度盤式指示表自動檢測儀控制系統設計

王紅敏，崔晨晨，隋文濤

(1.山東理工大學 機械工程學院， 山東 淄博 255049； 2. 中國計量大學 計量測試工程學院，浙江 杭州 310018)

度盤式指示表是長度測量中一種常用的計量器具，在生產企業及科研單位的計量部門使用頻率甚高，尤其在一些設備制造行業中，是企業保證質量和提高生產效率的關鍵。因使用頻率高，故指示表在使用過程中難免會產生誤差，為了提高度盤式指示表的檢測精度和速度，需要相應的快速檢測設備[1]，本文將設計相對應的伺服控制系統，以匹配其快速高精度檢測。

1 指示表自動檢測儀伺服控制系統基本單元

伺服控制系統是指示表自動檢測儀的重要組成部分，控制系統主要由PC、運動控制及數據采集器、步進電機驅動器、步進電機、傳動機構、光柵位移傳感器、信號調理電路組成，其控制系統基本結構如圖1所示。

圖1 伺服控制系統結構圖Fig.1 Structure diagram of servo control system

當檢測系統工作時，首先PC通過RS232串口將控制指令發送給運動控制器，運動控制器在接收到指令后，發送相應的控制信號給步進電機驅動器，控制信號經過驅動器細分放大后，驅動步進電機執行相應的運動狀態[2-3]。步進電機通過減速裝置將作用力傳遞給滾珠絲杠，絲杠帶動與滑臺連接的測量頭對指示表進行微量進給，通過光柵位移傳感器把進給量實時反饋給運動控制器，構成閉環控制系統，由此使步進電機運動更加精準。

2 運動控制及數據采集器設計

通過對步進電機驅動器的分析，綜合考慮系統性價比、兼容性、開發難度等因素，本系統選擇意法半導體公司的STM32F103C8T6單片機作為運動控制芯片，其主要功能是負責運動控制，以及對光柵傳感器的數據進行采集，此類型的單片機具有質量好、功耗低、體積小、價格便宜、抗干擾能力強、技術成熟、環境適應能力強等特點[4-5]。

2.1 通信接口的選擇

PC與STM32之間選用RS232通訊協議，MAX232是一種把PC的串行口RS232信號電平(-10 V ，+10 V)轉換為單片機所用到的TTL信號電平(0，+5 V)的芯片。其內部具有雙組驅動器和接收芯片，完全可以滿足RS232的電平轉換要求[6-7]。RS232串行線主要在計算機與外部設備間進行數據傳送，其轉換電路如圖2所示。

圖2 MAX232芯片電平轉換電路Fig.2 Level switching circuit of MAX232 chip

2.2 光柵位移傳感器信號調理電路設計

2.2.1 差分電路設計

差分電路主要是將光柵尺的差動輸入信號轉換成單端輸出信號，以便后面的電壓比較器使用。本電路選用INA105芯片，該芯片是精密差分放大器，不需要價格很高的電阻網路。用該芯片設計的差分放大電路具有較高的共模抑制比，可以很好地抑制零點漂移以及噪聲和干擾。其放大電路如圖3所示。

圖3 差分電路Fig.3 Differential circuit

2.2.2 電壓比較電路設計

由于本系統選用的光柵位移傳感器輸出的信號是標準的正弦信號，因此選用電壓比較電路進行轉換才能進行后續的信號處理，電壓比較電路可以把正弦信號轉換成方波信號。在本設計電路中選用MAX913芯片，MAX913是單路、高速、低功耗、具有差分輸入和互補TTL輸出的比較器，由MAX913組成的電壓比較電路如圖4所示。

圖4 電壓比較電路Fig.4 Voltage comparator circuit

2.2.3 細分辨向電路設計

正弦信號經過電壓比較電路轉換成了方波信號，雖然能夠被單片機處理，但是為了提高位移測量的分辨力，要對整形后的方波信號進行細分處理。由于測量指示表時要進行正、反行程誤差的測量，所以需選用細分辨向電路。先由CD4013進行二細分然后與后面的四細分電路級聯構成八細分電路，通過兩路方波相位的相對導前和滯后的關系進行方向的判別，其電路如圖5所示。

圖5 細分辨向電路Fig.5 Subdivision and direction-distinguishing circuit

2.2.4 可逆計數器設計

經過細分辨向后，需要對細分后的方波信號進行計數，才能獲得相應的位移量信息。本系統選用74LS193可逆計數器對細分后的方波信號進行計數。74LS193可逆計數器可以進行4位二進制輸出，本系統采用兩片74LS193級聯的方式，這樣最多可計255個脈沖。74LS193可逆計數器級聯電路如圖6所示。

圖6 74LS193可逆計數器級聯電路Fig.6 The cascade circuit of 74LS193 reversible counter

2.2.5 數據緩沖器設計

脈沖信號經過可逆計數器后，為了保證可逆計數器傳送給STM32的數據不發生丟失，還需要經過數據緩沖器才能與STM32相連。針對本系統測量精度的要求，需選用高性能的緩沖芯片。本系統選用74LS125芯片作為數據緩沖器，74LS125是四總線數據緩沖器。因為級聯后的74LS193輸出的是8位數據，所以這里對74LS125也采用了級聯方式與74LS193進行連接。其連接后的電路如圖7所示。

圖7 74LS193與74LS125級聯電路Fig.7 Cascade circuit for 74LS193 and 74LS125

3 步進電機驅動器設計

在考慮選擇步進電機驅動器時，要求其不僅要驅動步進電機工作，還要達到相應的細分要求，同時在盡量降低驅動器功耗的情況下，要保證功率放大器的安全運行，所以本系統選用THB6064AH二相步進電機驅動芯片。該芯片采用脈寬調制和斬波驅動方式，可以進行雙全橋MOSFET驅動，最高耐壓高達50 V，峰值電流為4.5 A，具有自動限流和半流鎖定功能，內置溫度保護及過流保護，低電壓檢測電路，可以進行8種細分方式和4種衰減方式的選擇，具有穩定性高、價格較低、外圍電路簡單等優點，因此該芯片為實現系統高性能、低成本、小型化步進電機的驅動提供了最佳方案[8-10]。THB6064AH芯片的應用電路如圖8所示。

圖8 THB6064AH應用電路Fig.8 THB6064AH application circuit

4 結束語

本文對指示表自動檢測儀的伺服控制系統進行了完整的創新設計，根據系統需要設計了運動控制器，并對信號處理電路和驅動電路進行了設計，其主要創造性工作如下：(1)系統中采用高性能驅動芯片，使步進電機運行更加平穩和精準，其進給量誤差小于0.1 μm。(2)對光柵位移傳感器輸出的正弦信號進行了濾波、整形、細分辨向、計數緩沖等處理，經實際測試檢驗，該伺服控制系統的測量誤差不超過0.25 μm，與之前的指示表檢測相比較[11]，大大提高了系統的測量準確度。

因此，該伺服控制系統在測量方式、分辨力和測量準確度等方面均有進一步提高，為儀表檢測提供了一種精確高效的檢測方法，對于指示表檢測儀的準確快速檢測具有重要現實意義。