侯曉方+陶寶峰

摘 要： 傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)控制模塊無法有效協(xié)調(diào)步進(jìn)電機(jī)速度參數(shù)間的關(guān)系，導(dǎo)致其控制精度不高。為此，設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊。模塊中的STM32F103微控制器根據(jù)綜合線性速度控制函數(shù)，給出步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行流程的控制指令。FPGA根據(jù)控制指令生成控制信號(hào)，傳輸給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制信號(hào)中控制位置的排序，依次將控制電流導(dǎo)入步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)模塊對(duì)被控對(duì)象的準(zhǔn)確控制。光柵傳感器對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行流程進(jìn)行采集，F(xiàn)PGA通過分析采集信息，給出步進(jìn)電機(jī)的具體運(yùn)行成果并傳輸給STM32F103微控制器，實(shí)現(xiàn)STM32F103微控制器對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和修正。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的模塊具有優(yōu)良的響應(yīng)效果、控制誤差和控制成果，可實(shí)現(xiàn)高精度控制。

關(guān)鍵詞： 數(shù)控機(jī)床； 步進(jìn)電機(jī)； STM32F103； 控制模塊

中圖分類號(hào)： TN876.3?34； TH39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）08?0129?05

Design of stepper motor high?precision control module in numerical control machine tool

HOU Xiaofang， TAO Baofeng

（1. Shaanxi Institute of Technology， Xian 710300， China； 2. Northwest University of Political Science and Law， Xian 710063， China）

Abstract： The traditional stepper motor control module of the numerical control machine tool can't effectively coordinate the relationship among the speed parameters of the stepper motor， and has low control precision. Therefore， the stepper motor high?precision control module of the numerical control machine tool was designed. The STM32F103 in the module gives the control instruction of the stepper motor′s running process according to the synthetical linear speed control function. The FPGA generates the control signal according to the control instrument， and transmits it to the stepper motor driver. The stepper motor driver imports the control current into the stepper motor according to the sorting of control positions in the control signal. The accurate control of the controlled object is implemented with the module. The grating sensor acquires the running process of the stepper motor. The FPGA gives out the specific running result of the stepper motor by analysis of the collected information， and transmits it to STM32F103. The real?time monitoring and correction of the running process of the stepper motor are realized with STM32F103. The experimental results show that the designed module has good response effect， control error and control result， and can realize the high?precision control.

Keywords： numerical control machine tool； stepper motor； STM32F103； control module

0 引 言

步進(jìn)電機(jī)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)控制信號(hào)數(shù)模轉(zhuǎn)換的控制設(shè)備，與其他控制設(shè)備相比，其擁有控制誤差不累計(jì)、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在強(qiáng)調(diào)自動(dòng)化辦公的當(dāng)今社會(huì)中，步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于數(shù)控、計(jì)量、器械等領(lǐng)域[1?3]。在數(shù)控領(lǐng)域中，步進(jìn)電機(jī)以其穩(wěn)定的控制水平成為數(shù)控機(jī)床中的核心控制設(shè)備。但在傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)控制模塊無法有效協(xié)調(diào)步進(jìn)電機(jī)速度參數(shù)間的關(guān)系，控制精度不高?，F(xiàn)如今，數(shù)控領(lǐng)域?qū)?shù)控機(jī)床中步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊，產(chǎn)生了較大的需求[4?6]。

控制精度包括響應(yīng)效果、控制誤差和控制成果，傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)控制模塊均無法完全實(shí)現(xiàn)高精度控制。如文獻(xiàn)[7]基于電磁鐵設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)控制模塊，其將電磁鐵產(chǎn)生的電磁扭矩作為控制媒介，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的有效控制。但電磁鐵易受干擾，將導(dǎo)致整個(gè)模塊的魯棒性被破壞，故其響應(yīng)效果、控制誤差和控制成果均不好。文獻(xiàn)[8]基于單片機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)控制模塊，該模塊利用單片機(jī)較為強(qiáng)大的控制性能，結(jié)合部分外接電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被控對(duì)象的有效控制。其響應(yīng)效果和控制誤差較好，但在多線程控制下單片機(jī)耗能較大，導(dǎo)致控制信號(hào)不穩(wěn)定，故模塊的控制成果不好。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)基于電子電路的數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)控制模塊，電子電路產(chǎn)生的控制信號(hào)可直接被步進(jìn)電機(jī)所使用，有效提高了模塊的控制精度。但該模塊更改控制策略的步驟非常復(fù)雜，故只適用于控制策略較為穩(wěn)定的被控對(duì)象。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)基于可編程邏輯控制器的數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)控制模塊，可編程邏輯控制器的本質(zhì)就是工業(yè)計(jì)算機(jī)，其價(jià)格便宜、使用簡單，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。在控制工作中，可編程邏輯控制器用其輸出的方形脈沖信息對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度進(jìn)行控制，具有較高的響應(yīng)效果和控制成果，但該模塊的控制誤差不易控制。

根據(jù)上述內(nèi)容可知，若想使數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)控制模塊實(shí)現(xiàn)高精度控制，需要選擇性能高、成本低的控制器，并結(jié)合特定方法有效協(xié)調(diào)步進(jìn)電機(jī)的速度關(guān)系?，F(xiàn)基于STM32F103微控制器和綜合線性速度控制函數(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊。

1 數(shù)控機(jī)床中的步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊設(shè)計(jì)

1.1 模塊整體方案設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊采用STM32F103微控制器作為其硬件控制核心，并結(jié)合綜合線性速度控制函數(shù)，提高模塊響應(yīng)效果和控制成果，縮減控制誤差，最終實(shí)現(xiàn)高精度控制。圖1為模塊硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖1 模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，控制工作開始后，STM32F103微控制器將給出控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行流程的控制指令，該指令的實(shí)施由現(xiàn)場可編程門陣列（Field?Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）實(shí)現(xiàn)。FPGA根據(jù)指令生成控制信號(hào)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的初始化和速度進(jìn)行控制。STM32F103微控制器也將對(duì)FPGA給出的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀況信息進(jìn)行接收和顯示。

由于在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)控機(jī)床中的步進(jìn)電機(jī)往往不止一臺(tái)，因而，所設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊選用FPGA的一項(xiàng)重要因素就是：FPGA能夠?qū)Χ嗯_(tái)數(shù)控機(jī)床實(shí)施同時(shí)控制，并可以對(duì)控制指令進(jìn)行精準(zhǔn)分配。這對(duì)提高模塊響應(yīng)效果、縮減模塊控制誤差具有決定性作用。

由于步進(jìn)電機(jī)只有在驅(qū)動(dòng)器存在的情況下才能正常運(yùn)行，故FPGA與步進(jìn)電機(jī)并非直接相連。FPGA先將控制信號(hào)傳輸給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制信號(hào)中控制位置的排序，依次將步進(jìn)電機(jī)所需的控制電流導(dǎo)入步進(jìn)電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的準(zhǔn)確控制。在所設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊中，光柵傳感器的作用是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行流程進(jìn)行采集。其將所采集到的信息傳輸給FPGA，F(xiàn)PGA對(duì)信息內(nèi)容進(jìn)行判斷，得出步進(jìn)電機(jī)的具體運(yùn)行結(jié)果，并將其傳輸給STM32F103微控制器，實(shí)現(xiàn)STM32F103微控制器對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和修正。

1.2 STM32F103微控制器設(shè)計(jì)

STM32F103微控制器是一款對(duì)8位單片機(jī)進(jìn)行優(yōu)化后產(chǎn)生的32位控制器，其價(jià)格便宜、便于攜帶，并擁有很強(qiáng)的控制能力，在運(yùn)算速度和轉(zhuǎn)換效率上比8位單片機(jī)有很大提升。STM32F103微控制器擁有低耗、高兼容性和高通信能力等優(yōu)點(diǎn)，其電壓范圍為[2.0 V，3.6 V]，通常使用3.3 V電源供電。

STM32F103微控制器給用戶提供了三個(gè)工作模塊，分別是標(biāo)準(zhǔn)工作模塊、節(jié)能工作模塊和休眠工作模塊，用戶可根據(jù)自身控制需求選用最適合的工作模塊。其還擁有多種類型的通信接口，最大傳輸頻率為70 MHz，可進(jìn)行多方信號(hào)的同時(shí)、快速傳輸。

在STM32F103微控制器中，其最重要的功能電路是晶振電路和電源電路，如圖2、圖3所示。

由圖2可知，STM32F103微控制器最多可連接兩個(gè)晶振電路，分別為其提供高速標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)和低速精準(zhǔn)計(jì)時(shí)，晶振Y的規(guī)格為10 MHz。電容C1和C2的主要功能是對(duì)晶振Y進(jìn)行激勵(lì)。

由圖3可知，電源電路為STM32F103微控制器提供了三種供能模式，分別是外接蓄電池供能、數(shù)據(jù)傳輸接口供能以及計(jì)算機(jī)軟件接口供能。電容C1和C4的規(guī)格為0.1 μF，C2，C3的規(guī)格是10 μF。考慮到電路中的電能損失，電源電路所提供的電能是5 V，故需要對(duì)電源電路的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所使用的轉(zhuǎn)換器是LT1117穩(wěn)壓管。

1.3 FPGA設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊選用的FPGA擁有210個(gè)引腳和148個(gè)輸入/輸出端口，其電源電壓的輸入范圍為[1.2 V，3.5 V]，可在溫度為[0，90 ℃]的范圍下運(yùn)行。FPGA擁有兩種工作模式，分別是內(nèi)部測試和分頻測試，其價(jià)格便宜、控制成果好，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的高精度控制。圖4為STM32F103微控制器與FPGA的接口連接圖。

由圖4可知，F(xiàn)PGA擁有5個(gè)輸入線接口和20個(gè)輸出門接口，微控制器的虛擬內(nèi)存用來進(jìn)行控制指令地址的傳輸，線接口用來對(duì)控制指令進(jìn)行重置、鎖定、編譯、寫入和只讀。門接口0～7可對(duì)8個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行同時(shí)控制。FPGA的內(nèi)部測試和分頻測試將相互結(jié)合使用，對(duì)STM32F103微控制器中控制指令進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA輸出的控制信號(hào)格式為數(shù)字脈沖信號(hào)。

由于數(shù)控機(jī)床要求步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行流程必須包括初始化、加減速運(yùn)轉(zhuǎn)、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)和休眠，故FPGA需要先對(duì)STM32F103微控制器中晶振電路的計(jì)時(shí)輸出進(jìn)行分頻，再進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。經(jīng)轉(zhuǎn)換后獲取的控制信號(hào)將傳輸給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行進(jìn)一步操作。

1.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

由于FPGA給出的控制信號(hào)能量不高，無法喚醒步進(jìn)電機(jī)，故利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)FPGA的控制信號(hào)進(jìn)行放大。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制信號(hào)中控制位置的排序，依次將控制電流導(dǎo)入步進(jìn)電機(jī)，保證數(shù)控機(jī)床中步進(jìn)電機(jī)的正常運(yùn)行。圖5為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路示意圖。由圖5可知，數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊所選用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器型號(hào)是雙相細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，這種型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器擁有精度高、噪音小、便于攜帶的優(yōu)點(diǎn)。電路中的時(shí)鐘接口選用的是光電耦合信號(hào)控制器，有效縮減了設(shè)計(jì)成本，并且操作更為簡單。當(dāng)12 V電源的輸出是穩(wěn)定電流時(shí)，步進(jìn)電機(jī)將進(jìn)行反相轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行；無電流輸出時(shí)，步進(jìn)電機(jī)則進(jìn)行正向轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行。

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)FPGA控制信號(hào)的放大工作是循環(huán)進(jìn)行的，分區(qū)接口與方向控制信號(hào)器相接，作用是對(duì)控制信號(hào)中控制位置的排序進(jìn)行依次讀取與準(zhǔn)確輸送。接口1與接口2則與數(shù)控機(jī)床中的步進(jìn)電機(jī)直接相連，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊對(duì)被控對(duì)象的準(zhǔn)確控制。

2 步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊軟件設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)控制模塊中，通常選用直線或拋物線對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加減速控制。其中，直線速度控制函數(shù)的運(yùn)算量小、效率高，所以模塊對(duì)被控對(duì)象的響應(yīng)效果較好，但控制誤差和控制成果不高。而拋物線控制函數(shù)的運(yùn)算量大，模塊的控制誤差較小，響應(yīng)效果卻不好。為此，所設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊選用了綜合線性速度控制函數(shù)，將直線和拋物線的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，摒棄二者缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)模塊對(duì)被控對(duì)象的高精度控制。

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)處于加速運(yùn)行時(shí)，其加速函數(shù)分為三個(gè)階段，依次為拋物線、直線、拋物線，則有：

式中：為直線加速度；為直線方程與坐標(biāo)軸的交點(diǎn)位移；為拋物線斜率；為加速時(shí)間；為步進(jìn)電機(jī)初始速度；和分別是第一次和第三次加速拋物線的參數(shù)。將步進(jìn)電機(jī)加速拋物線的總參數(shù)設(shè)為，則：

此時(shí)，步進(jìn)電機(jī)在直線、拋物線1和拋物線2的加速階段速度，，滿足如下關(guān)系式：

此時(shí)，三個(gè)加速階段所能獲取的控制指令數(shù)量為：

根據(jù)式（1）～式（5）可得，當(dāng)STM32F103微控制器發(fā)出第個(gè)控制指令，該指令與三個(gè)加速階段中加速時(shí)間的關(guān)系式為：

通過調(diào)節(jié)式（6）中的各項(xiàng)參數(shù)，能夠有效協(xié)調(diào)步進(jìn)電機(jī)的速度關(guān)系，對(duì)模塊獲取優(yōu)良的響應(yīng)效果、控制誤差和控制成果，實(shí)現(xiàn)高精度控制具有一定的推動(dòng)作用。

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)處于減速運(yùn)行時(shí)，其減速曲線和加速曲線是互為對(duì)稱的，運(yùn)算方式與加速函數(shù)相近。

3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)利用對(duì)比方式對(duì)本文模塊、單片機(jī)控制模塊和可編程邏輯控制器控制模塊的響應(yīng)效果、控制誤差和控制成果進(jìn)行分析，確定本文模塊能否較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的高精度控制。在數(shù)控機(jī)床中，其主要被控對(duì)象為機(jī)器轉(zhuǎn)速和位移，令三個(gè)模塊在同等條件下對(duì)實(shí)驗(yàn)機(jī)器的轉(zhuǎn)速和位移進(jìn)行控制。

3.1 響應(yīng)效果分析

將本文模塊、單片機(jī)控制模塊和可編程邏輯控制器控制模塊對(duì)實(shí)驗(yàn)機(jī)器轉(zhuǎn)速、位移的響應(yīng)時(shí)間繪制成曲線，如圖6、圖7所示。響應(yīng)時(shí)間越短、越穩(wěn)定，則模塊的響應(yīng)效果越好。由圖6、圖7可知，各數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)控制模塊對(duì)機(jī)器轉(zhuǎn)速的響應(yīng)效果要好于對(duì)機(jī)器位移的響應(yīng)效果，差值在3 s左右。本文模塊的響應(yīng)時(shí)間曲線要明顯低于其他兩個(gè)模塊的響應(yīng)時(shí)間曲線，且曲線的穩(wěn)定性更強(qiáng)。由此可得出，本文模塊具有優(yōu)良的響應(yīng)效果。

3.2 控制誤差分析

各數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)控制模塊的控制誤差是根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)矩確定出來的，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)矩的不確定性較大，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行準(zhǔn)確控制的模塊，模塊的控制誤差必然較小。

在實(shí)驗(yàn)給出的控制指令中，步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)為1.8 kg·cm。在步進(jìn)電機(jī)頻率不斷增加的情況下，其輸出轉(zhuǎn)矩越貼近該數(shù)值，證明模塊的控制誤差越小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，在三個(gè)模塊中，本文模塊的步進(jìn)電機(jī)輸出曲線與控制指令中的1.8 kg·cm轉(zhuǎn)矩標(biāo)準(zhǔn)最為接近。由此可得出，本文模塊具有優(yōu)良的控制誤差。

3.3 控制成果分析

數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)控制模塊的控制成果是指，在模塊控制下由實(shí)驗(yàn)機(jī)器產(chǎn)生的加工元件。加工元件的規(guī)格越接近控制指令的目標(biāo)規(guī)格，則模塊的控制成果越好。根據(jù)上述定義，繪制出控制成果曲線，如圖9所示。

由圖9可知，本文模塊的控制成果范圍高達(dá)[97.6%，99.8%]，較其他兩個(gè)模塊而言，本文模塊具有優(yōu)良的控制成果。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊，其采用STM32F103微控制器作為硬件控制核心，并結(jié)合綜合線性速度控制函數(shù)、現(xiàn)場可編程門陣列、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和光柵傳感器，以提高模塊響應(yīng)效果和控制成果、縮減控制誤差為設(shè)計(jì)目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)模塊的高精度控制。實(shí)驗(yàn)將本文模塊與單片機(jī)控制模塊，以及可編程邏輯控制器控制模塊的響應(yīng)效果、控制誤差、控制成果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的模塊具有優(yōu)良的響應(yīng)效果、控制誤差和控制成果，可較好地實(shí)現(xiàn)模塊對(duì)被控對(duì)象的高精度控制。

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