微动台位移检测及伺服控制系统的研究

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Research of Displacement Measuring and Servo-controling System for Micro-PositonerWU Nianxiang，CHEN Xiaolin(Department of mechanical and electrical engineering，Anhui National Defence Vocational CoHege，Luan 23701 1，China)Abstract：A micro-motion working table system of displacement measuring and servo-controlling based on MCU is designed.The single-chip is usedfor controlling movement of me working table.controlling of the keyboard an d display.The signal processing circuit samples the signal passed bygrating displacement sensor，deals with it by amplifying，filtering an d subdividing，and then switches it to a series of pulses which are sent to thesingle-chip.By I/O port.the singlechip sends the pulse signal and the direction controlling signal to make the step-servo motor turn.Th e workingtable brings along the grating displacement sensor moving，and mean while，the displacement is measured by the sensor。

Key words：micro motion working table；grating signal；subdividing to deal with ；step-servo motor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。

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1/0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-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。

采集拈H 电路拈r微微动工作l 控制系统图 1 微动系统结构框图8279 捡出然挫. --可编程 馥键盘 片显示器步进电机I. 机 控制拈 . 拈图2 微控制系统原理图收稿日期：2013-04-13基金项目：安徽省识质量工程项 目电气自动化技术专业教学团队”(20101688)作者简介：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。

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。

成都工业学院学报htp：//paper.cdtu.Pdu.c，l/ 第l6卷传统的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 。

系统中使用的光栅传感器最大量程为 80 mm，以 m为最小单位，用 5位共阴数码显示器-共显示80 000 Ixm。电路设计了4 X4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。为了读赛值运算方便，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光栅是-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--对应。若光栅标尺为50线对/mm，当移动部件移动mm时，光栅尺 的莫尔条纹就要移过 50x条。光栅位移传感 信号器的工作原理是：在光的干涉与衍射共同作用下，-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问(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 j。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X/mm)，精度为 ±0.015film(20℃，1 000 mm内)，分辨率为5 m，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9O。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-组，90。和270。信号为-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 ，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 ，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 /[2 Xsin(a/2)]w/akw。( 为栅距，即每毫米 内光栅的条纹数；D为莫尔条纹宽度； 为光栅放大倍数)光栅移动 条刻线，则莫尔条纹也移动 条条纹；莫尔条纹产生的电脉冲信号数，即光栅移动的实际距离。

图 3 信号处理 电路框图图4 单稳四细分辨向电路U ]门nn几九n几几A -厂 ] 厂] 厂]B 厂] 厂] 厂]， n n -B n n n -～ - - n n- n n，： 九n门几nnnnnnf](a)正向运动 (b)反向运动图5 单稳四细分辨向电路波形图日 ～∥ -2013年第2期 吴年祥，陈小林：微动台位移检测及伺服控制系统的研究如图5(a)所示，当传感器正方向移动时，A导前 ，当4发生正跳变时，由非门DG 、电阻 尺 、电容 c 和与门DG 组成的单稳触发器输出窄脉冲信号A ，此时B为高电平，与或非门DG 有计数脉冲输出；由于B为低电平 ，与或非门DG 。无计数脉冲输出。当 发生正跳变时，由非门DG 、电阻R 、电容 c。和与门DG。组成的单稳触发器输出窄脉冲信号 B ，此时A为高电平，DG 有计数脉冲输出，DG 。仍无计数脉冲输出。当A发生负跳变时，由非门DG 、电阻 、电容c 和与门DG 组成的单稳触发器输出窄脉冲信号A ，此时B为高电平 ，与或非门DG 有计数脉冲输出，DG 。无计数脉冲输出。当曰发生负跳变时，由非门DG 、电阻R 、电容 C和与门DG。组成的单稳触发器输出窄脉冲信号 ，此时A为高电平，DG 有计数脉冲输出，DG 。无计数脉冲输出。这样，在正向运动时，DG 在-个信号周期内依次输出 、B 、 、 4个计数脉冲，实现了四细分。

如图5(6)所示，在传感器反向运动时，曰导前4，这时DG 。在-个信号周期内输出A 、 、4 、 4个计数脉冲，这4个计数脉冲分别出现在B、A、日、4为高电平的半周期内，同样实现了四细分。DG 、DG 。随运动方向的改变交替输出脉冲，输出信号 可直接由8051单片机采样，实现辨向计数。光栅传感器的栅距为2O m，经过四细分后 1个脉冲代表的位移量为5 m。

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 3.60步距角；连续给定电脉冲信号，步进电机即可连续运转 J。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P ≮输出驱动步进电机的脉冲信号，由 定时器定时溢出中断方式产生；由P ，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 软件程序设计开始阶入位移预置饵 二][二调节电机转速、转向-----r--- 迁壶 >童I启动电机I三[ l对输入脉冲计数 ---] - N< 建 >主I停I：电机I --T- 图 7 整体程序流程图图6 步进电机驱动电路写显尔RAM命令-8279(#90H-7FFFH)缓冲器指针指 向要显示的第位长度计数器设为要显示的总位数- I- 取显示数 转换为段数据写入8279显示RAM，缓冲器指针加1!(a)键中断程序流程 (b)显示子程序流图8 微控制器和可编程键盘接口编程器的传送程序流程图成都工业学院学报htp：//paper.cdtu.edu.cn/ 第16卷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。

4.I 驱动频率与位移的关系在驱动电压为恒定的情况下，以5 Hz为档在频率范围5～50 Hz的内改变其驱动频率进行-次微动台位移的测量 。微动平台的平均步距为ALL/(Atf)，其中.厂为信号的驱动频率，△ 为微动平台步距的平均值， 为单位时间 △的运行距离。当驱动电压 100 V确定的情况下，驱动单元的延长量也确定，微动台的步距与驱动频率是成反比，如图9所示。

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 l0所示。由于微动台装配精度与加 精度的关系，平均步距为(1.505±0.012) m。实验表明，此装置具有较好的稳定性。

5 结语量宣152504846图9 频率 -位移关系曲线图 10 动态范围内平均步距曲线本文提出了-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 微米级，有较大驱动力和行程。当光功率计的分辨率为 1 p.W，系统测量位移的分辨率日f以达到7 m。若采用光纤传感系统，精度会更高。