微动台位移检测及伺服控制系统的研究

吴年祥，陈小林

(安徽国防科技职业学院 机电工程系，安徽 六安 237011)

陈小林(1965- ),男(汉族)，安徽六安人，副教授，学士，研究方向：电气工程与自动化。

微动台位移检测及伺服控制系统的研究

吴年祥，陈小林

(安徽国防科技职业学院 机电工程系，安徽 六安 237011)

设计一种以微控制器为核心的微动工作台位移检测及伺服控制系统。信号处理电路采集传感器输出的信号，通过将其放大、滤波、细分辨向等处理后转换成脉冲序列送给微控制器，微控制系统通过I/O口发送方向控制信号和脉冲信号驱动步进电机旋转，带动微动台运动，通过在微动台上的光栅位移传感器的同步移动，实现对工作台位移量的检测。

微动工作台；光栅信号；细分辨向处理；步进电机

图1 微动系统结构框图

随着科学技术的不断进步，对产品的精度要求越来越高，机器必须严格依据给定的规程运行。比如，机床的主轴与刀架之间必须按要求的运动轨迹作精确的相对运动，高精度机械零部件必须按照尺寸和形状加工。这都需要对机器的运行状态进行精确检测，并在发现有偏离规定要求的倾向时通过微控制系统进行及时调整与修正。机器要在高速下可靠、精密地运行，离不开测量与控制技术。基于测控技术开发的微动位移检测和伺服控制系统，对整个微动台的运动进行智能控制和跟踪，可以实现微动台大范围微米级运动。

图2 微控制系统原理图

1 系统总体设计

系统以微控制器作为控制的核心，结合人机接口，实时完成对系统的控制。通过单片机的I/O口发送方向控制和脉冲驱动信号，步进电机驱动器把方向控制和脉冲驱动信号变换为直接驱动步进电机的信号输送给步进电机，带动微动工作台运动。光栅位移传感器在工作台上同步移动，实现对工作台实时位移量的检测，采集信号送给信号处理电路进行处理；再将经过信号放大、线路的滤波、信号的细分等处理后的脉冲序列送给单片机，形成闭环控制系统。如图1所示。

2 系统硬件电路设计

2.1 微控制系统设计

8279接口芯片键盘和LED显示器构成一个最小单片机系统，实现单片机对光栅信号的采集和步进电机的控制，同时提供操作者对单片机系统的控制功能，如图2所示。

传统的8155/8255芯片既浪费CPU资源又限制软件结构，所以本系统采用Intel可编程键盘/显示器专用接口，8279可实现对显示器和键盘的自动扫描并能识别键盘上闭合键的键号，减轻CPU的负担，而且显示稳定、编程简单，不会出现误动作[1]。

系统中使用的光栅传感器最大量程为80 mm，以μm为最小单位，用5位共阴数码显示器一共显示80 000 μm。电路设计了4×4键盘，其中RST和RUN键为特殊功能键，由硬件电路实现功能，而实际的编码矩阵键盘为14个，由软件赋予其各自的功能。为了读取键值运算方便，将这14个键按00H～0DH排列，分别定义数字键0～9、换向键+/-、退位键BACK、清除键CE和电机调速键SPD。显示器采用段码输出的消隐方案，显示段码从8279芯片OUTA、OUTB输出，经过段驱动器后点亮数码显示器，且在消隐期间74LS373输出为三态，消隐效果良好又不影响键盘的扫描。

2.2 光栅信号采集及处理电路

2.2.1 光栅位移传感器的原理与选型

图3 信号处理电路框图

图4 单稳四细分辨向电路

(a)正向运动 (b)反向运动 图5 单稳四细分辨向电路波形图

光栅是一种增量式编码的光学标准器，以1个定光栅和1个动光栅作为检测元件，靠它产生莫尔条纹来检测位移值，莫尔条纹的移动与栅距之间的移动一一对应。若光栅标尺为50线对/mm，当移动部件移动xmm时，光栅尺上的莫尔条纹就要移过50x条。光栅位移传感器的工作原理是：在光的干涉与衍射共同作用下，一对光栅副中的主光栅(标尺光栅)和副光栅(指示光栅)相对位移时，产生黑白相间有规则的条纹图形(通常称为莫尔条纹)，再经过光电转换器件将黑白相间(明暗相间)的条纹图案转换成后级电路处理的正弦变化电信号，经过放大、整形、细分后，得到2路正交的方波，最后通过计数器对条纹进行计数，得到微动台的位移量[2]。综合考虑，该系统采用4路正弦信号的GCS868-5光栅位移传感器：栅距为0.02 mm(50线对/mm)，精度为±0.015 mm(20 ℃，1 000 mm内)，分辨率为5 μm，输出信号幅值为mV级，相位角依次差90°。

2.2.2 光栅采集及处理电路

从光栅传感器输出插头采集到4路依次相位差90°的毫伏级微弱正弦信号。为简化电路的结构，采用了两两差动输入放大器的方法，即0°和180°信号为一组，90°和270°信号为一组，分别作为2个差动式放大器的输入端。通过后续电路变换可提供2路相位差90°的信号，其中2级放大器兼做滤波器，通过整形电路转化为方波信号，再经细分辨向电路产生两路脉冲信号[3]，如图3所示。

2.2.3 细分辨向电路

为提高微动台位移检测的分辨力，光栅位移传感器允许正反2个方向移动，采用单稳四细分辨向电路，利用单稳提取两路的方波信号边沿来实现四细分[4]，如图4所示。电压比较器输出2路相位差为90°的方波信号，即传感器正向移动和反向运动时波形图。其中脉冲数表示指示光栅所移动的条纹数，已知光栅栅距即可得出光栅所移动的实际距离，即：D=w/[2×sin(a/2)]=w/a=kw。(w为栅距，即每毫米内光栅的条纹数；D为莫尔条纹宽度；k为光栅放大倍数) 光栅移动x条刻线，则莫尔条纹也移动x条条纹；莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，即光栅移动的实际距离。

图6 步进电机驱动电路

2.3 步进电机驱动

步进电机能把给定的电脉冲信号转换成角位移或线位移，电脉冲信号与步进电机转子转过的角度是相对应的。给系统中使用的步进电机提供1个电脉冲信号，步进电机就转过1.8°的步距角；若给步进电机2个脉冲信号就转过3.6°步距角；连续给定电脉冲信号，步进电机即可连续运转[5]。步进电机工作至少需要电脉冲信号发生、驱动器、步进电机3个方面的协调，即通过控制脉冲频率高低来完成步进电机速度和控制，通过脉冲数量来控制步进电机的位置。步进电机驱动电路如图6所示。

由P1.0口输出驱动步进电机的脉冲信号，由T1定时器定时溢出中断方式产生；由P1.1口输出方向电平信号可使步进电机换向，由换向键+/-控制电平的高低，经反相器连接方向显示数码管的g端，实现正负显示。

3 软件程序设计

3.1 总体设计

系统程序主要分为键盘/显示控制和对输入脉冲计数2个部分。赋予各编码键盘各自的功能，由键盘输入工作台移动的预置值，由SPD键调节电机转速，由+/-键控制电机转向，按下RUN键后启动电机运转带动工作台移动，开始对光栅传感器输入的测量脉冲进行计数；当工作台移动到所预置的位置时，单片机发出信号，停止电机，从而完成闭环控制。整体程序流程如图7所示。

3.2 键盘/显示子程序的设计

该部分主要实现对键盘的编码、输入键值的运算和控制以及输出显示功能，程序流程如图8所示。

4 实验测试与结果分析

微动台的实验测试系统包含微动工作平台、电机驱动控制系统、微控制器和光栅传感系统。步进电机驱动器把方向控制和脉冲驱动信号变换为直接驱动步进电机的信号输送给步进电机，带动微动工作台运动。位移量由光栅位移传感器测得。

图9 频率-位移关系曲线

图10 动态范围内平均步距曲线

4.1 驱动频率与位移的关系

4.2 平均步距与频率的关系

在驱动频率为10 Hz，行程为13 mm时，测量微动平台线性运动的平均步距如图10所示。由于微动台装配精度与加工精度的关系，平均步距为(1.505±0.012) μm。实验表明，此装置具有较好的稳定性。

5 结语

本文提出了一个针对微动台位移测量的光栅控制系统。通过实验，微动台的位移基本符合模拟曲线，平均步距和误差都达到了微米级，有较大驱动力和行程。当光功率计的分辨率为1 μW，系统测量位移的分辨率可以达到7 μm。若采用光纤传感系统，精度会更高。

[1] 钱小君.单片机控制的单摆实验系统[J].物理实验,2009,29(4):30-32.

[2] 张晗.数显光栅尺机床定位精度检测设计[J].中国新技术新产品,2011(17):23-23.

[3] 彭亮.逆向工程中三维测绘系统的研究与开发[D].成都：西南交通大学,2008.

[4] 李建良.光栅地震检波技术的研究[D].天津：天津大学, 2004.

[5] 董里扬.浅谈步进电机的工作原理[J].科技信息,2007(8):74-74.

[6] 权哲浩,林玉池,仝凌志,等.扫描隧道显微镜微动台的有限元分析与实验研究[J].传感器与微系统, 2008,27(4):76-79.

ResearchofDisplacementMeasuringandServo-controllingSystemforMicro-Positoner

WUNianxiang，CHENXiaolin

(Department of mechanical and electrical engineering,Anhui National Defence Vocational College, Luan 237011, China)

A micro-motion working table system of displacement measuring and servo-controlling based on MCU is designed. The single-chip is used for controlling movement of the working table, controlling of the keyboard and display. The signal processing circuit samples the signal passed by grating displacement sensor, deals with it by amplifying, filtering and subdividing, and then switches it to a series of pulses which are sent to the single-chip. By I/O port, the single-chip sends the pulse signal and the direction controlling signal to make the step-servo motor turn. The working table brings along the grating displacement sensor moving, and meanwhile, the displacement is measured by the sensor.

micro motion working table; grating signal; subdividing to deal with; step-servo motor

2013-04-13

安徽省省级质量工程项目“电气自动化技术专业教学团队”(20101688)

吴年祥(1984- )，男(汉族)，安徽安庆人，助教，硕士，研究方向：电子与微控制技术、实验实训指导与实验室管理。

TH701

A

2095-5383(2013)02-0043-04