基于PSD的步进电机控制系统范文

1系统的组成与原理

系统由硬件和软件两大部分组成，系统硬件主要由步进电机控制台、数据采集模块、标定装置、光斑压缩装置、PSD、位置控制计算机等部分组成。基于PSD的步进电机控制系统的设计原理是光束照射到PSD上产生微弱的电流信号，微弱的电流信号经过I/V转换模块、放大电路模块和A/D数据采集模块实现光斑信号采集、I/V转换、放大和A/D转换;再将转换后的光斑位置信号送入位置控制计算机，通过软件对光斑位置信号处理分析从而控制步进电机控制台的运行方向和步长，并在LabVIEW虚拟平台上实时显示光斑位置坐标和步进电机控制台运行情况，其构成如图1所示。软件部分可分为三个模块，包括采集卡驱动模块、光斑实时显示模块及步进电机算法模块。采集卡驱动模块为虚拟仪器对硬件的编程提供了软件接口，实现光斑数据的获取;光斑实时显示模块将获取的数据进行一系列的运算处理，通过软件自身的显示控件将光斑在PSD上的位置实时的显示出来;步进电机算法模块根据事先编好的算法程序对处理好的光斑位置信息进行运算，从而通过串口控制步进电机控制台的运行方向和步长。

2系统软件的实现

基于PSD的步进电机控制系统中，上位机对步进电机控制器的控制以及两者之间的数据传输是通过RS—232串口通信实现的，步进电机控制控制器与步进电机控制台相连，即可以通过上位PC运行步进电机控制系统。LabVIEW软件中提供了串口通信与数据处理功能的VISA模块，利用VISA功能模块可以实现步进电机控制系统中上位机与步进电机控制器的数据传输。

3位置控制关系与精度影响

3．1位置控制关系设PSD—1面阵上任意一点的坐标为(x1，y1)，PSD—2面阵上任意一点的坐标为(x2，y2)，其控制流程图如图2所示。

3．2光斑直径对控制精度的影响激光光斑直径随着光束照射距离的增加而增加，照射在PSD上的光斑直径越大，PSD检测到的光斑能量密度中心位置波动越大;通过光斑压缩装置，将光斑直径压缩在1mm以内，从而有效提高PSD对光斑位置的测量精度，光斑压缩前后坐标位置波动如表1、表2所示。由表中数据计算可得光斑位置标准差为:光斑直径未压缩时，光斑坐标X轴方向波动值σx=0．1487mm、Y轴方向波动值σy=0．1367mm;当光束直径压缩后，光斑坐标X轴方向波动值σx=0．0132mm、Y轴方向波动值σy=0．0112mm;综合所得数据可知，激光光束经过压缩后，PSD对光斑位置的测量精度得到了很大的提高，从而可以有效提高系统的控制精度。

3．3步长对控制精度的影响在理想状态下，控制系统可以控制标定装置到达预设的空间位置，但步长设置的大小对定位精度存在不可忽略的影响，其数据如表3所示。由表3所测数据可知，标定装置的定位精度与步进电机所设步长存在一定的关系，所设定步长越大，步进电机控制标定装置定位的精度越差;实际操作控制中，步长设定并不是越小越好，步长设定的太小将导致工作效率低;该控制系统中采用分步法解决步长与精度问题，即标定装置距离预设点较大时，控制步进电机每执行一次所走步长较大，标定装置距离预设点较小时，控制步进电机执行一次所走步长较小，从而解决因所设步长较大所引起的定位精度较差和所设步长较小工作效率低的问题。

4实验

实验时，通过位置控制计算机控制步进电机控制台的移动，直至两束激光光斑在PSD上同时显示(0．0，0．0)mm，最终获得标定装置基准面和标准三角件的阴影图像如图3所示，所测数据如表4所示。标准三角件的A边长度为129．70mm、B边长度为112．46mm、C边长度为64．85mm，通过调节好的照相站正交摄影后，对摄影图像进行判读，计算得出标准三角件A，B，C三边的边长大小。由表4所测数据可知，标准三角件A边边长标准差LA=0．56mm、B边边长标准差LB=0．59mm、C边边长标准差LC=0．93mm;计算得到的标准三角件的三边边长与标准三角件的实际长度相差小于1mm，多组照相站的空间坐标标定精度优于1mm，实验结果表明:基于PSD的步进电机控制系统运用到弹道靶道照相站空间坐标标定体系中，有效提高了标定装置的定位精度，该控制系统是可行的。

5结论

基于PSD步进电机控制系统构成的靶道空间坐标基准体系，通过LabVIEW控制面板能够实时有效地以较高精度实现靶道照相站空间坐标的标定。经过对实验数据的处理表明:基于PSD的步进电机控制系统结构合理，性能稳定，操作方便，定位精度高，具有实用价值。

作者：徐伟龙 顾金良 郭睿 罗红娥 夏言 王康 单位：南京理工大学 瞬态物理重点实验室