基于STM32F417的砂轮动平衡控制系统设计

梅春雷，刘武发，刘 超

（郑州大学 机械工程学院，郑州 450001）

0 引言

砂轮的平衡对于保证加工工件的表面质量意义重大，只有砂轮主轴系统平衡的情况下，砂轮的振动强度才能降到最小，加工工件的表面质量才能得到保证[1]。而砂轮在制造完成时本身就有很明显的不均匀现象，考虑到砂轮内的气孔、空气的湿度以及加工磨损，砂轮的不平衡只会加强。同时，砂轮在安装后，其与法兰盘之间的接触间隙，也会导致砂轮在高速转动时产生径向振动和轴向的摆动。除此之外，其它靠近磨床的震源等也会对砂轮的平衡产生影响。

砂轮的不平衡导致的振动会对磨削加工产生不利的影响。直接的影响是被加工工件的表面粗糙度增大，导致工件不符合技术要求，产生次品或者造成工件报废。间接的影响是，砂轮振动引起磨床振动，加速磨床主轴和轴承之间的磨损，减少主轴和轴承的使用寿命。因此，砂轮在安装前和使用过程中，必须进行平衡。

传统的砂轮平衡主要是安装前的静平衡，依据刚性转子静平衡的原理，通过去除相应方位的质量，使砂轮达到平衡。这种平衡方法，操作繁琐，效率低，主要靠工人的技术经验，并且速度缓慢，维持平衡的时间也短。因此，设计一种砂轮动平衡控制系统，实现砂轮的自动平衡，不仅能够减少人工操作的参与度，而且也能加快平衡进程[2]。

1 控制系统总体设计

砂轮动平衡控制系统的功能框图如图1所示。

图1 砂轮动平衡控制系统功能框图

动平衡控制器是主要的功能部件，完成数据的处理和驱动信号的输出；振动传感器把砂轮振动的加速度转化为与之成比例的电压信号；霍尔传感器用来测量砂轮转速。振动和转速这两个信号经过处理，输入到控制器，控制器则根据平衡程序的处理流程，不断地调整动平衡头内部两个偏心齿圈的位置，使砂轮的振动幅值大小减小到设定的幅值以下。

砂轮动平衡控制器主要包括以下部分：STM32F417IGT微控制器、振动传感器信号处理电路、动平衡头驱动控制电路、LCD显示接口以及串口通信电路等。不同的部分承担不同的任务，共同作用，构成砂轮动平衡控制系统。控制系统总体结构如图2所示。

图2 控制系统总体结构

2 控制系统硬件结构设计

2.1 系统核心STM32F417IGT

本系统采用意法半导体公司生产的ARM Cortex-M4系列的STM32F417IGT微控制器，其主频为168MHz，处理性能可达到210 MIPS；内部集成1M的Flash存储空间，足够运行大多数实时操作系统；192+4Kb的RAM空间；3个ADC单元；15个可用于通信的接口；USB以及FSMC（灵活的静态存储控制器）等。另外，STM32F417IGT有176管脚，其中有140个通用IO端口，给设计带来极大的便利和可扩展性。

以STM32F417IGT为核心，将控制系统所需要用到的与外设单元有关的IO端口引出，就能设计出STM32F417IGT核心板。本设计主要用到STM32F417IGT的ADC1，USART1，FSMC，TIM2等外设单元。

2.2 振动信号调理处理电路

振动传感器把测到的砂轮振动的加速度转换为电信号输出，但是还不能直接输入到单片机进行处理。由于传感器输出的原始信号很微弱并且含有噪声信号，需要经过调理电路处理后才能得到干净的振动幅值信号。原始信号要经过放大、积分、滤波等环节，将所需要用到的振动信号提取出来。振动传感器采用加速度传感器，因此要把加速度信号转化为砂轮的振动幅值信号，需要经过两次积分运算。振动信号调理电路如图4所示。

2.3 测量砂轮转速的设计

利用霍尔传感器测量转速的原理很简单，只需要在砂轮的主轴上安装一个非金属圆形薄片，将磁钢嵌在圆片圆周上，主轴转动一圈，霍尔传感器发出一次监测信号。当磁钢与霍尔传感器重合时，霍尔传感器输出低电平；当磁钢离开霍尔元件时，则输出高电平[3]。因此，只需利用STM32F417的定时器5的输入捕捉功能，响应霍尔传感器输出的下降沿，就能通过定时器计时的方式算出砂轮的转速。

2.4 动平衡头的结构和供电

动平衡头的结构主要由驱动系统、传动系统和偏心齿圈组成。驱动系统主要采用两个直流永磁电机，控制简单，调速性能好，控制施加给直流电机的电压的极性，就能控制电机的正反转。传动系统采用蜗轮蜗杆和精密齿轮系，实现减速功能，最终驱动偏心齿圈。这样的设计不仅能提高转矩，细化步进角大小，还能实现在平衡后锁定偏心齿圈。

砂轮动平衡头的结构如图3所示。

图3 砂轮动平衡头结构

动平衡头安装在法兰盘上，随着砂轮主轴一起高速转动，驱动电缆与直流永磁电机的连接是通过滑环来实现的，一般驱动两个直流电机最少需要三根线，两根电源线和一个公共地线。同时，在动平衡过程中，为了减少滑环的磨损，设计一个开关机构，使得在动平衡过程中滑环是接触的，平衡结束后滑环断开接触。

2.5 显示器接口设计

图4 振动信号调理电路设计

本设计采用SSD1298作为显示芯片，在实际应用上能够满足设计要求。SSD1298与MCU连接模式有四种，通常采用8080模式的连接方式，这样就可以将STM32F417的FSMC可以直接与SSD1298相连接。STM32F417直接把显示芯片作为它的一个存储设备，通过设置读写时序，就能控制显示器的显示。

3 控制系统软件设计

控制系统的软件主要包括STM32F417芯片的初始化、平衡策略以及显示程序。

芯片的初始化主要是指单片机时钟的配置、中断向量位置的选择、外设端口的配置以及中断的配置等，主要为系统运行做好硬件上的准备。

平衡策略是砂轮动平衡的关键。硬件初始化后，控制器通过振动传感器不断监测砂轮的状态，平衡程序启动后，就开始不断地通过调整动平衡头内部偏心齿圈的位置，使砂轮的振动逐渐减小，直到平衡为止。

平衡策略采用坐标轮换法，通过驱动偏心齿圈，改变其位置，使振动向着减小的方向发展[4]。平衡过程可以分为两步，先调节相位再调节大小，最终结果砂轮的不平衡量和偏心齿圈的不平衡量相互抵消。

第一步，调节相位。开始时，偏心齿圈在蜗轮蜗杆的自锁作用下，相对位置保持不变，其夹角为一个定值φ，调节相位就是让两个偏心齿圈A、B的夹角保持为φ不变，调节A、B同向转动，直到砂轮振动减小到最小为止。具体操作：A、B同时正转，监测砂轮的振动状态，如果振动减小，那么就继续正转，直到再次振动增大为止；反之，如果一开始正转，砂轮振动是增大的，那么就调节A、B同时反转，如果振动减小，就继续反转，直到振动再次增大为止。此时，原来砂轮的不平衡量与偏心齿圈的不平衡量大致在一条直线上。

图5 平衡流程图

第二步，调节幅值。为让不平衡量达到最小，还要调节偏心齿圈的不平衡量的幅值。同相位调节的道理相同，只是幅值调节要求A、B的转动方向不同，这样才能达到调节幅值的目的。具体操作：A正转、B反转，如果砂轮的振动减小，A、B保持原来的转向，直到振动再次增大为止；如果一开始砂轮的振动增大，那么A反转、B正转，如果砂轮振动减小则继续A反转、B正转，直到振动再次增大为止。此时，平衡过程结束。砂轮动平衡过程的流程图如图5所示。

平衡开始需要有一个设定值，或者对动平衡头的平衡能力指标有明确的说明，如果设定的值超过了动平衡头的平衡范围，那么无论怎么调节都不可能达到要求。可以不指定振动大小的设定值，但一定得在平衡头的平衡范围之内。

显示程序主要作用是显示砂轮的状态、平衡过程以及便于用户操作，使用户清晰地知道控制器系统以及砂轮的运行状态，并能够控制系统的运行。

4 结论

砂轮动平衡控制系统以STM32F417为核心，集成了振动信号处理、转速信号处理、动平衡头驱动控制以及显示等电路，在相应的软件程序控制下，能够实时监测砂轮的振动状态以及砂轮转速，在砂轮出现较大不平衡量时，能及时报警提醒。在启动平衡程序后，控制系统能够根据平衡程序不断调节偏心齿圈的位置，直至砂轮平衡。因此，在磨床的磨削加工中，应用该系统能实现砂轮的自动平衡，具有很大实际意义。

[1]张晓东,李济顺.磨床砂轮的自动平衡方法及系统的实现[J].设备管理与维修,2006,03：30-32.

[2]张霞,余先涛,杜庆磊.砂轮自动平衡控制系统的实现[J].机电工程技术,2008,04：32-34,109.

[3]张琳娜,刘武发.传感检测技术及应用[M].中国计量出版社,1999.

[4]王璞.磨床砂轮动平衡在线调整装置的研制[D].沈阳理工大学,2008.