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步進(jìn)電機(jī)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(jì)、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在強(qiáng)調(diào)自動化辦公的當(dāng)今社會中，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^M。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(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。現(xiàn)如今，數(shù)控領(lǐng)域?qū)?shù)控加工中心中步進(jìn)電機(jī)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(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)m基于電磁鐵設(shè)計(jì)數(shù)控加工中心步進(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(xiàn)[8]基于單片機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)控加工中心步進(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(jī)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(xiàn)[9]設(shè)計(jì)基于電子電路的數(shù)控加工中心步進(jìn)電機(jī)控制模塊，電子電路產(chǎn)生的控制信號可直接被步進(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)定的被控對象。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)基于可編程邏輯控制器的數(shù)控加工中心步進(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)控加工中心步進(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。現(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)控加工中心步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊。

1數(shù)控加工中心中的步進(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)控加工中心步進(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。

由于步進(jìn)電機(jī)只有在驅(qū)動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先將控制信號傳輸給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器根據(jù)控制信號中控制位置的排序，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)對被控對象的準(zhǔn)確控制。在所設(shè)計(jì)的數(shù)控加工中心步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊中，光柵傳感器的作用是對步進(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，FPGA對信息內(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微控制器對步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行流程的實(shí)時監(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8位單片機(jī)進(jìn)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(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)行多方信號的同時、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。

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結(jié)束語：

本文設(shè)計(jì)數(shù)控加工中心步進(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)模塊對被控對象的高精度控制。

數(shù)控加工中心中的步進(jìn)電機(jī)高精度控制模塊設(shè)計(jì)

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