基于STM32F103VCT6的微位移控制系統設計

摘要：為實(shí)現X-Y-Z三維工作臺的精確定位，設計了一種基于STM32F103VCT6單片機和步進(jìn)電機的三維微位移控制系統。該系統可與上位機實(shí)現串口通信，接收上位機命令并把處理結果反饋給上位機；根據光柵傳感器提供的位置反饋信息，系統可以通過(guò)對步進(jìn)電機的方向、速度調節來(lái)實(shí)現精確定位；采用勻加速和勻減速方式對步進(jìn)電機的速度進(jìn)行調節，避免了因步進(jìn)電機的突然加速和急停所帶來(lái)的丟步和沖擊現象。控制系統的測量實(shí)驗結果表明，步進(jìn)電機運行平穩，噪音低，定位精度高，控制系統性能穩定可靠。
關(guān)鍵詞：STM32F103VCT6；串口通信；位移反饋；速度控制

0 引言
微位移控制系統是一種集機械、光學(xué)、電子和計算機等多種技術(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(zhù)極其廣泛的應用，也是現代工業(yè)檢測、質(zhì)量控制和制造技術(shù)中不可或缺的測量設備。微位移控制系統一般由微定位機構、微位移檢測裝置和控制器組成?？刂破魇俏⑽灰葡到y的指揮中心，它按照一定的控制算法控制微定位平臺，使其按照一定的規律運動(dòng)，來(lái)實(shí)現精確定位。
傳統的三維微位移控制系統一般采用步進(jìn)電機驅動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現定位。步進(jìn)電機是將電脈沖信號轉變?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，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即每施加一個(gè)脈沖信號，電機就轉動(dòng)一個(gè)步距角，因此脈沖數與電機轉動(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)電機控制變得非常簡(jiǎn)單。步進(jìn)電機開(kāi)環(huán)控制系統主要優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單，在控制精度要求不高的場(chǎng)合應用較為廣泛，但是在實(shí)際應用中，若步進(jìn)電機升、降速控制不合理，會(huì )造成步進(jìn)電機丟步或過(guò)沖；在開(kāi)環(huán)控制系統中，由于步進(jìn)電機丟步現象的存在，無(wú)法獲知它是否精確地到達了預定位置，也就無(wú)法實(shí)現高精度的定位。
為實(shí)現三維工作臺的精確定位，系統采用步進(jìn)電機閉環(huán)控制系統。系統中，利用光柵傳感器的輸出作為微位移控制系統的位置反饋信號，實(shí)現閉環(huán)控制。光柵傳感器的分辨率為1μm，自帶讀數頭，可直接輸出TTL電平或正弦波信號，為信號處理和與控制系統連接提供了便利?？刂葡到y通過(guò)光柵傳感器反饋信號來(lái)判斷是否達到了預定位置，進(jìn)而做出相應的調整動(dòng)作。從而達到精確定位的目的。

1 硬件電路設計
1．1 微位移控制系統總體設計
根據微位移控制系統的設計要求，首先應保證控制系統的定位精度，其次應盡量做到結構簡(jiǎn)單，成本低，操作簡(jiǎn)便。基于上述考慮，本文設計了如圖1所示的微位移控制系統。其中，采用STM32F103VCT6單片機作為控制核心和數據處理器，基于THB7128驅動(dòng)芯片設計驅動(dòng)電路；定位系統采用電動(dòng)平移臺，由步進(jìn)電機驅動(dòng)滾珠絲杠進(jìn)行定位，重復定位精度可以達到3μm；上位機采用VB進(jìn)行程序設計，實(shí)現各種控制命令的發(fā)送、數據處理、數據顯示等功能；通信方式采用RS 232串行通信，協(xié)議簡(jiǎn)單，操作方便。