基于STM32F4的基板检测输送平台运动控制器设计*

张 群，陶晓杰，张 蓝，权 露

(1. 合肥工业大学 智能制造技术研究院，安徽 合肥 230009；2. 合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009；3. 合肥工业大学宣城校区，安徽 宣城 242000)

0 引言

在平板显示器如LCD、PDP和OLED等的玻璃基板生产和检验过程中，高精度非接触的直线输送平台必不可少，而要保证输送平台的精确高效运行，就离不开高性能的运动控制器。目前市场上高性能的运动控制器价格昂贵且大多为国外品牌，这限制了国内运动控制器的发展。

因此本文针对玻璃基板检测仪器设备中高精度非接触的直线输送设计了一种基于STM32F4的基板检测输送平台运动控制器，并提出了一种气缸同步控制方案。该平台的运动控制器采用自行设计的硬件架构，使用ARM Cortex-M4架构的高性能STM32F4微控制器作为唯一的处理器，并采用模块化方法进行设计，同时充分考虑工业应用要求和推动工业4.0概念的发展[1]，选用工业级的芯片，并对输入输出接口进行有效的隔离[2]，提供丰富且多样的通信接口，实现生产和制造的智能化。相比于目前市场上的运动控制器，该运动控制器在保证高性能的同时，精简了电路，有效地降低了电路板的设计和制造成本，具有很好的实时性、可扩展性和开放性。在气缸同步控制方面，采用了MATLAB仿真验证了方案的可行性。

1 线性输送平台整体结构

根据玻璃基板检测过程中物料传输无污损、线性、动态性能好且稳定的特性，设计了如图1所示的玻璃基板检测平台，主要包括以下结构：基于直线电机的运动系统、基于精密气动悬浮的悬浮系统、夹持系统、控制系统、气路系统、上下料系统以及扫描系统[3-4]。图1展示了线性输送平台的整体结构。

如图1所示，上料系统通过上料电缸将物料推送到待检区，在待检区、检测区和接料区均安装有气浮板，使得物料可以非接触传输，然后处在两侧直线电机上的夹持系统通过各个气缸动作来夹持物料，之后线性CCD对物料初步扫描和标记缺陷，若有缺陷，高精度扫描仪二次扫描标记区域，二次扫描结果可以作为技术人员判断缺陷产生原因的依据，接着物料到达接料区后，下料系统通过电缸将物料传输到下料区，然后系统可以根据物料是否被标记为缺陷，决定该物料是否作废。

2 线性输送平台的控制系统

2.1 控制过程

整个平台的输送控制包括上料、上料夹持、直线输送、下料夹持和下料，由控制系统综合控制。其基本过程如图2所示。

图1 线性输送平台

图2 传送流程

2.2 检测和控制信号

由2.1节中的控制过程可知，该控制系统中，需要检测气浮板的压力、吸盘的正负压、气缸的位置、上下料电缸的位置、直线电机的位置、上料区和下料区有无面板等，需要控制的有电磁阀、气缸、电缸、真空发生器、直线电机等。除了直线电机的控制和位置检测信号及电缸的控制，其他都为开关量检测和开关量控制。

2.3 运动控制器硬件设计

针对该玻璃基板检测平台所需的检测和控制要求，运动控制器需要提供丰富的输入输出接口，以满足多开关量检测和控制；直线电机的实时精确控制则要求控制器的高处理速度；工业应用下的控制器则需要多种通信接口，以适应复杂的工业环境。经过市场调研，本文选择ST公司的STM32F429Ix作为运动控制器的微处理器，该微处理器采用ARM公司的Cortex-M4内核架构，该内核是面向工业控制领域的高性能低功耗嵌入式32位MCU架构。STM32F429Ix微控制器主频高达180 MHz，具有DSP指令集，同时带有NVIC中断嵌套服务，可以实现中断的硬件级响应，其强大的浮点运算功能，满足复杂的运算需求。如本设计中直线电机的控制，其具有的正交(增量)编码器可以方便地获得电机运行的速度、方向和位置信息，其具有多达21个通信接口，可以提供丰富且多样的通信方式，如SPI、USART、以太网等，GPIO口多达140个，满足多开关量的检测和多开关量的控制。综合以上各种数据，以及该微控制器的低成本、低功耗的优势，STM32F429Ix微控制器完全能满足本设计中运动控制器的要求。

本文运动控制器的硬件框图如图3所示，主要包括核心板模块、数字输入模块、数字输出模块、PWM输出模块、编码器信号处理模块、通信模块和电源模块[5-7]。核心板模块采用STM32F4微控制器，负责接收其他模块的数据，并根据相应控制逻辑产生控制信号；如图4所示，PWM输出模块提供脉冲信号和方向信号的隔离输出，从而通过伺服驱动器控制直线电机；如图5所示，编码器信号处理模块负责将伺服驱动器发出的电机编码器A/B/Z相差分信号转换为3.3 V的电平信号；如图6所示，数字输入模块负责信号的电平转换和隔离输入；如图7所示，数字输出模块采用光耦继电器TLP3106，负责信号的电平转换和隔离输出，输出电流高达4 A；如图8所示，通信模块负责RS485信号的电平转换和隔离传输，可以实现具有RS485接口的Modbus协议。

图3 运动控制器的硬件框图

图4 PWM隔离输出

图5 编码器信号输入

图6 数字量光耦隔离输入

图7 数字量光耦隔离继电器输出

本控制器可以采用脉冲信号指令实现对伺服驱动器的控制，每一个外围模块与核心模块的数字信号通信都要进行数字隔离，这样可以最大限度地减少外部干扰对核心控制板的破坏风险，配合上电源的隔离，可以最大程度防止干扰信号进入核心控制电路，提高运动控制器在工业环境中的稳定性。该运动控制器采用微控制器作为处理器，其低功耗特性以及模块化的设计，使得电路简单，整体较PLC体积更小、价格更低。

图8 RS485通信模块

图9 程序流程

2.4 运动控制器的程序设计

根据平板检测平台的工作流程，该控制系统采用顺序控制，将整个系统根据平板检测的工作流程分为多个子过程，每个子过程在输入信号的作用下顺序执行。程序流程如图9所示。首先控制器初始化；其次通过控制面板配置控制参数，如直线电机的运行速度；接着启动传输平台，对整个平台各个子系统进行自检，自检通过后就可以进行传输；接着判断上料区是否有料，一旦有料，就将物料传输到检测平台的入口，通过直线电机运送物料经过扫描区；到达扫描区后，首先经过线性CCD的初步扫描，如果物料有缺陷，标记物料并大致记录缺陷的位置，接下来通过高精度的扫描仪对物料缺陷的区域进行二次细致的扫描，二次扫描结果可以作为技术人员判断缺陷产生原因的依据；二次扫描后，物料运送至检测平台的出口，经下料系统运送至出料口。如果没有缺陷，则直接通过扫描仪，不需要经过扫描仪的二次细致的扫描，然后物料到达检测平台的出口，经下料系统运送至出料口，下料完成后，回到上料区。

2.5 检测平台气缸同步运动

实验过程中，发现在夹持系统夹持玻璃基板的过程中，在采用传统的通过手动调节流量控制阀的方式来控制气缸同步时，存在调节气缸同步费时，夹持瞬间压力大小不易控制，容易造成玻璃基板变形，后期运行过程中，气缸不同步时，必须得重新手动调节。故重新设计了气缸的控制方案，如图10所示。采用电-气比例阀(流量控制)代替电磁阀和流量调节阀，并选用流量计反馈气缸的气体流量，电-气比例阀和流量计保证气缸同步动作，同时与气缸上的限位螺栓配合也保证夹持瞬间压力可控，通过控制器从而实现气缸同步的自动控制。

图10 气缸控制系统原理

根据图10所示的原理，通过电流控制的电-气比例阀控制流量，从而可以控制气缸的动作速度。该系统外环采用流量的速度环，内环通过两个气缸流量计的差值构成与流量相关的内环，及时地保证两路气缸同步运动。在MATLAB的Simulink下建立气缸控制系统模型，仿真结果如图11所示，与传统单路PID控制相比，改进的差分控制模型系统响应快速，夹持系统具有柔性，满足气缸同步控制要求。

图11 阶跃响应曲线对比

3 结束语

本研究介绍了一种以STM32F4为控制核心的平板检测输送平台设计，采用基于ARM Cortex-M4内核的 STM32F4代替传统的运动控制器，实现了物料的高精度非接触直线输送，有效降低了平板检测输送的控制成本，具有很高的实时性、可扩展性和开放性，同时针对气缸同步运动给出了有效的解决方案，经MATALAB仿真同步跟踪运行达到预期效果，可广泛地应用于平板的生产和检测过程中。

[1] 陈炳欣. 工业4.0推动MCU进一步扩展应用[N]. 中国电子报, 2015-8-18 (8).

[2] 秦伟刚. 光电耦合隔离技术与应用[J]. 仪器仪表学报, 2006, 27(Z3): 2603-2604.

[3] CHUNG M J. Development of high precision linear transfer platform using air floating system for flat panel display production and inspection process[J]. International Journal of Engineering and Industries, 2011, 2(2):27-34.

[4] CHUNG M J. Development of high precision linear transfer module using air floating system for flat panel display[C]//International Conference on Control Automation and Systems, IEEE, 2010:1922-1925.

[5] 何明超. 基于STM32F4的码垛机器人运动控制器研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2015.

[6] 谢鹏程. 基于STM32和FreeRTOS的独立式运动控制器设计与研究[D]. 广州: 华南理工大学，2012.

[7] 王利. 现代直线电机关键控制技术及其应用研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2012.