基于STM32F4的基板檢測輸送平臺運動控制器設計*

張 群，陶曉杰，張 藍，權 露

(1. 合肥工業大學 智能制造技術研究院，安徽 合肥 230009；2. 合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院，安徽 合肥 230009；3. 合肥工業大學宣城校區，安徽 宣城 242000)

0 引言

在平板顯示器如LCD、PDP和OLED等的玻璃基板生產和檢驗過程中，高精度非接觸的直線輸送平臺必不可少，而要保證輸送平臺的精確高效運行，就離不開高性能的運動控制器。目前市場上高性能的運動控制器價格昂貴且大多為國外品牌，這限制了國內運動控制器的發展。

因此本文針對玻璃基板檢測儀器設備中高精度非接觸的直線輸送設計了一種基于STM32F4的基板檢測輸送平臺運動控制器，并提出了一種氣缸同步控制方案。該平臺的運動控制器采用自行設計的硬件架構，使用ARM Cortex-M4架構的高性能STM32F4微控制器作為唯一的處理器，并采用模塊化方法進行設計，同時充分考慮工業應用要求和推動工業4.0概念的發展[1]，選用工業級的芯片，并對輸入輸出接口進行有效的隔離[2]，提供豐富且多樣的通信接口，實現生產和制造的智能化。相比于目前市場上的運動控制器，該運動控制器在保證高性能的同時，精簡了電路，有效地降低了電路板的設計和制造成本，具有很好的實時性、可擴展性和開放性。在氣缸同步控制方面，采用了MATLAB仿真驗證了方案的可行性。

1 線性輸送平臺整體結構

根據玻璃基板檢測過程中物料傳輸無污損、線性、動態性能好且穩定的特性，設計了如圖1所示的玻璃基板檢測平臺，主要包括以下結構：基于直線電機的運動系統、基于精密氣動懸浮的懸浮系統、夾持系統、控制系統、氣路系統、上下料系統以及掃描系統[3-4]。圖1展示了線性輸送平臺的整體結構。

如圖1所示，上料系統通過上料電缸將物料推送到待檢區，在待檢區、檢測區和接料區均安裝有氣浮板，使得物料可以非接觸傳輸，然后處在兩側直線電機上的夾持系統通過各個氣缸動作來夾持物料，之后線性CCD對物料初步掃描和標記缺陷，若有缺陷，高精度掃描儀二次掃描標記區域，二次掃描結果可以作為技術人員判斷缺陷產生原因的依據，接著物料到達接料區后，下料系統通過電缸將物料傳輸到下料區，然后系統可以根據物料是否被標記為缺陷，決定該物料是否作廢。

2 線性輸送平臺的控制系統

2.1 控制過程

整個平臺的輸送控制包括上料、上料夾持、直線輸送、下料夾持和下料，由控制系統綜合控制。其基本過程如圖2所示。

圖1 線性輸送平臺

圖2 傳送流程

2.2 檢測和控制信號

由2.1節中的控制過程可知，該控制系統中，需要檢測氣浮板的壓力、吸盤的正負壓、氣缸的位置、上下料電缸的位置、直線電機的位置、上料區和下料區有無面板等，需要控制的有電磁閥、氣缸、電缸、真空發生器、直線電機等。除了直線電機的控制和位置檢測信號及電缸的控制，其他都為開關量檢測和開關量控制。

2.3 運動控制器硬件設計

針對該玻璃基板檢測平臺所需的檢測和控制要求，運動控制器需要提供豐富的輸入輸出接口，以滿足多開關量檢測和控制；直線電機的實時精確控制則要求控制器的高處理速度；工業應用下的控制器則需要多種通信接口，以適應復雜的工業環境。經過市場調研，本文選擇ST公司的STM32F429Ix作為運動控制器的微處理器，該微處理器采用ARM公司的Cortex-M4內核架構，該內核是面向工業控制領域的高性能低功耗嵌入式32位MCU架構。STM32F429Ix微控制器主頻高達180 MHz，具有DSP指令集，同時帶有NVIC中斷嵌套服務，可以實現中斷的硬件級響應，其強大的浮點運算功能，滿足復雜的運算需求。如本設計中直線電機的控制，其具有的正交(增量)編碼器可以方便地獲得電機運行的速度、方向和位置信息，其具有多達21個通信接口，可以提供豐富且多樣的通信方式，如SPI、USART、以太網等，GPIO口多達140個，滿足多開關量的檢測和多開關量的控制。綜合以上各種數據，以及該微控制器的低成本、低功耗的優勢，STM32F429Ix微控制器完全能滿足本設計中運動控制器的要求。

本文運動控制器的硬件框圖如圖3所示，主要包括核心板模塊、數字輸入模塊、數字輸出模塊、PWM輸出模塊、編碼器信號處理模塊、通信模塊和電源模塊[5-7]。核心板模塊采用STM32F4微控制器，負責接收其他模塊的數據，并根據相應控制邏輯產生控制信號；如圖4所示，PWM輸出模塊提供脈沖信號和方向信號的隔離輸出，從而通過伺服驅動器控制直線電機；如圖5所示，編碼器信號處理模塊負責將伺服驅動器發出的電機編碼器A/B/Z相差分信號轉換為3.3 V的電平信號；如圖6所示，數字輸入模塊負責信號的電平轉換和隔離輸入；如圖7所示，數字輸出模塊采用光耦繼電器TLP3106，負責信號的電平轉換和隔離輸出，輸出電流高達4 A；如圖8所示，通信模塊負責RS485信號的電平轉換和隔離傳輸，可以實現具有RS485接口的Modbus協議。

圖3 運動控制器的硬件框圖

圖4 PWM隔離輸出

圖5 編碼器信號輸入

圖6 數字量光耦隔離輸入

圖7 數字量光耦隔離繼電器輸出

本控制器可以采用脈沖信號指令實現對伺服驅動器的控制，每一個外圍模塊與核心模塊的數字信號通信都要進行數字隔離，這樣可以最大限度地減少外部干擾對核心控制板的破壞風險，配合上電源的隔離，可以最大程度防止干擾信號進入核心控制電路，提高運動控制器在工業環境中的穩定性。該運動控制器采用微控制器作為處理器，其低功耗特性以及模塊化的設計，使得電路簡單，整體較PLC體積更小、價格更低。

圖8 RS485通信模塊

圖9 程序流程

2.4 運動控制器的程序設計

根據平板檢測平臺的工作流程，該控制系統采用順序控制，將整個系統根據平板檢測的工作流程分為多個子過程，每個子過程在輸入信號的作用下順序執行。程序流程如圖9所示。首先控制器初始化；其次通過控制面板配置控制參數，如直線電機的運行速度；接著啟動傳輸平臺，對整個平臺各個子系統進行自檢，自檢通過后就可以進行傳輸；接著判斷上料區是否有料，一旦有料，就將物料傳輸到檢測平臺的入口，通過直線電機運送物料經過掃描區；到達掃描區后，首先經過線性CCD的初步掃描，如果物料有缺陷，標記物料并大致記錄缺陷的位置，接下來通過高精度的掃描儀對物料缺陷的區域進行二次細致的掃描，二次掃描結果可以作為技術人員判斷缺陷產生原因的依據；二次掃描后，物料運送至檢測平臺的出口，經下料系統運送至出料口。如果沒有缺陷，則直接通過掃描儀，不需要經過掃描儀的二次細致的掃描，然后物料到達檢測平臺的出口，經下料系統運送至出料口，下料完成后，回到上料區。

2.5 檢測平臺氣缸同步運動

實驗過程中，發現在夾持系統夾持玻璃基板的過程中，在采用傳統的通過手動調節流量控制閥的方式來控制氣缸同步時，存在調節氣缸同步費時，夾持瞬間壓力大小不易控制，容易造成玻璃基板變形，后期運行過程中，氣缸不同步時，必須得重新手動調節。故重新設計了氣缸的控制方案，如圖10所示。采用電-氣比例閥(流量控制)代替電磁閥和流量調節閥，并選用流量計反饋氣缸的氣體流量，電-氣比例閥和流量計保證氣缸同步動作，同時與氣缸上的限位螺栓配合也保證夾持瞬間壓力可控，通過控制器從而實現氣缸同步的自動控制。

圖10 氣缸控制系統原理

根據圖10所示的原理，通過電流控制的電-氣比例閥控制流量，從而可以控制氣缸的動作速度。該系統外環采用流量的速度環，內環通過兩個氣缸流量計的差值構成與流量相關的內環，及時地保證兩路氣缸同步運動。在MATLAB的Simulink下建立氣缸控制系統模型，仿真結果如圖11所示，與傳統單路PID控制相比，改進的差分控制模型系統響應快速，夾持系統具有柔性，滿足氣缸同步控制要求。

圖11 階躍響應曲線對比

3 結束語

本研究介紹了一種以STM32F4為控制核心的平板檢測輸送平臺設計，采用基于ARM Cortex-M4內核的 STM32F4代替傳統的運動控制器，實現了物料的高精度非接觸直線輸送，有效降低了平板檢測輸送的控制成本，具有很高的實時性、可擴展性和開放性，同時針對氣缸同步運動給出了有效的解決方案，經MATALAB仿真同步跟蹤運行達到預期效果，可廣泛地應用于平板的生產和檢測過程中。

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