伺服電機編碼器自動校裝系統(tǒng)開發(fā)

蔡敬鵬, 楊向萍, 周 宇, 袁 帥, 陳家新

(東華大學 機械工程學院,上海 201620)

0 引 言

伺服控制系統(tǒng)主要由伺服電機、傳感器、驅動控制器三部分組成,應用領域非常廣泛[1]。其中,伺服電機作為執(zhí)行機構,根據(jù)編碼器反饋的位置信號實現(xiàn)相應的速度或位置控制。在伺服系統(tǒng)中,使用最多的傳感器是光電編碼器,光電編碼器又分為增量式光電編碼器和絕對式光電編碼器。對于增量式光電編碼器,其輸出A,B,Z三相方波脈沖,A,B兩相脈沖相差90°,可以方便地判斷旋轉方向,Z相每轉只產(chǎn)生一個脈沖,用于初始定位。絕對式光電編碼器通常將角度信息轉換為數(shù)字信息以二進制代碼形式輸出,其通信接口多為串行接口,可以直接讀出角度的絕對值,一個n位絕對式光電編碼器將一周分成了2n份[2]。

在伺服電機生產(chǎn)過程中,編碼器的安裝是關鍵的一步,目的是將永磁體磁極位置和編碼器零點位置調整到一定的相對位置關系,并固定、記錄下來。目前,國內的編碼器安裝技術普遍停留在人工安裝的階段,一般由操作者利用工具或者手動固定編碼器,手動轉動伺服電機回轉軸或編碼器回轉軸,然后利用示波器和伺服電機控制器來進行調零,其效率低下,安裝精度難以保證[3]。同時,國內對編碼器自動校裝的研究不多,難以運用到實際生產(chǎn)中?；谝陨显?本文設計并實現(xiàn)了一種伺服電機編碼器自動校裝系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結構設計與工作原理

1.1 系統(tǒng)結構設計

如圖1所示,伺服電機編碼器自動校裝系統(tǒng)采用機電一體化裝置安裝光電編碼器,主要由機械結構、控制模塊、人機交互模塊、電源模塊以及通信模塊組成。其中,單片機用于控制步進電機旋轉、與上位機通信以及編碼器數(shù)據(jù)的讀取與處理。機械機構主要由伺服電機本體及底座、待裝編碼器及夾具、聯(lián)軸器、步進電機及底座、基準編碼器、滾珠絲杠直線滑臺、底座等組成。

圖1 自動校裝系統(tǒng)總體結構

1.2 系統(tǒng)工作原理

假設電機為一對極,在電機d軸通入適當電流,Id為一較小值,Iq值為0,該電流使轉子轉到A軸位置,電機以此位置為初始位置[4]。在安裝編碼器時,將編碼器的零點位置與該初始位置對齊,并固定在電機軸上。但實際安裝時,不方便對電機d軸通入電流,故對電機A，B兩相通入小于額定電流的穩(wěn)流直流電,產(chǎn)生的電流矢量沿三相靜止坐標系的A軸-30°電角度方向,電機轉子固定在該位置,系統(tǒng)根據(jù)此位置進行編碼器的校裝，如圖2。

圖2 光電編碼器校裝示意圖

如圖2(a)所示,安裝絕對式光電編碼器時,對伺服電機A，B兩相通入穩(wěn)流直流電,將伺服電機轉至固定位置,記錄基準編碼器在此位置的角度值θ1。斷開直流電,伺服電機可能會有輕微的抖動,再次讀取基準編碼器的角度值,記為θ2。然后讀取待裝絕對式光電編碼器的角度值,記為α,令步進電機帶動伺服電機逆時針轉動γ角度,此時待裝編碼器零點與伺服電機電角度0°對齊。γ計算公式如下

(1)

式中p為伺服電機極對數(shù)。最后,控制滾珠絲杠直線滑臺向前運動,將待裝絕對式光電編碼器壓入伺服電機軸上,然后固定編碼器外殼即完成安裝。

如圖2(b)所示,安裝增量式光電編碼器時,控制直線滑臺前進,將該編碼器壓入電機軸,然后步進電機帶動伺服電機旋轉,轉到編碼器出現(xiàn)Z相脈沖信號停止,直線滑臺控制編碼器退出。對伺服電機A，B兩相通入穩(wěn)流直流電,使伺服電機鎖定到固定位置,讀出此時基準編碼器值β1。斷開直流電,步進電機帶動伺服電機逆時針轉動30°/p角度,讀基準編碼器,值記為β2,設β3為定位誤差角度,其計算公式如下

β3=(β1-β2)-30°/p

(2)

若需要補償誤差,系統(tǒng)計算出步進電機脈沖補償值,使伺服電機轉子轉到電角度0°位置。直線滑臺再將編碼器裝入電機軸,固定編碼器外殼以完成安裝。校裝完成后,系統(tǒng)將基準編碼器旋轉至0角度位置,方便下次校裝。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 裝置設計

系統(tǒng)所用步進電機采用兩相混合式步進電機,對該電機采用細分控制,電機精度可達0.007°?；鶞示幋a器采用多摩川23位高精度絕對式光電編碼器,該編碼器分辨力達到0.000 1,將其安裝在步進電機軸上。待裝光電編碼器和夾具安裝在滾珠絲杠直線滑臺上,滾珠絲杠直線滑臺的執(zhí)行機構采用57兩相混合式步進電機,根據(jù)編碼器的形狀特點和直線滑臺提供的固定方式,每種編碼器配有專用夾具。

控制系統(tǒng)原理如圖3所示,主控板控制步進電機的旋轉、編碼器數(shù)據(jù)采集和處理、與上位機通信。無待裝編碼器時,該系統(tǒng)也可以獨立工作,通過按鍵發(fā)送指令,通過LED指示燈顯示主控板的運行狀態(tài),通過LCD顯示屏實時地顯示基準編碼器的角度信息等。系統(tǒng)的控制核心采用ST公司基于Cortex—M4內核的增強型微控制器STM32F429IGT6,其片上資源豐富,系統(tǒng)功耗較低[5]。

圖3 自動校裝系統(tǒng)控制原理

2.2 RS—485通信模塊設計

絕對式光電編碼器與主控板的通信接口主要為串行通信接口,針對多摩川絕對式光電編碼器,系統(tǒng)采用ARM+RS—485方式實現(xiàn)該類型編碼器的讀取與解析。RS—485通信接口簡單,采用差分輸出,能夠有效地抑制共模干擾,通信速度快,最大傳輸速度可以達到10 MB/s以上[6]。本系統(tǒng)選用了最高傳輸速率2.5 MB/s的RS—485通信芯片MAX485,設計電路如圖4所示。該芯片的驅動器擺率不受限制,降低了不恰當?shù)慕K端匹配產(chǎn)生的誤碼[7]。MAX485接收輸入具有失效保護特性,驅動器還具有短路電流限制,防止過度的功率損耗。

圖4 RS—485通信電路

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 主控板軟件設計

3.1.1 總體程序設計

主控板模塊是整個系統(tǒng)設計的重要組成部分,STM32程序的主要任務為:接收上位機指令,根據(jù)指令完成相應動作,并將相應的數(shù)據(jù)傳送至上位機。應用程序主要包括:主程序、增量式光電編碼器數(shù)據(jù)采集及處理程序、絕對式光電編碼器數(shù)據(jù)采集及處理程序、步進電機控制程序和串行通信程序5個主要部分。主程序主要負責對于系統(tǒng)時鐘、GPIO口、定時器、外部中斷、RS—485和串行通信等模塊的初始化,以及調用各個子程序。主控程序流程如圖5所示。

圖5 主控板程序流程

3.1.2 增量式光電編碼器讀取模塊

增量式光電編碼器數(shù)據(jù)采集及處理程序中,定時器TIM3的CH1，CH2分別與編碼器的A，B相相連,工作在正交編碼器模式。在此模式下,計數(shù)器在兩個通道的上升沿和下降沿均計數(shù),會根據(jù)編碼器的速度和方向自動修改計數(shù)器值。編碼器的Z相與外部中斷輸入相連,當Z相信號為高電平時,在中斷處理函數(shù)中清零定時器的計數(shù)器值,復位編碼器。

3.1.3 絕對式光電編碼器讀取模塊

對于多摩川絕對式光電編碼器,其讀取采用“一問一答”的方式[8],如圖6所示,控制器向編碼器發(fā)送一幀控制幀,編碼器接收到控制幀后返回一長串數(shù)據(jù)幀,包括控制幀、狀態(tài)幀、數(shù)據(jù)幀以及CRC幀。讀取程序中,STM32通過I/O口使能485芯片,向編碼器發(fā)送控制幀,3 μs后編碼器返回數(shù)據(jù)幀,STM32接收數(shù)據(jù)幀并對數(shù)據(jù)進行解析,并在CRC校驗函數(shù)中對其進行CRC校驗,若校驗正確,將其絕對位置信息發(fā)送至上位機,否則重新發(fā)送控制幀。

圖6 絕對式編碼器數(shù)據(jù)幀格式

3.2 上位機軟件設計

系統(tǒng)上位機界面基于Qt Creator軟件開發(fā)環(huán)境設計,并在Window 7操作系統(tǒng)上運行。Qt Creator是一個輕量級跨平臺集成開發(fā)環(huán)境,因其具有良好的封裝機制和豐富的API函數(shù),被廣泛應用于上位機開發(fā)[9]。上位機系統(tǒng)主要由校裝主界面、串口設置,參數(shù)設置、數(shù)據(jù)庫操作等組成。通過參數(shù)設置,設置編碼器和伺服電機的參數(shù)；設置串口并打開,即可與下位機通信。界面還提供數(shù)據(jù)和曲線打印、保存至數(shù)據(jù)庫等功能,用戶可以通過相應的操作實現(xiàn)這些功能。

4 實驗結果與分析

選擇國內某廠商生產(chǎn)的60伺服電機作為系統(tǒng)實驗對象,采用多摩川17位絕對式編碼器和某廠商2 500線增量式編碼器作為待裝編碼器,對編碼器分別進行校裝實驗。首先登陸系統(tǒng),設置串口和編碼器參數(shù),然后按照校裝流程對編碼器進行校裝。安裝完成后,對安裝精度進行校驗,當伺服電機定位至電角度0°位置時,讀取編碼器的角度,計算得到安裝誤差。多次校驗,誤差曲線如圖7所示,計算得到平均誤差,并保存數(shù)據(jù)。表1所示誤差角度值為計算所得平均誤差,誤差角度值在誤差允許范圍內,滿足安裝要求。

表1 編碼器安裝誤差

實驗結果表明,本系統(tǒng)能夠滿足伺服電機編碼器安裝要求,設計合理,運行可靠。與傳統(tǒng)人工安裝相比,安裝精度高,且所用時間更少。

5 結 論

本文設計的伺服電機編碼器自動校裝系統(tǒng)采用STM32f429IGT芯片,芯片功能豐富；采用23位高精度絕對式光電編碼器作為安裝基準,分辨率高；采用步進電機,控制簡單,成本較低。該系統(tǒng)具有硬件結構簡單、數(shù)據(jù)處理準確和數(shù)據(jù)傳輸方便、可安裝編碼器種類多、安裝精度高等優(yōu)點,滿足伺服電機編碼器安裝要求,具有很高的應用價值和廣闊的市場前景。