基于光柵尺反饋的直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

豆詩磊，王 爽

（南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210014）

0 引言

顯微鏡是觀察微觀世界不可缺少的工具，一般應(yīng)用于生物、醫(yī)藥、微觀粒子等觀測(cè)。傳統(tǒng)的顯微鏡操作主要是通過操作人員手動(dòng)操作，存在精確操作難度大等缺點(diǎn)［1］，無法滿足人們對(duì)顯微鏡自動(dòng)成像以及自動(dòng)化測(cè)量的要求［2］。針對(duì)顯微鏡載物臺(tái)的高精度電動(dòng)位移控制，電控部分本文采用步進(jìn)電機(jī)103H5205－5210、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器TMC5130、光柵尺M(jìn)ercuryⅡTM6510和處理器STM32F407組成的控制器，實(shí)現(xiàn)4通道直線運(yùn)動(dòng)的高精度閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)顯微鏡載物臺(tái)的高精度自動(dòng)測(cè)量和精確定位。圖1為系統(tǒng)實(shí)物圖，圖中僅接入一個(gè)通道的光柵尺檢測(cè)和電機(jī)控制。

圖1 系統(tǒng)實(shí)物圖

針對(duì)直線運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用系統(tǒng)［3－5］，步進(jìn)電機(jī)丟步、開環(huán)特性或絲桿自身誤差往往會(huì)造成載物臺(tái)位移不準(zhǔn)確，本文直線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，通過光柵尺讀頭反饋的實(shí)際移動(dòng)距離和目標(biāo)位置比較的差值，再控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償這個(gè)差值，從而形成閉環(huán)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)直線平臺(tái)精確定位。本文主要介紹了控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)過程，控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示，此系統(tǒng)具有交互性好、運(yùn)動(dòng)精度高的特點(diǎn)。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件總體框圖如圖3所示，主要包括STM32控制電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及編碼器電路、步進(jìn)電機(jī)、光柵位移傳感器和CAN通信電路。STM32F407處理器通過SPI通信接口方式控制4路步進(jìn)電路和光柵位移傳感器檢測(cè)，根據(jù)光柵反饋相對(duì)位置，反控步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)高精度閉環(huán)控制。CAN通信電路用于接收PC軟件控制指令和反饋位移信息，進(jìn)行人機(jī)交互。

圖3 系統(tǒng)硬件總體框圖

1.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及編碼器電路

本系統(tǒng)采用TRINAMICs兩相雙極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器TMC5130，通過外置外部晶體管，可實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)、高扭矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)。先進(jìn)的spreadCycle和stealthChop斬波器，驅(qū)動(dòng)器可絕對(duì)無噪音的運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)最大效率和最佳電機(jī)扭矩控制。并且TMC5130為外部增量編碼器提供編碼器接口，可編程預(yù)分頻器設(shè)置編碼器分辨率以適應(yīng)電機(jī)分辨率。

主控處理器STM32F407通過SPI方式與TM5130通信，REFL＿STEP和REFL＿DIR分別作為光柵尺左右限位信號(hào)輸入，由于SD＿M(jìn)ODE＝0且SPI＿M(jìn)ODE＝1，診斷輸出信號(hào)DIAG0和DIAG1分別輸出REFL＿STEP和REFL＿DIR至主控處理器，通過中斷方式判斷光柵位移是否越界以及相關(guān)事件檢測(cè)。DRV＿ENN為驅(qū)動(dòng)器使能輸入，當(dāng)該引腳被驅(qū)動(dòng)到高電平時(shí)，所有電機(jī)輸出為懸浮狀態(tài)。ENCA和ENCB為編碼器AB通道輸入，用于檢測(cè)AB相正交編碼信號(hào)獲取光柵尺輸出脈沖信號(hào)數(shù)得到相對(duì)位移信息。ENCN為編碼器N通道輸入，用于光柵尺絕對(duì)零點(diǎn)參考點(diǎn)判斷，本文中使用的光柵尺反饋的是相對(duì)位移數(shù)據(jù)，故需進(jìn)行歸零位處理。CLK作為驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)鐘輸入。OA1／OA2和OB1／OB2分別為電機(jī)線圈A和B輸出控制信號(hào)。TM5130驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖4 TM5130驅(qū)動(dòng)電路

1.2 步進(jìn)電機(jī)

本系統(tǒng)采用Sanyo Denki直流步進(jìn)電機(jī)103H5205－5210，雙極，單極步進(jìn)，步進(jìn)角度為1.8°，電源電壓為24 V，額定電流為1 A，最大轉(zhuǎn)矩為0.265 N·m［6］。

1.3 光柵位移傳感器

本系統(tǒng)采用MercuryⅡTM6510光柵，線性分辨率20μm，可編程內(nèi)插參數(shù)從x4到x16384，A－quad－B輸出，帶粘貼式光學(xué)零位和左／右限位，以及警報(bào)功能。系統(tǒng)使用光柵內(nèi)插參數(shù)默認(rèn)為x400，即分辨率為50nm／count。使用需要根據(jù)其規(guī)格書進(jìn)行安裝，左右限位標(biāo)記條和絕對(duì)零點(diǎn)標(biāo)記條安裝完成后需要使用SmartPrecisionTMAlignment Tool進(jìn)行校準(zhǔn)［5－6］，圖5為光柵尺零位和左／右限位校準(zhǔn)界面。

圖5 為光柵尺校準(zhǔn)界面

圖6為光柵尺輸出的編碼器A、B、N相信號(hào)，送到TMC5130獲取光柵尺零點(diǎn)位置和相對(duì)位移信息。

圖6 光柵尺信號(hào)輸出

1.4 Can通信電路

本系統(tǒng)通過can接口方式通信，方便控制總線掛載新節(jié)點(diǎn)，并且can總線具有很強(qiáng)的抗干擾性和數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)特點(diǎn)。圖7為can接收器電路。

圖7 CAN收發(fā)器電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)中，軟件設(shè)計(jì)主要包括TMC5130的SPI配置和閉環(huán)控制邏輯，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器TMC5130配置主要包括步進(jìn)電機(jī)控制配置、編碼器配置、中斷檢測(cè)配置。閉環(huán)控制邏輯負(fù)責(zé)自動(dòng)歸零、位移補(bǔ)償?shù)取?/p>

2.1 TMC5130配置

2.1.1 編碼器配置

本系統(tǒng)中，步進(jìn)角度為1.8°，設(shè)置TMC5130寄存器CHOPCONF（0x6C）中MRES細(xì)分為256微步，即步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，電機(jī)步進(jìn)數(shù)CNTm為：

絲杠的導(dǎo)程為4 mm，光柵線性分辨率為20μm，內(nèi)插參數(shù)為×400，即步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)1圈，光柵尺輸出AB相脈沖數(shù)CNTe為：

TMC5130編碼器因子＝FSC*USC／encoder resolution，F(xiàn)SC＝200（360°／1.8°），USC＝256微步，encoder resolution為電機(jī)轉(zhuǎn)一圈時(shí)光柵尺輸出AB脈沖數(shù)，故

則TMC5130寄存器ENC＿CONST＝0×216＋0.64×10 000＝6 400，TMC5130編碼器相關(guān)寄存器0x38、0x39、0x3A設(shè)置如圖8所示。

圖8 TMC5130編碼器設(shè)置

2.1.2 中斷檢測(cè)配置

防止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)超出光柵尺量程，本系統(tǒng)增加光柵尺左右限位檢測(cè)，一旦進(jìn)入左右限位段，立即停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并且在限位段內(nèi)禁止向非量程區(qū)域移動(dòng)。結(jié)合硬件原理圖，系統(tǒng)通過DIAG0輸出左右限位和N事件中斷信號(hào)，提高事件響應(yīng)及時(shí)性。TMC5130中斷檢測(cè)事件通過設(shè)置寄存器0x00的bit7（diag0＿step）為1，如圖9所示。

圖9 TMC5130中斷檢測(cè)事件設(shè)置

STM32F407中斷檢測(cè)管腳interupt＿out（圖4）檢測(cè)到TMC5130中斷事件后，需要判斷事件類型，如圖10所示，事件類型可通過讀取事件所在寄存器進(jìn)行判別，圖11（a）是N事件判別，圖11（b）是左右限位事件判別。

圖10 DIAG0事件輸出

圖11 事件判別

2.1.3 電機(jī)控制配置

STM32F407通過SPI數(shù)據(jù)配置TMC5130支持步進(jìn)和方向模式，12 mHz時(shí)鐘，配置小于30 r／min運(yùn)行stealthChop及大于30 r／min運(yùn)行spreadCycle的斬波器參數(shù)，并且使能并初始化運(yùn)動(dòng)控制器，內(nèi)部斜坡發(fā)生器控制電機(jī)運(yùn)行，如圖12所示。由于電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度太快會(huì)導(dǎo)致光柵尺丟幀，所以系統(tǒng)中設(shè)置的電機(jī)加／減速度和速度最大值設(shè)置的閥值偏小，這也滿足顯微鏡載物臺(tái)對(duì)速度的要求。

圖12 TMC5130電機(jī)運(yùn)行配置

2.2 控制邏輯

設(shè)備上電后，需要自動(dòng)找到絕對(duì)零點(diǎn)位置，記錄零點(diǎn)位置L0，并且停在零點(diǎn)位置。接收PC控制指令，控制電機(jī)向零點(diǎn)位置的左側(cè)或右側(cè)移動(dòng)Ld距離，移動(dòng)至目標(biāo)位置后，讀取光柵尺反饋的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)，計(jì)算出移動(dòng)誤差Le，當(dāng)Le值小于設(shè)置的最大容錯(cuò)差值時(shí)［9，11］，此次移動(dòng)控制結(jié)束，否則繼續(xù)向目標(biāo)位置移動(dòng)，重復(fù)上述過程直到誤差達(dá)到系統(tǒng)容差［10］，詳細(xì)軟件流程如圖13所示。

圖13 軟件控制流程圖

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過QT設(shè)計(jì)上位機(jī)控制軟件，實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)CAN對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行指令控制，主要實(shí)現(xiàn)光柵尺歸零、光柵尺細(xì)調(diào)和光柵尺粗調(diào)3個(gè)功能，如圖14所示。

圖14 上位機(jī)軟件光柵控制界面

4 測(cè)試驗(yàn)證與結(jié)果分析

為驗(yàn)證本系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)位移控制精確度，使用激光干涉儀檢測(cè)系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)動(dòng)下誤差范圍，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示。本文中位移重復(fù)定位精度是光柵尺歸零位后，每一項(xiàng)位移控制重復(fù)測(cè)試20次得到的平均定位誤差。

表1 系統(tǒng)閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)閉環(huán)控制平均誤差在±1μm以內(nèi)，優(yōu)于其他方案設(shè)計(jì)誤差的±5μm［9，11－12］。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)傳統(tǒng)的顯微鏡操手動(dòng)操作精確差，無法滿足顯微鏡自動(dòng)成像以及自動(dòng)化測(cè)量的要求，設(shè)計(jì)了基于步進(jìn)電機(jī)103H5205－5210、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器TMC5130、光柵尺M(jìn)ercuryⅡTM6510和處理器STM32F407等，實(shí)現(xiàn)了4通道直線運(yùn)動(dòng)的高精度閉環(huán)控制系統(tǒng)。由PC上位機(jī)發(fā)送控制指令，處理器根據(jù)光柵反饋位移信息控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。本系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)控制和光柵尺AB相解碼均由TMC5130實(shí)現(xiàn)，處理器STM32F407主要通過SPI獲取光柵尺反饋信息，再通過SPI控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行位移補(bǔ)償，整個(gè)方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有明顯的高精度定位功能，位移重復(fù)定位精度在±1μm以內(nèi)，具有一定的實(shí)用參考價(jià)值。