显微镜工作台闭环控制系统的设计与实现

　　1　引　言

　　无论是生物工程中的细胞操作、集成电路或光电子器件的加工,还是采用电子显微镜进行纳米操作,尽管其精度要求各不相同,但在硬件装备中均有一项共性的关键技术,那就是要解决载物台或其相应设备的高精度的自动测量和精确定位[1]。要实现这项关键技术,高精度控制系统是非常重要的。搭建了一种闭环控制系统,用于控制某特性显微镜工作台。在该系统中,步进电机作为驱动元件,采用高分辨率的光栅作为检测元件,检测到的位移用数显装置实时显示,并控制步进电机进行误差补偿。本文主要介绍了该系统的控制原理、设计方案与实现过程。系统精度可达到0·020mm。

　　2　基本组成及原理

　　图1所示为显微镜工作台系统的原理框图。由单片机、步进电机、光栅传感器和LED显示四个主要部分构成。作为驱动元件步进电机,可以以四不同的步距来驱动工作台移动。步距S1,S2,S3主要用来驱动工作台正常运行,步距S0主要用来对工作台进行误差补偿。步进电机的各个步距之间的切换用芯片L298N来实现。光栅传感器作为检测元件是通过光栅传感器动尺和静尺相互移动时产生的莫尔条纹数来测量位移的。光栅传感器产生的A0,A1两路脉冲个数是由芯片8253的计数器t0和t1来计数的。单片机AT89-C52作为控制元件,从8253中读取脉冲个数,通过计算得出工作台移动的实际位移L值。一路将L送LED显示,另一路将L值作为闭环控制补偿的比较依据。工作台移动的理论位移L′可以由送给步进电机的脉冲个数来计算,单片机给步进电机的脉冲个数与步进电机转过的角度相对应。将工作台移动的实际位移L与理论位移L′进行比较。如果差值大于光栅细分后的分辨率0.005mm,则单片机控制步进电机切换到步距S0进行误差补偿,直至误差小于光栅的分辨率为止。

　　3　实现方法

　　3.1　机械结构的设计

　　工作台是由步进电机驱动的,通过齿轮齿条来传动,传动齿轮的模数为0.5。在显微工作台基本机械结构不变的情况下,将光栅传感器的动尺安装在工作台的移动部分,静尺安装在工作台的底座上,具体的安装尺寸应符合光栅传感器安装的要求。本系统选用的是长春光机所的SGC系列光栅线位移传感器。

　　3.2　电路控制部分的设计

　　电路控制部分的设计主要包括硬件电路的设计和单片机控制程序的编写。硬件电路的主要功能为:①光栅的辨向和细分;②光栅移动产生脉冲的计数;③工作台移动位移的实时显示;④步进电机不同步距之间的切换;⑤对单片机发送的指令进行有效传递。单片机控制程序主要实现对显微镜工作台的位移控制以及误差的补偿。