0 引言

    隨著精工技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的儀器設(shè)備對數(shù)據(jù)精密度的要求不斷提高^[1-2]。本實(shí)驗(yàn)室參與的工程項(xiàng)目——納米量子點(diǎn)蛋白質(zhì)芯片關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品研發(fā)所采用的微型移動平臺，經(jīng)過幾代的技術(shù)改進(jìn)，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(shí)前幾代所使用的傳統(tǒng)中小型移動平臺的多光耦定位電機(jī)已無法達(dá)到工作需求。所以，實(shí)驗(yàn)組在逐步縮小光耦體積、減少光耦數(shù)量的同時(shí)，采用一種新型定位技術(shù)，以便更進(jìn)一步提高平臺精準(zhǔn)度。

1 總體結(jié)構(gòu)與電機(jī)驅(qū)動

1.1 模塊化項(xiàng)目結(jié)構(gòu)

    納米量子點(diǎn)蛋白質(zhì)芯片關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)品研發(fā)項(xiàng)目設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，因?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目采用的是模塊化工程模式，即不同的實(shí)驗(yàn)組負(fù)責(zé)各自的模塊，其中主要分為結(jié)構(gòu)搭配與設(shè)計(jì)組、上位機(jī)軟件工程組和下位機(jī)硬件工程組3個(gè)方向。本實(shí)驗(yàn)組隸屬于下位機(jī)硬件工程組，在總體結(jié)構(gòu)中，實(shí)驗(yàn)組沒有直接參與或負(fù)責(zé)的部分已用虛線框注明。

1.2 電機(jī)的驅(qū)動

    在實(shí)際工程中，需同時(shí)考慮產(chǎn)品最優(yōu)化性能、維護(hù)成本及可操作性等因素，所以選用由微型四相電機(jī)所組成的xy軸單光耦十字移動工作滑臺。因?yàn)樗x用的移動平臺是由四相永磁式步進(jìn)電機(jī)和光耦共同搭建完成的，此電機(jī)在通常情況下可以由電壓直接驅(qū)動，但考慮到重定義相位、電機(jī)功率等原因，采用市面上已經(jīng)非常成熟的A4988芯片對電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動^[3]和保護(hù)。

    滑臺電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向與STM32電機(jī)方向引腳的高低電平有關(guān)。實(shí)驗(yàn)組根據(jù)電機(jī)實(shí)際情況，將輸出方向與電壓的關(guān)系建立如下公式：

式中，x為STM32下位機(jī)方向引腳輸出電壓。

    同時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度是通過改變STM32下位機(jī)速度引腳的脈沖頻率來控制的，速度引腳所產(chǎn)生的脈沖頻率越高，電機(jī)所對應(yīng)的移動速度越快。

    因?qū)嶋H電機(jī)受到靈敏度限制，只能識別一定范圍內(nèi)的脈沖頻率，所以實(shí)驗(yàn)組根據(jù)頻率要求將電機(jī)速度分為25個(gè)擋位，并通過部分源碼簡介電機(jī)速度與脈沖頻率間的關(guān)系^[4-5]。

    以下為電機(jī)控制部分一個(gè)周期脈沖所對應(yīng)的C語言程序源碼：

    PWM_X_ON；

    OSTimeDly(1)；

    PWM_X_OFF；

    OSTimeDly(Pulse_X_Time)；

    經(jīng)頭文件及宏定義之后，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(gè)節(jié)拍(1 ms)；隨后，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(shí)狀態(tài)維持，并等待下一個(gè)脈沖周期。此時(shí)，電機(jī)會相應(yīng)的移動一個(gè)位置，這里將移動路程記做1。

    由上述C語言程序源碼和周期條件可得出電機(jī)速度與周期頻率的關(guān)系如下：

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

2 光耦的原理及使用

    光耦的全稱為光耦合器，是誕生于20世紀(jì)70年代的一種新型器件，因其優(yōu)秀的抗干擾能力、工作穩(wěn)定性、持久性等特性在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中有著非常廣泛的應(yīng)用。

    原光耦理想電路如圖2所示，因其簡單結(jié)構(gòu)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(fā)送端分別接入了保護(hù)電阻^[6]。

    將接入保護(hù)電阻的光耦結(jié)構(gòu)通電后接入示波器，令電機(jī)以式(2)中v(0)速度運(yùn)行，其示波器中顯示的電壓與時(shí)間關(guān)系如圖3所示。

    從圖3中結(jié)果可以看出光耦的輸出電壓并非理想的跳變，這是由于光耦的結(jié)構(gòu)特性所決定的。

    光耦的接收端是由光敏電阻所構(gòu)成的，其阻值會隨著光強(qiáng)度變化而發(fā)生改變，而當(dāng)光耦滑臺產(chǎn)生移動時(shí)，滑臺所配套的遮光擋板處于勻速運(yùn)動，以至于無法在短時(shí)間內(nèi)完全阻擋發(fā)射光線，因此才會出現(xiàn)圖3所示現(xiàn)象。

    光耦電壓的這種不確定性，使得STM32電壓接收引腳無法準(zhǔn)確對其進(jìn)行捕獲，以至于無法對距離進(jìn)行準(zhǔn)確的把握。

    針對光耦的這一非理想因素，實(shí)驗(yàn)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(dāng)光耦輸入電壓大于一定范圍時(shí)遲滯比較器輸出高電平，光耦輸入電壓小于某一范圍時(shí)遲滯比較器將輸出低電平。

    此時(shí)，光耦結(jié)構(gòu)完整電路如圖4所示，并通過設(shè)置與實(shí)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(guān)系如式(3)所示：

式中，x代表光耦的輸入電壓。

    將完善后的電路圖并入實(shí)際工作電路，經(jīng)過示波器實(shí)際測量，光耦輸出電壓與時(shí)間的關(guān)系如圖5所示。

    最后，實(shí)驗(yàn)組得出準(zhǔn)確STM32輸出脈沖次數(shù)與電機(jī)移動距離關(guān)系，如式（4）所示：

式中，x為STM32下位機(jī)輸出的脈沖次數(shù)，經(jīng)計(jì)算最大脈沖數(shù)值為4 439。

3 光耦電機(jī)結(jié)構(gòu)與新型定位技術(shù)

    針對前幾代雙光耦電機(jī)因體積原因無法準(zhǔn)確定位的缺陷，實(shí)驗(yàn)組在進(jìn)一步將電機(jī)微型化的條件下，構(gòu)建了微型xy軸單光耦十字移動工作滑臺。并采用了一種新型的定位技術(shù)——數(shù)值邊界定位算法，有效克服了只能適用于中小型移動平臺的雙光耦電機(jī)所存在的缺點(diǎn)^[8]。

    xy軸單光耦十字移動工作滑臺其結(jié)構(gòu)分為x、y兩軸，每一個(gè)軸分別由對應(yīng)的電機(jī)、光耦和遮光擋板所構(gòu)成。在這里，只單例出其中x軸來進(jìn)行分析，y軸同理。其x軸的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

    因?yàn)閤y軸單光耦十字移動工作滑臺是一個(gè)微型平臺，即使選配體積極小的光耦和遮光擋板，仍然會占據(jù)大量空間，所以，光耦的跳變對輸出有了不同的意義：當(dāng)遮光擋板進(jìn)入光耦時(shí)，光耦會輸出一個(gè)低電平，并始終保持；當(dāng)遮光擋板離開光耦時(shí)，光耦的輸出電平會被拉高，并始終保持直到遮光擋板再次進(jìn)入光耦，電平拉低。所以，新的光耦輸出電壓與電機(jī)移動距離關(guān)系如圖7所示。

    在此，重新定義STM32所輸出的一個(gè)脈沖，對應(yīng)電機(jī)移動距離為單位1。

    因此，本文提出的數(shù)值邊界定位技術(shù)，通過多次實(shí)驗(yàn)分別測得圖6中的X_Left和X_Right距離所需的脈沖次數(shù)，再從復(fù)以上實(shí)驗(yàn)步驟，多次測量得到X_Left+X_Right的總長脈沖次數(shù)記做XY_Test(因?yàn)閷?shí)際工程中存在X、Y相同的兩個(gè)電機(jī))。以上數(shù)據(jù)對y軸電機(jī)同樣適用。通過多次的實(shí)驗(yàn)測量和計(jì)算分別得出X_Left=2 034、X_Righ=2 445、XY_Test=4 439。

    在啟動系統(tǒng)之前，因?yàn)闊o法得知電機(jī)所在位置，所以需要對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始化^[9]，以下為針對此電機(jī)的初始化算法步驟：

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

    (2)電機(jī)向左移動離開光耦時(shí)，光耦電平由低變高，電機(jī)向右移動進(jìn)入光耦時(shí)，光耦電平被拉低。所以，無論遮光擋板是離開還是進(jìn)入光耦，都會產(chǎn)生一個(gè)跳變信號。若已捕獲到這一跳變信號，則說明電機(jī)遮光擋板已經(jīng)運(yùn)行至臨界點(diǎn)。

    (3)給予電機(jī)一個(gè)向右的方向和X_Right的距離，此時(shí)遮光擋板運(yùn)行至電機(jī)起點(diǎn)位置。

    光耦電機(jī)初始化流程如圖8所示。

    當(dāng)電機(jī)x、y軸同時(shí)運(yùn)動時(shí)，此技術(shù)仍然適用，只需要添加對二者邊界的判決條件，構(gòu)造如下函數(shù)：

式中，i表示次電機(jī)上電后所運(yùn)行的次數(shù)，d_i(x₁)由式(1)定義為電機(jī)第i次運(yùn)動方向，s_i(x₂)由式(4)定義為電機(jī)第i次運(yùn)行距離的絕對值。

    因此，若想要時(shí)刻得到電機(jī)的絕對位置并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(dāng)前操作電機(jī)的次數(shù)，x₁、x₂分別為x軸所對應(yīng)方向電壓和距離，y₁、y₂分別為y軸所對應(yīng)的方向電壓與距離，f(x，y)為式(5)所構(gòu)建電機(jī)一次的運(yùn)動距離。

    若z值超出了已經(jīng)給定的數(shù)值邊界，則下位機(jī)將向PC上位機(jī)返回警告信號。

4 結(jié)論

    與前幾代雙光耦電機(jī)定位技術(shù)的局限性不同，單光耦電機(jī)的數(shù)值邊界定位技術(shù)適用于多種電機(jī)工作平臺，有較好的可移植性，尤其在微型電機(jī)平臺有著顯著的優(yōu)勢。它可以避免因測量精確度限制導(dǎo)致的誤差，并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(shù)也存在的相應(yīng)的缺點(diǎn)，電機(jī)的運(yùn)行過度依賴于軟件的程序，對硬件故障無法及時(shí)地做出反饋。可能導(dǎo)致的問題之一是，如果旋轉(zhuǎn)電機(jī)出現(xiàn)滑絲現(xiàn)象，單從軟件是無法得到這一結(jié)論的。

    所以在后期的工作之中，實(shí)驗(yàn)組將會系統(tǒng)地對工程進(jìn)行完善，將對硬件的檢測部分加入到工作內(nèi)容之中，并且在現(xiàn)有的基礎(chǔ)之上，對電機(jī)的運(yùn)動進(jìn)行維度拓展，將之后的工作重心轉(zhuǎn)移到第三維度的處理與應(yīng)用。

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作者信息:

楊曉昆，張正平，張  燦，趙  麒

（貴州大學(xué) 大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院，貴州 貴陽550000）