精密工作台光栅定位测量与控制系统设计

精选优质文档-----倾情为你奉上精选优质文档-----倾情为你奉上专心---专注---专业专心---专注---专业精选优质文档-----倾情为你奉上专心---专注---专业精密工作台的光栅定位测量与控制系统设计2013姓名：陈XX精密工作台的光栅定位测量与控制系统设计2013姓名：陈XX学号：B09xxxxxx指导老师：陈本永、王丽敏学长的一片苦心呀！！！！！各位！！！要过本永哥的课，要拼人品！！！

目录第1部分国内外现状概述一、研究背景与意义几何形状是客观世界中最广泛最具体的物质形态，几何量就是表征客观物体大小、长短、形状及位置的物理量。其中长度是几何量的基本参量，长度量的精密计量具有极为重要的意义。当前，制造业省人化、自动化趋势进展迅猛异常，而测量作业在此过程中是不可或缺的关键环节，它与生产加工和制品运送同等重要。当今世界，提高运营效率已成为制造业面临的重大课题，制造技术也随之掀起了不断革新的浪潮。近代机械工业尤其是当代超精密加工技术、微／纳米技术、微机电系统等的兴起与发展对长度量的测量提出了越来越高的要求。近几十年来，随着激光技术在精密位移测量中的应用，长度量的工程测量技术有了飞速的发展。制造业是国家的支柱产业，是一个国家、一个民族赖以繁荣昌盛的最根本的基础。世界各国都十分重视制造科学和制造技术的研究，美国科学基金会将先进制造列入优先资助领域。当前，制造科学和制造技术正向超精密、微细化方向发展，超精加工己成为先进制造的重要内容之一。目前，超精加工已进入纳米技术领域，具有纳米级分辨率的测量技术是超精加工中不可缺少的一环，也是急待解决的关键技术之一。纳米级的测试技术在现代武器装备的制造中有着非常重要的作用。现代局部战争已经体现出“高精度”的特点。例如，在海湾战争和空袭南斯拉夫的作战中，美军大量使用激光制导炸弹。激光制导炸弹所需的激光跟踪，激光照射中许多激光元件如激光反射镜、非球面透镜，其精度要求都很高，这些元件的加工质量将直接影响到制导的精度。另外，高精度陀螺仪的加工、卫星姿态控制轴承孔以及轴承外圆的圆度、圆柱度也都为纳米级，因此，在武器装备现代化的过程中，超精加工和超精检测的重要性是毋容置疑的。现代工业技术对精密位移测量也提出了越来越高的要求，例如在微电子行业、超精加工行业等，半导体工业中的高精度模板的制造和定位，高精度传感器的标定；在科学研究中的量子物理学、化学、分子生物学等都需要很高的位移测量精度。无论是对国民经济各部门还是军事领域等，纳米测量都有着巨大意义。世界上许多科学家正在从事这方面的工作，也为此提出了许多测量原理和方法，纳米计划在欧洲、在美国、在日本都非常受到重视[[1]李岩，精密光栅纳米级承载工作台设计与研究[1]李岩，精密光栅纳米级承载工作台设计与研究[D].长春理工大学，2008，11在这种注重经营和技术创新的前提下，对测量仪器行业也提出了更高的要求，即量仪产品必须实现高速、高精度和系统化，而且必须与IT产业的发展相对应，同时应进一步加强质量管理测量技术是现代工业中的一个重要组成部分，它是进行生产活动的依据，它支撑着社会的技术进步，为众多领域的科学探索活动提供试验和观测手段，为人类有序的生产活动提供必需的技术保障。测量技术已经成为工业生产设备、安全装置、社会技术保障体系、大型高速交通运载工具、医疗系统和国防工程的核心技术。作为精密机械与精密仪器的关键技术之一的微位移技术，近年来随着微电子术、宇航、生物工程等学科的发展而迅速地发展起来。而定位与测量技术的水平几乎左右着位移技术的发展，因此直接影响到微电子技术等高精度工业的发展[[2]艾言，[2]艾言，精密测量技术在机床行业中的应用[J].机电信息，2003，（1）：13-15目前，光栅位移测量技术已经相当成熟，但随着现代工业技术的发展，对光栅位移测量的要求也会随之提高。为了满足更高的要求，光栅位移测量技术[[]LuHaibao,CaoJuliang,SuShaojing.ResearchondisplacementsensorwithNonsymetricaldoublegratings[J].SPIE.2000,Vol.4077:40-43]不但要达到更高的分辨率，还要适应更复杂的工作环境。在长度量检测系统中，光栅测量系统占有明显优势，有着广泛的市场前景。栅式测量系统是将一个栅距周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合起来，测量单位不是像激光一样的光波波长，而是通用的米制(或英制)标尺。光栅长度测量系统的分辨率已覆盖微米级、亚微米级和纳米级；测量速度从60m／min至480m／min。测量长度从1m、3m至30m和100m。1999年10月在中国召开的“面向21世纪计量测试理论与仪器”研讨会认为:纳米级测量已经成为当今测量领域的热点，在新的世纪要继续解决好纳米尺度的产生、标定及传递的理论和技术，制造出更新型的纳米精度的计量测试仪器[[]LuHaibao,CaoJuliang,SuShaojing.ResearchondisplacementsensorwithNonsymetricaldoublegratings[J].SPIE.2000,Vol.4077:40-43[4]张晓峰，林彬，大行程纳米级分辨率超精密工作台的发展方向[J].南京航空航天大学学报.2005，(27)：1-5随着人们对大量程、高分辨率、和高精度的测量要求的不断深化，光栅位移测量技术正在受到越来越广泛的重视。相比于其他高精度位移测量方法，光栅位移测量在结构、光路、电路和数据处理方面都比较简单、紧凑，整个系统体积小、成本低、易于仪器化、适合于推广应用[[5]CAOJL.Researchonthedisplacementmeasurementtechnologyofwiderangehighresolutionwiththegrating[D].Changsha:NationalUniversityofDefenseTechnology,2006:4-5(inChinese).]；同时，它以实物形式提供测量基准，既可以采用低热膨胀系数的石英或零膨胀系数玻璃等材料作为基体，也可以采用具有和钢等材料非常接近的热膨胀系数的玻璃或是金属材料作为基体，稳定可靠，零点漂移极小，对环境条件的要求低，对实验研究及工程应用都十分方便，在位移测量领域有非常广阔的发展前景[[5]CAOJL.Researchonthedisplacementmeasurementtechnologyofwiderangehighresolutionwiththegrating[D].Changsha:NationalUniversityofDefenseTechnology,2006:4-5(inChinese).[6]王国超，颜树华，高雷，谢学东，田震，光栅干涉位移测量技术发展综述[J].激光技术，2010，（5）：663-664在如此背景下，精密工作台光栅定位测量与控制系统设计，是作为测控技术与仪器专业的本科生必须熟悉并且能够独立完成的课程设计。该研究能很好的满足超精密加工和超精密检测的要求，对现代工业技术的发展具有重要意义。二、国内外发展现状自上世纪七十年代以来，各国科研机构开始致力于发展精密位置检测，研究开发新一代检测元件和计量技术。精密位置检测技术同样是我国重点发展和推广的新型技术，多年来在航空航天及船舶工业、生物医学与健康工程、化学传感、地震力学研究、微电子加工以及精密机械仪器等领域均得到广泛应用。位置检测主要是指长度和角度的测量技术，随着近代科学技术的发展尤其是电子技术的迅速崛起，对测量提出高精度、大量程、动态化和数字化等新要求。光栅测量是位置检测的一种，是利用光栅作为位移传感器，通过对莫尔条纹计数[[]ChuXingchun,LuHaibao,DuLiebaoetal.Arthogonality-insensitivecountingandsubdividingmethodformoiré(interference)fringe.3rd[]ChuXingchun,LuHaibao,DuLiebaoetal.Arthogonality-insensitivecountingandsubdividingmethodformoiré(interference)fringe.3rdInternationalSympsiumonInstrumentation[J].ScienceandTechonogy.2004,8.12-22[8]杜烈波，基于虚拟仪器技术的光栅位移检测系统[J].仪器仪表与传感器，2004，23(6)：91-92目前已经获得公认并且被广泛应用的位置检测技术主要有计量光栅、感应同步器、磁栅、容栅、球栅、光纤光栅和激光等，其中感应同步器、计量光栅、磁栅、容栅、球栅、光纤光栅统称为栅式测量系统[[9]SuShaojing,HuangZhioping.Distributedremotecontrolprotocol-DPCPforfieldBus[J].SPIE,2000,4077;445-448]，这些测量方式都是采用将一个栅距周期内的距离绝对式测量和周期外的增量式测量结合起来，测量单位不是像激光那样的使用光波波长，而是使用国际标准的米制（或英尺制）标尺。它们具有各自特有的优势，相互补充，在竞争中都得到发展。随着光栅的刻制技术的发展和计算机技术的巨大进步，以及光栅莫尔条纹细分技术的不断改进，使光栅检测技术在近二、三十年间得到迅猛的发展[[10]LiXinggrong,QiaoYangfeng,LiuWei,etc.GratinginterferometermethodforTorsionmeasurement[J].20thICO,2005,5.7-12]。目前使用光栅技术进行长度和角度测量的传感器在计量和控制领域中已经得到推广。光栅测量系统以其性能优良、可靠性好、精度高、使用方便等诸多优点，逐渐在栅式测量系统中凸显，而且制造成本又比感应同步器、磁栅、球栅低。因此光栅测量技术发展的最快、技术指标最优良、市场占有份额最多。光栅在栅式测量系统中的占有率已超过80%[[]S.T.Lin.Anewmoriéinterferometerformeasuringin-planedisplacement[J].ExperimentalMechanics.2001,41(2):140-143]，光栅长度测量系统的分辨力已覆盖微米级、亚微米级和纳米级测量速度从60m／min到480m／min[9]SuShaojing,HuangZhioping.Distributedremotecontrolprotocol-DPCPforfieldBus[J].SPIE,2000,4077;445-448[10]LiXinggrong,QiaoYangfeng,LiuWei,etc.GratinginterferometermethodforTorsionmeasurement[J].20thICO,2005,5.7-12[]S.T.Lin.Anewmoriéinterferometerformeasuringin-planedisplacement[J].ExperimentalMechanics.2001,41(2):140-143[12]ChuXinggun,LuHaibo,DuLiebaoetal,Orthogonality-insensitivecountingandsubdingmethodformoire(interference)fringe.3rdInternationalSympsiumonInstrumentation[J].ScienceandTechonology,2002,8:276-270计量光栅技术[[]IchirouYamaguchi,Ji-yuanLiu,Jun-ichiKato.Active.Phase-shitfinginterferometersforshapeanddeformationmeasurements[J].ExperimentalMechancis.1996,35(10):2930-2937]的基础是莫尔条纹(Moirefringes)，1874年由英国物理学家L．Rayleigh首先提出这种图案的工程价值，直到20世纪50年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹进行精密测量[[14]T.W.Shield,K.S.Kim.Diffractiontheoryofopticalinterferencemoireanddeviceforproductionofvariablevirtualrteferencegrating:amoiremicroscope[J].ExperimentalMechanics.1991,30(2):126-134]。1950年德国的Heidenhain首创DIADUR复制工艺，也就是在玻璃基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，这才能制造高精度、价廉的光栅刻度尺，光栅计量仪器才能为用户所接受，进入商品市场。1953年英国Ferranti公司提出了一个[]IchirouYamaguchi,Ji-yuanLiu,Jun-ichiKato.Active.Phase-shitfinginterferometersforshapeanddeformationmeasurements[J].ExperimentalMechancis.1996,35(10):2930-2937[14]T.W.Shield,K.S.Kim.Diffractiontheoryofopticalinterferencemoireanddeviceforproductionofvariablevirtualrteferencegrating:amoiremicroscope[J].ExperimentalMechanics.1991,30(2):126-134德国Heidenhain公司1961年开始开发光栅尺和圆栅编码器，并制造出栅距为4m(250线／mm)的光栅尺和10000线／转的圆光栅测量系统，能实现1微米和1角秒的测量分辨力。1966年制造出了栅距为201um(50线／am)的封闭式直线光栅编码器。在80年代又推出AU．RODUR工艺，是在钢基材料上制作高反射率的金属线纹反射光栅。并在光栅一个参考标记(零位)的基础上增加了距离编码。在1987年又提出一种新的干涉原理，采用衍射光栅实现纳米级的测量，并允许较宽松的安装：1997年推出用于绝对编码器的EnDat双向串行快速连续接口，使绝对编码器和增量编码器一样很方便的应用于测量系统。现在光栅测量系统已十分完善，应用的领域很广泛，全世界光栅直线传感器的年产量在60万件左右，其中封闭式光栅尺约占85％，开启式光栅尺约占15％。在Heidenhain公司的产品销售额中大约直线光栅编码器占40％，圆光栅编码器占30％，数显、数控及倍频器占30％。Heidenhain公司总部的年销售额约为7亿欧元(不含Heidenhain跨国公司所属的40家企业)。国外企业的人均产值在10～15万美元左右，研究开发人员约占雇员的10％，产品研发经费约占销售额的15％[[15]薛实福，[15]薛实福，李庆祥，精密仪器设计[M].北京：清华大学出版社，1991我国在光栅方面的研究起步较晚，于1960年前后，并在光栅和圆光栅的制造、用方面取得了许多成果。但是，我们与当今世界上主要的光栅测量装置生产厂家相比（德国的OPTION、Heidenhain公司、日本的三丰、双叶、美国的B&L公司等）有一定的差距[[][]MaXiushui,FeiYetai,LiSuyun.TheoryStudyofNanometerMetrologicalGratingBasedTwoTimesMoiréFringe[J].ISTMII,2007此外,目前发达国家在数控技术方面均投人大量的人力物力,研究和开发了一系列新一代的数控设备。例如，德国的SIEMENS公司、日本的FUNAC公司等等。虽然我国数年来也不断对数控技术进行发展，但是出于种种原因，直到今天我国数控领域依然处于比较落后的局面，我们必须对数控技术不断加以研究和探索，整个现代工业加工的基础领域能有较大的发展，而使得工业经济的发展[[17]杨康，[17]杨康，精密工作台光栅定位测量与控制系统的设计[J].浙江理工大学学报.2006.4第2部分总体方案设计一、方案构思单片机系统单片机系统步进电机光栅传感器反馈信号工作台图2.1总体方案总体思路如图1所示：步进电机的转动推动工作台产生相应的直线位移。通过光栅位移测量系统测量工作台上产生的实际位移。再把测量到的实际位移反馈到控制电路。控制电路把实际位移与之前给定的位移进行对比。得出实际位移与给定位移的偏差，从而再对对工作台的位置进行控制。把输出通过脉冲信号传到直流电机驱动器，实对工作台的校正。整个系统的测控思路就是如此。本设计的位移测量，采用光栅位移传感器进行。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，它担负着接受和传输信号的重要任务。传感器的类型是多种多样的，其优缺点也是各有侧重。这里采用较高的系统定位精度(0.1m)、故选择光栅位移检测系统。光栅将接收到的光信号转换为电信号，由光栅传感器产生两组信号分别经过差动放大器放大与整形器整形后，输出脉冲信号，然后经过细分电路进入单片机控制系统，从而单片机对输入脉冲进行计数。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，在条纹移动的方向上放置光电探测器，可将光信号转换为电信号，这样就可实现位移信号到电信号的转换。由于位移是一个矢量，既要检测其大小，又要检测其方向，因此至少需要两路相位不同的光电信号，由4个光电器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的2路信号其相位差为／2，经过整形器后整形为占空比为1：1的方波，由于光栅在作正向或反向移动时，从差放输出的两路信号相位差都是／2，将2个信号进行比较，就可以对信号进行辨向。在对信号进行辨向后，辨向后的信号经过细分，达到更高的精度，经细分后的信号通过计数器，利用单片机进行数据处理并显示结果，实现位移的测量。软件采用汇编语言实现。在控制方法的选取上，闭环伺服系统的基本配置、控制原理及控制特点较为符合本设计要求。系统采用混合式步进电机作为执行元件。混合式步进电动机步距角小，启动和运行频率较高，消耗功率小，有定位转矩，适用于断电后要求具有静态定位转矩、精度和动态性能要求高的控制系统，如计算机外围设备及与反应式步进电机相同的领域。可以看出，混合式步进电机具有永磁式和反应式步进电机的优点，特别是其精度和动态特性的优良性能十分适合我们微操作系统控制技术的要求。当用全数字伺服系统驱动混合式电动机时，可达到高刚度和高固有频率，从而得到非常不错的伺服性能。本测量设计的硬件电路主要由单片机8051、LED显示、光栅位移传感器、差分放大电路、细分与辨向电路组成。二、运动范围和精度本次设计采用的精度为0.1m，所以在选择栅距的时候选500线对/mm，其栅距为0.002mm，在经过一个5倍频信号和4细分电路联级的20细分电路，经细分后实现精度为0.1m。计数器选择1个2位的计数器，经细分后的信号以一个栅距2m为一次计数，100为置顶，超过100则计数器置位，反馈量返回单片机，单片机控制工作台停止运动。第3部分测量系统设计光栅光电元件整形电路单片机控制系统被测物体位移=栅距*脉冲数被测位移摩尔条纹光栅光电元件整形电路单片机控制系统被测物体位移=栅距*脉冲数被测位移摩尔条纹正弦波信号方波信号脉冲输出图3.1测量系统本设计的位移测量，采用光栅位移传感器进行。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，它担负着接受和传输信号的重要任务。传感器的类型是多种多样的，其优缺点也是各有侧重。这里采用较高的系统定位精度(0.01m)、故选择光栅位移检测系统。光栅将接收到的光信号转换为电信号，由光栅传感器产生两组信号分别经过差动放大器放大与整形器整形后，输出脉冲信号，然后经过细分电路进入单片机控制系统，从而单片机对输入脉冲进行计数。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，在条纹移动的方向上放置光电探测器，可将光信号转换为电信号，这样就可实现位移信号到电信号的转换。由于位移是一个矢量，既要检测其大小，又要检测其方向，因此至少需要两路相位不同的光电信号，由4个光电器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的2路信号其相位差为／2，经过整形器后整形为占空比为1：1的方波，由于光栅在作正向或反向移动时，从差放输出的两路信号相位差都是／2，将2个信号进行比较，就可以对信号进行辨向。在对信号进行辨向后，辨向后的信号经过细分，达到更高的精度，经细分后的信号通过计数器，利用单片机进行数据处理并显示结果，实现位移的测量。软件采用汇编语言实现。二、光栅传感器本设计的光栅传感器主要由标尺光栅和光栅读数头构成。其中,光栅读数头由LED光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成。光栅传感器的光学测量系统采用透射式红外测量方式,光源发出的光束的波长为880nm,该光束经过透镜准直后垂直照射在光栅尺上形成莫尔条纹,然后在4个光敏元件上成像并转换成与之成比例的正弦电压信号,最后通过驱动电路对元件输出的信号进行功率和幅值放大。基于以上原理,实验中的光栅传感器使用了1个线位移光栅传感器,它有一个绝对零位标识,提供工作台的坐标X的绝对位移信息[[18][18]蒋小军，黄惠杰，王向朝，基于光栅传感器的位移测量仪的研制[J].电子测量技术，2008，（7）：147-152光源un港元光源un港元透镜标尺光栅指示光栅光敏元件驱动电路图3.2光栅传感器构成图1.光栅莫尔条纹原理：图3.3光栅莫尔条纹现象示意图1图3.4光栅莫尔条纹现象示意图2两只光栅参数相同的光栅,其刻划面相向叠合且两者栅线有很小的交角时,在与光栅刻线大致垂直的方向上形成明暗相间的条纹称为莫尔条纹[[][]金国潘等.二元光学[M]。北京：国防工业出版社，1998：50-54当主光栅与指示光栅的夹角为，光栅栅距为W时，相邻莫尔条纹的间距B满足B=W/（2Sin（B=W/（2Sin（/2））根据光栅莫尔条纹的形成原理,可得到其以下主要特征:1)对应关系：莫尔条纹的移动量和移动方向与光栅副的相对移动量和移动方向之间具有一一对应关系.在两光栅栅线夹不变的条件下，两光栅相对移动一个W，莫尔条纹相应移动一个条纹间距B。光栅的相对移动位移S与莫尔条纹移动个数N存在如下关系[[][]SakamotoT,NakanishiC,HaseT.SoftwarePixelinterpolationfordigitalstillCamerasuitableforA32-bitMCU[J].IEEETransConsumerElectronics,1998,1044(4):1342-1352S=NW2)位移放大：W一定时，两光栅刻线夹角越小则B越大，相当于把栅距W放大了2sin(/2)倍。因此，利用莫尔条纹可以实现高精度的位移测量。3)误差平均效应：莫尔条纹是光栅的大量刻线共同形成的，若某个栅距有局部误差，由于平均效应，其对整个莫尔条纹位置及形状的影响是十分微小的[[21]李龙林，叶大悟，何光红，王小勇，王银峰，光栅莫尔条纹特性检测仪的研制[J].[21]李龙林，叶大悟，何光红，王小勇，王银峰，光栅莫尔条纹特性检测仪的研制[J].大学物理，2009，（4）：37-392.接收元件：光栅系统中常用的光电接收元件有光电二极管、光电三极管和硅光电池等。1)光电二极管：光电二极管在电路中反向工作，无光照时，有一反向饱和电流称为暗电流；有光照时，反向饱和电流增加，称为光电流。图3.5是光电二极管的参考电路。当入射光强很强时（光强大于100mw/cm2），光电流很大，则光电流在负载上的压降不可忽略；如果使用电压较低，有可能使输出偏离线性，若光信号很强时，为了保证输出线性，必须适当提高工作电压。图3.4光电二极管参考电路光电二极管的峰值波长为0.86-0.9m，入射光的波长在此范围内时，与其它入射光波波长相比，光电二极管的输出电流最大。当入射光强变化频率加快到一定程度时，光电二极管的输出电流会减小，当响应下降到零频输出幅度的0.707倍时，称该频率为截止频率。光电二极管的截止频率主要由负载电阻和杂散电容决定，其响应时间大于10-7S。光电二极管内阻很高，可以把它看作恒流源，加大负载电阻的值可使输出信号加大。但负载电阻的加大，会使时间常数加大，使工作截止频率降低，所以负载电阻值的选取应兼顾输出和响应速度两个方面。2)光电三极管电三极管的响应时间为10-5S，频率特性比光电二极管差。在光电三极管中，光照电流相当于三极管的基极电流，则集电极电流是其卢倍，所以光电三极管比光电二极管有更高的灵敏度。随温度变化引起的光电三极管光电流的变化比光电二极管的大，即光电三极管的稳定性比光电二极管差。光电三极管的峰值波长为0.86-0.9m。图3.5是光电三极管的参考电路。图3.5光电三极管的参考电路3）硅光电池硅光电池的工作面积比一般光电二极管大很多，不需外加电源。光电池受光照面为正极，背光照面为负极，当硅光电池输出端开路时，输出端电压为开路电压Voc；当输出端短路时通过的电流叫短路电流ISC；当接一定负载Rl时，Rl两端的电压为VLS，通过IL的电流为ILS，此时在Rl上产生的电功率为：PS=VLSILSPS只与入射光功率之比称为硅光电池的转换效率。Rl变化PS也变化，当Rl变到某一值Rm时，可使PS达到最大值PSM，PSM与入射光功率之比称为硅光电池最佳转换效率。硅光电池的开路电压Voc与光强的对数成正比，与受光面积的对数成正比，短路电流ISC与光强成正比，与受光面积成正比。硅光电池是PN结器件，响应时间由结电容和负载电阻Rl的乘积决定。Rl越大，响应时间越长。负载Rl由100到1K时，硅光电池的响应时间在15-250S，硅光电池的频率特性比光电二极管和光电三极管差[[22]李丰李，钟金刚，位移的莫尔条纹测量技术[J].[22]李丰李，钟金刚，位移的莫尔条纹测量技术[J].实验技术与管理，2002：30-333.接收元件接入电路的方式:在光栅式测量系统中，光电元件接入电路的方式通常采用相位相差180的两路信号反相并接、反相串接和从差分放大器对称输入等接法。这些接法的优点是①消除直流电平；②提高共模抑制比，削弱外界同向的干扰。图3.7是从差分放大器对称输入接法的示意图[[23]叶盛祥，光电位移精密测量技术[M].[23]叶盛祥，光电位移精密测量技术[M].成都：四川科学技术出版社，2003：8-19图3.7从差分放大器对称输入接法示意图三、信号辨向细分1.辨向电路：整形放大整形放大整形放大微分微分反向Y1Y2触发器+延迟可逆计数器CPU01U02U1U2___U1U１＇___U1＇图3.8辨向电路原理框图由于光栅传感器只能产生一个正弦信号，因此不能判断x移动的方向。为了能够辨别方向，还要在间隔1/4个莫尔条纹间距B的地方设置两个光电元件[[24]时轮，变栅距衍射光栅刻划机的控制系统设计[J].[24]时轮，变栅距衍射光栅刻划机的控制系统设计[J].细微加工技术，2002，（4）：32-35正向运动时，光敏元件2比光敏元件1先感光，此时与门Y1有输出，将加减控制触发器置“1”，使可逆计数器的加减控制线为高电位。同时Y1的输出脉冲又经或门送到可逆计数器的计数输入端，计数器进行加法计数。反向运动时，光敏元件1比光敏元件2先感光，计数器进行减法计数，这样就可以根据计数器显示的计数脉冲的增加和减少来辨别莫尔条纹的移动方向[[25]徐良元，刘勇，朱灵，霍玉峰，吴路生，某仪表车床的光栅测量系统的设计研究[J].[25]徐良元，刘勇，朱灵，霍玉峰，吴路生，某仪表车床的光栅测量系统的设计研究[J].农业工程与信息技术，2008：489-493由下图可以看出，前进时y2的微分信号与两路信号U1，U2经整形后得到方波U3和U4。当主光栅U4的反相相与得到正向移动脉冲，从与门y1输出：U3的微分在与门y2与U4相与。由于在U3微分脉冲出现时，U4是低电平，故y2无输出脉冲。当主光栅后退时U1的信号相位超前U2的信号相位90，U3的方波经微分后，再和与门y2和U4相与：U3微分信号与U4的反相在与门y1上相与。其结果正好和后退时相反，y1无脉冲输出y2有脉冲输出。即完成对光栅尺进行辨向和大数（最小单位为1/4周期）计数。图3.9前进图3.10后退2.细分电路：利用莫尔原理对光栅位移检测时，物体移动一个栅距，就输出一个光脉冲。如果对其进行直接计数，位移分辨率就是一个栅距，如用50线/mm的光栅尺，那分辨率就是20m，要提高它的分辨率，可以增加光栅尺的刻划密度，但因为1．增加刻划密度要受到工艺的影响，不可能无限制的增加。为适应高精度检测技术的需要，近年来莫尔条纹细分技术日益成熟，细分方法越来越完善。对1个栅距进行几十到几百等份的细分已不困难，目前最高可达1000等份。2．如果光栅线数太大，出来的信号受衍射影响大，信号不纯，对以后的数字处理造成不利的影响。因此要在合适的栅距基础上对其进行细分；所谓细分就是对计数脉冲间隔进行细分，即一个莫尔条纹可以对应输出多个计数脉冲，细分越细，精度越高。莫尔条纹的细分方法[[26]苏大图，光学测试技术[M].[26]苏大图，光学测试技术[M].北京理工大学出版社，1996分化板和时间鼓轮直接对一个条纹进行微测分化板和时间鼓轮直接对一个条纹进行微测四分透镜，列相指示光栅，列阵光电池等四倍频法利用机械方法移动指示光栅，从而测得指示光栅分度值度值利用光栅测微器进行测微相位细分幅值细分机械扫描法电扫描法直接细分零位法空间域位值分类调幅系统调相系统时间域相位细分图3.11莫尔条纹细分归纳从系统设计的方案可看出，差动放大，滤波后，首先由硬件光电二级管获得的4路各相差90的电信号经4细分，可获得1/4莫尔条纹周期的信号，但它的分辨率还远未达到要求的0.1m的分辨率，因此还必须对其进行进一步的细分。我们可采用电子细分，来进一步细分。直接细分直接细分移向电阻链细分幅值分割电阻链锁相细分法载波调制法直接细分法正切查表法反切查表法平行四边形内插法准三角包查表法硬件细分软件细分电子细分图3.12电子细分方法本设计的细分电路选取电阻链细分中的五倍频细分电路和单稳四细分辨向电路级联，从而实现20细分和辨向[[27]吕海宝，基于虚拟仪器技术的光栅位移测量系统[J].[27]吕海宝，基于虚拟仪器技术的光栅位移测量系统[J].仪表技术与传感器，2004，（12）：23-25四细分辨向电路为最常用的细分辨向电路，输入信号为具有一定相位差（通常为90）的两路方波信号[[]黄勇.基于EPM7128的光栅位移测量仪设计[J].电子工程师.2007，08（03)：31·32]。细分的原理基于两路方波在一个周期内具有两个上升沿和两个下降沿，通过对边沿的处理实现四细分，辨向是根据两路相位差为90的方波信号，传感器正方向移动时，设导前，当A发生跳变时，由非门DG1.电阻R1、电容C1和与门DG3组成的单稳触发器输出窄脉冲信号，此时为高电平，与或非门DG5有计数脉冲输出，由于为低电平，与或非门DG10无计数脉冲输出。当B发生正跳变时，由非门DG6、电阻R3、电容C3和与门DC3组成的单稳触发器输出窄脉冲信号，此时为高电平，DG5有计数脉冲输出，DG10仍无计数脉冲输出。当A发生负跳变时，由非门DG5、电阻R2、电容C2和与门DG4组成的单稳触发器输出窄脉冲信号，此时B为高电平，与或非门DG5有计数脉冲输出，DG10无计数脉冲输出。当B发生负跳变时，由非门就DG7、带女足R4、电容C4和与门DG9组成的单稳触发器输出窄脉冲信号，此时为高电平，DG5在一个信号周期内依次输出、、、4个计数脉冲，实现了四细分。在传感器反向运动时，由于A、B的相位关系发生变化，B导前A，这时DG10在一个吸纳后周期内输出、、、4个计数脉冲，这4个计数脉冲分别出现在、、、为高电平的半周期内，同样实现了四细分。DG5、DG10随运动方向的改变交替输出脉冲，输出信号Uo1、Uo2。[]黄勇.基于EPM7128的光栅位移测量仪设计[J].电子工程师.2007，08（03)：31·32图3.13单稳四细分辨向电路整个细分电路由电阻移相网络、比较器和逻辑电路三大部分组成。电阻移相网络在第一、第二象限内给出的移相角分别为0、18、…、162的10路移相信号，移相阻值的取值首先应满足如下式子：且尽可能兼顾到电阻系列的标称阻值，实际取值分别是18k、24k、33k和56k四种。电压比较器将10路移相信号与参考电平UR相比较，将正弦信号转化为方波信号。电压比较器一般接成施密特触发电路形式，使其上升沿和下降沿的触发点具有不同的触发电平，这个电平差称为回差电压。让回差电压大雨信号中的噪声幅值，可避免比较器在触发点附近因噪声来回反转，回差电压越大，抗干扰能力越强。但回差电压的存在使比较器的触发点不可避免地偏离理想触发位置，造成误差。因此回差电压的选取应该兼顾抗干扰和触发误差两方面的因素。从比较器得到的10路方波信号在经过异或逻辑门组合电路，在3’和4’端获得两路相位差为90的五倍频方波信号，其细分电路的工作波形如图3.15所示[[[]张兴华，王克逸.光栅信号电阻链高倍细分法的误差校正的研究[J].电子测量技术.2008，（7）：35-37图3.14电阻链五倍频细分电路该五倍频信号正好满足上述四细分电路对输入信号的要求，与之对联即实现了20细分和辨向[[]B.Zhao,J.M.Miao,H.Xie,A.Asundi.Modelingofgrating/morié[]B.Zhao,J.M.Miao,H.Xie,A.Asundi.Modelingofgrating/moriébasedmicroMotionsensor[J].Miero-systemTechnologies,2001(7):107-116[]崔骥，李怀琼，陈钱.光栅莫尔条纹信号的细分与辨向新技术[J].光学技术，2000，26(4)：294·296第4部分控制方法设计一、控制系统总体方案控制系统，有开环和闭环两种控制方式。开环控制系统一般结构简单，比较容易实现，但控制精度往往较低。所谓闭环伺服，就是系统的输出端和输入端之间存在反馈回路，在被控的运动过程中，测量环节不断测出实际的输出量和给定的量进行比较，然后用其差值进行控制，以获取高精度。这次的驱动系统需要用反馈量进行更高的精度，所以要用到闭环伺服系统。微机发送目标位移量到单片机中，由单片机中的预置软件模块来控制定位执行机构进行移动定位。单片机控制定位执行机构的同时，检测装置不断地对微位移工作台位置进行实时检测，并将检测到实际位移量信号反馈回控制装置中与目标位移量进行比较，其差值作为新的控制量进一步驱动定位执行机构进行移动定位，直到达到所要求的定位精度为止。位置比位置比较环节伺服驱动电路混合式步进电机工作台位置测量（光栅）位置信号位置反馈图4.1控制系统方案系统的工作原理：当指令脉冲和反馈脉冲都为0时，加减计数器全为0状态。伺服放大器没有输出，工作台不动。当1个正向的指令脉冲到来时，计数器开始计数，经数字模拟变换器，将有一个单位的正电压输出，经伺服放大器放大，驱动伺服马达带动工作台向正向移动，直至位置测量装置发出一个脉冲，输入比较环节中作减法计算使计数器回到0状态，工作台即停止运动。这时，工作台相当于在正方向移动了一个脉冲当量的距离。当输入一个反方向的指令脉冲，数字模拟变换器则输出一个单位电压，但电压极性为负，经伺服放大器放大驱动伺服马达带动工作台向反方向移动，直到位置测量装置发生一个脉冲，输入到比较环节作加法计算，使计数器回到全0状态，工作台停止工作。这时，工作台反方向移动了一个脉冲当量的距离[[32]坂本正文，步进电机运用技术[M].[32]坂本正文，步进电机运用技术[M].科学出版社，2010:1-2如果连续不断地输入正方向的指令脉冲，则使工作台沿正反向连续不断地运动，当停止输入指令脉冲时，工作台也将停止运动。在工作台移动过程中，计数器的数字反映的是指令值与实际位移值的差，即误差。二、执行元件系统采用混合式步进电机作为执行元件，永磁式步进电机功率损耗比反应式小，断电的情况下，有定位转矩、步距角大，启动和运行频率较低，适用于断电后要求负载保持在固定位置，精度和速度要求不高的场合。反应式步进电动机步距角小，启动频率高，在一相绕组长期通电下具有自锁功能，断电无定位转矩，消耗功率大，广泛用于精度和动态性能要求高的开环控制系统。混合式步进电动机步距角小，启动和运行频率较高，消耗功率小，有定位转矩，适用于断电后要求具有静态定位转矩、精度和动态性能要求高的控制系统，如计算机外围设备及与反应式步进电机相同的领域。可以看出，混合式步进电机具有永磁式和反应式步进电机的优点，特别是其精度和动态特性的优良性能十分适合我们微操作系统控制技术的要求。当用全数字伺服系统驱动混合式电动机时，可达到高刚度和高固有频率，从而得到非常不错的伺服性能[[33]史敬灼，步进电动机伺服控制技术[M].[33]史敬灼，步进电动机伺服控制技术[M].科学出版社，2006:23-26L1转子铁芯步进角15L1转子铁芯步进角15激磁线圈仅画出一相转轴定子铁芯图4.2步进电机示意图转轴定子铁芯在步进电机的具体选取上我采用型号为863S42的步进电机。该型号步进电机的性能详细数据见表4.1、表4.2[[34]颜嘉男，伺服电机应用技术[34]颜嘉男，伺服电机应用技术[M].科学出版社，2010：37-71表4.186系列通用规格步距精度+5%(整步、空载)温升80°CMax环境温度-10°C~+50°C绝缘电阻100MΩmin.500VDC耐压500VACforoneminute径向跳动0.06Max.(450g-load)轴向跳动0.08max.(450g-load)表4.2863S42技术规格ModelNo.相数步距角保持转矩额定电流相电感相电阻引线数量转子惯量定位转矩电机重量机身长(°)N.MAmHOhmg.cm²g.cmKgmm863S4231.24.265.04.21.2625002.03.2105图4.386系列接线图三、控制装置控制装置部分主要包括步进电机和脉冲计数两块。步进电机1）步进电机驱动根据三相混合式步进电机的特性分析，此系统设计为两大部分组成：主电路与控制电路。对主电路来说，要求电源电路提供合适的外加电源，并在控制电路适时发出相应的控制逻辑脉冲下控制功放电路功放管的通断状态，使步进电动机产生步进运动。主电路对控制电路的影响则是通过其电流来实现，电动机电流作用于控制电路使其提供合适的电流值。电源是整个步进电机驱动器得以正常工作的保证。稳定的电源直接影响到驱动器性能的好坏[[35]王航，基于DSP的三相混合式步进电机驱动器[D].[35]王航，基于DSP的三相混合式步进电机驱动器[D].华中科技大学，2008整流电桥整流电桥逆变器220vAC步进电机输入信号逻辑控制电路脉宽调制驱动电流控制图4.4驱动器整体设计图图4.4为驱动器整体电路图，右侧为主电路部分，驱动器的主电路部分采用交直交电压型逆变器形式。由整流桥、逆变器以及三相混合式步进电动机等组成。不控整流桥作为直流电压源，完成恒频恒压(CFCV)交流电源到直流电源的变换。不控整流桥由功率二极管完成，其中输入为220V、50Hz交流电，输出直流电压为300V。逆变器实现从直流到变频变压(VFVV)交流的转换，提供所要求的电流给三相混合式步进电机。逆变器由20A、1200V功率模块组成。该模块内部集成了6只IGBT，构成三相全控逆变桥。左侧为驱动器的控制电路部分，主要包括电流指令发生器、电流闭环控制器两部分。电流指令发生器的输入信号包括脉冲输入信号SP、正反转控制信号U／D、使能控制信号EN和细分控制信号MIC。另外还有步数选择开关和相电流幅值选择开关，其中，脉冲输入信号由测量系统给出，接口采用RS422差动输入方式，这具有传输距离远、抗干扰能力强的优点。实际运行中，当三相正弦电流流过步进电动机绕组时，若对正弦电流进行正弦量化控制，则函数的每一阶梯与电机的每一步相对应，电机每转的步数就由每一个周期正弦电流的阶梯数和电机的磁极对数决定。虽然从理论上来说电机每一转的步数可以做得比段开关设置，通过和细分控制信号的配合，可设置步进电动机的每转步数为200、300、600(无细分)、2000、3000、6000(细分)。相电流选择控较高，但考虑到实际应用的情况，系统选择了4倍细分功能。步数选择用波制也由波段开关设置，它可以调整步进电动机相电流设置值在1/4～1倍额定电流之间变化[[36]KennethK.Chan,NorbertC.Cheung.《ANovelTwo-FingerVariable-ReluctanceGripperforHigh-SpeedGraspingofDelicateObjects:AnImplementationCaseStudy.[J]IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2005(6)][36]KennethK.Chan,NorbertC.Cheung.《ANovelTwo-FingerVariable-ReluctanceGripperforHigh-SpeedGraspingofDelicateObjects:AnImplementationCaseStudy.[J]IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2005(6)图4.5控制电路图驱动器控制电路在接收到信号后，就可以产生相应的控制，来使步进电机运动。控制电路包含的控制器和半桥功率电路有专门的集成芯片可以使用。目前，集成电路的发展迅速，相应功能的集成功能器件很多。本设计使用了“TMC389”这样一个步进电机驱动芯片[[37]Se-HyunRhyu,Byung-IlKwon.NewlyStructuredMicroPermanentMagnetTypeSteppingMotorWithClaw-Poles[J].IEEETransactionsonMagnetics,2006,42(4):1331-1334.DOI:10.1109/TMAG.2006.[37]Se-HyunRhyu,Byung-IlKwon.NewlyStructuredMicroPermanentMagnetTypeSteppingMotorWithClaw-Poles[J].IEEETransactionsonMagnetics,2006,42(4):1331-1334.DOI:10.1109/TMAG.2006.2）光耦隔离器件虑到外界干扰和电路本身相互之间的干扰，信号接收电路需要有很强的抗干扰能力。选择使用光耦隔离器件来达到电路设计的要求。图4.6光耦电路、连接器“JP1”的5号和6号接插口是脉冲信号输入端口。想要产生控制步进电机运动的脉冲信号，6号接插口是TTL电平的高电平，而5号接插口则必须是TTL电平的低电平。在上面这样的信号作用下，U3光耦导通产生后面电路工作的信号。步进电机驱动器在步进电机系统中扮演着转换信号这个角色。它首先从控制器接受信号，然后控制步进电机产生相应的动作完成自己的工作。基于这样的理解，驱动器就可以分为主电路（开关电路）和控制电路（驱动电路），除此还需要有电源电路来保证这两部分的工作。主电路对控制电路的影响则是通过其电流来实现，电动机电流作用于控制电路使其提供合适的电流值。对于这个合适的电流值，可以这样理解：步进电机在任何一个位置，都将受到一个磁场矢量的作用。这个磁场矢量的标量值，我们要求是稳定不变的。这样，步进电机所在的每一个位置，它的任何一个绕组，都将有它自己确定了的电流大小值（每个绕组中，同一位置的电流值不一定相同）。3）电源电路图4.7步进电机电源电路电源是整个步进电机驱动器得以正常工作的保证。稳定的电源直接影响到驱动器性能的好坏。电源从它的功能方面，可以划分为两部分作用。图中放置“+24V”的电源端口，是提供主电路驱动步进电机的电源。而图中放置“VCC”的电源端口，是提供给控制电路的电源。直流电经过滤波电路后，由7805降压处理。通过两级降压，产生最终的输出电压。2.脉冲计数电路：1）计数电路信号经过细分电路之后得到的是一路脉冲信号，经过计数器反馈给单片机进行校正。图中的电路一共包括电源电路、按键代脉冲电路、晶振电路、复位电路几个小电路。2）数码管显示电路用单片机的P2.0—P2.7接一个共阴数码管作为00—99计数的个位数显示，用单片机的P0.0—P0.7接一个共阴数码管作为00—99计数的十位数显示。晶振电路中，XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端。使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。AT89单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中[[38]许汝洁，步进电机智能驱动器设计[D]。南京师范大学，2010][38]许汝洁，步进电机智能驱动器设计[D]。南京师范大学，20103）复位电路在振荡器运行时，有两个机器周期，24个振荡周期。以上的高电平出现在此引腿时，将使单片机复位。只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后P0—P3口均置1引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序。复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声。它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。此电路系统采用的是上电与按钮复位电路。当时钟频率选用6MHz时，C取22μF，Rs约为200Ω，Rk约为1K。复位操作不会对内部RAM有所影响[[][]袁小滨，李怀琼.光栅莫尔条纹数字细分技术及其误差分析[J].西安公路交通大学学报，2001，21（1）：113-1154）按键代脉冲电路图中有两个button,上面的button是计数，代替脉冲信号，实际当中连细分电路的输出端，下面的button是清零。图5.2脉冲计数电路5）程序设计程序设计包括以下几个方面：（1）单片机对按键的识别的过程处理。（2）单片机对正确识别的按键进行计数。计数满时，又从零开始计数。（3）单片机对计的数值要进行数码显示。计得的数是十进数，含有十位和个位。我们要把十位和个位拆开分别送出这样的十位和个位数值到对应的数码管上显示。如何拆开十位和个位？我们可以把所计得的数值对10求余，即可个位数字对10整除，即可得到十位数字了。（4）通过查表方式，分别显示出个位和十位数字。计数