摘要:為了提高轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)精度、抗干擾能力和提高可靠性,設(shè)計了一種基于磁柵位移傳感器的角度測量裝置。該裝置以嵌入式微處理器STM32F103為核心構(gòu)建,設(shè)計采用磁柵位移傳感器,這種傳感器能將位移信號轉(zhuǎn)化為兩路具有相位差的脈沖信號,將脈沖信號傳輸至STM32F103進行計數(shù)最終將對位移的測量轉(zhuǎn)化為對角度的測量,通過串口傳送到上位機給出結(jié)果顯示實驗結(jié)果表明該裝置具有較高的可靠性和測量精度。
關(guān)鍵字：磁柵尺；角度測量；信號采集

角度的測量是伺服轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的一個重要組成部分,目前廣泛應(yīng)用的角度測量傳感器一般有光電編碼器、光柵傳感器2、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器等。光柵式傳感器大量程測量精度僅低于激光干涉?zhèn)鞲衅?光柵測量技術(shù)成熟,精度和分辨率較高,應(yīng)用較廣泛。但由于機械振動易使光柵尺破碎,光柵尺抗沖擊性、抗振性能不高,光器件的使用壽命短,結(jié)構(gòu)定位組裝復(fù)雜,成本較高,而正余弦變壓器雖然構(gòu)造簡單,但是容易損壞不易維修。文中基于STM32微控制器,應(yīng)用磁柵位移傳感器設(shè)計了一種角度測量裝置4,并且給出其硬件電路設(shè)計了及軟件模塊,最后通過實驗對其測量精度和可靠性進行了驗證。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計及原理

1.1角度測量系統(tǒng)總體設(shè)計

角度測量系統(tǒng)硬件電路以ARM處理器為核心,由系統(tǒng)電源電路,傳感器電路,通訊接口電路和主控芯片電路等5部分組成,本系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 STM32F103微控制器

本系統(tǒng)是高精度的位移測量傳感器的信號處理系統(tǒng),由于ST提供了完整的開發(fā)工具和庫函數(shù),使得用戶方便的訪問STM32的標準外設(shè)。因而在本設(shè)計中選擇意法半導體ST公司推出的STM32F103微控制器STM32系列的微控制器是由意法半導體公司生產(chǎn)的基于 ARM Cortex--M3內(nèi)核的微控制器,具有高性能、低成本、低功耗等特點。工作頻率可達70MHz,內(nèi)置高速存儲器(128 kB Flash,20 kB SRAM),擁有豐富的增強I端口(大部分IO端口可5V兼容)和 USART、SPI、I2S、ADC、DAC等眾多外設(shè)功能,提供84個中斷、16級可配置優(yōu)先級,并且可在-40~105℃的溫度下工作。

1.3磁柵位移傳感器的工作原理

磁柵位移傳感器是一種可將位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖的傳感器-12,這種傳感器由磁柵尺、磁頭組成。當磁頭在尺上面發(fā)生位置變化時,編碼器產(chǎn)生周期性的增量脈沖,因此,實現(xiàn)對脈沖的計數(shù)就可以完成對位移的測量。編碼器可輸出A,B,Z3個信號,其中A,B兩路信號為相位相差90°的方波信號,Z相為每轉(zhuǎn)一圈的標志信號,每圈只產(chǎn)生一個脈沖,信號波形圖如圖2所示。

由波形圖可以看出,在一個周期內(nèi),相位相差90°的AB兩路信號可以有4種電平組合,分別是下圖的4種組合狀態(tài)。當磁頭正向移動時,狀態(tài)變化為10>11>01>00,反向移動時,狀態(tài)變化為01>11>10>00,并且以此周期性循環(huán),可以看到,無論在正向還是在反向移動的情況下,對于任意一個狀態(tài),它的前一個或后一個狀態(tài)是唯一確定的。例如狀態(tài)11,在正向移動時,前一個狀態(tài)是10,后一個狀態(tài)是01,而在反向移動式,前一個狀態(tài)是01,后一個狀態(tài)是10。因此,可根據(jù)A、B相組合電平的變化來判斷磁頭的移動方向和四倍頻的細分計數(shù)。

1.4差分信號轉(zhuǎn)換電路

在系統(tǒng)實驗中,由于要采用磁柵尺作為位移傳感器,而磁柵尺傳感器輸出的是差分信號,因而我們在信號處理系統(tǒng)中集成了差分信號轉(zhuǎn)換電路,將磁柵尺輸出的差分信號進行轉(zhuǎn)換后送入下位機,由處理器芯片讀取脈沖信號進行計數(shù)得到的數(shù)據(jù)通過RS232通訊接口送給上位機進行處理顯示。轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

本設(shè)計中采用MAX3095作為傳感器差分信號轉(zhuǎn)換芯片,MAX3095是美國美信公司生產(chǎn)的四通道RS422/RS485發(fā)送器,其采用單5V電源供電,支持熱插拔,具有ESD保護電路,因而能很好的實現(xiàn)光柵輸入的差分信號的轉(zhuǎn)換,本模塊具體電路原理如圖所示。經(jīng)過磁柵輸入的3對差分信號(六路)經(jīng)過阻抗匹配電路后分別送入MAX3095芯片的3個通道,經(jīng)過芯片接收轉(zhuǎn)換后,轉(zhuǎn)變成處理器能夠識別的TTL信號送入STM32進行后續(xù)處理。

1.5 RS232串口電路

STM32F103芯片內(nèi)部集 USART成有3個,因此本系統(tǒng)與上位機通訊通過RS-232串行接口來實現(xiàn)13-141,其結(jié)構(gòu)簡單,使用方便。本設(shè)計選用美信公司的MAX3232串口驅(qū)動芯片,該芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標準接口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,使用+5V單電源供電,具有片載電荷泵升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力和功耗低等特點。內(nèi)部集成2個RS-232驅(qū)動器和2個RS-232接收器。具體電路如圖4所示。

2 軟件設(shè)計

在本方案中,編碼器A、B相的信號輸入到STM32微控制器引腳,由兩信號的上升和下降邊沿分別觸發(fā)中斷請求,調(diào)用 GPIO ReadInput DataBit函數(shù)來讀取引腳的輸入值,高電平是1,低電平是0,從而得到A、B相信號組合的編碼值,并根據(jù)現(xiàn)組合編碼值的前一個狀態(tài)來判斷編碼器是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn),正轉(zhuǎn)則計數(shù)加1,反轉(zhuǎn)則計數(shù)減1。例如,現(xiàn)得到組合狀態(tài)值11,如果前一狀態(tài)是10,則編碼器正轉(zhuǎn),計數(shù)加1,如果是01,則相反。通過軟件實現(xiàn)編碼器信號的倍頻鑒相和判斷計數(shù),最后完成角度換算。當前狀態(tài)為11的程序流程如圖5所示。

利用STM32較高的性能,實現(xiàn)軟件四倍頻鑒相計數(shù),不但簡化了電路結(jié)構(gòu),而且使系統(tǒng)開發(fā)方便、快捷、更具靈活性。在編碼器相對運動一圈產(chǎn)生的15865個脈沖周期里,總共產(chǎn)生63460個周期性分頻編碼,由此可知,角度變化量△a與計數(shù)值n的關(guān)系:△a=n(6000/63460),單位為密位。角度在信號處理中需要使用Z相脈沖信號,在Z相脈沖產(chǎn)生中斷時,角度計數(shù)清零,從而實現(xiàn)0密位的校正。

3 實驗結(jié)果
根據(jù)上述方案,完成硬件電路設(shè)計和相關(guān)軟件的調(diào)試。實驗將磁柵尺在一個圓環(huán)上繞滿一圈并固定在電機的旋轉(zhuǎn)軸上,將磁頭固定在圓環(huán)上方,最后對角度測量裝置進行角度測量調(diào)試,并利用C+builder編寫了上位機程序顯示調(diào)試結(jié)果,上位機顯示的測量結(jié)果如圖6所示。從圖中的結(jié)果可以看出本裝置測量精度可以達到0.01密位,并且隨著圓環(huán)的直徑增大,精度將會越大

4結(jié)論

文中設(shè)計了一種基于磁柵位移傳感器的高精度角度測量系統(tǒng),詳細介紹了系統(tǒng)的測量原理,給出了總體設(shè)計電路圖,并通過實驗表明該角度測量系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、測量精度高等優(yōu)點,具有很高的研究意義和市場價值。

標簽： 磁柵尺   tsun磁柵控制器   數(shù)顯角度測量儀   數(shù)字位置指示儀   磁性位移測量儀   儀器儀表

文章出處:軍械工程學院 電子與光學工程系 金南