0 引言

    在激光切割加工中，为了保证切割质量，激光焦点一般应位于被加工工件表面以下板厚约1/3处^[1]，以确保切口处获得最大激光功率密度。但诸多因素^[2]会使得激光焦点位置与理想位置发生偏移。因此在加工过程中需要实时检测激光焦点与被加工对象的位置关系，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控制系统，但其系统结构复杂，检测速度慢，灵敏度低。陈和平等[4]实现了基于接触式传感器的激光切割头随动系统，但其无法加工复杂表面工件，且存在接触磨损问题。

    针对上述方法的不足，本文提出基于ARM微控制器STM32F407和微电容测量芯片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、无接触等优点。经实际应用测试，该系统工作稳定有效，具有良好的可行性和广阔的应用前景。

1 系统总体设计

    激光切割头随动系统主要由主控制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，主控制器模块在接收到电容后将其转换为距离信息，控制伺服电机调节保持喷嘴与工件表面的距离，从而保证了激光的焦点一直都在工件的合理位置。系统总体结构图如图1所示。

    其中，主控制器主要由ARM STM32F407微控制器、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。电容传感器模块主要由PCAP01微电容测量芯片和差分转换电路组成。人机交互模块以触摸屏为主要组成，提供了状态监控、工艺参数设置、运动控制等多项功能。

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件结构

    系统硬件以STM32F407为核心，硬件框图如图2所示。伺服控制模块包括了伺服电机速度环控制的模拟量输出、编码器的反馈输入以及其他控制端口。为了提高系统稳定性，伺服控制模块与STM32F407之间均采用了隔离电路；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控制；电容传感器主要由PCAP01微电容测量芯片和差分转换电路组成。其中，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，一般都是皮法级。本设计采用德国ACAM公司专门进行电容测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，最高电容测量精度达到6 aF，最高测量频率达到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转换成差分信号传输给主控制器。其主要电路设计如图3所示。

2.3 伺服电机驱动电路

    伺服电机驱动电路采用了冗余设计，通过切换可兼容主流的松下、台大等伺服电机。驱动电路的模拟量输出采用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，易受电磁干扰影响，而伺服电机驱动器的干扰较大。因此伺服电机与主控制器的所有接口都进行了隔离处理，以保证稳定性与可靠性。其中DAC芯片的SPI接口采用了ADuM1400ARW磁耦合隔离，其他接口采用了TLP281-4光耦隔离。

2.4 电源电路

    电源电路采用通用的24 V之流开关电源供电，通过电源转换为系统提供24 V、±15 V、5 V、3.3 V五路工作电源。由于±15 V为DAC芯片的电源，5 V为电容测距模块供电，对稳定性要求较高，因此分别由隔离型DC-DC模块IF2405LS和IB2405LS转化提供。3.3 V是5 V经LM1117-3.3V低压线性稳压器转换提供。

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]进行开发。系统正常工作时共调度4个任务：触摸屏信息处理任务、传感器数据处理任务、电机控制任务、系统状态监控任务，其他实时性要求高的操作均在中断中处理。同时系统软件也提供了基于STM32F407芯片ID的加密认证服务，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

    触摸屏采用北京迪文公司的DGUS串口屏，触摸屏的每一个控制操作都会自动下发一段串口信息。STM32使用UART的DMA(Directional Memory Access)功能将接收到的触摸屏串口信息存储到消息缓冲区中。触摸屏信息处理任务会定时查询消息缓冲区，若缓冲区不为空则取出消息，解析消息内容并作相应处理。其中，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。触摸屏的消息处理流程如图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信号量激活传感器数据处理任务，在此任务中执行电容值卡尔曼滤波和电容值转换为距离两项任务。

3.2.1 电容值卡尔曼滤波

    由于测量的电容值为皮法级，极易收到电磁干扰和切割过程中飞溅的碎屑的影响，传统基于均值的滤波方式会增大延时降低系统调节的响应速度，因此本模块采用了卡尔曼滤波算法。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，其计算量小并可实时计算，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)为观测方程。其中A为系统状态转移矩阵，H为观测矩阵，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：

    首先使用式(3)和式(4)分别进行系统状态预测和误差协方差预测，在利用式(5)计算增益系数后，使用式(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 电容值转换为距离

    电容传感器测量喷嘴与工件表面的距离基于平行板电容数学模型^[8]：

    由于线路寄生电容的影响，在实际计算距离时不能直接依据此理论模型。本设计在正常运行前，首先进行距离与电容关系的标定，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计算出距离。标定时取的点越多越密，计算的结果越精确。

3.3 电机控制模块

    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控制信息，控制切割头点动或连续运动；跟随状态下通过电容传感器获取距离信息，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。蛙跳状态下控制切割头上移一大段距离后，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，只允许切割头向下运动；若碰到下限位，在空走状态下为确保安全立即控制切割头上移直至碰到上限位停止，而跟随状态下则进入蛙跳状态。其控制流程如图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为控制器为控制核心，完成了激光切割头高度的跟随。其电容的采样率达到1 kHz，最快跟随速度500 mm/s，动态响应精度0.05 mm，静态响应精度0.001 mm。现场测试表明，该系统具有可靠性高、响应速度快、跟随精度高、操作便利等优点。该系统必有广阔的市场和应用前景。

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.激光切割头与工件距离检测系统的研制[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控制系统的设计与实现[J].光电技术应用，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：北京航空航天大学出版社，2012．

[7] KALMAN R E.A new approach to linear filtering and prediction theory[J].J.basic Eng.trans.asme，1960，82d(1)：35-45.

[8] 严琼.激光切割电容式Z浮微小电容检测系统的研究[D].武汉：华中科技大学，2011.