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數(shù)控加工中心中的步進電機高精度控制模塊設(shè)計
閱讀：111 發(fā)布時間：2020-8-11文章預(yù)覽：
步進電機是一種能夠?qū)崿F(xiàn)控制信號數(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、魯棒性強等優(yōu)點。在強調(diào)自動化辦公的當今社會中，步進電機被廣泛應(yīng)用于數(shù)控、計量、器械等領(lǐng)域M。在數(shù)控領(lǐng)域中，步進電機以其穩(wěn)定的控制水平成為數(shù)控加工中心中的核心控制設(shè)備。但在傳統(tǒng)的數(shù)控加工中心步進電機控制模塊無法有效協(xié)調(diào)步進電機速度參數(shù)間的關(guān)系，控制精度不高。現(xiàn)如今，數(shù)控領(lǐng)域?qū)?shù)控加工中心中步進電機高精度控制模塊，產(chǎn)生了較大的需求[4'
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)控加工中心步進電機控制模塊均無法*實現(xiàn)高精度控制。如文獻m基于電磁鐵設(shè)計數(shù)控加工中心步進電機控制模塊，其將電磁鐵產(chǎn)生的電磁扭矩作為控制媒介，實現(xiàn)對被控對象的有效控制。但電磁鐵易受干擾，將導(dǎo)致整個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[8]基于單片機設(shè)計數(shù)控加工中心步進電機控制模塊,該模塊利用單片機較為強大的控制性能，結(jié)合部分外接電路，實現(xiàn)了對被控對象的有效控制。其響應(yīng)效果和控制誤差較好,但在多線程控制下單
片機耗能較大，導(dǎo)致控制信號不穩(wěn)定，故模塊的控制成果不好。文獻[9]設(shè)計基于電子電路的數(shù)控加工中心步進電機控制模塊，電子電路產(chǎn)生的控制信號可直接被步進電機所使用，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)定的被控對象。文獻[10]設(shè)計基于可編程邏輯控制器的數(shù)控加工中心步進電機控制模塊，可編程邏輯控制器的本質(zhì)就是工業(yè)計算機，其價格便宜、使用簡單，具有較強的實用性。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步進電機的速度進行控制，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)控加工中心步進電機控制模塊實現(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)步進電機的速度關(guān)系。現(xiàn)基于STM32F103微控制器和綜合線性速度控制函數(shù)，設(shè)計數(shù)控加工中心步進電機高精度控制模塊。
1數(shù)控加工中心中的步進電機高精度控制模塊設(shè)計
1.1模塊整體方案設(shè)計
所設(shè)計的數(shù)控加工中心步進電機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，終實現(xiàn)高精度控制。圖1為模塊硬件結(jié)構(gòu)圖。
由于步進電機只有在驅(qū)動器存在的情況下才能正常運行，故FPGA與步進電機并非直接相連? FPGA先將控制信號傳輸給步進電機驅(qū)動器，步進電機驅(qū)動器根據(jù)控制信號中控制位置的排序，依次將步進電機所需的控制電流導(dǎo)入步進電機，以實現(xiàn)對被控對象的準確控制。在所設(shè)計的數(shù)控加工中心步進電機高精度控制模塊中，光柵傳感器的作用是對步進電機的運行流程進行采集。其將所采集到的信息傳輸給FPGA，FPGA對信息內(nèi)容進行判斷，得出步進電機的具體運行結(jié)果，并將其傳輸給STM32F103微控制器，實現(xiàn)STM32F103微控制器對步進電機運行流程的實時監(jiān)控和修正。
1.2 STM32F103微控制器設(shè)計
STM32F103微控制器是一款對8位單片機進行優(yōu)化后產(chǎn)生的32位控制器，其價格便宜、便于攜帶，并擁有很強的控制能力，在運算速度和轉(zhuǎn)換效率上比8位單片機有很大提升。STM32F103微控制器擁有低耗、高兼容性和高通信能力等優(yōu)點，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工作模塊，分別是標準工作模塊、節(jié)能工作模塊和休眠工作模塊，用戶可根據(jù)自身控制需求的工作模塊。其還擁有多種類型的通信接口，大傳輸頻率為70 MHz，可進行多方信號的同時、快速傳輸。
在STM32F103微控制器中，其重要的功能電路是晶振電路和電源電路，如圖2、圖3所示。
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結(jié)束語：
本文設(shè)計數(shù)控加工中心步進電機高精度控制模塊，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、步進電機驅(qū)動器和光柵傳感器，以提高模塊響應(yīng)效果和控制成果、縮減控制誤差為設(shè)計目標，終實現(xiàn)模塊的高精度控制。實驗將本文模塊與單片機控制模塊，以及可編程邏輯控制器控制模塊的響應(yīng)效果、控制誤差、控制成果進行對比。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的模塊具有優(yōu)良的響應(yīng)效果、控制誤差和控制成果，可較好地實現(xiàn)模塊對被控對象的高精度控制。