（华中科技大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉430074）
针对激光切割系统中，由于工件表面起伏不平和波折，造成切割质量不理想或切割头碰撞工件损伤或破坏的问题，提出了一种基于STM32与PCAP01的激光切割头随动系统设计。该系统通过PCAP01芯片获取激光切割头喷嘴与工件表面的板极电容值，经卡尔曼滤波后打算出喷嘴与工件的间距，驱动伺服电机实现激光切割头与工件间距的跟踪。实验表明，该激光切割头随动系统能够快速有效地跟随激光切割头与工件的间距，防止切割头与工件发生碰撞，提高激光切割质量。
STM32；PCAP01；μC/OS-III；激光切割
TP275
文献标识码：A
10.16157/j.issn.0258-7998.2016.06.014
中文引用格式：王海，张李超，周伟光. 基于STM32与PCAP01的激光切割头随动系统设计[J].电子技能运用，2016，42(6)：52-55.
英文引用格式：Wang Hai，Zhang Lichao，Zhou Weiguang. A laser cutting head servo system based on STM32 and PCAP01[J].Application of Electronic Technique，2016，42(6)：52-55.
0 弁言
在激光切割加工中，为了担保切割质量，激光焦点一样平常应位于被加工工件表面以下板厚约1/3处[1]，以确保切口处得到最大激光功率密度。但诸多成分[2]会使得激光焦点位置与空想位置发生偏移。因此在加工过程中须要实时检测激光焦点与被加工工具的位置关系，并进行调节。
肖金陵等[3]实现了基于CCD相机的激光焦点位置掌握系统，但其系统构造繁芜，检测速率慢，灵敏度低。陈和平等[4]实现了基于打仗式传感器的激光切割头随动系统，但其无法加工繁芜表面工件，且存在打仗磨损问题。
针对上述方法的不敷，本文提出基于ARM微掌握器STM32F407和微电容丈量芯片PCAP01构建的激光切割头随动系统，具有精度高、实时性强、稳定性高、无打仗等优点。经实际运用测试，该系统事情稳定有效，具有良好的可行性和广阔的运用前景。
1 系统总体设计
激光切割头随动系统紧张由主掌握器和电容传感器两大模块组成。电容传感器模块不断检测激光切割头喷嘴和工件表面形成的平行板电容，主掌握器模块在吸收到电容后将其转换为间隔信息，掌握伺服电机调节保持喷嘴与工件表面的间隔，从而担保了激光的焦点一贯都在工件的合理位置。系统总体构造图如图1所示。
个中，主掌握器紧张由ARM STM32F407微掌握器、伺服电机驱动电路、人机交互模块、电源管理电路和差分转换电路组成。电容传感器模块紧张由PCAP01微电容丈量芯片和差分转换电路组成。人机交互模块以触摸屏为紧张组成，供应了状态监控、工艺参数设置、运动掌握等多项功能。
2 系统硬件设计
2.1 系统硬件构造
系统硬件以STM32F407为核心，硬件框图如图2所示。伺服掌握模块包括了伺服电机速率环掌握的仿照量输出、编码器的反馈输入以及其他掌握端口。为了提高系统稳定性，伺服掌握模块与STM32F407之间均采取了隔离电路；以触摸屏为主的人机交互模块集成了指示灯、急停按钮和启动按钮等外部硬件掌握；电容传感器紧张由PCAP01微电容丈量芯片和差分转换电路组成。个中，触摸屏、高精隔离型D/A和PCAP01分别通过RS232、SPI和PWM与STM32F407通信。
2.2 电容传感器电路
激光切割头喷嘴与工件表面的板极电容很小，一样平常都是皮法级。本设计采取德国ACAM公司专门进行电容丈量的电容数字转换芯片方案PCAP01[5]，其内部集成了单片机内核，最高电容丈量精度达到6 aF，最高丈量频率达到500 kHz，并且具有低至几个微安的超低功耗。PCAP01采集的电容信息经内部的单片机单元处理会以PWM的形式传输出去。本传感器设计将PCAP01的PWM转换成差分旗子暗记传输给主掌握器。其紧张电路设计如图3所示。
2.3 伺服电机驱动电路
伺服电机驱动电路采取了冗余设计，通过切换可兼容主流的松下、台大等伺服电机。驱动电路的仿照量输出采取ANALOG公司的12位DAC芯片AD5530，其最大电压输出范围为±10 V。由于系统采集的电容值很小，易受电磁滋扰影响，而伺服电机驱动器的滋扰较大。因此伺服电机与主掌握器的所有接口都进行了隔离处理，以担保稳定性与可靠性。个中DAC芯片的SPI接口采取了ADuM1400ARW磁耦合隔离，其他接口采取了TLP281-4光耦隔离。
2.4 电源电路
电源电路采取通用的24 V之流开关电源供电，通过电源转换为系统供应24 V、±15 V、5 V、3.3 V五路事情电源。由于±15 V为DAC芯片的电源，5 V为电容测距模块供电，对稳定性哀求较高，因此分别由隔离型DC-DC模块IF2405LS和IB2405LS转化供应。3.3 V是5 V经LM1117-3.3V低压线性稳压器转换供应。
3 随动系统软件设计
为提高系统可靠性，随动系统软件部分基于嵌入式多任务实时操作系统μC/OS-III[6]进行开拓。系统正常事情时共调度4个任务：触摸屏信息处理任务、传感器数据处理任务、电机掌握任务、系统状态监控任务，其他实时性哀求高的操作均在中断中处理。同时系统软件也供应了基于STM32F407芯片ID的加密认证做事，便于系统的试用管理。启动流程如图4所示。
3.1 触摸屏信息处理模块
触摸屏采取北京迪文公司的DGUS串口屏，触摸屏的每一个掌握操作都会自动下发一段串口信息。STM32利用UART的DMA(Directional Memory Access)功能将吸收到的触摸屏串口信息存储到缓冲区中。触摸屏信息处理任务会定时查询缓冲区，若缓冲区不为空则取出，解析内容并作相应处理。个中，触摸屏信息包含帧头、数据长度、指令、数据、CRC校验五个字段信息。触摸屏的处理流程如图5所示。
3.2 传感器数据处理模块
本设计中将PCAP01芯片的有效采样率设为1 kHz，采集的电容值以PWM占空比的形式传输出去。STM32在中断中捕获电容值信息后将发送旗子暗记量激活传感器数据处理任务，在此任务中实行电容值卡尔曼滤波和电容值转换为间隔两项任务。
3.2.1 电容值卡尔曼滤波
由于丈量的电容值为皮法级，极易收到电磁滋扰和切割过程中飞溅的碎屑的影响，传统基于均值的滤波办法会增大延时降落系统调节的相应速率，因此本模块采取了卡尔曼滤波算法。卡尔曼滤波算法[7]是一种对动态系统的状态序列进行线性最小方差估计的算法，其打算量小并可实时打算，同时能够将噪声对系统状态的影响以及滤波延时降到最小。其通过状态方程和不雅观测方程描述一个动态系统，如下所示：
式(1)为状态方程，式(2)为不雅观测方程。个中A为系统状态转移矩阵，H为不雅观测矩阵，u(k)、v(k)分别是协方差为Q和R的零均值高斯噪声。
卡尔曼滤波包括预测和更新两部分，其算法流程如下：
首先利用式(3)和式(4)分别进行系统状态预测和偏差协方差预测，在利用式(5)打算增益系数后，利用式(6)和式(7)分别更新系统状态和先验协方差。重复以上步骤，不断完成新状态的预测。
电容值卡尔曼滤波的效果如图6所示，有效滤除了噪声的影响，且滤波结果的延迟很小。
3.2.2 电容值转换为间隔
电容传感器丈量喷嘴与工件表面的间隔基于平行板电容数学模型[8]：
由于线路寄生电容的影响，在实际打算间隔时不能直接依据此理论模型。本设计在正常运行前，首先进行间隔与电容关系的标定，将标定的数据存储在STM32内部Flash中。在滤波获取电容值后，根据标定的关系表进行线性插补打算出间隔。尺度时取的点越多越密，打算的结果越精确。
3.3 电机掌握模块
本系统中，伺服电机的运动状态有空走、跟随、蛙跳3种状态。空走状态下处理触摸屏的掌握信息，掌握切割头点动或连续运动；跟随状态下通过电容传感器获取间隔信息，根据与设定间距的差值进行高度调节，跟随状态下碰到下限位则进入蛙跳状态。蛙跳状态下掌握切割头上移一大段间隔后，重新进入跟随状态。切割头在碰到上限位时，3个状态下均将电机转速设为0，只许可切割头向下运动；若碰到下限位，在空走状态下为确保安全立即掌握切割头上移直至碰到上限位停滞，而跟随状态下则进入蛙跳状态。其掌握流程如图7所示。
4 结论
本文设计了一种基于STM32和PCAP01的激光切割头随动系统，该系统以PCAP01为电容传感器，以STM32F407为掌握器为掌握核心，完成了激光切割头高度的跟随。其电容的采样率达到1 kHz，最快跟随速率500 mm/s，动态相应精度0.05 mm，静态相应精度0.001 mm。现场测试表明，该系统具有可靠性高、相应速率快、跟随精度高、操作便利等优点。该系统必有广阔的市场和运用前景。
参考文献
[1] 朱国力，段正澄，龚时华.激光切割中的焦点位置检测方法研究[J].制造业自动化，2000，22(12)：33-35.
[2] 李明.激光切割头与工件间隔检测系统的研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.
[3] 肖金陵，虞瑶.基于CCD的激光切割焦点位置掌握系统的设计与实现[J].光电技能运用，2006，21(4)：42-46.
[4] 陈和平，石敏，王晓辉．激光切割Z轴弹性定距随动系统的设计与实现[J]．制造业自动化，2014，36(10)：112-114.
[5] 邓丽莉，桑胜波，张文栋，等．基于Pcap01芯片的高精度微电容检测系统设计[J].传感器学报，2013，26(8)：1045-1049.
[6] LABROSSE J J．嵌入式实时操作系统μC/OS-III[M].邵贝贝，译.北京：北京航空航天算夜学出版社，2012．
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[8] 严琼.激光切割电容式Z浮眇小电容检测系统的研究[D].武汉：华中科技大学，2011.
