CN106873434A - 一种嵌入式标定平台控制系统 - Google Patents

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    • G—PHYSICS
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Abstract

一种嵌入式标定平台控制系统，由PC机、运动控制板、伺服驱动器、伺服电机、光栅尺以及机械传动机构等部分组成。采用“PC机+运动控制板+光栅尺”的全闭环控制架构，实现低速、高稳定性、高精度的运动控制的目的，使位置精度达到微米级的要求。该控制系统在伺服电机控制方面采用开环和闭环控制相结合的方式，不仅提高了平台的定位精度，还减轻了处理器的运算压力，提高了软件的实时性。

Description

一种嵌入式标定平台控制系统
所属技术领域
本发明涉及一种嵌入式标定平台控制系统，适用于机械领域。
背景技术
随着海洋战略计划的逐步实施和海洋探索的进一步深入，海洋探测技术的发展得到了各国的重视。海流作为海洋水文的基本要素，是海洋调查和物理海洋学研究的基础。但目前研究还不够，没有经济、有效的深海海流计，故亟待研制一种工作稳定、精度高，适于恶劣环境的经济型深海海流传感器。传感器的标定与检测作为传感器研制过程中的重要环节，故经济型标定平台的研制也成了传感器研制一项重要内容。
发明内容
本发明提出了一种嵌入式标定平台控制系统，采用“PC机+运动控制板+光栅尺”的全闭环控制架构，实现低速、高稳定性、高精度的运动控制的目的，使位置精度达到微米级的要求。
本发明所采用的技术方案是：所述基于STM32控制器搭建的全闭环交流伺服控制系统由PC机、运动控制板、伺服驱动器、伺服电机、光栅尺以及机械传动机构等部分组成。
所述控制系统的上位机控制部分选用装有Windows系统的PC机对运动控制板进行控制。用户程序数据通过USB串口模块传送给下位机。下位机是基于UC/OS-II实时操作系统STM32微处理器的运动控制板。运动控制板接收上位机的指令信息，将其解析成速度、脉冲和方向信号输出给伺服驱动器，同时接受三维标定平台的反馈回光栅尺信号，实时对其控制信号进行计算、修正。伺服驱动器进一步对运动控制卡的指令信号转化为电机运行所需的指令信息，保证电机的平稳和精确运行。
所述控制系统选用的处理器为STM32F103zETT6，不仅能够满足现阶段的要求而且为以后的功能升级提供了硬件基础。其控制板主要由电源、JTAG调试、SRAM、FLASH、串口通信、位置检测和GPIO输出模块组成。用于下载和调试程序代码的JTAG模块；光栅尺及主控制板所需的5V和3.3V供电的电源模块；由Renishaw光栅尺和外围的滤波电路组成的位置检测模块，主控制器内部的计数器通过对脉冲的检测，计算出各轴当前的运行速度和位置；监视标定平台的运行状态，同时对主控制器发送回来的数据进行储存，方便后续分析的上位机部分；以及与伺服电机和光栅尺进行通信的GPIO输出模块，伺服电机运动的PWM脉冲信号、方向信号、轴选择信号以及接受光栅尺经过位置检测装置反馈回来的速度和位置信号。
所述控制系统选用了TI公司的STM32F103ZETT6主控制器，搭载UC/OS—II多任务实时操作系统。来调度下列任务：光栅尺AB相计数、串口命令解析、伺服电机控制及零位节任务。
本发明的有益效果是：该控制系统在伺服电机控制方面采用开环和闭环控制相结合的方式，不仅提高了平台的定位精度，还减轻了处理器的运算压力，提高了软件的实时性；上位机采用基于LabVIEW的界面设计，直观监测标定平台的运行状态，并后台存储重要的数据信息。通过实验验证该控制系统满足标定平台速度稳定、定位精度高和低速运行的要求。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的系统总体构成示意图。
图2是本发明的控制板模块框架图。
图3是本发明的信号传输示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1，控制系统由PC机、运动控制板、伺服驱动器、伺服电机、光栅尺以及机械传动机构等部分组成。
控制系统的上位机控制部分选用装有Windows系统的PC机对运动控制板进行控制。用户程序数据通过USB串口模块传送给下位机。下位机是基于UC/OS-II实时操作系统STM32微处理器的运动控制板。运动控制板接收上位机的指令信息，将其解析成速度、脉冲和方向信号输出给伺服驱动器，同时接受三维标定平台的反馈回光栅尺信号，实时对其控制信号进行计算、修正。伺服驱动器进一步对运动控制卡的指令信号转化为电机运行所需的指令信息，保证电机的平稳和精确运行。
如图2，控制系统选用的处理器为STM32F103zETT6，不仅能够满足现阶段的要求而且为以后的功能升级提供了硬件基础。其控制板主要由电源、JTAG调试、SRAM、FLASH、串口通信、位置检测和GPIO输出模块组成。用于下载和调试程序代码的JTAG模块；光栅尺及主控制板所需的5V和3.3V供电的电源模块；由Renishaw光栅尺和外围的滤波电路组成的位置检测模块，主控制器内部的计数器通过对脉冲的检测，计算出各轴当前的运行速度和位置；监视标定平台的运行状态，同时对主控制器发送回来的数据进行储存，方便后续分析的上位机部分；以及与伺服电机和光栅尺进行通信的GPIO输出模块，伺服电机运动的PWM脉冲信号、方向信号、轴选择信号以及接受光栅尺经过位置检测装置反馈回来的速度和位置信号。
如图3，控制系统选用了TI公司的STM32F103ZETT6主控制器，搭载UC/OS—II多任务实时操作系统。来调度下列任务：光栅尺AB相计数、串口命令解析、伺服电机控制及零位节任务。
UC/OS—II是基于优先级的可剥夺型内核，系统中所有任务都有唯一的优先级，适合应用于实时性要求较强的场合。
首先，在main函数中创建Start_Task任务用于进行外部设备的初始化、信号量Rec_Sere、消息邮箱Motor_Msg和Count_Msg的定义。其次，进入临界区创建以上4个任务并设置相应优先级。然后将Start—Task挂起。创建的Rec_Sere主要用于串口命令解析与零位调节任务之间的通信；Motor_Msg则用来串口命令解析与三轴的伺服电机控制任务之间数据通信；Count_Msg是用于光栅尺计数与伺服电机控制任务之间的数据通信。通过上位机设定目标位置及运行的速度，根据已经编好的协议通过串口与下位机进行通信，通过串口中断服务函数保存所接收到的数据。通过解析任务获得所需的速度、位置、方向、零位等信号，将串口命令解析任务挂起，并通过Motor_Msg将数据信号传递给伺服电机控制任务，微处理器接收速度、位置信号分别向x、y、z三轴伺服电机发送相应的PWM信号。在位置模式下，各轴电机的运动速度取决于PWM脉冲信号频率，而位移则取决于PWM脉冲信号的总个数。在平台运行过程中光栅尺实时测量相对位移及反馈于下位机位置信号。下位机的定时器在编码器模式下对相应的光栅尺信号进行计数，同时通过消息邮箱Count_Msg把数据传递给伺服电机控制任务，经运算输出相应的控制信息，以保障精确地到达目标位置。设置零位调节任务的优先级为最高级，当下位机接收到上位机的复位信号时优先执行，回到起始位置，以达到复位效果。

Claims (6)

1.一种嵌入式标定平台控制系统，其特征是：所述基于STM32控制器搭建的全闭环交流伺服控制系统由PC机、运动控制板、伺服驱动器、伺服电机、光栅尺以及机械传动机构等部分组成。
2.根据权利要求1所述的一种嵌入式标定平台控制系统，其特征是：所述控制系统的上位机控制部分选用装有Windows系统的PC机对运动控制板进行控制。
3.用户程序数据通过USB串口模块传送给下位机。
4.根据权利要求1所述的一种嵌入式标定平台控制系统，其特征是：所述下位机是基于UC/OS-II实时操作系统STM32微处理器的运动控制板，运动控制板接收上位机的指令信息，将其解析成速度、脉冲和方向信号输出给伺服驱动器，同时接受三维标定平台的反馈回光栅尺信号，实时对其控制信号进行计算、修正。
5.根据权利要求1所述的一种嵌入式标定平台控制系统，其特征是：所述控制系统选用的处理器为STM32F103zETT6，不仅能够满足现阶段的要求而且为以后的功能升级提供了硬件基础，其控制板主要由电源、JTAG调试、SRAM、FLASH、串口通信、位置检测和GPIO输出模块组成。
6.根据权利要求1所述的一种嵌入式标定平台控制系统，其特征是：所述控制系统选用了TI公司的STM32F103ZETT6主控制器，搭载UC/OS—II多任务实时操作系统。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN107435284A (zh) * 2017-09-06 2017-12-05 中国铁道科学研究院 闭环控制的轨道检查仪检定台及检定方法
CN108205291A (zh) * 2017-10-27 2018-06-26 北京精密机电控制设备研究所 一种伺服机构的零位在线调节方法
CN109507991A (zh) * 2018-12-25 2019-03-22 中国兵器装备集团自动化研究所 一种双轴伺服控制平台调试系统及方法

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