基于STM32F4的基板檢測(cè)輸送平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)*

張 群，陶曉杰，張 藍(lán)，權(quán) 露

(1. 合肥工業(yè)大學(xué) 智能制造技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；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；3. 合肥工業(yè)大學(xué)宣城校區(qū)，安徽 宣城 242000)

0 引言

在平板顯示器如LCD、PDP和OLED等的玻璃基板生產(chǎn)和檢驗(yàn)過(guò)程中，高精度非接觸的直線輸送平臺(tái)必不可少，而要保證輸送平臺(tái)的精確高效運(yùn)行，就離不開高性能的運(yùn)動(dòng)控制器。目前市場(chǎng)上高性能的運(yùn)動(dòng)控制器價(jià)格昂貴且大多為國(guó)外品牌，這限制了國(guó)內(nèi)運(yùn)動(dòng)控制器的發(fā)展。

因此本文針對(duì)玻璃基板檢測(cè)儀器設(shè)備中高精度非接觸的直線輸送設(shè)計(jì)了一種基于STM32F4的基板檢測(cè)輸送平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制器，并提出了一種氣缸同步控制方案。該平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制器采用自行設(shè)計(jì)的硬件架構(gòu)，使用ARM Cortex-M4架構(gòu)的高性能STM32F4微控制器作為唯一的處理器，并采用模塊化方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)充分考慮工業(yè)應(yīng)用要求和推動(dòng)工業(yè)4.0概念的發(fā)展[1]，選用工業(yè)級(jí)的芯片，并對(duì)輸入輸出接口進(jìn)行有效的隔離[2]，提供豐富且多樣的通信接口，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和制造的智能化。相比于目前市場(chǎng)上的運(yùn)動(dòng)控制器，該運(yùn)動(dòng)控制器在保證高性能的同時(shí)，精簡(jiǎn)了電路，有效地降低了電路板的設(shè)計(jì)和制造成本，具有很好的實(shí)時(shí)性、可擴(kuò)展性和開放性。在氣缸同步控制方面，采用了MATLAB仿真驗(yàn)證了方案的可行性。

1 線性輸送平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)玻璃基板檢測(cè)過(guò)程中物料傳輸無(wú)污損、線性、動(dòng)態(tài)性能好且穩(wěn)定的特性，設(shè)計(jì)了如圖1所示的玻璃基板檢測(cè)平臺(tái)，主要包括以下結(jié)構(gòu)：基于直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、基于精密氣動(dòng)懸浮的懸浮系統(tǒng)、夾持系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、上下料系統(tǒng)以及掃描系統(tǒng)[3-4]。圖1展示了線性輸送平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，上料系統(tǒng)通過(guò)上料電缸將物料推送到待檢區(qū)，在待檢區(qū)、檢測(cè)區(qū)和接料區(qū)均安裝有氣浮板，使得物料可以非接觸傳輸，然后處在兩側(cè)直線電機(jī)上的夾持系統(tǒng)通過(guò)各個(gè)氣缸動(dòng)作來(lái)夾持物料，之后線性CCD對(duì)物料初步掃描和標(biāo)記缺陷，若有缺陷，高精度掃描儀二次掃描標(biāo)記區(qū)域，二次掃描結(jié)果可以作為技術(shù)人員判斷缺陷產(chǎn)生原因的依據(jù)，接著物料到達(dá)接料區(qū)后，下料系統(tǒng)通過(guò)電缸將物料傳輸?shù)较铝蠀^(qū)，然后系統(tǒng)可以根據(jù)物料是否被標(biāo)記為缺陷，決定該物料是否作廢。

2 線性輸送平臺(tái)的控制系統(tǒng)

2.1 控制過(guò)程

整個(gè)平臺(tái)的輸送控制包括上料、上料夾持、直線輸送、下料夾持和下料，由控制系統(tǒng)綜合控制。其基本過(guò)程如圖2所示。

圖1 線性輸送平臺(tái)

圖2 傳送流程

2.2 檢測(cè)和控制信號(hào)

由2.1節(jié)中的控制過(guò)程可知，該控制系統(tǒng)中，需要檢測(cè)氣浮板的壓力、吸盤的正負(fù)壓、氣缸的位置、上下料電缸的位置、直線電機(jī)的位置、上料區(qū)和下料區(qū)有無(wú)面板等，需要控制的有電磁閥、氣缸、電缸、真空發(fā)生器、直線電機(jī)等。除了直線電機(jī)的控制和位置檢測(cè)信號(hào)及電缸的控制，其他都為開關(guān)量檢測(cè)和開關(guān)量控制。

2.3 運(yùn)動(dòng)控制器硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)該玻璃基板檢測(cè)平臺(tái)所需的檢測(cè)和控制要求，運(yùn)動(dòng)控制器需要提供豐富的輸入輸出接口，以滿足多開關(guān)量檢測(cè)和控制；直線電機(jī)的實(shí)時(shí)精確控制則要求控制器的高處理速度；工業(yè)應(yīng)用下的控制器則需要多種通信接口，以適應(yīng)復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，本文選擇ST公司的STM32F429Ix作為運(yùn)動(dòng)控制器的微處理器，該微處理器采用ARM公司的Cortex-M4內(nèi)核架構(gòu)，該內(nèi)核是面向工業(yè)控制領(lǐng)域的高性能低功耗嵌入式32位MCU架構(gòu)。STM32F429Ix微控制器主頻高達(dá)180 MHz，具有DSP指令集，同時(shí)帶有NVIC中斷嵌套服務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)中斷的硬件級(jí)響應(yīng)，其強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算功能，滿足復(fù)雜的運(yùn)算需求。如本設(shè)計(jì)中直線電機(jī)的控制，其具有的正交(增量)編碼器可以方便地獲得電機(jī)運(yùn)行的速度、方向和位置信息，其具有多達(dá)21個(gè)通信接口，可以提供豐富且多樣的通信方式，如SPI、USART、以太網(wǎng)等，GPIO口多達(dá)140個(gè)，滿足多開關(guān)量的檢測(cè)和多開關(guān)量的控制。綜合以上各種數(shù)據(jù)，以及該微控制器的低成本、低功耗的優(yōu)勢(shì)，STM32F429Ix微控制器完全能滿足本設(shè)計(jì)中運(yùn)動(dòng)控制器的要求。

本文運(yùn)動(dòng)控制器的硬件框圖如圖3所示，主要包括核心板模塊、數(shù)字輸入模塊、數(shù)字輸出模塊、PWM輸出模塊、編碼器信號(hào)處理模塊、通信模塊和電源模塊[5-7]。核心板模塊采用STM32F4微控制器，負(fù)責(zé)接收其他模塊的數(shù)據(jù)，并根據(jù)相應(yīng)控制邏輯產(chǎn)生控制信號(hào)；如圖4所示，PWM輸出模塊提供脈沖信號(hào)和方向信號(hào)的隔離輸出，從而通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器控制直線電機(jī)；如圖5所示，編碼器信號(hào)處理模塊負(fù)責(zé)將伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出的電機(jī)編碼器A/B/Z相差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為3.3 V的電平信號(hào)；如圖6所示，數(shù)字輸入模塊負(fù)責(zé)信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換和隔離輸入；如圖7所示，數(shù)字輸出模塊采用光耦繼電器TLP3106，負(fù)責(zé)信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換和隔離輸出，輸出電流高達(dá)4 A；如圖8所示，通信模塊負(fù)責(zé)RS485信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換和隔離傳輸，可以實(shí)現(xiàn)具有RS485接口的Modbus協(xié)議。

圖3 運(yùn)動(dòng)控制器的硬件框圖

圖4 PWM隔離輸出

圖5 編碼器信號(hào)輸入

圖6 數(shù)字量光耦隔離輸入

圖7 數(shù)字量光耦隔離繼電器輸出

本控制器可以采用脈沖信號(hào)指令實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的控制，每一個(gè)外圍模塊與核心模塊的數(shù)字信號(hào)通信都要進(jìn)行數(shù)字隔離，這樣可以最大限度地減少外部干擾對(duì)核心控制板的破壞風(fēng)險(xiǎn)，配合上電源的隔離，可以最大程度防止干擾信號(hào)進(jìn)入核心控制電路，提高運(yùn)動(dòng)控制器在工業(yè)環(huán)境中的穩(wěn)定性。該運(yùn)動(dòng)控制器采用微控制器作為處理器，其低功耗特性以及模塊化的設(shè)計(jì)，使得電路簡(jiǎn)單，整體較PLC體積更小、價(jià)格更低。

圖8 RS485通信模塊

圖9 程序流程

2.4 運(yùn)動(dòng)控制器的程序設(shè)計(jì)

根據(jù)平板檢測(cè)平臺(tái)的工作流程，該控制系統(tǒng)采用順序控制，將整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)平板檢測(cè)的工作流程分為多個(gè)子過(guò)程，每個(gè)子過(guò)程在輸入信號(hào)的作用下順序執(zhí)行。程序流程如圖9所示。首先控制器初始化；其次通過(guò)控制面板配置控制參數(shù)，如直線電機(jī)的運(yùn)行速度；接著啟動(dòng)傳輸平臺(tái)，對(duì)整個(gè)平臺(tái)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行自檢，自檢通過(guò)后就可以進(jìn)行傳輸；接著判斷上料區(qū)是否有料，一旦有料，就將物料傳輸?shù)綑z測(cè)平臺(tái)的入口，通過(guò)直線電機(jī)運(yùn)送物料經(jīng)過(guò)掃描區(qū)；到達(dá)掃描區(qū)后，首先經(jīng)過(guò)線性CCD的初步掃描，如果物料有缺陷，標(biāo)記物料并大致記錄缺陷的位置，接下來(lái)通過(guò)高精度的掃描儀對(duì)物料缺陷的區(qū)域進(jìn)行二次細(xì)致的掃描，二次掃描結(jié)果可以作為技術(shù)人員判斷缺陷產(chǎn)生原因的依據(jù)；二次掃描后，物料運(yùn)送至檢測(cè)平臺(tái)的出口，經(jīng)下料系統(tǒng)運(yùn)送至出料口。如果沒(méi)有缺陷，則直接通過(guò)掃描儀，不需要經(jīng)過(guò)掃描儀的二次細(xì)致的掃描，然后物料到達(dá)檢測(cè)平臺(tái)的出口，經(jīng)下料系統(tǒng)運(yùn)送至出料口，下料完成后，回到上料區(qū)。

2.5 檢測(cè)平臺(tái)氣缸同步運(yùn)動(dòng)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在夾持系統(tǒng)夾持玻璃基板的過(guò)程中，在采用傳統(tǒng)的通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)流量控制閥的方式來(lái)控制氣缸同步時(shí)，存在調(diào)節(jié)氣缸同步費(fèi)時(shí)，夾持瞬間壓力大小不易控制，容易造成玻璃基板變形，后期運(yùn)行過(guò)程中，氣缸不同步時(shí)，必須得重新手動(dòng)調(diào)節(jié)。故重新設(shè)計(jì)了氣缸的控制方案，如圖10所示。采用電-氣比例閥(流量控制)代替電磁閥和流量調(diào)節(jié)閥，并選用流量計(jì)反饋氣缸的氣體流量，電-氣比例閥和流量計(jì)保證氣缸同步動(dòng)作，同時(shí)與氣缸上的限位螺栓配合也保證夾持瞬間壓力可控，通過(guò)控制器從而實(shí)現(xiàn)氣缸同步的自動(dòng)控制。

圖10 氣缸控制系統(tǒng)原理

根據(jù)圖10所示的原理，通過(guò)電流控制的電-氣比例閥控制流量，從而可以控制氣缸的動(dòng)作速度。該系統(tǒng)外環(huán)采用流量的速度環(huán)，內(nèi)環(huán)通過(guò)兩個(gè)氣缸流量計(jì)的差值構(gòu)成與流量相關(guān)的內(nèi)環(huán)，及時(shí)地保證兩路氣缸同步運(yùn)動(dòng)。在MATLAB的Simulink下建立氣缸控制系統(tǒng)模型，仿真結(jié)果如圖11所示，與傳統(tǒng)單路PID控制相比，改進(jìn)的差分控制模型系統(tǒng)響應(yīng)快速，夾持系統(tǒng)具有柔性，滿足氣缸同步控制要求。

圖11 階躍響應(yīng)曲線對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究介紹了一種以STM32F4為控制核心的平板檢測(cè)輸送平臺(tái)設(shè)計(jì)，采用基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的 STM32F4代替?zhèn)鹘y(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)了物料的高精度非接觸直線輸送，有效降低了平板檢測(cè)輸送的控制成本，具有很高的實(shí)時(shí)性、可擴(kuò)展性和開放性，同時(shí)針對(duì)氣缸同步運(yùn)動(dòng)給出了有效的解決方案，經(jīng)MATALAB仿真同步跟蹤運(yùn)行達(dá)到預(yù)期效果，可廣泛地應(yīng)用于平板的生產(chǎn)和檢測(cè)過(guò)程中。

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