一种面向微装配系统的多轴混合快速控制单元设计方法

摘要

本发明涉及一种面向微装配系统的多轴混合快速控制单元设计方法，包括TMS320F2812芯片，12个电机驱动器，2个光栅尺，2个光电编码器，2个光耦隔离电路，2个信号调理电路，2个四倍频逻辑电路，12个步进电机；其中TMS320F2812芯片包括PWM输出电路、捕获单元CAP、正交编码电路QEP和GPIO引脚；该方法通过TMS320F2812芯片同时产生多路PWM输出波形，实现多轴控制；并根据装配精度要求实现闭环、半闭环和开环的混合控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种面向微装配系统的多轴混合快速控制单元设计方法，属于 机电一体化领域。

背景技术

多轴联动广泛应用于数控系统，即按照预先给定的路线加工出所需要的外 形。在微装配系统中，使用多轴联动的控制方法是为了节约装配时间，提高装 配效率。步进电机作为执行元件是机电一体化的关键部件之一，可以快速精确 的定位，并且步距的误差不会无限积累，只会在一转的范围内存在一个最大的 累计误差，其控制方法直接影响微装配系统的控制精度、输出转矩等性能指标。

步进电机可构成开环控制系统也可构成闭环或半闭环控制系统。开环控制 的步进电机驱动系统，输入的脉冲不依赖与转子的位置，而是事先按一定的运 动规律给定，其输出的转矩加速度在很大的程度上取决于驱动电源和控制方式。 闭环和半闭环控制分别是间接检测和直接检测转子的位置，位置检测传感器将 测得的工作台的实际位置信号或电机转子的位置信号与目标位置信号相比较， 然后对两者的差值进行控制，因此闭环或半闭环控制能够获得更加精确的位置 控制。在零件尺寸介于0.01mm～1mm之间的微装配领域中，为提高装配精度在控 制单元中采用闭环或半闭环控制方法，为提高装配效率在精度要求不高的运动 中采用开环控制。

现有的微装配系统中使用的微动平台大多是国外进口的，内部控制系统不 开放，实现二次开发较为困难，并且维修费用高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向微装配系统的多轴混合快速控制单元设计 方法，针对国内现有的微动平台，能够实现高精度、高效率的装配。

本发明是通过以下技术方案来解决上述问题的：微装配系统包括 TMS320F2812芯片，12个电机驱动器，2个光栅尺，2个光电编码器，2个光耦 隔离电路，2个信号调理电路，2个四倍频逻辑电路，12个步进电机；其中 TMS320F2812芯片包括PWM输出电路、捕获单元CAP、正交编码电路QEP和GPIO 引脚；还包括微动平台和搬运机械手；其特征在于：每个步进电机均通过1个 电机驱动器与PWM输出电路相连，每个步进电机分别通过1个光耦隔离电路与 GPIO引脚相连，第1步进电机至第4步进电机分别与微动平台相连，第5步进 电机至第12步进电机分别与搬运机械手相连，2个光栅尺分别通过1个信号调 理电路与正交编码电路QEP相连，2个光电编码器分别安装在第3步进电机、第 4步进电机的主轴上且分别通过1个四倍频逻辑电路与捕获单元CAP相连；

面向微装配系统的多轴混合快速控制单元包括闭环、半闭环和开环三种控 制方法：

在闭环系统中，首先设定好微动平台X、Y方向的目标距离，TMS320F2812 芯片通过PWM输出电路产生PWM输出波形，输出占空比脉冲信号将其接入电机 驱动器中控制第1步进电机和第2步进电机的运动，第1步进电机和第2步进 电机驱动微动平台在X、Y方向的移动；两个光栅尺分别采集微动平台在X、Y 方向的位移量，将其转换为脉冲信号的个数，通过对应的信号调理电路将脉冲 信号的幅值稳定在3V后接入到TMS320F2812芯片的正交编码电路QEP中，不断 比较光栅尺采集的信号与目标距离的信号实现闭环控制；微动平台的极限位置 开关信号通过对应的光耦隔离电路接入TMS320F2812芯片的GPIO引脚，控制微 动平台在设定的行程内运动；

在半闭环控制系统中，首先设定好微动平台X、Z方向的旋转角度， TMS320F2812芯片通过PWM输出电路产生PWM输出波形，输出占空比一定的脉冲 信号将其接入电机驱动器中控制第3步进电机和第4步进电机的运动，第3步 进电机和第4步进电机驱动微动平台在Z方向的移动和转动；两个光电编码器 分别采集电机转子的位置，将其转换为脉冲信号的个数，通过对应的四倍频逻 辑电路实现脉冲信号的四倍频接入捕获单元CAP中，通过不断比较光电编码器 采集的信号与目标位置的信号实现半闭环控制；微动平台的极限位置开关信号 通过对应的光耦隔离电路接入TMS320F2812芯片的GPIO引脚，控制微动平台在 设定的行程内运动；

在开环系统中，首先设定搬运机械手的目标距离，TMS320F2812芯片通过 PWM输出电路产生PWM输出波形，输出占空比一定的脉冲信号将其接入电机驱动 器中控制第5步进电机至第12步进电机的运动；将搬运机械手的极限位置开关 信号通过对应的光耦隔离电路接入TMS320F2812芯片的GPIO引脚，控制搬运机 械手在设定的行程内运动。

有益效果：

1、本发明的控制方法能够实现步进电机单轴或者多轴混合控制；通过 TMS320F2812芯片同时产生多路PWM输出波形，实现多轴控制；并根据装配精度 要求实现闭环、半闭环和开环的混合控制。

2、通过TMS320F2812芯片的正交编码电路QEP，实现光栅尺的四倍频，提 高了光栅尺的测量精度；通过通过四倍频逻辑电路将光电编码器的分辨率提高 到原来的四倍；进而提高了微动位移台的定位精度。

3、由于此控制方法可同时控制装配过程中多台电机的运动，这有效提高了 微装配系统的装配效率。

附图说明

图1面向微装配系统的多轴混合快速控制单元系统框图

图2面向微装配系统的多轴混合快速控制单元主程序流程图

图3面向微装配系统的多轴混合快速控制单元闭环流程图1

图4面向微装配系统的多轴混合快速控制单元半闭环流程图2

图5面向微装配系统的多轴混合快速控制单元开环流程图3

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：

图1是面向微装配系统的多轴混合快速控制单元系统框图，面向微装配系 统的多轴混合快速控制单元包括：TMS320F2812芯片，电机驱动器1至12，光 栅尺1、2，光电编码器1、2，光耦隔离电路1至12，信号调理电路1、2，四 倍频逻辑电路1、2，步进电机1至12；其中TMS320F2812芯片包括PWM输出电 路、捕获单元CAP、正交编码电路QEP和串行端口；

步进电机1至12分别通过电机驱动器1至12与PWM输出电路相连，步进 电机1至12分别通过光耦隔离电路1至12与串行端口相连，步进电机1至12 分别与微动平台相连，光栅尺1、2分别通过信号调理电路1、2与正交编码电 路QEP相连，光电编码器1、2分别安装在步进电机3、4的主轴上且分别通过 四倍频逻辑电路1、2与捕获单元CAP相连；

在使用时首先对快速控制单元进行系统初始化和PIE初始化；配置EVA模 块和EVB模块寄存器，产生PWM输出波形，改变占空比可调节电机的转速；配 置QEP电路和CAP捕获单元寄存器；使得QEP电路捕获脉冲个数，定时器中断 的次数和CAP单元捕获脉冲的个数初值为0；使能PIE周期中断和CPU中断。

图2是面向微装配系统的多轴混合快速控制单元主程序流程图。在DSP集 成环境CCS4下编程步骤如下：

步骤S201，进行系统初始化和初始化PIE向量表，系统初始化包括禁用看 门狗、初始化PLL电路、初始化外围时钟；

步骤S202，初始化EVA模块寄存器，产生PWM脉冲信号，使能定时器1和 2的周期中断位；

步骤S203，初始化EVB模块寄存器，产生PWM脉冲信号，使能定时器3的 周期中断位；

步骤S204，配置EVA模块的QEP电路寄存器和CAP3捕获单元；

步骤S205，配置EVB模块的QEP电路寄存器和CAP6捕获单元；

步骤S206，QEP电路捕获脉冲个数、定时器中断的次数和CAP单元捕获脉 冲的个数作为全局变量都赋初值0，使能PIE的定时器周期中断和CPU中断；

步骤S207，等待定时器1、2、3周期中断，定时器1的CPU优先级最高， 定时器3的CPU优先级最低，即当定时器1和定时器3同时发生周期中断后， CPU首先响应定时器1的周期中断；闭环控制的优先级最高，开环控制的优先级 最低。

初始化后，面向微装配系统的多轴混合快速控制单元包括闭环、半闭环和 开环三种控制方法，闭环实现微动平台在同一平面间的水平移动，半闭环实现 微动平台的转动，开环实现搬运机械手的快速移动。在闭环系统中，TMS320F2812 芯片产生PWM输出波形，输出占空比一定的脉冲信号将其接入电机驱动器中控 制电机的运动；利用光栅尺构成反馈电路，将光栅尺采集到微动平台的位移后 将其转换为脉冲信号的个数，通过信号调理电路将脉冲信号的幅值稳定在3V后 接入到TMS320F2812芯片的正交编码电路QEP中，不断比较光栅尺采集的信号 与目标距离的信号实现闭环控制；将位移台的极限位置开关信号通过光耦隔离 电路接入TMS320F2812芯片的GPIO引脚，控制位移台在行程内运动。在半闭环 控制系统中，TMS320F2812芯片产生PWM输出波形，输出占空比一定的脉冲信号 将其接入电机驱动器中控制电机的运动；利用增量式光电编码器构成反馈电路， 将增量式光电编码器采集到电机转子的位置后将其转换为脉冲信号的个数，通 过四倍频逻辑电路实现脉冲信号的四倍频接入CAP捕获单元中，通过不断比较 光电编码器采集的信号与目标位置的信号实现半闭环控制；将位移台的极限位 置开关信号通过光耦隔离电路接入TMS320F2812芯片的GPIO引脚，控制位移台 在行程内运动。在开环系统中，通过TMS320F2812芯片产生PWM输出波形，输 出占空比一定的脉冲信号将其接入电机驱动器中控制电机的运动；将搬运机械 手的极限位置开关信号通过光耦隔离电路接入TMS320F2812芯片的GPIO引脚， 控制搬运机械手在行程内运动。

图3是面向微装配系统的多轴混合快速控制单元闭环流程图1，在图3中， 步进电机1和步进电机2的区别在于定时器计数模式不同，因为使用QEP电路 中必须设定定时器的计数模式为方向增/减计数模式，导致产生PWM的寄存器输 出脉冲信号占空比不同即电机的转速不同，但控制流程相同，以步进电机1为 例，详述作如下：

步骤S302，根据设定好的微动平台X、Y方向的目标距离，电机的运动方向 分为正转和反转，当目标距离与电机正转方向相同时为正值，与电机反转方向 相同时为负值；

步骤S303，将目标距离换算为电脉冲个数，计算公式为：电脉冲个数=目标 距离（mm）/栅距（mm），栅距为经过四倍频后的数值；所述电脉冲个数含有正 负号；

步骤S304，统计QEP捕获的脉冲个数，假定电机正转的脉冲计数值为正， 反转的脉冲计数值为负；

步骤S305，当电机正转时，QEP捕获的脉冲个数加1，当电机反转时，QEP 捕获的脉冲个数减1；

步骤S306，将步骤S303计算得出的电脉冲个数与QEP捕获的脉冲个数作差， 当差值的绝对值小于电脉冲个数的绝对值时，电机按原转动方向运动，执行步 骤308，否则电执行步骤S307；

步骤S307，将电机的旋转方向与原运动方向反向；

步骤S308，等待步骤S303计算得出的电脉冲个数与QEP捕获的脉冲个数差 值的绝对值小于等于0，条件满足时电机停止运动，否则，继续等待直到满足条 件电机停止运动；

步骤S309，结束本流程。

图4是面向微装配系统的多轴混合快速控制单元半闭环流程图2，与图3流 程比较，区别在于CAP捕获单元替代了QEP单元，但控制原理一致。详述如下：

步骤S402，首先设定好微动平台X、Z方向的旋转角度，电机的运动方向分 为正转和反转，当旋转角度与电机正转方向相同时为正值，与电机反转方向相 同时为负值；

步骤S403，使用光电编码器测量角位移，编码盘分辨率为n个脉冲每转， 计算公式：电脉冲个数=旋转角度/δ，δ为经过四倍频后的分辨率，其值等于 1/4n；本实施例中光电编码器选择增量式光电编码器；n为1000个脉冲每转，δ 为4000个脉冲每转。

步骤S404，统计捕获单元CAP捕获的脉冲个数，假定电机正转的脉冲计数 值为正，反转的脉冲计数值为负；

步骤S405，当电机正转时，CAP捕获的脉冲个数加1，当电机反转时，CAP 捕获单元捕获的脉冲个数减1；

步骤S406，将步骤S403计算的电脉冲个数与CAP捕获的脉冲个数作差，当 差值的绝对值小于电脉冲个数的绝对值时，电机按原转动方向运动，执行步骤 408，否则执行步骤407；

步骤S407，将电机的转动方向与原运动方向相反；

步骤S408，等待步骤S403计算的电脉冲个数与CAP捕获单元捕获的脉冲个 数差值的绝对值小于等于0，条件满足时电机停止运动，否则，继续等待直到满 足条件电机停止运动；

步骤S409，结束本流程。

图5是面向微装配系统的多轴混合快速控制单元开环流程图3，详述如下：

步骤S502，根据设定的搬运机械手的目标距离，电机的运动方向分为正转 和反转，当目标距离与电机正转方向相同时为正值，否则为负值；

步骤S503，计算公式：电脉冲个数=目标距离/步距角，步距角的值等于经 过电机驱动器细分后的值，电脉冲个数有正负之分；

步骤S504，假定电机正转的脉冲计数值为正，反转的脉冲计数值为负；

步骤S505，当电机正转时，定时器计数脉冲个数加1，当电机反转时，定 时器计数脉冲个数减1；

步骤S506，将步骤S503计算的电脉冲个数与目标位置脉冲个数作差，当差 值的绝对值小于电脉冲个数的绝对值时，电机按原转动方向运动，执行步骤507， 否则执行步骤506；

步骤S507，将电机的转动方向与原运动方向相反；

步骤S508，等待步骤S503计算的电脉冲个数与目标位置脉冲个数差值的绝 对值小于等于0，条件满足时电机停止运动，否则，继续等待；

步骤S509，结束本流程。

在微动平台的两端各安装一个限位开关，极限开关的输出引脚通过TLP521 光耦隔离电路连接到TMS320F2812芯片的I/O输入端口，I/O的输出引脚接入步 进电机驱动器的方向端口，当微动平台到达一端的极限位置时，I/O输出引脚电 平会由高电平变为低电平，定义I/O输出值为高电平时为正转，输出值为低电 平时为反转，通过控制I/O输出引脚的状态改变电机的运动方向；

所述的PWM输出电路输出的PWM波形由事件管理器模块EV进行配 置；:TMS320F2812芯片的事件管理器模块EV共有四个通用定时器，通过配置定 时器的寄存器12路PWM输出波形，设置每路PWM输出占空比固定的方波信号控 制1台步进电机，进而实现2台电机闭环、2台电机半闭环和8台电机开环的多 轴混合控制；在图1中，步进电机1和步进电机2由通用定时器1和2的寄存 器控制，步进电机3和步进电机4由通用定时器3和4的寄存器控制。以步进 电机1为例，配置定时器1的寄存器，输出占空比一定的方波信号，将输出引 脚接入电机驱动器1中的脉冲端子；

步进电机2的控制方法同步进电机1，实现微动平台在同一平面内的移动。 光栅尺的安装在微动工作台上，光栅尺的任意一对正交输出引脚通过信号调理 电路将输出电压稳定在3V后接入TMS320F2812芯片的正交编码电路QEP，配置 正交编码脉冲电路的寄存器实现光栅尺四倍频，将光栅尺的测量精度由2um提 高到0.5um；由于光栅尺的任意一对正交脉冲信号的电压值高于TMS320F2812运 动控制板的最高输入电压3.3V，需要在调理电路中对脉冲信号实现分压和稳压 后再送入正交编码电路。步进电机3和步进电机4实现微动平台的转动，PWM输 出波形和限位开关的控制方法与步进电机1相同，由于一个TMS320F2812芯片 只有两个QEP电路，因此步进电机3和步进电机4使用捕获单元进行位置检测。 以步进电机3为例，光电编码器安装在步进电机的主轴上检测电机转子的位置， 光电编码器的任意一对正交输出引脚接入中，将逻辑电路的计数信号输出端接 入捕获单元的CAP3引脚上，捕获单元通过捕获信号的上升沿计数的方法进行位 置检测。步进电机4与步进电机3的位置检测方法相同，只是将计数信号输出 端接入捕获单元的CAP6引脚上。通过四倍频专用逻辑电路将增量式光电编码器 的分辨率提高到原来的四倍；

为使电机到达目标位置的时间最短，步进电机的运动控制在定时器中断子 程序中实现。定义正转时I/O输出引脚为高电平，反转时I/O输出引脚为低电 平，I/O的输出引脚接入步进电机驱动器的方向端口，合理配置I/O引脚，实现 12台电机的正反转控制；根据装配任务的不同将电机分为三组，在精度要求高 的运动中实现闭环和半闭环控制，在精度要求相对低的运动中实现电机的开环 控制，其控制流程分别在三个定时器中断中实现。此过程可实现快速装配，提 高装配效率。