基于STM32F103VCT6的微位移控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為實(shí)現(xiàn)X-Y-Z三維工作臺(tái)的精確定位，設(shè)計(jì)了一種基于STM32F103VCT6單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的三維微位移控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)串口通信，接收上位機(jī)命令并把處理結(jié)果反饋給上位機(jī)；根據(jù)光柵傳感器提供的位置反饋信息，系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的方向、速度調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)精確定位；采用勻加速和勻減速方式對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免了因步進(jìn)電機(jī)的突然加速和急停所帶來(lái)的丟步和沖擊現(xiàn)象。控制系統(tǒng)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低，定位精度高，控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞：STM32F103VCT6；串口通信；位移反饋；速度控制

0 引言
微位移控制系統(tǒng)是一種集機(jī)械、光學(xué)、電子和計(jì)算機(jī)等多種技術(shù)于一體的智能化儀器。在先進(jìn)制造技術(shù)與科學(xué)研究中有著極其廣泛的應(yīng)用，也是現(xiàn)代工業(yè)檢測(cè)、質(zhì)量控制和制造技術(shù)中不可或缺的測(cè)量設(shè)備。微位移控制系統(tǒng)一般由微定位機(jī)構(gòu)、微位移檢測(cè)裝置和控制器組成?？刂破魇俏⑽灰葡到y(tǒng)的指揮中心，它按照一定的控制算法控制微定位平臺(tái)，使其按照一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)精確定位。
傳統(tǒng)的三維微位移控制系統(tǒng)一般采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即每施加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角，因此脈沖數(shù)與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的總步進(jìn)角度是呈線(xiàn)性關(guān)系的。另外，步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)控制變得非常簡(jiǎn)單。步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在控制精度要求不高的場(chǎng)合應(yīng)用較為廣泛，但是在實(shí)際應(yīng)用中，若步進(jìn)電機(jī)升、降速控制不合理，會(huì)造成步進(jìn)電機(jī)丟步或過(guò)沖；在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，由于步進(jìn)電機(jī)丟步現(xiàn)象的存在，無(wú)法獲知它是否精確地到達(dá)了預(yù)定位置，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度的定位。
為實(shí)現(xiàn)三維工作臺(tái)的精確定位，系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中，利用光柵傳感器的輸出作為微位移控制系統(tǒng)的位置反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。光柵傳感器的分辨率為1μm，自帶讀數(shù)頭，可直接輸出TTL電平或正弦波信號(hào)，為信號(hào)處理和與控制系統(tǒng)連接提供了便利。控制系統(tǒng)通過(guò)光柵傳感器反饋信號(hào)來(lái)判斷是否達(dá)到了預(yù)定位置，進(jìn)而做出相應(yīng)的調(diào)整動(dòng)作。從而達(dá)到精確定位的目的。

1 硬件電路設(shè)計(jì)
1．1 微位移控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
根據(jù)微位移控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，首先應(yīng)保證控制系統(tǒng)的定位精度，其次應(yīng)盡量做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，操作簡(jiǎn)便。基于上述考慮，本文設(shè)計(jì)了如圖1所示的微位移控制系統(tǒng)。其中，采用STM32F103VCT6單片機(jī)作為控制核心和數(shù)據(jù)處理器，基于THB7128驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路；定位系統(tǒng)采用電動(dòng)平移臺(tái)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠進(jìn)行定位，重復(fù)定位精度可以達(dá)到3μm；上位機(jī)采用VB進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各種控制命令的發(fā)送、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示等功能；通信方式采用RS 232串行通信，協(xié)議簡(jiǎn)單，操作方便。