基于光柵尺反饋的直線運動系統設計與實現

豆詩磊，王 爽

（南京理工大學自動化學院，南京 210014）

0 引言

顯微鏡是觀察微觀世界不可缺少的工具，一般應用于生物、醫藥、微觀粒子等觀測。傳統的顯微鏡操作主要是通過操作人員手動操作，存在精確操作難度大等缺點［1］，無法滿足人們對顯微鏡自動成像以及自動化測量的要求［2］。針對顯微鏡載物臺的高精度電動位移控制，電控部分本文采用步進電機103H5205－5210、步進電機驅動器TMC5130、光柵尺MercuryⅡTM6510和處理器STM32F407組成的控制器，實現4通道直線運動的高精度閉環控制，從而實現顯微鏡載物臺的高精度自動測量和精確定位。圖1為系統實物圖，圖中僅接入一個通道的光柵尺檢測和電機控制。

圖1 系統實物圖

針對直線運動控制應用系統［3－5］，步進電機丟步、開環特性或絲桿自身誤差往往會造成載物臺位移不準確，本文直線運動控制系統中，通過光柵尺讀頭反饋的實際移動距離和目標位置比較的差值，再控制電機運動補償這個差值，從而形成閉環運動，實現實時直線平臺精確定位。本文主要介紹了控制系統的硬件和軟件設計過程，控制系統原理圖如圖2所示，此系統具有交互性好、運動精度高的特點。

圖2 系統原理框圖

1 系統硬件設計

系統硬件總體框圖如圖3所示，主要包括STM32控制電路、步進電機驅動及編碼器電路、步進電機、光柵位移傳感器和CAN通信電路。STM32F407處理器通過SPI通信接口方式控制4路步進電路和光柵位移傳感器檢測，根據光柵反饋相對位置，反控步進電機，實現高精度閉環控制。CAN通信電路用于接收PC軟件控制指令和反饋位移信息，進行人機交互。

圖3 系統硬件總體框圖

1.1 步進電機驅動及編碼器電路

本系統采用TRINAMICs兩相雙極性步進電機驅動器TMC5130，通過外置外部晶體管，可實現高動態、高扭矩電機驅動。先進的spreadCycle和stealthChop斬波器，驅動器可絕對無噪音的運行，并實現最大效率和最佳電機扭矩控制。并且TMC5130為外部增量編碼器提供編碼器接口，可編程預分頻器設置編碼器分辨率以適應電機分辨率。

主控處理器STM32F407通過SPI方式與TM5130通信，REFL＿STEP和REFL＿DIR分別作為光柵尺左右限位信號輸入，由于SD＿MODE＝0且SPI＿MODE＝1，診斷輸出信號DIAG0和DIAG1分別輸出REFL＿STEP和REFL＿DIR至主控處理器，通過中斷方式判斷光柵位移是否越界以及相關事件檢測。DRV＿ENN為驅動器使能輸入，當該引腳被驅動到高電平時，所有電機輸出為懸浮狀態。ENCA和ENCB為編碼器AB通道輸入，用于檢測AB相正交編碼信號獲取光柵尺輸出脈沖信號數得到相對位移信息。ENCN為編碼器N通道輸入，用于光柵尺絕對零點參考點判斷，本文中使用的光柵尺反饋的是相對位移數據，故需進行歸零位處理。CLK作為驅動芯片時鐘輸入。OA1／OA2和OB1／OB2分別為電機線圈A和B輸出控制信號。TM5130驅動電路如圖4所示。

圖4 TM5130驅動電路

1.2 步進電機

本系統采用Sanyo Denki直流步進電機103H5205－5210，雙極，單極步進，步進角度為1.8°，電源電壓為24 V，額定電流為1 A，最大轉矩為0.265 N·m［6］。

1.3 光柵位移傳感器

本系統采用MercuryⅡTM6510光柵，線性分辨率20μm，可編程內插參數從x4到x16384，A－quad－B輸出，帶粘貼式光學零位和左／右限位，以及警報功能。系統使用光柵內插參數默認為x400，即分辨率為50nm／count。使用需要根據其規格書進行安裝，左右限位標記條和絕對零點標記條安裝完成后需要使用SmartPrecisionTMAlignment Tool進行校準［5－6］，圖5為光柵尺零位和左／右限位校準界面。

圖5 為光柵尺校準界面

圖6為光柵尺輸出的編碼器A、B、N相信號，送到TMC5130獲取光柵尺零點位置和相對位移信息。

圖6 光柵尺信號輸出

1.4 Can通信電路

本系統通過can接口方式通信，方便控制總線掛載新節點，并且can總線具有很強的抗干擾性和數據傳輸距離遠特點。圖7為can接收器電路。

圖7 CAN收發器電路

2 系統軟件設計

本文系統中，軟件設計主要包括TMC5130的SPI配置和閉環控制邏輯，步進電機驅動器TMC5130配置主要包括步進電機控制配置、編碼器配置、中斷檢測配置。閉環控制邏輯負責自動歸零、位移補償等。

2.1 TMC5130配置

2.1.1 編碼器配置

本系統中，步進角度為1.8°，設置TMC5130寄存器CHOPCONF（0x6C）中MRES細分為256微步，即步進電機轉一圈，電機步進數CNTm為：

絲杠的導程為4 mm，光柵線性分辨率為20μm，內插參數為×400，即步進電機轉1圈，光柵尺輸出AB相脈沖數CNTe為：

TMC5130編碼器因子＝FSC*USC／encoder resolution，FSC＝200（360°／1.8°），USC＝256微步，encoder resolution為電機轉一圈時光柵尺輸出AB脈沖數，故

則TMC5130寄存器ENC＿CONST＝0×216＋0.64×10 000＝6 400，TMC5130編碼器相關寄存器0x38、0x39、0x3A設置如圖8所示。

圖8 TMC5130編碼器設置

2.1.2 中斷檢測配置

防止電機轉動超出光柵尺量程，本系統增加光柵尺左右限位檢測，一旦進入左右限位段，立即停止電機轉動，并且在限位段內禁止向非量程區域移動。結合硬件原理圖，系統通過DIAG0輸出左右限位和N事件中斷信號，提高事件響應及時性。TMC5130中斷檢測事件通過設置寄存器0x00的bit7（diag0＿step）為1，如圖9所示。

圖9 TMC5130中斷檢測事件設置

STM32F407中斷檢測管腳interupt＿out（圖4）檢測到TMC5130中斷事件后，需要判斷事件類型，如圖10所示，事件類型可通過讀取事件所在寄存器進行判別，圖11（a）是N事件判別，圖11（b）是左右限位事件判別。

圖10 DIAG0事件輸出

圖11 事件判別

2.1.3 電機控制配置

STM32F407通過SPI數據配置TMC5130支持步進和方向模式，12 mHz時鐘，配置小于30 r／min運行stealthChop及大于30 r／min運行spreadCycle的斬波器參數，并且使能并初始化運動控制器，內部斜坡發生器控制電機運行，如圖12所示。由于電機運動速度太快會導致光柵尺丟幀，所以系統中設置的電機加／減速度和速度最大值設置的閥值偏小，這也滿足顯微鏡載物臺對速度的要求。

圖12 TMC5130電機運行配置

2.2 控制邏輯

設備上電后，需要自動找到絕對零點位置，記錄零點位置L0，并且停在零點位置。接收PC控制指令，控制電機向零點位置的左側或右側移動Ld距離，移動至目標位置后，讀取光柵尺反饋的實時位置數據，計算出移動誤差Le，當Le值小于設置的最大容錯差值時［9，11］，此次移動控制結束，否則繼續向目標位置移動，重復上述過程直到誤差達到系統容差［10］，詳細軟件流程如圖13所示。

圖13 軟件控制流程圖

3 上位機軟件設計

本系統通過QT設計上位機控制軟件，實現USB轉CAN對閉環系統進行指令控制，主要實現光柵尺歸零、光柵尺細調和光柵尺粗調3個功能，如圖14所示。

圖14 上位機軟件光柵控制界面

4 測試驗證與結果分析

為驗證本系統的運動位移控制精確度，使用激光干涉儀檢測系統閉環運動下誤差范圍，實驗測試結果如表1所示。本文中位移重復定位精度是光柵尺歸零位后，每一項位移控制重復測試20次得到的平均定位誤差。

表1 系統閉環控制實驗結果

實驗結果表明，本文所設計的直線運動系統閉環控制平均誤差在±1μm以內，優于其他方案設計誤差的±5μm［9，11－12］。

5 結束語

本文針對傳統的顯微鏡操手動操作精確差，無法滿足顯微鏡自動成像以及自動化測量的要求，設計了基于步進電機103H5205－5210、步進電機驅動器TMC5130、光柵尺MercuryⅡTM6510和處理器STM32F407等，實現了4通道直線運動的高精度閉環控制系統。由PC上位機發送控制指令，處理器根據光柵反饋位移信息控制步進電機進行閉環控制。本系統中，步進電機控制和光柵尺AB相解碼均由TMC5130實現，處理器STM32F407主要通過SPI獲取光柵尺反饋信息，再通過SPI控制步進電機進行位移補償，整個方案設計簡單，工作穩定。實驗結果表明，該系統具有明顯的高精度定位功能，位移重復定位精度在±1μm以內，具有一定的實用參考價值。