（电路与系统专业论文）基于dsp的车轮毂跳动测量机的测控系统设计.pdf

摘要 本文详细叙述了该测量仪控制系统的各个部分基本工作原理，给出了部分设计的 程序代码，并对最后的系统测试性能进行了分析。设计的特点是应用成型技术，缩短 了产品开发周期，且系统的集成度高，操作方便，检测效率高。 整个控制系统采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为测量、控制、数据分析的核心器件，通过 对d s p 的编程，控制电机实现对测量头的二维传动以及数据控制采集。d s p 既可以作为 独立控制器实现对测量仪的控制，又可以通过串口与上位机通信实现间接控制。采用 高精度测微传感器及精确数显仪，保证了测量误差精度在0 5 微米以内。采用定位压 量反馈原理，保证了测头的准确预压量。通过编码计数反馈，保证了采样点数的精确。 该项目已经交付使用，满足各项指标，运行安全可靠。 关键词：光栅尺数字信号处理步进电机串行通信 a b s t r a c t t h i st h e s i sd e t a i e d l yi n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo fe v e r yp a r t a n di ta l s og i v e so u tt 1 1 e t h ea n a l y s eo ft h ef l u c t u a t i o nd a t a t h i st h e s i sa d o p t st h em a t u r et e c h n o l o g y , w h i c h o b v i o u s l ys h o r t e nt h ee x p l o i t u r ep e r i o d ，h i 曲i n t e g r a t i o n , e a s yt oo p e r a t e ，a n dw i t hg r e a t e f f i c i e n c y t h es y s t e ma d o p t st h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa st h ec o r ec o n t r o l l e r t h em o t o rd r i v et h e m e a s u r i n gp l a n t s2 dm o v e m e n tb yp r o g r a m m i n gt h ed s pc h i p t h ed s pc a nb ea st h e i n d i v i d u a lc o n t r o l l e r , a l s ob ea st h es e c o n d a r yc o n t r o l l e rv i as e r i a lc o m m t m i c a t i o nb yt h e u p p e rc o m p u t e r b yu s i n gp r e c i s es e n s o r , t h eo n o ri su n d e ro 5 p m w i t hp r e s s u r ef e e d b a c k c a nt h ef i r s tp r e s s u r eb ee n s u r e d u s i n gc o d e ra st h ef e e d b a c k , c a nc o u n t e rb ec o l t e e t t h i s p r o j e c ta l r e a d yc o n s i g n e d t ot h ec u s t o m e r , a c h i e v ei d e a lt a r g e ta n dr u ns a f e l y k e yw o r d s ：g a r t i n gr u l e r d s ps t e p p i n gm o t o rs e r i a lc o m m u n i c a t i o n i i 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于d s p 的车轮毂跳动测量机的 测控系统设计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 孝益篷浒五月进日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 孝连遗 企! 监年上月进日 指导导师签名：舞毒玉超肝土瞍r 1 1 课题来源与意义 第一章绪论 本课题来源于戴卡轮毂制造有限公司与长春理工大学签订的委托研制项目一一车轮 轮毂跳动量测量仪。该测量仪主要用于测量各种机动车辆轮毂的质量检测与标定，对 于提高企业的生产效率，保证企业产品质量具有重要意义。 当前由于车轮及轮胎的问题导致的交通事故占据很大的比例，车轮轮毂如果生产加 工不合理的话，很容易发生卡胎、爆胎的现象，这对于高速行驶的机动车辆来说无疑 是十分危险的。所以各个车轮轮毂生产厂家迫切需要能对车轮毂的质量进行严格、高 效检测的仪器。 但是，不同消费层次的车辆对于车轮轮毂的跳动量要求又各不相同，以效益为本的 生产厂家对各个型号的轮毂没有必要进行统一规格的质量检测，这样要求设计的测量 机必须具备灵活的轮毂型号存储调用、方便的测量过程操控、高效的数据分析判定功 能。 该车轮毂跳动量测量仪是北京机械科学研究院自动化检测技术研究所研制生产的 国内第一台具有自主知识产权的轮毂质量检测设备，本文所作的工作是基于原有的机 械结构上进行的测量控制部分的改造，使其测量精度进一步提高，检测系统更加高效 和趋于人性化。 1 2 国内外技术现状 轮毂测量机作为轮毂生产质量检测设备，在外形和整体尺寸上都大同小异，原理 上都采用接触式测量方法：结构上一般采用机械气动快速装卡，电机带动测头定位测 量域进行单圈内离散点数据测量的原理：功能实现上一般采用嵌入式内核处理器作为 测量和控制的核心，上位机控制界面。其差别主要是体现在测量的精度上，其次体现 在各轮毂测量机的可操控性上。如果利用计算机和专用控制微机的强大数据处理与丰 富的图形界面优势，对轮毅测量系统进行人性化系统设计，测得的数据可以直接在计 算机上显示或者是存储，方便制表和分析操作工人只需要很短时间便能熟练掌握操 作技巧。现在国内外的轮毂测量机都是采用下位微控制器和上位机操控界面的方法。 下位机采用高级单片机或是嵌入式微控制器，上位机操控界面一般采用v b 、v c 等 w i n d o w s 编程语言编写。 目前国际上的佼佼者是日本k o k u s a i 跳动测量机和德国m a k r a 测量机，他们由于研 发较早，占据了轮毂测量的半壁江山。国内开发比较成熟的是北京m a s s 公司生产的x 系列测量机，客户也比较多。 1 3 轮毂测量仪的组成 该测量仪主要由精密转台、双精密二维定位平台、精密测量机构、下位机测控系 统、工业控制计算机、打印机等组成。使用该测量机，测量过程为手工装卡轮毂、自 动测量，手工拆卸轮毂。系统结构如图1 1 所示： 图1 1 测量仪系统结构图 其测控系统由光栅传感器系统、电机传动系统和微控制器控制系统以及上位机控 制界匿组成。本文重点介绍d s p 作为下位机核心的实现，上位机界面不属于本课题研 究内容，本文只给出其与下位机之间的通信接口方式设计与信令约定。 1 4 主要技术指标和研究方法 轮毂测量机的主要技术指标如下： 1 能读入各种型号的轮毂参数，直径、宽度、偏距。 2 被测轮毂的名义宽度误差在4ui n - 一- - 1 0um 范围内，名义直径误差在1 2u r n 一一2 0 um 范围内。 3 测量转速要求主轴转速范围l o 一3 0r m 可调。 4 测量圈数要求在保证精度的前提下，控制在1 - - - 3 圈。 5 每圈采样点不少于5 1 2 个。 6 程序应该有故障自诊断功能，能指示故障，并具备传感器过行程保护功能。 7 径向跳动和轴向跳动与百分表测得的结果相比较，测量误差在4 0 p m 范围内。 8 重复测量2 0 次，每次的最大和最小误差保证在3 0l lm 内，并且每次标记的最 小测量点范围在1 5 。范围内。 本项目完成过程中采用实验研究和理论设计并举的方法。测量大量的实验数据来验 证测量机的整体测量精度，实际的设计则针对测控过程提出解决方案。二者互为依存 来解决各自的不足，保证整体功能的实现。 1 5 本课题主要研究内容 本课题基于戴卡轮毂制造有限公司与长春理工大学签订的委托研制项目一车轮 轮毂跳动测量仪合同要求，主要研究利用硬件和软件相结合的方法进行信号采集和处 理，进而实现对轮毂微位移的测量。本课题主要研究以下四部分内容： ( 1 ) 研究光栅尺信号的调理电路 ( 2 ) 完成进行信号采集、存储、处理 ( 3 ) 基于d s p 的自适应控制电机定位的实现 ( 4 ) 完成串行通信模块设计，进行数据的有效传输 第二章测量机控制系统总体方案设计 根据项目的总体方案要求和技术指标，为了缩短研发周期，对系统的总体控制方 案进行了如下分块：电机控制系统，专用微机系统，位移量检测系统三部分，并分别 对三部分的方案进行了选定。 2 1 电机控制系统 采用s a n y o 步迸电机三套，分别用于控制传感测头的给迸与退出。s a n y o 步进电 机配备具有最大八细分功能的控制器，可满足步进电机迸给速度的灵活可调节性。 s a n y o 步进电机体积适中，性能良好，控制简单。s a n y o 步进电机及驱动器实物图2 1 所示如下。 图2 1 步进电机及控制器实物图 采用佳雪交流电机8 0 y y j t 2 5 3 作为主轴电机，标称额定功率2 5 w ，最大转速 1 2 0 0 r m ，使用电位器实现速度可调，启动转矩0 1 n m ，满足测量过程轮毂转速1 0 一- - 3 0 r m 可调。使用固态继电器控制起停，控制方便安全。 由于需要设置电机启动和退回的零点位置，故采用接近开关作为零点标记。选用 的是台湾高级光电企业公司的g e n - 1 8 0 4 一e 1 电感型接近开关，抗干扰能力强，接口简 单，控制方便。 2 2 专用微机系统 一个完整的轮毂跳动量测量过程如图2 2 所示。 整个过程中一方面需根据要求控制步进电机带动测头移动到指定位置，另一方面 需对测量数据进行实时存储，测量结束时候自动回到零点并将跳动量数据传输到上位 机分析处理。考虑到专用微机系统数据处理任务，控制实时性要求高等特点，需采用 内存较大，功能强，抗干扰能力强、软硬件资源都比较丰富的单片微型计算机作为核 心控制计算机。我们设定了以下四种方案作为控制核心。 4 测量准 测量开 图兰圈弓弱箸? 曰圈弓圈 蠹f r辔l rb 网 轮u 型 预压量l * 掘l 参数 设定 l 三= ) i ：= i 图2 2 测量过程流程圈 方案一：微控制器选用m c s 一5 1 系列微控制器，其外围接口电路简单，成本低，而 且它经过多年的发展，技术也相当的成熟。但是其抗干扰能力差；系统时钟为1 2 m h z 时，机器周期为1ps ，执行指令速度慢，很难实时处理采集到的实时数据。 方案二：选用t i 公司d s p 控制器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，它具有采用三种低功耗设置方式； 单条指令周期缩短到3 3 n s ，控制器具备实时控制能力：片内有高达3 2 k 字的f l a s h 程 序存储器，高达1 5 k 容量的数据程序r a m ，并且可扩展外部存储器共1 9 2 k 字空间：丰 富的功能接口使其适用于控制步进电机，多级电机和逆变器。内含看门狗定时器模块 ( w d t ) ，抗干扰能力较强。具备串行通信接口( s c i ) 模块；高达4 0 个可单独编程或 复用的通用i o 引脚；5 个外部中断( 两个电机驱动保护，复位和两个可屏蔽中断) 。 由以上t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的特点可知，其功能强大，便于扩展，能达到系统对控制器 的要求。 方案三：采用c p l d 实现总体控制功能。a l t e r a 公司的m a x 系列可编程器件，接 口丰富，采用硬件运算原理，工作速度达到n s 级，抗干扰能力强，适用于工业现场。 但是由于从端口功能到核心控制算法甚至各个块功能均需要自己定义设计，而且调试 平台需要另外购置设计，故开发成本较大，开发周期较长。 方案四：采用p l c 控制器。p l c 是广泛应用于工业控制现场的控制器，性价比好， 可靠性高，抗干扰能力很好，配备的硬件齐全，安装调试方便，并且采用梯形图和编 程语言两种编程控制方式，研发相对简单。 综上所述，方案二、三、四均能完成控制指标，本文选定方案二，采用t i 公司的 d s p 器件来作为控制核心。主要是考虑到d s p 研发比较成熟，开发周期短。并且在产品 的二次开发时，不需要对系统得总体结构做较大改动，只需要扩充功能引脚，改动程 序实现即可。体积较小，接口丰富，易于工业现场的安装和调试。 2 3 位移量检测系统 由于测量的位移量达到微米级，鉴于已有的机械结构，便于采用接触式位移传感 器，因此考虑采用光栅尺位移测量传感器。 系统要求技术指标精度为0 5 um ，要达到测量要求，本系统采用中科院长春光 机所的g o q 光栅测微传感器，计量光栅栅距为w = o o l m m t 即相当于每毫米5 0 对) 。直 接利用栅尺的栅距的读数满足不了测试精度，因此，需采用电子细分技术来满足系统 的要求。即采用电子技术对交变电信号进行内插、补插的方法提高计数脉冲的频率， 以此提高测量精度，如图2 3 所示为原理框图。 图2 3 光栅信号处理原理框图 为了缩短开发周期，我们采用中科院北京恒业自动技术公司的数显表进行位移量 计数，这样采集到的数据便于直接与上位机间进行数据传输。 由于需要采样读数的点是一圈内均匀的5 1 2 点，故需要对读数位置进行标记，采 用长春一光的a l - 0 5 5 1 2 绝对式光电编码器进行采样点标记。 2 4 硬件总体设计 控制系统的硬件设计主要包含以下几大部分内容：d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 扩展板的设 计，步进电机、主轴电机及其驱动器，光栅及其细分电路，限位保护电路。由于采用 上位机控制，所以键盘采用标准的人体学输入键盘，显示采用1 7 寸液晶显示器。但是 为了调试方便，也需要给出键盘和点阵液晶显示电路的设计。 硬件部分的总体结构图如下2 4 所示： 图2 4 控制系统总体结构图 第三章数据采集系统 轮毂的跳动量从数据上反映出来主要是5 1 2 个点相对于起始点的相对位移量。由 于本课题要求的位移量计算需要达到um 级别，所以我们选用光栅尺作为位移量的数据 采集传感器，并对采集到的数据进行一系列的处理和存储。采用的光栅尺实物图如下 3 1 所示。 3 1 光栅尺测长原理 3 1 1 光栅尺测长原理 图3 1 光栅尺实物图 计量光栅是一种增量式的光学标准器。长光栅是以栅距w 为增量的编码尺，长光 栅的方程式为： l = 形 式中l _ 一光栅的有效刻线长度 一光栅的栅线数 ， 艿 6t |1 珊 七|争七 f _ 图3 2 光栅测量原理 从长光栅的方程式可以看出，以光栅为标准器，对某物进行比较测量( 图3 2 ) ，就 是在光栅尺上读取反映被测物长度的数值。 7 测长的精度主要取决于光栅栅线数，即栅距。这样测量即为单纯读取光栅栅线数n 值如果测量精度要求不允许舍去小数占。与占：，则必须对光栅栅距进行细分。本课题 采用的光栅尺栅距为1 0 um ，完全满足项目要求。 3 1 2 莫尔条纹测量的电学量转换 利用光栅的莫尔条纹测量位移量需要两块光栅。一块光栅与运动件连在一起，并 与运动件一块运动，其长短应大于最大的测量距离，称为标尺光栅另一块光栅固定 不动，是很小的一块，称为指示光栅这两块光栅通过其它一些零件，构成测量位移 的读数头。一个简单的光栅读数头，由灯、聚光镜、指示光栅、标尺光栅和硅光电池 组成。灯丝位于聚光镜焦点上，灯光通过聚光镜后成平行光照明光栅，并通过光栅投 射到硅光电池上，光信号即转变成电信号。两块光栅刻线面相对并有小间隙。 硅光电池接收到明暗变化的光信号以后，转换成变化的电信号一电压或电流图 3 3 是硅光电池的输出波形，其中v + 自为平均输出电压，即直流分量或直流电平，v 为峰值，即交流分量。常用的光电转换元件除硅光电池外，还有光电二极管、光电三 极管、硫化锅光电管和光电倍增管等。 图3 3 光栅信号输出波形 莫尔条纹的测量方程式为 y = n b 。+ q 式中y 一莫尔条纹在y 轴方向的移动量； n 一莫尔条纹的条纹数，整数部分； b ，一莫尔条纹在y 轴方向的宽度： q 一莫尔条纹的小数部分。 光栅移动量x 与莫尔条纹移动量y 的关系为 x = 扣妻( 鼠+ g ) x r光电池电压 它不过是光栅测量方程式的变换，若令矿= b ，k ，6 = q k ，则两个方程式完全一 样。对奠尔条纹的直接测量，得到的是中间结果，还应转换成以光栅为标准的直线量 或角量。 3 2 信号调理电路 由图3 4 我们知道光栅尺传感器的输出波形是含有直流偏移的正弦波形，输出波 形频率由位移变化的快慢来决定，波形的峰值电压v 幅则是由光电池的感生电动势来 决定。本课题采用的光栅尺输出是带有2 v 直流偏移量的v 幅大约为2 0 0 m v 的波形， 针对以上特点，设置信号调理电路框图如下图3 4 所示： 输隔放整 2 0 脉 入 + _ - 细 冲 直大形 计 分 数 图3 。4 信号调理电路原理图 输入波形是含有直流偏移的微弱正弦交流信号。光栅每移动一个莫尔条纹，就会 产生一个周期的正弦波，隔直后留下有用信号，这个有用信号经过放大后再经过比较 电路后就变成了可以被计数芯片检测到的方波，就可以利用方波的边沿跳变性质进行 计数。 电路设计采用相位相差9 0 度的两路信号差动输入，经电容耦合隔直或是直流电压 偏移补偿留下有效信号波形，采用l f 3 7 4 高速低噪声二通道放大器进行二级差动放大， 采甩上m 3 3 9 电压比较器进行比较整形出脉冲信号，采用基本的四细分辨相电路模块进 行细分，最后经过7 4 l s l 9 2 十进制计数芯片进行可逆计数，计算出脉冲个数。这样， 我们便将正反向的运动位移量转换成容易为控制器读取和计算分析用的脉冲数据量。 3 35 1 控制器为核心的数据采样与存储系统 根据课题要求，需要进行每个轮毂一周5 1 2 个点的数据采集，这就需要对计数器的 计数进行5 1 2 次锁存，我们采用8 9 c 5 1 单片机实时地对光栅信号进行数据采集、锁存 和存储。原理框图如下图3 5 所示： 9 光信可数 苴 叫s r a m 橱号逆据 信 片一串行接口i 调计锁 机 号理数存 一键盘显示| 中断信号 图3 55 1 核心采样与存储原理图 由于光栅尺的线宽是1 0un l ，并且经过二十细分达到精度0 5 “m ，所以当轮毂的 跳动量大于3 3i lm 时候，单片机读取道的计数值将超过一个字节长度，即计数值大于 2 5 5 。其次，由于轮毂的安装位置是随机的，测试过程中往往会出现很多负数值的情况， 所以对于一个测量点应至少定义两个字节数据存储空间，2 组5 1 2 点的数据存储空间应 该是4 0 9 6 个字节的存储空间。所以需要外扩数据存储器。选择d a l l a sd s l 5 0 1 1 52 k 8 bs r a m 。为了便于调试，每个数显表外扩了8 个l e d 显示和4 x 5 键盘，可以自编写 定义功能。 设计基本的取样流程如下：当编码器每转动一个点，由上位专用控制芯片d s p 向 单片机发送一个中断脉冲( 下跳沿有效) 。单片机收到中断脉冲的时候，给数据锁存器 使能端置位，并读取当前的计数器状态值。数据存取结束后，单片机送出信号关闭锁 存器使能端。这样，5 1 2 个中断信号刚好采样轮毂一圈5 1 2 个点的跳动量。 根据技术协议要求，测量过程中的轮毂转速最高达到3 0 r m ，这样要求的单点采样 时间不高于3 m s ，5 1 控制器采用1 2 m h z 晶振，周期指令速率约为lus 指令，是完全能 够实现精确采样控制要求的。 3 45 1 控制器的程序编写 单片机采用中断触发方式采样，采用串口通信方式进行数据传输。 数据采样程序的软件流程图如下图3 6 所示。 另外，单片机自身含有1 个功能很强的全双工串行口，可以同时发送和接收数据， 并有四种工作方式，灵活的波特率设置。可以采用查询方法也可以采用中断方法，使 得数据通信十分方便。另外可以加入r s 一2 3 2 芯片电平转换为标准的通信接口。 考虑到无论在定位侧头过程中还是采样过程中都要求数据的实时采集和传送，采 用串口中断的方式来响应，软件流程图如图3 7 所示。 1 0 图3 6 采样程序的流程图 其次，还要考虑到工业现场噪声环境可能造成数据传输的失真，详细内容在第五 章第一节中进行详细解决方案描述。 ， 图3 7 串口中断及响应流程图 1 2 第四章d s p 控制系统 本课题采用t m s 2 4 0 7 控制器作为控制核心，主要是负责实现对测头的动作控制， 对单片机采样系统的控制、数据处理以及对p c 机的数据传输。 4 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的系统扩展 4 1 it m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片简介 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是t i 公司推出的t m s 3 2 0 系列d s p 里功能最全的控制器，具有以下 的特点： 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器的功耗：3 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到3 3 n s ( 3 0 m h z ) ，从而提高了控制器的实时控制能力。 片内有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，高达1 5 k 容量的数据程序r a m ，5 4 4 字 双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r 矧( s a r a m ) 。 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个模块包括：两个1 6 位通用定时器；8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道；3 个捕获单元；片内光电编码器接口电路：1 6 通道a d 转 换器。事件管理模块适用于控制交流感应电机，步进电机，多级电机和逆变器。 可扩展的外部存储器总共1 9 2 k 字空间：6 4 k 字程序存储器空间；6 4 k 字数据存储 器空间；6 4 k 字i o 寻址空间。 看门狗定时器模块( w d t ) 。 串行通信接口( s c i ) 模块。 1 6 位的串行外设( s p i ) 接口模块。 基于锁相环的时钟发生器。 高达4 0 个可单独编程或复用的通用i l o 引脚( g p i o ) 。 5 个外部中断( 两个电机驱动保护，复位和两个可屏蔽中断) 。 电源管理包括3 种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作模式。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的这些特点使得其在微控制器领域具有全面而可靠的控制性能。 4 1 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的应用系统设计 控制系统要求的使用状态如下： ( 1 ) 上下3 个、水平2 个共5 个限位基准开关接口 ( 2 ) 主轴电机继电器控制接口1 个 ( 3 ) 液晶显示控制端口共1 1 个 ( 4 ) 3 路步进电机的步进和方向控制接口6 个 ( 5 ) 按键控制口4 行4 列共8 个 ( 6 ) 9 路数字量编码器输出接口9 个 ( 7 ) 数据的通信接口，用s c i 口2 个 分配i 0 端口如下表： 表4 - 1d s pi o 端口资源分配表 作用i 0 端口 液晶 键盘 中断计数 步进电机 交流电机 外部中断 s c i 通信口 开关扫描 编码扫描 读写片选 i o p a 5 ，i o p a 6 ，i o p a 7 ，i o p b o i o p b 7 i o p f o i o p f 7 i o p c 4 i o p e 0 一i o p e 5 i o p c 5 1 0 p d o i o p a o t x d ，i o p a i r x d d 1 1 一d 1 5 d o d 8 r w ，i s 根据具体的控制要求，参考d s p 工作原理我们设计了d s p 外围工作电路。基本功 能块有：液晶+ 键盘、外围存储r a m 、稳压模块、r s 2 3 2 通信电平转换接口、外部编码 器和基准开关接入电平转换接口。 4 2 电机的启停 根据合同协议要求，整个测试过程要实现测头贴向轮毂的测量点、测试数据、退 测头、送数据的全自动化，这个全自动化的过程离不开对电机精确的控制。其中主要 是完成上、下、水平二维步进电机的精确启停，以及主轴电机带动的编码器对采样点 精确的计算。 4 2 1 步进电机的控制 步进电机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲转变成角位移，即给一个脉冲信 号，步进电机就转过一个角度。步进电机有以下特点： ( 1 ) 步进电机的角位移与输入脉冲严格成正比，因此，当它转一圈后，没有累计 误差，具有良好的跟随性。这样，我们在控制过程中，可以保证传感测头定位和预压 量的正确性。 1 4 ( 2 ) 由步进电机和驱动电路组成的开环数控系统，简单低廉，性能可靠，动态 相应快，易于启停和正反转以及变速。步进电机的这些性能可节约非测量过程中耗费 的时间。 ( 3 ) 速度可在相当宽的范围内实现平滑调节，低速下仍能保证获得大的转矩，因 此不必额外选用减速器而可以直接驱动负载。 ( 4 ) 步进电机是必须傻脉冲控制，因此控制电路要保证良好的抗干扰性能。另外， 其自身存在震荡和失步现象，要求严格情况下需要加反馈装置，要求控制系统和机械 负载采取一定的措施。 根据步进电机以上的主要特点和控制要求，选用s a n y o 二相步进电机作为上、下 两组和水平传动电机。选用r o r z e 驱动器作为步进电机的控制器。r o r z e 驱动器是根据 控制信号工作的。如果按给定的工作方式正序通电换相，步进电机就实现正转；如果 按照反序通电换相，电动机就实现反转。r o r z e 驱动器具有二、四、八三种细分方式， 这样d s p 只需发出较低频率的脉冲就可实现电机的快速移动，方便控制。 我们选择控制器四细分，已知螺杆的螺纹间距为5 m m ， s a n y o 电机的步进角度为 1 8 。，螺杆和螺纹间的相对转角为1 ，得出单步的直线进给距离为6 2 5 u m 。结合步 进电机和控制器的性能参数，结合实际平台的控制需求。工作脉冲频率调整为1 8 k h z 。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是t i 公司针对工业控制领域专门设计的d s p 芯片，i o 端口驱动能 力强，控制功能丰富。下面给出基本的电机控制寄存器设置和编程。 d s p 的i o 口复用控制器配置以及方向数据寄存器两方面的设置，i o p e 以i o p e 为例，控制寄存器设置如下： * m c r c = o x 0 0 0 0 ：i o p e 端口配置为一般的i o 功能 牛p e d a t d i r = p e d a t d i r l o x o f f 3 7 ；l o p e 端口设置为输出方式用于步进电机 脉冲、方向控制 牢p e d a t d i r & 0 x 0 0 0 2 = o l o p e 1电机正转 * p e d a t d i r = 牢p e d a t d i r 0 x o f f f e ：l o p e 0 d e l a y ( 3 0 ) ； 控制频率1 8 k h z * p e d a t d i r = * p e d a t o i ro x 0 0 0 1 ； d e l a y ( 3 0 ) ； a 若给控制器方向置反向位，则电机实现反转。 木p e d a t d i r o x o 0 0 2 = 0l o p e 1电机反转 * p e d a t d i r = * p e d a t d i r & o x o f f f e ； i o p e 0 d e l a y ( 3 0 ) ； * p e d a t d i r = * p e d a t d i ro x 0 0 0 1 ； d e l a y ( 3 0 ) ： 4 2 2 电感式接近开关 步进电机主要是实现测头的位移控制，所以需要考虑步进电机控制机构当前的位 置参数，我们称之为绝对位置，超过了这个位置应该报警，停电机，我们选用电感型 接近开关作为限位开关。还需要考虑电机运动的相对位置，这样需要将所有电机的运 动步数折算成位移量，这个步数需要外界输入。 考虑到每次测量结束后，电机需要退回到绝对位置处等待测量命令发出，我们同 时选用限位开关作为绝对位置的基准开关，保证了电机位移量的精确，同时有了基准 开关，我们可以不必用d s p 实时记录步进电机的行进步数，大大节约了d s p 运算开销， 提高了测量效率。 在电机进给过程中，也可以选用变频调速的方法来实现步进电机的快速进给，既 保护了测头，又增强了工作效率。 电感式接近开关的基本原理框图如图4 1 ，它是由一个振荡器，一个传感头，一个 解调器，一个触发器和一个输出级组成。 图4 1电感型接近开关原理图 接通电源振荡回路开始振荡，振荡回路的线圈缠绕在铁芯上，当振荡电流通过电 感的时候，铁芯上的磁场会产生持续的收张。解调器的输出是触发器的输入，触发器 是一种能产生两种电平的类施密特触发器。平时无输入的时候，触发级输出一个高电 平：当金属接近开关时候，振荡电路的振荡电压和解调电压幅度逐渐减少，当解调器 的输出下降到一个特定的幅度的时候，触发器的输出就会迅速变成低电平；而解调器 的输出上升到一个特定的幅度的时候，触发器的输出就会迅速变成一个高电平。输出 级的作用主要是将负载置成开、关两种状态。 感应式传感器的优点是其不受非金属的影响。缺点是其有一个滞后的行程误差， 感应距离也受传感器的尺寸和目标物体尺寸及形状的限制。但是由于测量过程中测头 具有自动定位测量点的功能所以这种迟滞误差可以忽略。事实证明，这种感应接近 开关还是能够较好的完成步进电机的定位和限位两种功能的。 当测头行进去定位测量点的时候，三组步进电机从上、下、水平三个基准定位点出 发，运行过程中只要扫描开关2 和开关4 ，此时两组开关是起限位作用。当电机退回基 准时候，扫描开关l 、3 、5 ，是起到基准点的作用。 为了提高测量速度，需要实现上、下、水平三组电机的组合动作。因此，在动作 1 6 过程中需要同时扫描3 组电机的基准或是限位状态。以退测头找基准点的子程序为例， 说明如何实现电机的组合动作控制。 一 一 + w h il e ( ( p o r t & o x o a s 0 0 ) f - o )有开关不在基准处 p o r t = p o r t l 0 0 ；读入当前的开关状态 i f ( ( p o r t o x o a 8 0 0 ) = = o x 8 0 0 0 )只有水平不在基准开关处 l e v e lb a c k0 ；)水平单独动作子程序 e l s ei f ( ( p o r t & o x o a s 0 0 ) = = o x 2 0 0 0 ) 上组不在基准开关处 u p _ u p0 ；)上组单独动作的子程序 e l s ei f ( ( p o r t o x o a 8 0 0 ) = = o x 0 8 0 0 ) 下组不在基准开关处 d o w n d o w n ( ) ；)下组单独动作子程序 e l s ei f ( ( p o r t & o x o a 8 0 0 ) = = o x o a 0 0 0 ) 上和水平不在基准开关处 u p a n d l e v e l ( ) ； 上和水平组合动作 e ls ei f ( ( p o r t & o x o a 8 0 0 ) = = 0 x 2 8 0 0 ) 上和下均不在基准开关处 u p a n d d o w n ( ) ；上下组合动作 e l s ei f ( ( p o r t & o x o a 8 0 0 ) = = 0 x 8 8 0 0 )水平和下不在基准开关处 l e v e l a n d d o w n0 ； 水平和下组合动作 e l s ei f ( ( p o r t & o x o a 8 0 0 ) = = o x a 8 0 0 ) 都不在基准开关处 a ll b a c k0 ；)三组组合动作 ) 4 2 3 轮毂测量点的自动定位 对于不同的轮毂，测量点的位置是不一样的，所以在对电机的自动控制过程中， 需要对测头定位测量点的轨迹进行一下约束。由于各个型号的轮毂的宽度、直径、偏 距三个参数数值是不一样的，而测头出发零点是固定的，这样在上位机启动测量命令 发出的时候，这三个参数应直接送给d s p ，d s p 据此给出测头定位的轨迹。由于各个轮 毂制造加工的偏差不同，这样需要有一个测量点定位的自动调整过程。 假设宽度为b ，偏距为c ，直径为a ，则得到某一轮型的该三个参数之后，就可以 算出三组电机相对于起始点( 零点坐标) 的分别步进位移，达到了各种轮型自动定位 的目的。一次定位行进位移的计算原理是根据测量平台中基准台面和装卡基准面为参 照基准分别计算的。 如图4 2 所示，d s p 获取某一轮毂的a 、b 、c 三个参数后，就可以计算出测头一次 定位，三组电机的分别行进步数，测头基本上一次定位就能到达测量点p 1 和p 2 计算 公式从略。因此，再加上二次定位的校正，便可达到满意的定位效果。 总之，整个定位过程分为两次：一次定位的原理是根据轮毂参数约定基本的行进 轨迹，二次自动定位过程类似于触觉传感器，采用压量反馈、自适应控制定位的原理 来完成。这一部分在4 4 2 节有具体讲述。 b c p 2 ； 准台面 y 1 y o y 2 4 2 4 主轴电机的控制 x 图4 2 一次定位行进原理图 主轴电机主要作用是带动轮毂匀速转动，因此我们选用性能优良的佳雪交流调速 电机。为了实现转速的任意可调，我们选用微特电子调速控制器。通过调节电位器， 即可实现电机转速的调节，如图4 3 。开关与定位系统连接原理图如附图1 所示。 交流电机 f 图4 3 交流电机控制电路图 交流的启停主要是通过d s p 控制固态继电器的通断实现启停的，但是要达到准确启 停确是引入了一个闭环控帝9 网络。编码器对轮毂一周5 1 2 点等分，当测头贴到测量点 之后，d s p 控制端口导通固态继电器，主轴电机开始旋转，这期间需要首先找到编码器 的零点( 主要是为了数据和编码点的对应，便于找到跳动最大点) ，d s p 读取编码器反 馈的数值，到达零点后，d s p 即可命令5 1 准备采样。每当数值变化一次，d s p 命令5 1 控制器采样一次，编码数值变化5 1 2 次后，即实现了对轮毂一圈的采样，即可以停止 电机。闭环反馈网络如下图4 4 所示。 图4 4 交流电机启停反馈控制图 程序实现的流程图如4 5 所示： 图4 5 交流电机启停程序流程图 4 3 键盘及显示电路 为了现场调试的方便，我们模拟自动测控系统的全过程设计了键盘及其显示电路。 主要原理图如4 6 。 采用4x4 阵列的键盘作为外部输入设备。 主要键盘功能：# 1 ：发送脉冲个数千位值的定义 # 2 ：发送脉冲个数百位值的定义 # 3 ：发送脉冲个数十位值的定义 p f op f l p f 2p f 3 i o p a 5 ；o p 竺ad s p 器f 4 l f 2 4 0 7p f 6 , p f 7 p b o p b 7 l 数据总线 r s r w l c d e a o 4 8 1 2 12 3 了衙 91 0 1 1 1 3 1 4 1 5 图4 6 键盘显示扩展原理图 # 4 ：发送脉冲个数个位值的定义 # 5 ：下组测头步进电机的运动方向 # 6 ：下组测头步进电机的运动启动 # 7 ：上组测头步进电机的运动方向 # 8 ：上组测头步进电机的运动启动 # 9 ：水平测头步进电机的运动方向 # l0 ：水平测头步进电机的运动启动 # l1 主轴电机( 采样过程) 的启停 # 12 ：测头自动进给的启动 # 13 + ：测头自动退回的启动 # 14 ：测头自动退到基准点的启动 # l5 ：紧急停止键 采用r t l 2 8 6 4 型汉字点阵液晶显示。 显示的主要内容：( 1 ) 脉冲个数的值 ( 2 ) 上组测头的运动情况 ( 3 ) 下组测头的运动情况 ( 4 ) 水平测头的运动情况 ( 5 ) 编码器计数点 ( 6 ) 5 1 2 点的跳动量测量数据 2 0 4 4d s p 控制核心的实现 如图2 4 1 ，d s p 作为控制系统的控制核心，是整个系统自动化运作的信息转换中 心和指挥中心。 4 4 1d s p 的通信方式 d s p 的s c i 有中断方式寄存器，也可以采用查询方式。考虑到程序比较繁琐，如果 采用中断势必进行较长的中断响应处理，有碍于d s p 高效迅速地处理信息，故采用查 询方式。由于测试过程中的各个串行通信方式之间不存在时域上的重叠，所以采用查 询方式还是相对稳定可靠的。 d s p 有一个串行通信接口模块。由于采用查询模式，所以s c i 控制寄存器的设置 如下： * s c i c c r = o x 7 ；1 个停止位，不使能奇偶校验，空闲线多处理器模式， 8 位字符 术s c i c t l l = o x l 3 ；使能接收和发送，禁止休眠 术s c i c t l 2 = 0 x o o ；* 不使能接收和发送中断 * s c i h b a u d = o x 2 ； 木s c i l b a u d = o x 0 8 ；波特率 * s c i c t l i = o x 3 3 ；使s c i 脱离复位状态 * s c i p r i = o x 6 0 ；l l s c i 中断为低优先级中断 由于d s p 受控于p c 机，而其自身又有键盘，故与串口动查询之间的切换是一个比 较复杂的过程。下面给出基本的程序流程图如4 7 所示。 2 1 4 4 2d s p 与5 1 控制器 图4 7 查询方式程序流程图 d s p 和5 1 之间的关系主要体现在三个方面，一是测头定位轮毂动作时需要5 l 反馈 当前的压量值来进行电机控制；二是采样过程中实时命令采样的启停；三是采样结束 后命令5 1 传送采样数据。 测头定位轮毂应是一个精确的过程，测头对轮毂的压量太大和太小都会影响数据 测量的精度。合同协议要求测试到的合格轮毂跳动量不应高于3 0um ，又考虑到对于不 合格轮毂的压量应大于0 pm ，故选择预压量5 0 um 作为基本的压量值，只有四组测头 压量均大于1 0 0um 时才开始采样。这样，d s p 与5 1 控制器之间通过电机带动测头压进 光栅尺传感器构成了一个闭环测试系统，原理如图4 8 。 图4 8d s p 与5 1 系统闭环控制图 测头定位原本没有方向感知性，而通过5 l 控制器构成的闭环系统利用5 l 控制器 记录的压量作为触觉传感系统实现了测头的自动定位。 测头定位的程序流程图如4 9 。 采样的启停主要是通过中断5 1 控制器后其响应子程序来实现的。5 1 动作的部分在 第三章已经讲述，而d s p 中断信号的准确发出则是通过编码数值反馈来实现的，如图 4 4 3 所示。5 1 中断采用边沿触发方式，则在编码数值变化时发出一个下跳沿即可。 采用的是i o p c 4 口，则程序如下编写： p c d a t d i r = 木p c d a t d i r & 0 x o f f e f ；下跳沿发出 d e l a y ( 1 0 ) ： p c d a t d i r = p c d a t d i r0 x 0 0 1 0 ： 整个采样过程d s p 控制的程序流程图如4 1 0 。 表和计数器 清零准备 y y 动作，开始 采样 ( u + d + i 二) k 皇 组合动作 电机 下组危 迫要夕 + n 高。小 移 y ! d = 1 停止 下组电机 一，压得、 妙 y u 一0 电机反向 u = 1 停止 上组电机 盘宿芝 篷多 y u = 0 电机反向 图4 9 测头定位程序流程图 墨 噗要夕 裁 l l 停止1 下船由加 u 一0 电机反向 琴 4 4 3d s p 与p c 机 主轴电机旋转 读入当前编码值 编码值为o ? 1 y 发送开始采样 命令 读入当前编码值 翌 厂聂蒜 n 编码值为07 二匹 发送结束采柯 命令 n 图4 1 0 采样程序流程图 根据协议要求，现场测试人员主要是通过p c 机的键盘来操作实现整个操作过程， 这样d s p 必须要受控于p c 的命令来动作。这样就需要根据p c 机的操作界面来定义命 令的响应。 p c 机采用v b 编写的测量控制界面如下图4 1 1 ： 图4 1 lp c 测量控制界面图 2 4 定义相对应的d