劉武常， 陳鋒

(1.西安航空職業(yè)技術學院 航空制造工程中心， 西安 710889;2.西安飛豹科技有限公司， 西安 710089)

0 引言

數(shù)控機床步進電機因控制精度不高，無法對速度參數(shù)間的關系進行有效協(xié)調對，步進電機可實現(xiàn)控制信號數(shù)模轉換，具備魯棒性強、控制誤差不累計等優(yōu)點，隨著各方面自動水平的不斷發(fā)展與完善，步進電機應用領域廣泛，包括數(shù)控、計量、器械等。在數(shù)控領域中因為控制水平比較穩(wěn)定，步進電機是數(shù)控機床中的核心控制設備，現(xiàn)階段對步進電機高精度控制模塊的需求較大，是研究的熱點[1]。

1 高精度控制模塊設計

1.1 整體方案設計

現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(Field-Programmable Gate Array)是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物，F(xiàn)PGA是作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。

本文所設計的控制模塊結合綜合線性速度控制函數(shù)的使用，其硬件控制核心使用了STM32F103微控制器，縮減了控制誤差，使模塊響應效果和控制成果得以有效提高，進而實現(xiàn)高精度控制目標，該模塊的硬件結構如圖1所示[2]。

圖1 模塊硬件結構圖

微控制器主要負責實時監(jiān)控和修正作用，微控制器給出運行流程的控制指令，根據(jù)指令現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)生成控制信號，控制步進電機的初始化和速度，同時微控制器接收并顯示步進電機的運行狀況。在實際數(shù)控機床的應用中會涉及多臺步進電機，F(xiàn)PGA能夠有效解決這一問題，可同時控制多臺數(shù)控機床，并可以精準分配控制指令，對模塊控制誤差的縮減以及響應效果的提高起到?jīng)Q定性作用。

步進電機的正常運行需通過驅動器，F(xiàn)PGA不能同其直接相連，需傳輸控制信號至步進電機驅動器，根據(jù)控制信號位置的排序，將控制電流依次導入步進電機，模塊中的光柵傳感器采集步進電機的運行流程，再由FPGA完成內容的判斷后，將具體運行結果傳輸給微控制器[3]。

1.2 微控制器設計

微控制器(STM32F103)成本低、攜帶方便且控制能力較強，是一款32位控制器，是通過優(yōu)化8位單片機后產(chǎn)生的，顯著提高了運算速度和轉換效率，微控制器能耗低、通信能力及兼容性較好，電壓范圍在2 V—3.6 V之間。微控制器通信接口類型較多，可實現(xiàn)多方信號的同時、快速傳輸，提供了節(jié)能工作模塊、標準工作模塊和休眠工作模塊，最大傳輸頻率為70 MHz。微控制器中重要的功能電路是晶振電路和電源電路：微控制器可連接為其提供高速標準計時的晶振電路，或連接為其提供低速精準計時的晶振電路，電容C1和C2負責激勵晶振Y(Y的規(guī)格為10 MHz)，晶振電路如圖2所示。

圖2 晶振電路

電源電路為微控制器提供了外接蓄電池、數(shù)據(jù)傳輸接口以及計算機軟件接口三種供能模式。電源電路為5 V(考慮電路中的電能損失)，電容C1和C4、C2和C3的規(guī)格分別為0.1 μF和10 μF，因此需轉換電源電路的電壓，本文選擇LT1117穩(wěn)壓管作為轉換器，電源電路如圖3所示[4]。

圖3 電源電路

1.3 FPGA設計

本文的高精度控制模塊在具體設計時，采用的FPGA控制成果較好且成本低，包括輸入/輸出端口148個和引腳210個，運行溫度范圍在0—90 ℃之間，電源輸入電壓范圍在1.2—3.5 V間，F(xiàn)PGA工作模式包括分頻測試和內部測試兩種，進而實現(xiàn)高精度控制步進電機。FPGA與微控制器的接口連接形式如圖4所示[5]。

FPGA包含輸入線接口和輸出門接口的個數(shù)分別為5個、20個，門接口0-7可同時控制8個步進電機，微控制器在控制指令的傳輸時，需對其傳輸?shù)刂愤M行控制，這部分功能則由虛擬內存來實現(xiàn)，線接口主要負責對控制指令進行相應操作(包括編譯、重置、寫入、鎖定和只讀)。根據(jù)實際情況FPGA會結合使用分頻測試和內部測試，完成對控制指令的信號轉換過程，F(xiàn)PGA輸出格式為數(shù)字脈沖信號的控制信號。在數(shù)控機床實際應用過程中，需步進電機具有初始化、穩(wěn)定運轉、加減速運轉和休眠的運行流程，對于晶振電路的計時輸出，F(xiàn)PGA需先對其進行分頻，然后進行信號轉換，步進電機驅動器將接收經(jīng)轉換后獲取的控制信號并對其完成相應操作。

圖4 FPGA與微控制器的接口連接圖

1.4 驅動器設計

FPGA難以激活步進電機(發(fā)出的控制信號能量較低)，需首先放大其控制信號(需循環(huán)進行)，這一過程由步進電機驅動器實現(xiàn)。本文選用雙相細分驅動器，具備便于攜帶、精度高、噪音小等優(yōu)勢，為兼顧設計成本與效率，采用光電耦合信號控制器作為電路中的時鐘接口，簡化了操作流程。步進電機在電源(12 V)輸出穩(wěn)定電流的條件下的運行狀態(tài)為反相轉動，在無電流輸出條件下的運行狀態(tài)為正向轉動。步進電機驅動器電路示意圖如圖5所示[6]。

圖5 步進電機驅動器電路示意圖

在數(shù)控機床中，接口1與接口2直接連接步進電機；方向控制信號器連接分區(qū)接口，對于控制信號中控制位置的排序，由方向控制信號器負責依次對其進行讀取與準確輸送，從而使控制模塊實現(xiàn)高精度控制被控對象。

2 控制模塊軟件設計

數(shù)控機床中的傳統(tǒng)步進電機控制模塊中，步進電機加減速的控制過程一般使用直線或拋物線函數(shù)，在模塊對被控對象的響應速度方面，運算量較少的直線速度控制函數(shù)因其效率較高，可使模塊對被控對象的響應效果得以提升，其缺點在于對誤差和成果的控制程度較差；拋物線控制函數(shù)對模塊的控制誤差的降低效果較好，但涉及的運算量大，響應效果質量欠佳。為有效協(xié)調這些問題，本文在步進電機高精度控制模塊的具體設計時，融合直線和拋物線的各自優(yōu)勢，采用了綜合線性速度控制函數(shù)，實現(xiàn)對被控對象的高精度控制[7]。

步進電機(處于加速運行狀態(tài))的加速函數(shù)用f(t)表示，整個過程可細分為拋物線用式(1)表示、直線用式(2)表示、拋物線用式(3)表示，具體函數(shù)式如下：

其中，直線加速度由a表示，拋物線斜率由b表示，步進電機初始速度由t0表示，t表示加速時間，f0表示第一次加速拋物線的參數(shù)，c表示坐標軸與直線方程的交點位移，fc表示第三次加速拋物線的參數(shù)，由f表示加速拋物線的總參數(shù)，具體式如下：

f=0.05×(fc-f0)

3個加速階段此時所能獲取的控制指令數(shù)量P表示為：

當?shù)趎個控制指令由微控制器發(fā)出時，各加速階段的加速時間t同該指令間的關系式表示為：

減速運行狀態(tài)的步進電機的減速曲線運算方式與其相近，表現(xiàn)為和加速曲線呈對稱關系。通過對式中各項參數(shù)的調節(jié)，對高精度控制的實現(xiàn)具有重要作用，可有效協(xié)調步進電機的速度關系，提高響應效果，獲取良好的控制誤差和成果[8]。

3 仿真實驗檢測與分析

本文實驗具體采用對比方式，以機器轉速和位移為檢測對象，分析本文控制模塊的響應效果、控制誤差和成果，在同等條件下，完成本文控制模塊、邏輯控制器(可編程)控制模塊與單片機控制模塊對相同機器轉速和位移的控制[9]。

(1) 響應效果分析

實驗結果表明在響應效果方面，各控制模塊對機器轉速的控制要優(yōu)于位移(差值在三秒左右)，與其他兩個模塊相比，本文模塊的響應時間更低，且表現(xiàn)出了較強的穩(wěn)定性，具有良好的響應效果。

(2) 控制誤差分析

控制誤差的確定是通過步進電機的數(shù)據(jù)轉矩(不確定性較大)實現(xiàn)的，需模塊具備較小的控制誤差才能提高模塊的高精度控制，相比其他兩個控制模塊，本文設計的基于FPGA的控制模塊的輸出最接近實驗控制指令中的轉矩標準，證明所設計的控制模塊的控制誤差較好。

(3) 控制成果分析

實驗機器產(chǎn)生的加工元件的規(guī)格同越接近目標規(guī)格，模塊控制成果越好。實驗結果表明本文控制模塊的控制成果范圍高達[97.5%，99.5%]，與其他兩個模塊相比，控制成果更好，可實現(xiàn)高精度控制。

4 總結

本文完成了基于FPGA的數(shù)控機床步進電機高精度控制模塊的設計，為提高模塊的響應效果，縮減控制誤差，模塊的硬件控制核心使用微控制器(STM32F103)，結合綜合步進電機驅動器、現(xiàn)場可編程門陣列等，通過使用線性速度控制函數(shù)，有效提升了控制成果，進而實現(xiàn)模塊的高精度控制。通過對控制模塊進行檢測，結果表明該模塊響應效果較好，實現(xiàn)了誤差和成果控制的目標，能有效完成對被控對象的高精度控制過程。