基于STM32的時柵轉臺高精度自動標定系統設計*

楊繼森, 何 建,彭東林,馮濟琴,鄭方燕

(1.重慶理工大學 機械檢測技術與裝備教育部工程研究中心 重慶 400054;2.時柵傳感及先進檢測技術重慶市重點實驗室,重慶 400054)

0 引 言

時柵位移傳感器作為一種新型的精密位移傳感器，具有測量精度高、成本低、抗干擾能力強等顯著特點，在工業、科研和國防等各個領域都有著廣闊的應用前景[1]。時柵轉臺以時柵角位移傳感器為技術核心，可以實現高精度分度定位，但因受加工、安裝、電氣參數等影響，進行角位移測量時存在誤差，這就需要進行誤差補償來提高測量精度，通常是采用更高精度母儀來進行標定。目前，時柵轉臺的標定工作主要采用激光干涉儀作為測量基準，轉臺的位置轉動依靠手輪，每轉動到一個位置，手動采樣該位置的測量誤差，整個過程繁瑣，通常全周(0°～360°)采樣數百個點，全過程耗時數小時，實驗員容易因疲勞而出錯。此外，時柵轉臺作為一種精密儀器，其標定工作對環境要求非常嚴格，細微的振動和溫度變化都可能帶來誤差[2]。因此，提高對時柵轉臺的標定效率，將是時柵轉臺大批量生產和產業化應用所面臨的問題，本文為了解決這一問題，本文設計了一種能夠進行數據采集和誤差補償的時柵轉臺高精度自動標定系統。

1 系統工作原理與結構

時柵轉臺自動標定系統是以激光干涉儀為測試基準，將激光干涉儀的回轉軸固定到時柵轉臺的上，使兩者能夠同軸轉動，當轉過一定角度時，時柵轉臺能得到一個角度值θ1，同時激光干涉儀也會得到一個角度值θ2，由于激光干涉儀的精度非常高(± 0.5″)，作為測量基準，因此，這2個值之差△θ就可看作時柵轉臺在該位置的測量誤差。通過在轉臺內時柵傳感器對極點和對極內采集大量不同點的值，就能擬合出時柵轉臺的誤差曲線，從而對其進行誤差修正。時柵轉臺自動標定系統結構如圖1所示，主要由激光干涉儀、時柵轉臺控制系統、工控機等構成。

圖1 系統結構

激光干涉儀在整個標定系統中的作用主要有：1)測量轉臺轉過的真實角度，通過工控機反饋給下位機，作為步進電機閉環控制的反饋信息;2)輸出值用于工控機中作為真值與時柵轉臺的輸出值作比較，得到時柵轉臺轉角的原始誤差。

時柵轉臺控制系統由時柵數顯轉臺和下位機構成，通過下位機控制步進電機來帶動時柵轉臺，并接收激光干涉儀的當前位置信息，用以實現對時柵轉臺的閉環控制。

工控機對時柵傳感器和激光干涉儀同時進行數據采集，主程序在數據采集完成后對誤差數據進行擬合，得到的擬合曲線用來實現誤差修正和補償，最后將程序加載到時柵轉臺中，完成整個標定過程。

2 轉臺控制系統設計

下位機控制電路以STM32F4微控制器為核心，利用其低功耗、快速浮點運算和精確的脈沖輸出等特性，實現對步進電機的精確控制，對激光干涉儀信號的讀取轉換和與工控機的通信，最終實現實時精確的定位控制[3]。設計了電機驅動模塊、串口通信模塊，同時還設計了LCD觸摸屏驅動模塊以實現人機交互[4]，硬件結構如圖2所示。

圖2 硬件結構

2.1 電機驅動與脈沖當量

步進電機是一種將電脈沖轉換為角位移的執行機構，可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。電機控制部分主要由二相混合式步進電機及其配套的驅動器和驅動器電源構成。所選步進電機步距角為1.8°，在經過驅動器200倍細分之后，每個驅動脈沖當量PD=0.009°，時柵轉臺的渦輪與蝸桿傳動比Z=180，因此，每個驅動脈沖當量

ΔP=PD/Z.

(1)

由式(1)計算得ΔP=0.000 05°(0.18″)，足以匹配激光干涉儀的精度，且滿足轉臺標定所要求的±2″的定位精度，一次分度定位所輸出的脈沖總數理論上為

N=s/ΔP.

(2)

其中,s為該次分度定位的驅動位移量[5]。

2.2 電機控制

根據經典控制理論，步進電機的閉環定位控制方法可分為單向逼近和雙向逼近。在控制的過程中，雙向逼近方式將引入回程誤差，同時雙向逼近方式位的定位速度比單向逼近方式慢。為達到高速、高精度自動定位，本系統采用單向逼近方式定位控制。首先通過微處理器將所需走過的角位移量換算成相應的脈沖數N，向步進電機發送0.9N個脈沖，使其走過90 %的位移量，再根據反饋信息進行位置判斷，如未到目標位置，再走剩余位移量的90 %，重復此過程，直到達到所需要的定位位置[6]。每次定位控制流程如圖3所示。

圖3 軟件控制流程

步進電機每次只轉動90 %的位移是為了能快速準確地到達定位位置，每次轉動后用目標位置角度值α減去當前位置角度值α＇，再以得到的差值Δα計算下一次要走的脈沖量，對于可能出現的超過目標位置的情況，可由Δα為負值來辨別，再控制步進電機反轉單向逼近即可。激光干涉儀讀數時有一個計算過程，每次轉動結束后延遲2 s是為了得到更準確的讀數。

3 工控機軟件設計

工控機軟件主要采用Visual C++編寫，采用面向對象的編程的方法，利用其可視化的圖形編程環境設計用戶界面[7]。程序主要由初始化、數據采集、數據處理、結果輸出等幾個功能模塊組成。

3.1 程序初始化

系統工作之前需要對其進行必要的初始化，包括控制信號的交互聯絡、波特率、定位方式，測量次數、測量方向等。

3.2 數據采集

數據采集分為時柵轉臺數據的采集和激光干涉儀數據的采集，時柵轉臺的數據可以通過串口即時傳送到工控機中，而激光干涉儀的數據無法直接實時提取，只有在檢測結束后才能從雷尼紹自帶的軟件調出，解決這個問題所采取的方法是通過編程從雷尼紹自帶軟件的.txt文檔中實時提取出數據，將其用作標定的基準和閉環控制步進電機的反饋。

3.3 數據處理

所采集到激光干涉儀和時柵轉臺的數據是離散的，為了進行誤差補償，需要得到其誤差曲線，因此，需要對所得到的數據進行數據擬合。本設計中采用最小二乘多項式擬合，其原理如下：首先設定n次多項式

(3)

其誤差為

(4)

那么,在此處就要求解a0,a1,…,an要使得誤差Q最小，根據求極值的方法，對a0，a1,…,an分別求偏導，再使偏導為0，得到的a0,a1,…,an應滿足如下方程

(5)

整理后用矩陣表示為

(6)

求解式所示的方程組，即可得到a0,a1,…,an，代入式(3)即可得到最小二乘擬合多項式。

4 實驗驗證

為了驗證本設計的自動標定系統的可靠性，對一傳感器對極數為72對極的時柵轉臺進行了標定測試，實驗裝置如圖4所示。

圖4 系統裝置

在每個對極點進行采點，圓周上共采點73個，原始誤差曲線和標定后的誤差曲線如圖5所示，可見原始誤差波動較大，誤差值在-9.75″～8.64″之間，標定后誤差值控制在-1.76″～1.63″之間，表明設計的系統能夠有效提高時柵轉臺的精度。

圖5 誤差曲線圖

5 結束語

實驗證明：該自動標定系統具有自動化程度高、標定精度高、標定速度快等優點，除了開始階段參數設置需要人工參與外，整個測試與標定過程都能夠自動完成，最大限度的降低了人為因素對測試結果的影響。目前，該系統能夠高效率的自動完成時柵轉臺的測試標定工作，在時柵轉臺產業化進程中開始發揮積極的作用。

參考文獻:

[1] 彭東林,劉成康,譚為民.時空坐標轉換理論與時柵傳感器研究[J].儀器儀表學報,2002,21(4)： 338-342.

[2] 高忠華，彭東林，王先全，等．用于高精度數顯時柵轉臺的全自動測控系統[J].工具技術,2008(9)：95-97.

[3] 喻金錢，喻 斌.STM32F系列ARM Cortex—M3核微控制器開發與應用[M].北京：清華大學出版社,2011.

[4] 孔 勰，唐 盛，姚 萌.基于STM32的RA8806控制器LCD設計[J].現代電子技術,2011(5)：200-203.

[5] 楊繼森，萬文略，鄭方燕，等.精密數控分度轉臺的控制系統設計[J].儀表技術與傳感器,2010(7)：95-98.

[6] Kulkarni Amol,El-Sharkawi S,Mohamed A.Intelligent precision position control of elastic drive systems[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2001,16(1)：26-27.

[7] 劉 維.精通Matlab與C/C++混合程序設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.