基于STM32的全自動貼片機控制系統設計與實現

， ， ，，

(浙江工業大學 信息工程學院，杭州 310023)

0 引言

近年來現代電子技術發展迅速，電子設備的生產和制造正向著智能化、高速化、高精度等方向發展，電子組裝技術的快速發展是現代電子技術發展的重要體現[1-2]。表面貼裝技術(SMT)是目前電子組裝行業里最流行的一種技術和工藝,是一種涉及多項內容，將電子元器件貼裝到PCB電路板上的綜合技術[3]。人們對貼片機控制系統的研究取得了一些成果，如文獻[4-5]設計了一種由工控機、運動控制卡和步進電機驅動器組成的貼片機控制方法；文獻[6]設計了一種由PLC和步進電機驅動器組成的貼片機控制系統；文獻[7]設計了一種基于DSP微處理器的運動控制板和伺服驅動系統組成的貼片機控制系統；文獻[8]設計了一種緊湊型貼片機異構多核可編程自動化控制器(PAC)[9-10]；文獻[11]中設計了一種基于STM32F10X系列微處理器的控制系統，但是都沒有設計良好的閉環控制器。

在位置精度控制研究中，傳統的PID控制算法以其結構簡單、易實現等優點仍被廣泛應用，但是常規的PID控制算法對多變量、強耦合的非線性系統難以達到理想的控制效果。為此，人們探索了一些智能算法應用于貼片機控制系統中的位置精度控制，如模糊邏輯控制[12]、自適應模糊PID控制[13]、BP神經網絡控制[14]、RBF神經網絡自適應控制[15]。相比傳統的PID控制，智能算法的應用在一定程度上提高了位置控制精度，但是以上算法中沒有很好的考慮了系統內外干擾對貼片精度的影響。

根據以上所述，本文設計了基于STM32微處理器的貼片機運動控制系統，并且在位置精度控制中，考慮了內外擾動對系統的影響，設計了基于ADRC的閉環位置跟蹤控制器[16]，其線性擴張狀態觀測器(LESO)能夠實時估計系統內外擾動，并通過設計的誤差補償控制律進行補償，實現較高精度的位置跟蹤控制。在實際貼片機控制系統測試中，系統運行穩定，抗干擾性較好，位置精度較高，滿足了貼片機控制系統的要求，表明了所設計的控制算法的有效性及控制系統具有一定的應用價值。

1 系統結構及原理

貼片機控制系統主要包括：貼片機架構、上位機軟件、運動控制器。系統的整體框圖如圖1所示。上位機部分主要完成PCB板數據信息的存儲和解析，并通過串口通信下發到運動控制器，數據信息包括元器件的種類、對應位置的坐標、對應取料的料站編號、速度等；運動控制器接收并解析來自上位機軟件的數據信息，根據相應的控制命令控制執行機構運行，同時，運動控制器實時接收來自執行機構反饋的位置信息，通過閉環控制器進行位置跟蹤精度控制；595外擴I/O模塊用于控制料站送料氣壓開關的電磁閥；五個步進電機驅動器分別驅動X，Y軸、機頭上下移動的Z軸、吸嘴旋轉電機1和2；正負壓氣泵分別完成料站送料和吸嘴取放料。

圖1 系統整體框架圖

2 系統硬件設計

貼片機控制器硬件結構如圖2所示，其控制核心是STM32F103C8T6微處理器，主要模塊有：串口通信模塊、USB接口模塊、步進電機驅動模塊、Flash存儲模塊、編碼器數據采集模塊等。

圖2 系統硬件結構圖

2.1 串口通信模塊

為了實現運動控制器與工控PC機之間的數據信息快速交互，工控PC機與運動控制器之間采用串口通信模式。根據實際控制要求設定上下位機的通信協議，根據通信協議，工控PC機將PCB版圖中相關的元器件數量、位置坐標等信息以及控制命令等通過串口通信模塊下發到下位機，控制器收到相應數據信息和控制命令后執行操作。

2.2 USB接口模塊

USB接口模塊的設計主要是用于下位機運動控制系統的程序更新。為了方便日常生產中因需求改變需遠程對程序進行升級，進而設計了可通過USB接口離線程序更新升級功能，該功能極大方便了系統的升級。

2.3 電機驅動模塊

在整個控制系統中總共有5個步進電機，控制機頭縱向和橫向運行的X，Y軸，選用型號為DM756D的步進電機驅動器，機頭上下移動的Z軸電機和吸嘴角度旋轉電機1和電機2均使用型號為HB420驅動器，旋轉電機是為滿足PCB板上元器件不同角度的貼放?？刂茩C頭縱向和橫向運行的X，Y軸電機是需要高精度控制，因此在這兩個步進電機控制中添加了閉環控制器來提高位置精度，每個步進電機都安裝編碼器實時反饋信息，當出現失步的現象時，閉環控制器會自動進行補償來出現的控制偏差。

2.4 Flash存儲模塊

該存儲模塊主要用于存儲上位機下發的各類PCB版圖中元器件信息，包括數量、位置坐標、角度、產量等數據信息；用于存儲運動控制過程中系統采集反饋等相關數據信息。

2.5 編碼器數據采集模塊、

系統位置信息的實時反饋由編碼器完成，為了能提高貼片機的位置跟蹤精度，設置了閉環控制，根據編碼器反饋的實時位置信息與系統設定的參考軌跡信息作差可得到位置的誤差信息，進而根據誤差信息作反饋控制，進一步提高位置的跟蹤精度，從而提高貼片機的貼片精度。

2.6 電源穩壓部分

正壓氣泵直接由220 V電源供電，電機驅動器的供電電壓為24 V，芯片供電電壓為3.3 V，為了能夠使得電源處的電壓穩定、波紋小，我們采用220 V的電源輸入經開關電源調節分別輸出所需24 V和5 V的電壓，芯片所需的電壓由 SPX117-3.3轉化得到3.3 V電壓。

2.7 電磁閥控制電路部分

該系統中總共有48個獨立料盤，通過一個總的正壓氣泵來分別驅動對應的料盤，由電磁閥來控制氣壓開關，當吸嘴在對應的料盤完成一次取料后，電磁閥完成一次開閉，相應的料盤送料一次。由于48個料盤對應48個電磁閥，因此需要有48個對應的I/O口，故通過6片595芯片級聯的形式擴展成48個I/O口，正好滿足系統需求。吸嘴在取放元器件過程中需要有正負壓的氣泵協同工作，因此，系統設計了一個正壓和一個負壓氣泵來完成取放料。

2.8 X,Y軸位置精度控制

貼片機X，Y軸運動控制的工作狀態是高加速、高速的點到點之間的運行，并且要實現高精度的位置跟蹤。為了達到運動控制系統平穩、快速、精確位置跟蹤的要求，關鍵在于設計有效的控制算法實現誤差補償控制，特別是針對系統位置的內外干擾，這些干擾隨著系統工作狀態的變化而變化，具有很強的非線性，例如系統因步進電機快速啟停，容易出現抖動，這就會對貼裝的精度產生影響，因此需要通過控制器設計有效的算法進行補償。

2.8.1 傳統的PID控制算法

PID控制算法一直以來是工業控制中應用最為廣泛的算法，其最大的優點就是不需要被控對象精確的數學模型來進行復雜的理論計算，只要在線根據被控量與給定值之間的偏差以及偏差的變化率等簡單的參數，將偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構成新的控制量，對被控對象進行控制，PID的控制結構圖如圖3所示。

圖3 PID控制結構圖

其控制算法表示如下：

(1)

2.8.2 自抗擾控制算法

ADRC是一種集經典控制理論和現代控制理論的算法，該算法由經典的PID算法演變而來，采用了PID誤差反饋控制的核心思想，ADRC的核心是將系統未建模動態和未知外界干擾都歸結為對系統的“總擾動”，通過擴張狀態觀測器進行估計，并設計相應的誤差補償控制律進行補償。

設計基于線性自抗擾控制(LADRC)的單軸位置跟蹤控制器，包括設計線性跟蹤微分器(LTD)，線性擴張狀態觀測器(LESO)和線性反饋控制律，其控制結構如圖4所示。

圖4 自抗擾控制結構圖

設計線性跟蹤微分器，安排過渡過程給定信號xi0作為參考輸入，經過跟蹤微分器獲得參考位置的近似微分信號xvi(k)，同時還可以獲得參考位置的過渡值xpi(k)，將設定的參考信號平滑化，防止產生超調，其形式如下：

(2)

其中：ri為跟蹤微分器的快速因子，fhi(k)為xvi(k)的微分值。

設計線性擴張狀態觀測器，對系統的狀態和總和干擾(系統的內外干擾)進行實時估計與補償，其形式如下：

(3)

(4)

其中epi(k)，evi(k)分別為第i軸系統的給定信號過渡值xpi(k)與位置估計值zpi(k)的誤差，給定信號的微分值xvi(k)與速度估計值zvi(k)的誤差，ui0(k)為誤差反饋控制量，ui(k)為最終的控制量。

3 系統軟件設計

整個貼片機軟件系統主要由上位機軟件和下位機軟件組成，如圖5所示。

圖5 系統軟件結構圖

上位機軟件是在Windows7操作系統下，基于Visual Studio環境開發的。由圖5可以看出，上位機軟件包括人機交互界面設計以及上位機與下位機協調程序設計等，其主要負責系統的總體管理，由多個操作界面組成，包括：開機主界面、文件管理界面、手動調試界面、自動運行界面、生產監測界面等，相應的PCB板數據信息通過串口依次發送到下位機。

下位機系統軟件編譯環境采用ARM公司推出的針對各種嵌入式處理器的軟件開發工具RealView MDK，它提供了完善的設備調試和軟件仿真功能，包含了眾多的案例模板和固件實例，支持多種調試接口(如UART、JTAG 及JLINK等)，可大大減小開發難度，縮短開發周期[12]。下位機系統軟件主要包括：貼片機運動控制系統、生產運行監測系統、PCB數據管理系統、安全保護系統等，其主要功能是用來實現各個軸的運動控制、各種參數及生產數據管理、安全監測等。

在系統上電運行過程中，上位機負責整個系統的協調工作，完成整個系統的管理；下位機運動控制器則負責對系統運動的控制和協調。通過上位機和下位機的協同控制來完成整個貼片機控制系統的總控制，系統的控制流程圖如圖6所示。

圖6 系統控制流程圖

4 系統實際測試結果及其分析

根據上文貼片機整體框架和軟硬技術，本文所設計的貼片機實物測試平臺如圖7所示。

圖7 貼片機系統實物圖

通過該平臺進行了手動測試和全自動貼片測試，基本已經能達到貼片要求，與此同時，根據貼片機高精度的要求，分別測試了以傳統PID控制算法設計的閉環位置跟蹤控制器和以LADRC設計的閉環位置跟蹤控制器。系統的位置跟蹤精度測試過程如下：上位機完成期望軌跡的規劃，并將該軌跡分解生成對應軸的參考軌跡，將數據信息通過串口通信發送到下位機控制器，下位機控制器接收來自上位機的數據信息，生成相應的控制命令發送給執行機構，同時，運動控制器實時接收來自步進電機編碼器反饋的信息，計算相應的位置偏差，并通過控制算法生成新的控制量。位置跟蹤控制采用正弦函數作為參考曲線，通過多次調試選取相應參數，LADRC控制器參數為kpx=kpy=0.5，kdx=kdy=0.5，bx0=by0=20，rx=ry=120，ωx=ωy=110，PID控制器參數為kp=64、ki=3.5、kd=7，其實際實驗測試結果如下圖所示，圖8是基于LADRC單軸位置跟蹤控制效果圖(包括參考曲線、實際曲線和LESO估計的曲線)，圖9是基于LADRC和PID控制的單軸位置跟蹤誤差對比效果圖，圖10是兩種控制方法誤差累積對比圖，從圖9和圖10可看出相比傳統的PID控制LADRC控制的效果更好。表1是兩種位置跟蹤控制算法的實驗數據，由表中數據可知相比傳統PID控制，LADRC控制的累積誤差減少了56.78%。通過上述實際實驗測試結果可知本文設計基于自抗擾控制器的控制系統具有更好的位置跟蹤控制效果。

圖8 單軸位置跟蹤效果圖

圖9 誤差變化對比圖

圖10 誤差累積對比圖

表1 位置跟蹤實驗數據

5 結束語

本文設計了基于STM32的貼片機控制系統，控制系統結構簡單，運行穩定，相比市面上復雜的貼片機控制系統有著更好的操作性和可靠性。針對貼片機系統高速、高精度的要求，本文解決了X，Y軸高精度的位置跟蹤控制，該系統在運動控制器的設計中采用了具有干擾估計補償的自抗擾控制器，較好的處理了因系統快速啟停引起抖動等未知內外干擾的影響，通過與傳統PID控制比較，表明了所設計控制器具有較好的控制性能。