗平臺滿足傳感器性能標(biāo)定時對外部環(huán)境要求。該系統(tǒng)運用松下伺服提供的驅(qū)動器監(jiān)視軟件，對伺服驅(qū)動系統(tǒng)進行參數(shù)優(yōu)化，使驅(qū)動器與機械結(jié)構(gòu)達(dá)到最佳匹配。系統(tǒng)檢測裝置采用0.5μm分辨率的高精度光柵尺以實現(xiàn)對運動部件定位精度及運動平穩(wěn)性的檢測，從而實現(xiàn)對平臺工作狀態(tài)的有效反饋。通過對實驗臺運行狀況的觀察與分析，證明該控制系統(tǒng)可行。

標(biāo)定平臺；微控制器；伺服電機；驅(qū)動優(yōu)化；信號采集

0 引言

隨著海洋探測技術(shù)的發(fā)展，雖然壓力和流速等海洋要素的測量日益被關(guān)注，需求不斷增大，但目前不僅國內(nèi)即便是國際上也尚缺少相應(yīng)的性能優(yōu)越的測量傳感器。要想驗證的研制的傳感器性能，需要將傳感器置于深海，通過傳感器反饋的信號進行相應(yīng)分析，從而標(biāo)定傳感器的靜動態(tài)特性?？紤]到深海實驗的復(fù)雜性，不可能每次檢測都將傳感器置于深海進行研究。為方便實驗進行，采用三位平臺模擬海水的運動，將傳感器置于平臺上，實現(xiàn)運動轉(zhuǎn)換，從而完成對傳感器性能的測試。標(biāo)定平臺由計算機控制，通過滾珠絲杠及直線導(dǎo)軌傳動系統(tǒng)驅(qū)動傳感器實現(xiàn)精確運動。將傳感器在水下反饋回來的信號與平臺運動信息進行比較，可以有效的標(biāo)定傳感器的動態(tài)與靜態(tài)特性。深海海水運動是立體化的，要想真實復(fù)現(xiàn)海水的運動規(guī)律，標(biāo)定平臺的運動必須是三維且能夠模擬各種形式的運動。針對此應(yīng)用場合，傳統(tǒng)的PLC控制雖然穩(wěn)定，但由于處理速度問題，難以滿足對三維平臺控制，故選用基于STM32的微控制器[1]進行對各伺服電機的控制。

本文采用STM32控制器和交流伺服電機實現(xiàn)一種在低速、高精度、高平穩(wěn)性的三維運動控制。在工作臺上安裝高精度的光柵尺，不僅使伺服系統(tǒng)有效克制了機械傳動誤差，使位置精度到達(dá)微米級別，而且實時反饋單位時間內(nèi)脈沖信號，有效的檢驗實驗臺運行平穩(wěn)性。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

三維流速標(biāo)定平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。PC機為系統(tǒng)的控制終端，做為人機信息交互接口?；赟TM32的微控制器作為控制系統(tǒng)的控制單元，控制三個軸上伺服電機的轉(zhuǎn)動。光柵尺安裝在平臺X、Y、Z的三個運動方向上，測速傳感器安裝于Z向運動平臺上。測試傳感器性能時，將傳感器置于水箱，控制三維平臺三個方向上的運動，使傳感器可以運動在不同速度、不同方向上，通過對傳感器接反饋信息的分析，從而完成對傳感器性能的標(biāo)定。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

在測試傳感器的性能時，首先測試傳感器在單個方向運動時所反饋回來的參數(shù)。此時，要求標(biāo)定平臺在任一方向上都能達(dá)到微米級別的位置精度要求；并且要求在任意速度下運行時，速度保持平穩(wěn)；同時，在運行過程中對速度可以進行任意切換，保證速度切換時，平臺的振動小。在進行三個方向上的控制時，要抑制過向限誤差[2]的發(fā)生。

2 實驗臺驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計

為滿足高精度、低速運行等要求，驅(qū)動機械結(jié)構(gòu)部分采用導(dǎo)程為5mm的滾珠絲桿，通過彈性聯(lián)軸器與伺服電機軸進行連接，導(dǎo)軌采用滾動式直線導(dǎo)軌；主控制器采用基于STM32處理器配置相應(yīng)外設(shè)搭建的控制器；執(zhí)行裝置為松下MINAS A5系列MSMD電機；伺服驅(qū)動器為相應(yīng)的A5系列驅(qū)動器；檢測裝置為分辨率為0.5μm的Renishaw光柵尺；驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計包括電機主電路與控制電路的連接；電機與驅(qū)動器的連接；驅(qū)動器參數(shù)優(yōu)化；光柵尺信號的采集；STM32控制程序的編制；控制器與PC的通信。

2.1 硬件電路連接

為滿足實驗臺不同工作場合的需求，將伺服電機工作于位置/速度復(fù)合模式下。當(dāng)平臺主要滿足位置精度時，采用位置控制方式；當(dāng)平臺以速度為主要控制對象時，采用速度控制方式，以獲得良好的隨動性。利用STM32的高速脈沖輸出功能及開發(fā)板上的D/A模塊對電機實現(xiàn)位置與速度控制。工作臺X、Y、Z各使用對應(yīng)的電機與驅(qū)動器，匹配好相應(yīng)I/O口與信號線端子的連接，即可完成系統(tǒng)硬件的連接。為減小干擾，脈沖輸入采用線驅(qū)動器進行長線驅(qū)動；為減小速度切換時振動減小，開啟電機增益切換功能，故驅(qū)動器上需要連接的端子有：脈沖信號輸入(PULSH1,PULSH2)；方向信號輸入(SIGNH1,SIGNH2);增益轉(zhuǎn)換輸入(GAIN)；速度指令輸入(SPRT,GND);模式選擇輸入(C-MODE);伺服ON輸入(SRV-ON);電源公共端(COM+，COM-);指令脈沖禁止輸入(INH)。為保證工作臺運行不超過各自的行程，分別在X、Y、Z三個方向上各裝兩個接近開關(guān)，利用控制器的中斷功能進行控制，作為工作臺的保險之用。

2.2 伺服驅(qū)動器控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與優(yōu)化

松下A5系列交流伺服提供位置、速度、轉(zhuǎn)矩、全閉環(huán)四種控制模式。根據(jù)需要，伺服驅(qū)動各參數(shù)設(shè)置如下：本實驗臺采用位置/速度復(fù)合模式，取PR003=3；為減小輸出脈沖的干擾，電機驅(qū)動方式采用長線驅(qū)動方式，PR005=1；電機采用指令脈沖與指令方向組合驅(qū)動，設(shè)置PR006=1、PR007=3；電機旋轉(zhuǎn)一圈默認(rèn)為10000個脈沖，不進行分倍頻設(shè)置。

針對傳感器的應(yīng)用場合，對該標(biāo)定平臺的運動性能提出了很高的要求。由于在標(biāo)定平臺需要在超低速這種特殊環(huán)境下運行，伺服驅(qū)動器參數(shù)自整定功能滿足不了伺服驅(qū)動優(yōu)化的要求，故這里采用手動調(diào)整，使驅(qū)動控制系統(tǒng)與機械結(jié)構(gòu)進行完好匹配。而且要保證速度切換時的速度平穩(wěn)性，本文對驅(qū)動器內(nèi)部相關(guān)增益參數(shù)進行分段設(shè)置，讓電機工作于不同速度時配以不同的增益，讓系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)。松下伺服提供的PANATERM軟件可以方便用戶對伺服驅(qū)動器進行相關(guān)優(yōu)化。由于驅(qū)動器電流環(huán)一般在出場的時候就已經(jīng)設(shè)定好，故這里僅對速度環(huán)與位置環(huán)進行優(yōu)化[3]。速度環(huán)的優(yōu)化主要通過對速度環(huán)增益kp、速度環(huán)積分時間常數(shù)Ti的調(diào)整，加以相應(yīng)的前饋環(huán)節(jié)，可以有效提高速度環(huán)的響應(yīng)性能，使速度閉環(huán)的幅頻特性曲線在0dB線上保證盡可能寬的范圍，以保證輸出很好的跟隨輸入；同時在速度閉環(huán)相頻特性曲線在不超過0deg的情況下，滯后應(yīng)盡可能小，通過增大前饋環(huán)節(jié)的作用，得到不同速度下的速度閉環(huán)頻率特性均如圖2所示：

圖2 速度環(huán)特性

對于位置環(huán)的優(yōu)化，是在對速度優(yōu)化的基礎(chǔ)之上進行的，主要對其增益進行相關(guān)調(diào)節(jié)。通過增大位置環(huán)的增益可以有效地減小傳動系統(tǒng)的跟隨誤差。

2.3 光柵尺信號采集

工作臺的位置精度的保證，取決于對光柵尺脈沖信號進行可靠計數(shù)。由于受到工業(yè)電磁干擾的影響，使光柵尺的信號出現(xiàn)干擾與抖動，如果采用普通計數(shù)方式，滿足不了實驗需求。這里通過硬件加軟件的方式對其信號進行抗干擾設(shè)計。光柵尺脈沖信號采用差分輸出方式，將A+、A-、B+、B-，Z+,Z-信號通過AM26LS32線接收器進行輸出。信號引入STM32的I/O口，充分利用干擾與抖動信號的寬度遠(yuǎn)小于A、B信號的特點，編寫去干擾算法[4]。利用在一個脈沖寬度內(nèi)，在一個脈寬內(nèi)多次檢驗電平高低，有效消除機械抖動與電氣干擾，對脈沖進行有效計數(shù)。

2.4STM32程序設(shè)計

STM32主控制器程序主要由位置/速度控制、接近開關(guān)中斷、上位機通信等部分程序組成[5]，其流程圖如圖3所示。

圖3 控制器程序框圖

預(yù)先定好實驗平臺所需要的的運動形式，在上位端發(fā)送模式轉(zhuǎn)換信號，使控制器端產(chǎn)生相應(yīng)動作。在位置控制下，控制器發(fā)送一定頻率的PWM脈沖，控制電機運轉(zhuǎn)，在位置到達(dá)指定點時，通過中斷功能，停止電機運轉(zhuǎn)；在速度控制時，采用D/A輸入對應(yīng)速度下的電壓來控制速度運行的大小。通過控制模擬電壓的大小來控制速度。這里要注意的是需要預(yù)先設(shè)定好不同速度下的增益，在速度轉(zhuǎn)換時，通過GAIN端子來改變增益，減小平臺在速度切換時的振動。

2.5STM32與PC機的通信

在本實驗中，PC采用NI公司的LabVIEW[6]作為上位機控制軟件，通過ST公司提供的固件庫配置了下位機的串口和NI公司提供的VISA函數(shù)配置了上位機的串口，在RS232通訊協(xié)議的基礎(chǔ)上編制相應(yīng)界面與STM32進行通訊并通過CRC校驗[7]有效的克服信息傳遞過程中周圍環(huán)境噪聲影響所造成的信息傳輸錯誤，其程序流程圖如圖4所示。

圖4 PC機與下位機通信

3 定位精度方法的研究

伺服系統(tǒng)的控制過程為：升速、恒速、減速、低速趨近定位階段。規(guī)劃好減速與低速趨近定位點這兩個過程，對定位精度影響是至關(guān)重要的。在該實驗臺中，我們采用分段線性減速方法[8]進行控制，其過程如下圖所示：

圖5 減速過程曲線

在運行過程中需要計算A、B、C、D、E、F處的總脈沖剩余量，然后通過勻速段BC、DE、FG去補償減速點A、C、F的定位誤差，達(dá)到精確控制。

4 實驗現(xiàn)象分析

實驗臺運行時，在位置控制模式下，按照上述分段線性減速方法，通過檢測目標(biāo)位置為0mm、36mm、72mm、108mm、144mm的定位精度與重復(fù)定位精度，得到工作臺精度控制在10μm之內(nèi)，滿足實驗臺提出的位置精度需求；在速度控制模式下，切換不同的速度，用計數(shù)器檢測每500ms內(nèi)的脈沖數(shù)，數(shù)據(jù)表明速度在勻速運動區(qū)域內(nèi)，速度波動很小，滿足對傳感器性能標(biāo)定時的速度要求。

5 結(jié)束語

該海流傳感器標(biāo)定平臺控制系統(tǒng)采用PC機、STM32控制器、伺服驅(qū)動器作為控制器，利用高精度的光柵尺作為檢測設(shè)備，充分利用伺服驅(qū)動優(yōu)化技術(shù)，利用軟件算法對光柵尺脈沖進行準(zhǔn)確計數(shù)，采用分段線性減速的定位方式，有效的達(dá)到海流傳感器對實驗平臺提出的定位精度、速度平穩(wěn)性的實驗要求，為標(biāo)定傳感器性能提供了可靠的實驗環(huán)境。

[1]李紅燕, 魏世民, 廖啟征, 等. 基于 STM32 的多電機協(xié)同控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新, 2012, 25(5): 120-122.

[2]陳先鋒.伺服控制技術(shù)自學(xué)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[3]楊明, 張揚, 曹何, 等. 交流伺服系統(tǒng)控制器參數(shù)自整定及優(yōu)化[J]. 電機與控制學(xué)報, 2010, 14(12): 29-34.

[4]向艷穩(wěn), 修吉平. 光電編碼器信號抗干擾算法 [J]. 計算機測量與控制, 2003, 11(8): 624-626.

[5]龍國煊, 王仲, 楊純. 基于 PLC 和伺服電機的精密定位技術(shù)研究[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2010 (12): 64-66.

[6]張立勛, 李雪偉, 唐小景. STM32 與 LabVIEW 串行通信的設(shè)計[J]. 煤礦機械, 2011, 32(5): 215-217.

[7]歐海文, 李起瑞, 胡曉波, 等. CRC 算法的應(yīng)用理論研究[J]. 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用, 2011(8): 019.

[8]吳焱明, 趙福, 王治森. 提高伺服系統(tǒng)定位精度的方法[J].制造技術(shù)與機床 1999(12):46-48.

(編輯 李秀敏)

Development of Control System for Platform To Standardize Ocean Flow Sensor

XU Jian,WANG Yong

(School of Mechanical and Automotive Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

As the platform proposed high positioning accuracy、smooth speed、ultra-low-speed operation to standardized the ocean flow rate sensor.Through the researches of servo- control ,designed a motion control system based on STM32 microprocessor to achieve the condition of the environment.This system used the monitoring software provided by the Panasonic company to optimize the parameters of the motor-driver. The step can make the motor-driver coordinate with the mechanical structure perfectly.The measure equipment of the system is linear scale whose resolution is 0.5μm.Itcanfeedbackthepositionandthevelocitytimely.ThecontrolsystemcanbeproofedtobeeffectiveViaobservingandanalyzingthephenomenonofthemovement.

standardized platform;micro-controller;AC motor;drive optimization;signal acquisition

1001-2265(2014)01-0104-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.01.029

2013-05-05

國家自然基金(No.41076061)

徐健(1989—)，男，安徽安慶人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要研究方向機電控制技術(shù)，(E-mail)jian4317@126.com。

TH165;TG65;TP

A