05.24 基於STM32的新型光耦電機定位技術

0 引言

隨著精工技術的不斷髮展，越來越多的儀器設備對數據精密度的要求不斷提高^[1-2]。本實驗室參與的工程項目——納米量子點蛋白質芯片關鍵技術及產品研發所採用的微型移動平臺，經過幾代的技術改進，不斷將控制平臺微型化，對儀器平臺精密定位的要求也在不斷提高。此時前幾代所使用的傳統中小型移動平臺的多光耦定位電機已無法達到工作需求。所以，實驗組在逐步縮小光耦體積、減少光耦數量的同時，採用一種新型定位技術，以便更進一步提高平臺精準度。

納米量子點蛋白質芯片關鍵技術及產品研發項目設備總體結構如圖1所示，因實驗項目採用的是模塊化工程模式，即不同的實驗組負責各自的模塊，其中主要分為結構搭配與設計組、上位機軟件工程組和下位機硬件工程組3個方向。本實驗組隸屬於下位機硬件工程組，在總體結構中，實驗組沒有直接參與或負責的部分已用虛線框註明。

1.2 電機的驅動

在實際工程中，需同時考慮產品最優化性能、維護成本及可操作性等因素，所以選用由微型四相電機所組成的xy軸單光耦十字移動工作滑臺。因為所選用的移動平臺是由四相永磁式步進電機和光耦共同搭建完成的，此電機在通常情況下可以由電壓直接驅動，但考慮到重定義相位、電機功率等原因，採用市面上已經非常成熟的A4988芯片對電機進行驅動^[3]和保護。

滑臺電機的轉動方向與STM32電機方向引腳的高低電平有關。實驗組根據電機實際情況，將輸出方向與電壓的關係建立如下公式：

式中，x為STM32下位機方向引腳輸出電壓。

同時，電機轉動的速度是通過改變STM32下位機速度引腳的脈衝頻率來控制的，速度引腳所產生的脈衝頻率越高，電機所對應的移動速度越快。

因實際電機受到靈敏度限制，只能識別一定範圍內的脈衝頻率，所以實驗組根據頻率要求將電機速度分為25個擋位，並通過部分源碼簡介電機速度與脈衝頻率間的關係

以下為電機控制部分一個週期脈衝所對應的C語言程序源碼：

PWM_X_ON；

OSTimeDly(1)；

PWM_X_OFF；

OSTimeDly(Pulse_X_Time)；

經頭文件及宏定義之後，第1行源碼的效果是拉高x軸速度引腳電平；第2行源碼將速度引腳高電平延遲一個節拍(1 ms)；隨後，通過第3行源碼拉低x軸速度引腳電平；第4行源碼將此時狀態維持，並等待下一個脈衝週期。此時，電機會相應的移動一個位置，這裡將移動路程記做1。

由上述C語言程序源碼和週期條件可得出電機速度與週期頻率的關係如下：

式中，n為第4行源碼中所接收的上位機Pulse_X_Time參數所代表擋位。

2 光耦的原理及使用

光耦的全稱為光耦合器，是誕生於20世紀70年代的一種新型器件，因其優秀的抗干擾能力、工作穩定性、持久性等特性在實際工業生產中有著非常廣泛的應用。

原光耦理想電路如圖2所示，因其簡單結構無法滿足電路的安全與功能需求，所以在光耦電路的接收和發送端分別接入了保護電阻^[6]。

將接入保護電阻的光耦結構通電後接入示波器，令電機以式(2)中v(0)速度運行，其示波器中顯示的電壓與時間關係如圖3所示。

從圖3中結果可以看出光耦的輸出電壓並非理想的跳變，這是由於光耦的結構特性所決定的。

光耦的接收端是由光敏電阻所構成的，其阻值會隨著光強度變化而發生改變，而當光耦滑臺產生移動時，滑臺所配套的遮光擋板處於勻速運動，以至於無法在短時間內完全阻擋發射光線，因此才會出現圖3所示現象。

光耦電壓的這種不確定性，使得STM32電壓接收引腳無法準確對其進行捕獲，以至於無法對距離進行準確的把握。

針對光耦的這一非理想因素，實驗組最終提出將光耦電路輸出端接入遲滯比較器的解決方案^[7]。遲滯比較器的作用是當光耦輸入電壓大於一定範圍時遲滯比較器輸出高電平，光耦輸入電壓小於某一範圍時遲滯比較器將輸出低電平。

此時，光耦結構完整電路如圖4所示，並通過設置與實際測量，最終得到遲滯比較器輸出電壓與光耦輸入電壓間的關係如式(3)所示：

式中，x代表光耦的輸入電壓。

將完善後的電路圖併入實際工作電路，經過示波器實際測量，光耦輸出電壓與時間的關係如圖5所示。

最後，實驗組得出準確STM32輸出脈衝次數與電機移動距離關係，如式（4）所示：

式中，x為STM32下位機輸出的脈衝次數，經計算最大脈衝數值為4 439。

3 光耦電機結構與新型定位技術

針對前幾代雙光耦電機因體積原因無法準確定位的缺陷，實驗組在進一步將電機微型化的條件下，構建了微型xy軸單光耦十字移動工作滑臺。並採用了一種新型的定位技術——數值邊界定位算法，有效克服了只能適用於中小型移動平臺的雙光耦電機所存在的缺點

xy軸單光耦十字移動工作滑臺其結構分為x、y兩軸，每一個軸分別由對應的電機、光耦和遮光擋板所構成。在這裡，只單例出其中x軸來進行分析，y軸同理。其x軸的結構如圖6所示。

因為xy軸單光耦十字移動工作滑臺是一個微型平臺，即使選配體積極小的光耦和遮光擋板，仍然會佔據大量空間，所以，光耦的跳變對輸出有了不同的意義：當遮光擋板進入光耦時，光耦會輸出一個低電平，並始終保持；當遮光擋板離開光耦時，光耦的輸出電平會被拉高，並始終保持直到遮光擋板再次進入光耦，電平拉低。所以，新的光耦輸出電壓與電機移動距離關係如圖7所示。

在此，重新定義STM32所輸出的一個脈衝，對應電機移動距離為單位1。

因此，本文提出的數值邊界定位技術，通過多次實驗分別測得圖6中的X_Left和X_Right距離所需的脈衝次數，再從復以上實驗步驟，多次測量得到X_Left+X_Right的總長脈衝次數記做XY_Test(因為實際工程中存在X、Y相同的兩個電機)。以上數據對y軸電機同樣適用。通過多次的實驗測量和計算分別得出X_Left=2 034、X_Righ=2 445、XY_Test=4 439。

在啟動系統之前，因為無法得知電機所在位置，所以需要對整體結構進行初始化^[9]

(1)判斷光耦輸出端的電平，如果是低電平，即說明遮光擋板位於光耦內，給予電機一個向右移動的命令；如果是高電平，說明遮光擋板位於光之外，給予電機一個向左移動的命令。

(2)電機向左移動離開光耦時，光耦電平由低變高，電機向右移動進入光耦時，光耦電平被拉低。所以，無論遮光擋板是離開還是進入光耦，都會產生一個跳變信號。若已捕獲到這一跳變信號，則說明電機遮光擋板已經運行至臨界點。

(3)給予電機一個向右的方向和X_Right的距離，此時遮光擋板運行至電機起點位置。

光耦電機初始化流程如圖8所示。

當電機x、y軸同時運動時，此技術仍然適用，只需要添加對二者邊界的判決條件，構造如下函數：

式中，i表示次電機上電後所運行的次數，d_i(x₁)由式(1)定義為電機第i次運動方向，s_i(x₂)由式(4)定義為電機第i次運行距離的絕對值。

因此，若想要時刻得到電機的絕對位置並判斷是否越過邊界條件則需要公式如下：

式中，m、n分別為x、y軸當前操作電機的次數，x₁、x₂分別為x軸所對應方向電壓和距離，y₁、y₂分別為y軸所對應的方向電壓與距離，f(x，y)為式(5)所構建電機一次的運動距離。

若z值超出了已經給定的數值邊界，則下位機將向PC上位機返回警告信號。

4 結論

與前幾代雙光耦電機定位技術的侷限性不同，單光耦電機的數值邊界定位技術適用於多種電機工作平臺，有較好的可移植性，尤其在微型電機平臺有著顯著的優勢。它可以避免因測量精確度限制導致的誤差，並且從軟件方面著手大大減少了硬件工程所需的工作量。

但是該技術也存在的相應的缺點，電機的運行過度依賴於軟件的程序，對硬件故障無法及時地做出反饋。可能導致的問題之一是，如果旋轉電機出現滑絲現象，單從軟件是無法得到這一結論的。

所以在後期的工作之中，實驗組將會系統地對工程進行完善，將對硬件的檢測部分加入到工作內容之中，並且在現有的基礎之上，對電機的運動進行維度拓展，將之後的工作重心轉移到第三維度的處理與應用。

參考文獻

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作者信息:

楊曉昆，張正平，張 燦，趙 麒

（貴州大學 大數據與信息工程學院，貴州 貴陽550000）

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