基于STM32F103VCT6的微位移控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為實現(xiàn)X-Y-Z三維工作臺的精確定位，設(shè)計了一種基于STM32F103VCT6單片機和步進電機的三維微位移控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可與上位機實現(xiàn)串口通信，接收上位機命令并把處理結(jié)果反饋給上位機；根據(jù)光柵傳感器提供的位置反饋信息，系統(tǒng)可以通過對步進電機的方向、速度調(diào)節(jié)來實現(xiàn)精確定位；采用勻加速和勻減速方式對步進電機的速度進行調(diào)節(jié)，避免了因步進電機的突然加速和急停所帶來的丟步和沖擊現(xiàn)象。控制系統(tǒng)的測量實驗結(jié)果表明，步進電機運行平穩(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、質(zhì)量控制和制造技術(shù)中不可或缺的測量設(shè)備。微位移控制系統(tǒng)一般由微定位機構(gòu)、微位移檢測裝置和控制器組成?？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，使其按照一定的規(guī)律運動，來實現(xiàn)精確定位。
傳統(tǒng)的三維微位移控制系統(tǒng)一般采用步進電機驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)定位。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即每施加一個脈沖信號，電機就轉(zhuǎn)動一個步距角，因此脈沖數(shù)與電機轉(zhuǎn)動的總步進角度是呈線性關(guān)系的。另外，步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機控制變得非常簡單。步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，在控制精度要求不高的場合應(yīng)用較為廣泛，但是在實際應(yīng)用中，若步進電機升、降速控制不合理，會造成步進電機丟步或過沖；在開環(huán)控制系統(tǒng)中，由于步進電機丟步現(xiàn)象的存在，無法獲知它是否精確地到達了預(yù)定位置，也就無法實現(xiàn)高精度的定位。
為實現(xiàn)三維工作臺的精確定位，系統(tǒng)采用步進電機閉環(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，實現(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，為信號處理和與控制系統(tǒng)連接提供了便利?？刂葡到y(tǒng)通過光柵傳感器反饋信號來判斷是否達到了預(yù)定位置，進而做出相應(yīng)的調(diào)整動作。從而達到精確定位的目的。

1 硬件電路設(shè)計
1．1 微位移控制系統(tǒng)總體設(shè)計
根據(jù)微位移控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，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)簡單，成本低，操作簡便。基于上述考慮，本文設(shè)計了如圖1所示的微位移控制系統(tǒng)。其中，采用STM32F103VCT6單片機作為控制核心和數(shù)據(jù)處理器，基于THB7128驅(qū)動芯片設(shè)計驅(qū)動電路；定位系統(tǒng)采用電動平移臺，由步進電機驅(qū)動滾珠絲杠進行定位，重復(fù)定位精度可以達到3μm；上位機采用VB進行程序設(shè)計，實現(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)議簡單，操作方便。