張淑芳,劉 江,吳健俊,張 濤,馮兆池
(1.天津大學(xué) 電子信息工程與自動(dòng)化學(xué)院,天津 300072;2.中國(guó)科學(xué)院 大連化學(xué)物理研究所,催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116023)
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,自動(dòng)化控制的相關(guān)研究得到了空前發(fā)展。自動(dòng)化技術(shù)推動(dòng)了生產(chǎn)關(guān)系的變革,解放發(fā)展了生產(chǎn)力[1]。傳統(tǒng)的拉曼光譜儀光路控制系統(tǒng)需要光柵進(jìn)行分段式轉(zhuǎn)動(dòng)控制,操作復(fù)雜精度不好控制,且無(wú)法實(shí)現(xiàn)激光波長(zhǎng)的連續(xù)在線可調(diào)[2],本文設(shè)計(jì)出一種光路自動(dòng)化控制系統(tǒng),該系統(tǒng)避免了由于實(shí)驗(yàn)人員人工調(diào)節(jié)引入的誤差,具有應(yīng)用廣泛、穩(wěn)定可靠、高精度、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
步進(jìn)電機(jī)憑借其成本較低、控制方法簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用在自動(dòng)化控制領(lǐng)域中[3]。通過(guò)給定不同頻率的脈沖以及不同數(shù)量的脈沖數(shù),可以改變電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度和電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度。結(jié)合步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,也可以更改電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度。對(duì)于電機(jī)控制的研究中,由于其穩(wěn)定又簡(jiǎn)易,大多數(shù)研究均采用開(kāi)環(huán)系統(tǒng)[4-7]。但是,電機(jī)的開(kāi)環(huán)設(shè)計(jì)對(duì)于控制升降臺(tái)的移動(dòng)是有局限性的。首先,升降臺(tái)上升與下降是有固定量程的,如果升降臺(tái)偏移位置超出量程范圍,則會(huì)發(fā)生電機(jī)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象;其次,當(dāng)電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),會(huì)發(fā)生“丟步”現(xiàn)象,導(dǎo)致脈沖數(shù)與電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度不符,長(zhǎng)此以往下去,會(huì)造成控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定,形成累計(jì)誤差。
針對(duì)上述問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)一種多光路自動(dòng)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠解決傳統(tǒng)的人工調(diào)節(jié)光路位置存在的精度低等問(wèn)題,并設(shè)計(jì)了良好的人機(jī)交互功能,更加便捷地控制光路位置。本系統(tǒng)所包含功能如下:閉環(huán)自檢、光路接入、升降臺(tái)復(fù)原、堵轉(zhuǎn)限位值預(yù)設(shè)、毫米級(jí)位移微調(diào)和堵轉(zhuǎn)預(yù)警等。
本文設(shè)計(jì)的激光拉曼光譜儀光路自動(dòng)化控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示。它主要由脈沖生成模塊、定時(shí)器模塊、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、升降臺(tái)、壓力傳感器以及MC9S12XEP100 主控板等部分組成。本設(shè)計(jì)采用MC9S12XEP100 作為核心控制器,負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)調(diào)度。首先,主控器通過(guò)脈沖信號(hào)、方向信號(hào)、使能信號(hào)等控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn);此外,壓力傳感器信號(hào)作為一種閉環(huán)反饋信息提供給主控器用于閉環(huán)自檢功能;最后,上位機(jī)部分通過(guò)SCI串口通信、藍(lán)牙模塊通信等實(shí)現(xiàn)頂層應(yīng)用對(duì)底層硬件的控制,更加便捷地實(shí)現(xiàn)光路控制。
圖1 多光路自動(dòng)化控制系統(tǒng)示意圖Fig.1 Block diagram of multi-optical automatic control system
光路控制系統(tǒng)的基本工作原理為:通過(guò)數(shù)學(xué)建模將步距角、脈沖數(shù)、細(xì)分系數(shù)與升降臺(tái)位移之間建立聯(lián)系,即通過(guò)改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度從而控制升降臺(tái)的縱向位移。上述只是開(kāi)環(huán)的電機(jī)控制系統(tǒng),雖然已滿足大多數(shù)電機(jī)控制系統(tǒng),但是為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性與高精度,本文采用閉環(huán)和堵轉(zhuǎn)預(yù)警的方式來(lái)保障系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。閉環(huán)自檢是通過(guò)壓力傳感器實(shí)現(xiàn),每次接入光路之前,升降臺(tái)都要進(jìn)行一個(gè)閉環(huán)自檢操作,從而避免實(shí)際操作過(guò)程中由于斷電造成升降臺(tái)無(wú)法復(fù)原的現(xiàn)象發(fā)生,確保每次接入光路前初始位置相同;堵轉(zhuǎn)預(yù)警功能是通過(guò)計(jì)數(shù)單向移動(dòng)的最大脈沖數(shù),當(dāng)該數(shù)量到達(dá)一定閾值之后,則停止滑動(dòng)升降臺(tái),起到了堵轉(zhuǎn)預(yù)警的作用。此外,為了實(shí)現(xiàn)對(duì)升降臺(tái)更為精準(zhǔn)的控制,增設(shè)微調(diào)位移1 mm 功能,該功能也是通過(guò)PWM(Pulse Width Modulation)與定時(shí)器實(shí)現(xiàn)。最后,通過(guò)CAN(Controller Area Network)總線串口通信模塊、藍(lán)牙模塊可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與主控板的通信,從而更加便捷地進(jìn)行光路控制。
多光路自動(dòng)化控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示,主要包括PWM 脈沖生成模塊、ECT(Enhanced Capture Timer Module)定時(shí)器模塊、壓力傳感器閉環(huán)檢測(cè)模塊、人機(jī)交互模塊等。
圖2 多光路自動(dòng)化控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Operation block diagram of multi-optical automatic control system
由圖2可知,首先初始化PWM 模塊和定時(shí)器模塊,該模塊負(fù)責(zé)提供特定頻率的脈沖信號(hào)作為步進(jìn)電機(jī)控制器的脈沖信號(hào)輸入;設(shè)定主控制器的某個(gè)引腳作為輸出端,通過(guò)向該引腳賦值來(lái)決定步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向;步進(jìn)電器驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)為步進(jìn)電機(jī)輸出穩(wěn)定電流,并通過(guò)細(xì)分系數(shù)以及輸入其內(nèi)部的脈沖信號(hào)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度;步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接升降臺(tái),此部分可將旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為縱向位移,即角度旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)升降臺(tái)滑動(dòng)。
步進(jìn)電機(jī)是控制系統(tǒng)中常見(jiàn)的控制部件,由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖頻率和驅(qū)動(dòng)器細(xì)分系數(shù)共同決定;步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角由脈沖數(shù)決定。步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是步距角θs[8],用于表示給定一個(gè)脈沖信號(hào),步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角度數(shù)。本設(shè)計(jì)采用步距角θs為1.8°的42HBD40BJ4 步進(jìn)電機(jī),步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與脈沖頻率、細(xì)分系數(shù)關(guān)系如公式(1)所示:
式中:w表示電機(jī)轉(zhuǎn)速,r/min;f表示脈沖頻率;θs表示步距角;x表示細(xì)分系數(shù),由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的撥碼開(kāi)關(guān)決定。由公式可知,電機(jī)轉(zhuǎn)速由脈沖頻率、步距角、細(xì)分系數(shù)共同決定。當(dāng)電機(jī)選擇完畢后,步距角就固定不變了,所以轉(zhuǎn)速最終只與脈沖頻率與細(xì)分系數(shù)有關(guān)。在本設(shè)計(jì)中,設(shè)定脈沖頻率為50 Hz,細(xì)分系數(shù)為2。
電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與升降臺(tái)直接相連,連接示意圖如圖3所示。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周之后。對(duì)應(yīng)升降臺(tái)會(huì)發(fā)生10 mm 的偏移量Δx10mm。所以轉(zhuǎn)化的對(duì)應(yīng)關(guān)系如公式(2)所示。
圖3 電機(jī)、聯(lián)軸器、升降臺(tái)Fig.3 Motor, coupling, lifting table
式中:表明給定電機(jī)驅(qū)動(dòng)器200 個(gè)脈沖,電機(jī)會(huì)旋轉(zhuǎn)1 周,通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)升降臺(tái)發(fā)生10 mm 的位移偏移。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行,通過(guò)輸入脈沖數(shù)量、頻率、細(xì)分系數(shù)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角;通過(guò)改變撥碼開(kāi)關(guān)改變驅(qū)動(dòng)電流。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)工作電流設(shè)定撥碼開(kāi)關(guān)S4、S5、S6,本實(shí)驗(yàn)采用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流為1.5 A,故撥碼開(kāi)關(guān)分別設(shè)定為ON/ON/OFF,撥碼開(kāi)關(guān)S4、S5、S6 負(fù)責(zé)控制細(xì)分系數(shù),本實(shí)驗(yàn)測(cè)試了細(xì)分系數(shù)與電機(jī)轉(zhuǎn)速、升降臺(tái)位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系,具體細(xì)節(jié)見(jiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果部分。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)的連接電路如圖4所示。本文采用共陽(yáng)極接法,將公共端接入VCC,脈沖信號(hào)通過(guò)PWM 引腳輸出來(lái)控制,DIR(DIRECTION)通過(guò)主控板對(duì)應(yīng)引腳來(lái)控制。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流為1.5 A,細(xì)分系數(shù)為2,控制電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)。
圖4 電路接線方法Fig.4 Circuit wiring method
本實(shí)驗(yàn)通過(guò)壓力傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自檢功能,壓力傳感器如圖5所示。采用FSR(Forse Sensing Resistor)膜壓力傳感器,可以將施加在FSR 傳感器薄膜區(qū)域的壓力轉(zhuǎn)換為電阻值的變化,從而獲得壓力信息。當(dāng)升降臺(tái)下降時(shí)會(huì)和底部發(fā)生撞擊,壓力傳感器可以檢測(cè)到底部撞擊,通過(guò)改變運(yùn)動(dòng)方向向上滑動(dòng)到預(yù)設(shè)好的位置,即可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自檢功能。
圖5 FSR 薄膜壓力傳感器Fig.5 FSR thin film pressure sensor
由于薄膜區(qū)域厚度很薄,且不會(huì)產(chǎn)生形變。故當(dāng)升降臺(tái)撞擊薄膜片時(shí),不會(huì)產(chǎn)生行程差,這樣更加有利于高精度升降臺(tái)的位置偏移。
該傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)模擬信號(hào)輸出VO,一個(gè)高低電平輸出DO。當(dāng)檢測(cè)到壓力時(shí),該模塊DO 引腳會(huì)輸出高電平,發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)亮。與XEP100 主控板結(jié)合起來(lái)時(shí),可以通過(guò)檢測(cè)引腳電平,來(lái)判斷是否發(fā)生碰撞。當(dāng)主控器檢測(cè)到引腳出現(xiàn)高電平時(shí),方向端信號(hào)就發(fā)生改變,從而使得升降臺(tái)復(fù)位,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自檢功能。
由于實(shí)際工程需求,需要設(shè)計(jì)多光路自動(dòng)化控制系統(tǒng)。光路1、光路2、光路3 實(shí)現(xiàn)的功能一樣,僅需要設(shè)計(jì)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)多光路自動(dòng)化控制。由于PWM 模塊存在8 個(gè)獨(dú)立的通道輸出PWM 波,所以額外初始化兩個(gè)PWM 波作為光路2、光路3 的脈沖信號(hào)源即可。采用同一定時(shí)器為不同脈沖波計(jì)數(shù),PWM 波輸出頻率由內(nèi)部相關(guān)寄存器控制。計(jì)算公式如下所示:
式中:OSCCLK 表示晶振頻率,通過(guò)鎖相環(huán)倍頻后得到系統(tǒng)總線頻率為32 MHz,通過(guò)一系列寄存器設(shè)定,如PWMSCLA、PWMPERx 等,最終PWM 波的輸出頻率控制在50 Hz。
采用ECT定時(shí)器對(duì)PWM 的輸出進(jìn)行計(jì)數(shù),即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角的精準(zhǔn)控制。在ECT 定時(shí)器的設(shè)定中,首先設(shè)定定時(shí)器周期,TSCR2 寄存器設(shè)為0x07,表示對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行128 分頻,如式(7)所示:
此時(shí),定時(shí)器計(jì)數(shù)一次會(huì)耗時(shí)4 μs,設(shè)定TC0 初始值為TCNT+62500,此時(shí),當(dāng)定時(shí)器溢出時(shí),時(shí)鐘計(jì)時(shí)0.25 s。當(dāng)程序控制ECT 定時(shí)器循環(huán)4 次,即可計(jì)時(shí)1 s。
此時(shí)可有如下對(duì)應(yīng)關(guān)系:定時(shí)器計(jì)時(shí)1 s,主控器產(chǎn)生50 個(gè)脈沖,電機(jī)旋轉(zhuǎn)90°,升降臺(tái)上升2.5 mm。多光路控制系統(tǒng)主體算法流程框圖如圖6所示。
圖6 主體算法框圖Fig.6 Main algorithm block diagram
本文創(chuàng)新性的采用壓力傳感器作為閉環(huán)自檢的核心部件,通過(guò)壓力傳感器檢測(cè)壓力信號(hào)從而檢測(cè)升降臺(tái)是否觸底。由于傳感器薄膜僅僅存在可忽略不計(jì)的微小形變,所以不會(huì)造成行程誤差。在自檢模式下,主控板會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力傳感器DO 端的電平變化,當(dāng)檢測(cè)到高電平時(shí),主控板會(huì)控制升降臺(tái)向相反方向移動(dòng),由于底部到平衡位置的行程固定不變,通過(guò)公式計(jì)算,即可求出需要的PWM 脈沖的數(shù)量。閉環(huán)自檢功能的程序流程圖如圖7所示。
圖7 閉環(huán)自檢功能算法框圖Fig.7 Closed-loop self-check function algorithm block diagram
算法實(shí)現(xiàn)步驟如下:
步驟1:選擇光路,使能對(duì)應(yīng)PWM 脈沖源,分頻對(duì)應(yīng) PWM 脈沖源,通過(guò)設(shè)定對(duì)應(yīng)的使能位PWMEx、分頻系數(shù)位PWMCLK 寄存器實(shí)現(xiàn)。
步驟2:主控器實(shí)時(shí)檢測(cè)壓力傳感器輸出端引腳D0,當(dāng)引腳電平為低電平時(shí),執(zhí)行步驟3,否則,執(zhí)行步驟4。
步驟3:控制方向端DIRx=1,控制升降臺(tái)向下移動(dòng),并執(zhí)行步驟2,實(shí)時(shí)檢測(cè)傳感器輸出端D0 狀態(tài)。
步驟4:此時(shí)控制電機(jī)方向端DIRx=0,使電機(jī)向上運(yùn)動(dòng)。通過(guò)提前標(biāo)定好平衡位置與壓力傳感器的距離,從而計(jì)算ECT 定時(shí)器需定時(shí)的脈沖個(gè)數(shù),完成閉環(huán)自檢功能,計(jì)算公式如下所示:
式中:dx表示平衡位置相對(duì)于壓力傳感器的縱向距離;dT表示電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一周期升降臺(tái)的位移變化;Npulse表示電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一周所需的脈沖數(shù);Tpulse表示電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一周所需要的時(shí)間;通過(guò)上述公式可以計(jì)算出升降臺(tái)復(fù)位所需的定時(shí)器時(shí)間tx以及脈沖數(shù)Nx,通過(guò)設(shè)定定時(shí)器寄存器中TC0 初值,即可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自檢功能。首先需要清除定時(shí)器標(biāo)志位,并對(duì)定時(shí)器賦初值,判斷定時(shí)器是否溢出,若溢出,則執(zhí)行步驟5,否則循環(huán)計(jì)時(shí)。
步驟5:判斷是否達(dá)到步驟4 中的預(yù)設(shè)值dx,達(dá)到預(yù)設(shè)值之后則閉環(huán)自檢功能結(jié)束,否則執(zhí)行步驟4。
此外,由于升降臺(tái)的量程在±35 mm 范圍內(nèi),所以需要設(shè)計(jì)堵轉(zhuǎn)預(yù)警功能,以防電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)問(wèn)題。通過(guò)設(shè)定全局變量count 來(lái)計(jì)數(shù)向上、向下運(yùn)行時(shí)的脈沖數(shù)量,由于脈沖數(shù)量與升降臺(tái)位移存在數(shù)學(xué)對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過(guò)設(shè)定全局變量count 與預(yù)設(shè)閾值的大小關(guān)系即可。
圖8為電腦端人機(jī)交互控制界面,所設(shè)計(jì)的控制軟件能滿足自動(dòng)化控制的基本需求,主要功能包括光路選擇、設(shè)定轉(zhuǎn)速、設(shè)定脈沖數(shù)(堵轉(zhuǎn)限位值)、光路的上升與下降、光路自檢等功能,圖中右側(cè)可實(shí)時(shí)反饋各光路實(shí)際測(cè)量值,通過(guò)CAN 總線實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通信,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與實(shí)時(shí)顯示。本文實(shí)驗(yàn)均在此軟件下開(kāi)展的,良好的人機(jī)交互便于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。
圖8 上位機(jī)人機(jī)交互界面Fig.8 Host computer man-machine interface
由于多光路控制系統(tǒng)涉及到三路光的自動(dòng)化控制,所以引腳連線略顯復(fù)雜,主要涉及到步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、壓力傳感器、PWM 輸出端與主控板引腳的連接。表1記錄主控制器各引腳功能及連線。
表1 主控制器引腳功能Table 1 Main controller pin function
1)閉環(huán)自檢
實(shí)驗(yàn)設(shè)定通過(guò)改變升降臺(tái)初始位置,來(lái)觀察閉環(huán)自檢功能的穩(wěn)定性,為了全面驗(yàn)證閉環(huán)自檢功能的性能,實(shí)驗(yàn)設(shè)定了10 組不同的起始位置數(shù)據(jù),其中5組數(shù)據(jù)位于平衡位置之上,5 組數(shù)據(jù)位于平衡位置之下,記錄自檢完成后升降臺(tái)的最終位置。實(shí)驗(yàn)記錄如表2所示。
表2 閉環(huán)自檢測(cè)量結(jié)果Table 2 Closed-loop self-test results mm
2)方向端、細(xì)分系數(shù)和脈沖數(shù)與位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系
該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方向端信號(hào)、細(xì)分系數(shù)、脈沖數(shù)與升降臺(tái)的位移關(guān)系,從而驗(yàn)證本文中數(shù)學(xué)建模的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)記錄結(jié)果如表3所示,其中+/-表示相對(duì)于平衡位置上升/下降的位移。
表3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果Table 3 Experimental measurement results mm
本文設(shè)計(jì)了多光路自動(dòng)化控制系統(tǒng),解決了傳統(tǒng)的激光拉曼光譜儀光路控制系統(tǒng)操作復(fù)雜精度不好控制,且無(wú)法實(shí)現(xiàn)激光位置的連續(xù)在線可調(diào)的問(wèn)題;此外,本文提出了一種基于薄膜壓力傳感器的閉環(huán)自檢方法,該方法能夠解決系統(tǒng)突然斷電時(shí)的升降臺(tái)復(fù)原問(wèn)題,從而確保每次接入光路時(shí)起始位置一致,保障系統(tǒng)穩(wěn)定性;毫米級(jí)位移微調(diào)操作使得光路控制更加便利;堵轉(zhuǎn)預(yù)警部分中,當(dāng)升降臺(tái)偏移超出量程位置時(shí),升降臺(tái)會(huì)自動(dòng)停止,該部分可以有效避免電機(jī)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)生,同時(shí)也對(duì)電機(jī)、升降臺(tái)起到了一定的保護(hù)作用;堵轉(zhuǎn)限位值預(yù)設(shè)功能,可精確控制升降臺(tái)定位點(diǎn)。在應(yīng)用端部分,該控制系統(tǒng)不僅可以通過(guò)功能按鍵控制,也可以通過(guò)CAN 總線與電腦終端通信,能夠?qū)崿F(xiàn)電腦端APP 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),進(jìn)一步拓寬了該光路控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景。