0 弁言
喷墨式喷绘机为担保喷绘出图像精准细腻，小车上的喷头每行扫描过程中按需进行喷墨，但是来自小车的平稳性以及在改变方向时小车的运动状态，直接影响喷头墨滴喷出的位置。如何在担保小车平稳运行条件下，根据供应的旗子暗记改变小车的运行状态值得深入研究和磋商。
1 系统设计理念
携带喷头的小车在喷绘轨道上来回运动，在须要的位置上（即像素点）喷头进行喷墨。主控发掌握旗子暗记给电机驱动模块来掌握电机，从而掌握小车的方向和位置。电机可以是步进电机、位置掌握办法的伺服电机和直流电机。步进电机启动力矩大，易于精确掌握位置，但很难达到高速，实际运用中利用较少。位置掌握办法的伺服电机不但具有步进电机的优点，而且内置的掌握用具有电子齿轮易改传动比，实际运用中采取较多，但此电机非常昂贵，从实际的本钱出发不易选用。综合考虑，采取本钱较低的普通直流电机，通过调度驱动电压调度速率，但直流电机不能精确定位，必须为其配备精密的位置检测机构以及伺服掌握机构才能实现较精确的定位。由于携带喷头的小车惯性很大，方向调度时很难瞬时根据掌握旗子暗记来变动方向，总是在主控发送完调度方向旗子暗记后速率逐步减到0，然后才能调度方向从0逐步加速。由于机器特性增加了偏差，不少研发职员采取在改变方向前先加高占空比反相冲击电压，然后再调度适宜的占空比，但实际运用过程中此方法并不完备得当。这是由于质量太大，高脉冲难以冲击反相速率并调度方向。综合不同的方法和履历，借助STM32主控系统的上风，通过理论研究和实际运用迅速调度方向，基本肃清了物体质量过大带来的惯性影响，而且小车在实际运行中通过PID算法[1]达到平稳。喷绘机的喷绘轨道是带光栅的，小车实际运行过程中吸收光栅编码器的位置旗子暗记，从而打算小车的位置和运动速率。由于机器、系统本钱、繁芜性、实验环境等多方面限定，本设计系统没有真正采取喷绘系统的小车作为研究工具，但为相识释和解决实际问题，本设计系统采取同等系统的等效法进行实验。设计系统等效法如下：在电机上固定喷头和小车同等重量的物体（相称于小车携带喷头的运动系统），并在物体上绑定多圈可调电位器（相称于光栅编码器来传送位置旗子暗记），电位器上绑定一定质量的摆，摆偏移设定点（相称于小车系统的原点）的角度记作位置（相称于小车偏移位置），通过PID算法调节摆的占空比（相称于小车的速率），摆在偏移点旁边迁徙改变时瞬间改变电机的方向（相称于小车方向调度）。通过系统等效法验证了此设计方法在喷绘系统的实用性和可行性。
2 基于系统的硬件设计
图1、2为掌握系统硬件构造架构，个中图1是系统硬件的总体架构，图2是电机的驱动电路。主控系统选取的是STM32系列的STM32F103RBT6，选此掌握系统是由于主控不但利用方便、本钱较低、通过高等定时器编程设计直接实现电机驱动的去世区设置，并可适当地变动去世区韶光，而且普通定时器也具有编码功能，可直接应用在喷绘机掌握系统中的光栅编码器，从而正交采集光栅旗子暗记检测小车[2]的运行位置。PC与STM32主控交互，可通过J-Link向主控中的Flash下载程序或通过PC的串口工具吸收单片机发送的信息等。设计中选取STM32为主控，选取支持去世区模式的TIM1定时器的PWM输出供给L6203旗子暗记。主控中集成的AD紧张是为了采样摇摆偏移原点的位置（相称于小车偏移位置），主控中的DMA紧张是为了快速通报AD采样信息。为实现嵌入式经典理论中前后台系统设计，采取中断办法（NVIC）来处理任务。主控中的RCC为系统须要的时钟配置；GPIO为须要的引脚配置，既包括AD引脚的采样输入引脚，又包括定时器的PWM输出引脚等；UART接口通过串口线和PC连接来显示信息；Tim4定时显示处理向PC发送电机的状态信息；SysTick定时中断处理不同角度下通过PID调度的占空比任务。
L6230电机的驱动模块是手动焊接且通过测试可正常事情的。之以是选择以L6203为主芯片模块，是由于此模块可以供应最大电流4 A、最大电压48 V，以便可以供应摇摆足够大的速率，来不雅观察高速运动下通过设置去世区能否战胜物体由于质量大带来的难以刹车问题，从而验证此设计系统在喷绘领域的实用性。主控和L6203跳线时，为保护主控系统又要知足主控和电机模块的对地接入，L6203模块在接入时的GND引脚先跳线到SEMSE引脚，然后再跳线到L6203 GND引脚，再接入到主控STM32的GND。此方法的紧张浸染是当系统中电流过大时，电流只会贯穿L6203，不会烧坏STM32主控，对主控起到保护浸染。L6203的IN1和IN2为两路PWM输入，Vs和SEMSE接入稳压电源的正负极，EN为主控供应使能旗子暗记，OUT1和OUT2供给普通直流电机的电压。
3 基于系统的软件设计
全体软件架构分别对串行通信、高等定时器、AD角度采样、PID算法设计、主控状态机切换等进行设计与研究，末了借助PC上的串口调试器人机交互来设置采样位置和检测系统的实行状态，从而证明系统可行性。
3.1 软件中状态机切换
图3为掌握系统中状态机间的切换。程序设计思想借助于嵌入式实时操作系统提出的前后台系统理论。为避免后台系统打断前台系统对任务的处理有影响，任务做在后台中断里，前台的While去世循环（LOOP状态）中没有任务，后台通过中断旗子暗记来奉告处理器，从而刺激中断的发生。从状态机的切换图可以看出，INIT状态是系统初始化过程，紧张包括主控的定时器、输入输出引脚、AD以及DMA等时钟初始化，定时器、AD转化以及串口的输入输出引脚初始化，定时器、DMA、系统定时中断的初始化以及DMA传输设置初始化。初始化时设置的PC.4（GPIO_Mode_AIN模式）即仿照输入模式，当PC.4引脚的旗子暗记发生变革时，即位置传感器传入当前位置后进入ADC状态。为提高AD转化速率和程序处理能力，DMA初始化时借助DMA1的第12通道，直接把AD配置成从ADC1->DR的地址传送到ad_sm地址，此时为DMA状态。传输完数值后进入SMO状态，此状态下任务对通报的ad_sm做平滑处理，平滑处理次数越多值越精确，此处做了8次平滑处理。选择8次处理，首先是由于经由实际运用知平滑处理过的AD数值偏差精度已达哀求。其次，做8次平滑处理只需在数值累加时右移3位、结果中末了左移3位，比较于繁芜的乘除运算，旁边移操作不会占处理器太多处理韶光，一定程度长进步了系统的效率，，否则需乘除法和借助浮点库，加大了主控需求，给主控带来了难度和寻衅。末了在SMO状态（DMA中断的处理程序）输出处理后的位置采样AD值ad_sm_new，并将此处的ad_sm_new设置为全局变量数据共享即可进入到Verify_Keep状态。TIM4状态中定时器设置为1 s中断的办法采集ad_sm_new并通过串口发送给上位机，通过串口调试器显示给程序员调试。为知足调度的精度哀求，系统初始化时设置系统定时器（滴答定时器），程序运行后处于Sys状态，每10 ?滋s产生系统定时中断对当前位置采集到的AD值（即ad_sm_new），根据当时的实际环境进行PID调试或PI调试状态后进入PWM状态，输出调度PWM占空比（速率）。采集到的位置要改变方向时（即到达一方向的终点时，在Verify_Keep状态下的判断），进行Deal2处理进入Die状态。由于在改变方向时直流电机不能急速停下来改变方向，每次都是在原始的方向减小到0然后再改变方向，这种情形不知足实际的事情状态。此状态下通过初始化时设置的高等定时器，设置去世区加以掌握小车方向的改变。掌握系统须要变动位置初始点设置以及系统定时中断韶光等参数时，通过按键中断匆匆使发生，进入到Key状态，此状态下有相应的消抖处理，一旦确认特定的按键按下则进入到Change状态，通过串口显示信息提示来变动初始点位置以及系统中断韶光等参数。
3.2 系统中PID算法的运用
图4为PID算法在程序中的运用。从程序框图可知，在初始点处设Uk=0，每10 ?滋s后进入系统中断采集位置AD值，然后打算出偏差err。若err大于设定的最大偏差，则需进行比例、积分、微分派合调节；若小于设定偏差，则只需比例、积分调节，末了通过偏差数值乘以设定的比例值算出须要的Templ，并把Uk进行累积（末了的Uk为TIM1定时器须要装载的值）来变动占空比。若求出的偏差err>0则正向输出PWM波形，否则反向输出。
PID程序设计主要的是调节适当的比例、积分、微分系数，本系统在PID调节过程中首先把微分、积分系数设为0，使之成为纯比例调节。调节比例系数Kp由0增大，直至涌现震荡后，减小Kp使震荡消逝后记此比例系数Kp。比例系数确定后调节积分系数Ki，积分系数的韶光常数设为较大的Ti，然后为较小Ti使之涌现振荡，然后再反过来增加Ti使振荡消逝后记此Ki。末了在微分调节时先不雅观察，若创造掌握有明显的滞后时，需对Kd进行调节到得当，否则不需调节Kd。通过此调节过程可知PID算法在此掌握系统的大略性和实用性。
3.3 高等定时器在程序中的运用设置
主控中的高等定时器TIM1能够输出两路互补的PWM旗子暗记并能瞬时地关断和接通，同时设置定时器中的CCxE和CCxNE位插入去世区。设置适当的插入去世区韶光可以瞬间地调度摇摆（相称于喷绘机中的小车）的方向，不会由于惯性太大而难以刹车。设置时定时器的PA9和PB14引脚对应到OCx和OCxN。库函数通过设置TIM_BDTRInitStructure.TIM_DeadTime值来改变插入的去世区韶光。系统上电初期，TIM1_BDTR寄存器中的MOE低即刹车功能禁止。方向调度须要变动时，调度TIM1_BDTR寄存器BKE位来使能刹车功能。当不须要调度方向而在一个方向上平稳运行时，通过位置检测来调度须要的占空比。图5为系统刹车时序图，是摇摆调度方向时通过示波器测出的。图中1通道引入的是定时器1的PA9引脚，2互补通道引入的是定时器1 PB14引脚，可看出两条竖线间是插入的去世区韶光，从右边黑圈内读出两竖线间的韶光为300 ?滋s与高等定时器的设置相吻合。经实际操作验证，此系统在此去世区韶光以及互补PWM旗子暗记设置下可瞬时改变方向，基本肃清了机器上惯性带来的滋扰。
4 系统的测试
结合系统总体架构的软件和硬件平台以及过程方法步骤的阐述，末了测试结果如图6、图7所示。个中图6显示了运动过程中的位置采样信息，从图可知，在COM1下、9 600 b/s传输率、8个数据位、1个停滞位、无奇偶校验下，第一时候采集到的位置值为198。图7是PID在此位置调试下的示波器截图，显示了此位置下通过PID调节后输出的占空比PWM波形。从截图黑圈中可看出，在平稳状态下运行时的频率为20 kHz，占空比为28%，知足摇摆平稳的运行状态与实际的设置相吻合。结合图5、图6、图7可看出摇摆在调度方向时的刹车以及PID在摇摆平稳状态下运行的可行性和实用性，证明此设计系统精确，可投放到运用领域。
5 结论
随着喷绘技能发展，对喷绘机中小车掌握系统哀求越来越高。本设计从大略、方便、实用性考虑，将STM32作为主掌握平台、L6203作为电机驱动，系统结合软件设计出喷绘机中小车的掌握系统。通过实践和理论研究证明此方案可行，系统不仅简捷、方便，而且变动随意马虎，且实行过程中一定程度长进步了系统的效率并办理了一定技能难题，达到了空想的预期效果。但此设计掌握系统没能真正地面向喷绘机中小车系统，只是采纳了系统等效法进行了演示，一定还有不少毛病和不敷，需往后加以填补和改正。也希望将来此设计系统可广泛运用到喷绘机小车的掌握系统中。
参考文献
[1] 李博，马训鸣，霍建锋.基于PID的变量马达恒速掌握系统研究[J].西安工程大学学报，2014，27（2）：231-233.
[2] 刘晋，刘卓.USB接口在喷绘机中的运用[J].航空打算技能，2007，37（2）：62-65.
