基于STM32的時柵轉(zhuǎn)臺高精度自動標定系統(tǒng)設(shè)計*

楊繼森, 何 建,彭東林,馮濟琴,鄭方燕

(1.重慶理工大學(xué) 機械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心 重慶 400054;2.時柵傳感及先進檢測技術(shù)重慶市重點實驗室,重慶 400054)

0 引 言

時柵位移傳感器作為一種新型的精密位移傳感器，具有測量精度高、成本低、抗干擾能力強等顯著特點，在工業(yè)、科研和國防等各個領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。時柵轉(zhuǎn)臺以時柵角位移傳感器為技術(shù)核心，可以實現(xiàn)高精度分度定位，但因受加工、安裝、電氣參數(shù)等影響，進行角位移測量時存在誤差，這就需要進行誤差補償來提高測量精度，通常是采用更高精度母儀來進行標定。目前，時柵轉(zhuǎn)臺的標定工作主要采用激光干涉儀作為測量基準，轉(zhuǎn)臺的位置轉(zhuǎn)動依靠手輪，每轉(zhuǎn)動到一個位置，手動采樣該位置的測量誤差，整個過程繁瑣，通常全周(0°～360°)采樣數(shù)百個點，全過程耗時數(shù)小時，實驗員容易因疲勞而出錯。此外，時柵轉(zhuǎn)臺作為一種精密儀器，其標定工作對環(huán)境要求非常嚴格，細微的振動和溫度變化都可能帶來誤差[2]。因此，提高對時柵轉(zhuǎn)臺的標定效率，將是時柵轉(zhuǎn)臺大批量生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用所面臨的問題，本文為了解決這一問題，本文設(shè)計了一種能夠進行數(shù)據(jù)采集和誤差補償?shù)臅r柵轉(zhuǎn)臺高精度自動標定系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作原理與結(jié)構(gòu)

時柵轉(zhuǎn)臺自動標定系統(tǒng)是以激光干涉儀為測試基準，將激光干涉儀的回轉(zhuǎn)軸固定到時柵轉(zhuǎn)臺的上，使兩者能夠同軸轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)過一定角度時，時柵轉(zhuǎn)臺能得到一個角度值θ1，同時激光干涉儀也會得到一個角度值θ2，由于激光干涉儀的精度非常高(± 0.5″)，作為測量基準，因此，這2個值之差△θ就可看作時柵轉(zhuǎn)臺在該位置的測量誤差。通過在轉(zhuǎn)臺內(nèi)時柵傳感器對極點和對極內(nèi)采集大量不同點的值，就能擬合出時柵轉(zhuǎn)臺的誤差曲線，從而對其進行誤差修正。時柵轉(zhuǎn)臺自動標定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由激光干涉儀、時柵轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)、工控機等構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

激光干涉儀在整個標定系統(tǒng)中的作用主要有：1)測量轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過的真實角度，通過工控機反饋給下位機，作為步進電機閉環(huán)控制的反饋信息;2)輸出值用于工控機中作為真值與時柵轉(zhuǎn)臺的輸出值作比較，得到時柵轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)角的原始誤差。

時柵轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)由時柵數(shù)顯轉(zhuǎn)臺和下位機構(gòu)成，通過下位機控制步進電機來帶動時柵轉(zhuǎn)臺，并接收激光干涉儀的當(dāng)前位置信息，用以實現(xiàn)對時柵轉(zhuǎn)臺的閉環(huán)控制。

工控機對時柵傳感器和激光干涉儀同時進行數(shù)據(jù)采集，主程序在數(shù)據(jù)采集完成后對誤差數(shù)據(jù)進行擬合，得到的擬合曲線用來實現(xiàn)誤差修正和補償，最后將程序加載到時柵轉(zhuǎn)臺中，完成整個標定過程。

2 轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計

下位機控制電路以STM32F4微控制器為核心，利用其低功耗、快速浮點運算和精確的脈沖輸出等特性，實現(xiàn)對步進電機的精確控制，對激光干涉儀信號的讀取轉(zhuǎn)換和與工控機的通信，最終實現(xiàn)實時精確的定位控制[3]。設(shè)計了電機驅(qū)動模塊、串口通信模塊，同時還設(shè)計了LCD觸摸屏驅(qū)動模塊以實現(xiàn)人機交互[4]，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 電機驅(qū)動與脈沖當(dāng)量

步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換為角位移的執(zhí)行機構(gòu)，可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。電機控制部分主要由二相混合式步進電機及其配套的驅(qū)動器和驅(qū)動器電源構(gòu)成。所選步進電機步距角為1.8°，在經(jīng)過驅(qū)動器200倍細分之后，每個驅(qū)動脈沖當(dāng)量PD=0.009°，時柵轉(zhuǎn)臺的渦輪與蝸桿傳動比Z=180，因此，每個驅(qū)動脈沖當(dāng)量

ΔP=PD/Z.

(1)

由式(1)計算得ΔP=0.000 05°(0.18″)，足以匹配激光干涉儀的精度，且滿足轉(zhuǎn)臺標定所要求的±2″的定位精度，一次分度定位所輸出的脈沖總數(shù)理論上為

N=s/ΔP.

(2)

其中,s為該次分度定位的驅(qū)動位移量[5]。

2.2 電機控制

根據(jù)經(jīng)典控制理論，步進電機的閉環(huán)定位控制方法可分為單向逼近和雙向逼近。在控制的過程中，雙向逼近方式將引入回程誤差，同時雙向逼近方式位的定位速度比單向逼近方式慢。為達到高速、高精度自動定位，本系統(tǒng)采用單向逼近方式定位控制。首先通過微處理器將所需走過的角位移量換算成相應(yīng)的脈沖數(shù)N，向步進電機發(fā)送0.9N個脈沖，使其走過90 %的位移量，再根據(jù)反饋信息進行位置判斷，如未到目標位置，再走剩余位移量的90 %，重復(fù)此過程，直到達到所需要的定位位置[6]。每次定位控制流程如圖3所示。

圖3 軟件控制流程

步進電機每次只轉(zhuǎn)動90 %的位移是為了能快速準確地到達定位位置，每次轉(zhuǎn)動后用目標位置角度值α減去當(dāng)前位置角度值α＇，再以得到的差值Δα計算下一次要走的脈沖量，對于可能出現(xiàn)的超過目標位置的情況，可由Δα為負值來辨別，再控制步進電機反轉(zhuǎn)單向逼近即可。激光干涉儀讀數(shù)時有一個計算過程，每次轉(zhuǎn)動結(jié)束后延遲2 s是為了得到更準確的讀數(shù)。

3 工控機軟件設(shè)計

工控機軟件主要采用Visual C++編寫，采用面向?qū)ο蟮木幊痰姆椒?，利用其可視化的圖形編程環(huán)境設(shè)計用戶界面[7]。程序主要由初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果輸出等幾個功能模塊組成。

3.1 程序初始化

系統(tǒng)工作之前需要對其進行必要的初始化，包括控制信號的交互聯(lián)絡(luò)、波特率、定位方式，測量次數(shù)、測量方向等。

3.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集分為時柵轉(zhuǎn)臺數(shù)據(jù)的采集和激光干涉儀數(shù)據(jù)的采集，時柵轉(zhuǎn)臺的數(shù)據(jù)可以通過串口即時傳送到工控機中，而激光干涉儀的數(shù)據(jù)無法直接實時提取，只有在檢測結(jié)束后才能從雷尼紹自帶的軟件調(diào)出，解決這個問題所采取的方法是通過編程從雷尼紹自帶軟件的.txt文檔中實時提取出數(shù)據(jù)，將其用作標定的基準和閉環(huán)控制步進電機的反饋。

3.3 數(shù)據(jù)處理

所采集到激光干涉儀和時柵轉(zhuǎn)臺的數(shù)據(jù)是離散的，為了進行誤差補償，需要得到其誤差曲線，因此，需要對所得到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)擬合。本設(shè)計中采用最小二乘多項式擬合，其原理如下：首先設(shè)定n次多項式

(3)

其誤差為

(4)

那么,在此處就要求解a0,a1,…,an要使得誤差Q最小，根據(jù)求極值的方法，對a0，a1,…,an分別求偏導(dǎo)，再使偏導(dǎo)為0，得到的a0,a1,…,an應(yīng)滿足如下方程

(5)

整理后用矩陣表示為

(6)

求解式所示的方程組，即可得到a0,a1,…,an，代入式(3)即可得到最小二乘擬合多項式。

4 實驗驗證

為了驗證本設(shè)計的自動標定系統(tǒng)的可靠性，對一傳感器對極數(shù)為72對極的時柵轉(zhuǎn)臺進行了標定測試，實驗裝置如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)裝置

在每個對極點進行采點，圓周上共采點73個，原始誤差曲線和標定后的誤差曲線如圖5所示，可見原始誤差波動較大，誤差值在-9.75″～8.64″之間，標定后誤差值控制在-1.76″～1.63″之間，表明設(shè)計的系統(tǒng)能夠有效提高時柵轉(zhuǎn)臺的精度。

圖5 誤差曲線圖

5 結(jié)束語

實驗證明：該自動標定系統(tǒng)具有自動化程度高、標定精度高、標定速度快等優(yōu)點，除了開始階段參數(shù)設(shè)置需要人工參與外，整個測試與標定過程都能夠自動完成，最大限度的降低了人為因素對測試結(jié)果的影響。目前，該系統(tǒng)能夠高效率的自動完成時柵轉(zhuǎn)臺的測試標定工作，在時柵轉(zhuǎn)臺產(chǎn)業(yè)化進程中開始發(fā)揮積極的作用。

參考文獻:

[1] 彭東林,劉成康,譚為民.時空坐標轉(zhuǎn)換理論與時柵傳感器研究[J].儀器儀表學(xué)報,2002,21(4)： 338-342.

[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(9)：95-97.

[3] 喻金錢，喻 斌.STM32F系列ARM Cortex—M3核微控制器開發(fā)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2011.

[4] 孔 勰，唐 盛，姚 萌.基于STM32的RA8806控制器LCD設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011(5)：200-203.

[5] 楊繼森，萬文略，鄭方燕，等.精密數(shù)控分度轉(zhuǎn)臺的控制系統(tǒng)設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器,2010(7)：95-98.

[6] Kulkarni Amol,El-Sharkawi S,Mohamed A.Intelligent precision position control of elastic drive systems[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2001,16(1)：26-27.

[7] 劉 維.精通Matlab與C/C++混合程序設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.