数控加工中心中的步进电机高精度控制模块设计


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步进电机是一种能够实现控制信号数模转换的控制设备,与其他控制设备相比,其拥有控制误差不累计、鲁棒性强等优点。在强调自动化办公的当今社会中,步进电机被广泛应用于数控、计量、器械等领域M。在数控领域中,步进电机以其稳定的控制水平成为数控加工中心中的核心控制设备。但在传统的数控加工中心步进电机控制模块无法有效协调步进电机速度参数间的关系,控制精度不高。现如今,数控领域对数控加工中心中步进电机高精度控制模块,产生了较大的需求[4'

控制精度包括响应效果、控制误差和控制成果,传统的数控加工中心步进电机控制模块均无法完全实现高精度控制。如文献m基于电磁铁设计数控加工中心步进电机控制模块,其将电磁铁产生的电磁扭矩作为控制媒介,实现对被控对象的有效控制。但电磁铁易受干扰,将导致整个模块的鲁棒性被破坏,故其响应效果、控制误差和控制成果均不好。文献[8]基于单片机设计数控加工中心步进电机控制模块,该模块利用单片机较为强大的控制性能,结合部分外接电路,实现了对被控对象的有效控制。其响应效果和控制误差较好,但在多线程控制下单

片机耗能较大,导致控制信号不稳定,故模块的控制成果不好。文献[9]设计基于电子电路的数控加工中心步进电机控制模块,电子电路产生的控制信号可直接被步进电机所使用,有效提高了模块的控制精度。但该模块更改控制策略的步骤非常复杂,故只适用于控制策略较为稳定的被控对象。文献[10]设计基于可编程逻辑控制器的数控加工中心步进电机控制模块,可编程逻辑控制器的本质就是工业计算机,其价格便宜、使用简单,具有较强的实用性。在控制工作中,可编程逻辑控制器用其输出的方形脉冲信息对步进电机的速度进行控制,具有较高的响应效果和控制成果,但该模块的控制误差不易控制。

根据上述内容可知,若想使数控加工中心步进电机控制模块实现高精度控制,需要选择性能高、成本低的控制器,并结合特定方法有效协调步进电机的速度关系。现基于STM32F103微控制器和综合线性速度控制函数,设计数控加工中心步进电机高精度控制模块。

1数控加工中心中的步进电机高精度控制模块设计

1.1模块整体方案设计

所设计的数控加工中心步进电机高精度控制模块采用STM32F103微控制器作为其硬件控制核心,并结合综合线性速度控制函数,提高模块响应效果和控制成果,缩减控制误差,最终实现高精度控制。图1为模块硬件结构图。

由于步进电机只有在驱动器存在的情况下才能正常运行,故FPGA与步进电机并非直接相连? FPGA先将控制信号传输给步进电机驱动器,步进电机驱动器根据控制信号中控制位置的排序,依次将步进电机所需的控制电流导入步进电机,以实现对被控对象的准确控制。在所设计的数控加工中心步进电机高精度控制模块中,光栅传感器的作用是对步进电机的运行流程进行采集。其将所采集到的信息传输给FPGAFPGA对信息内容进行判断,得出步进电机的具体运行结果,并将其传输给STM32F103微控制器,实现STM32F103微控制器对步进电机运行流程的实时监控和修正。

1.2  STM32F103微控制器设计

STM32F103微控制器是一款对8位单片机进行优化后产生的32位控制器,其价格便宜、便于携带,并拥有很强的控制能力,在运算速度和转换效率上比8位单片机有很大提升。STM32F103微控制器拥有低耗、高兼容性和高通信能力等优点,其电压范围为[2.0 V,3.6 V],通常使用3.3 V电源供电。

STM32F103微控制器给用户提供了三个工作模块,分别是标准工作模块、节能工作模块和休眠工作模块,用户可根据自身控制需求选用最适合的工作模块。其还拥有多种类型的通信接口,最大传输频率为70 MHz可进行多方信号的同时、快速传输。

STM32F103微控制器中,其最重要的功能电路是晶振电路和电源电路,如图2、图3所示。

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结束语:

本文设计数控加工中心步进电机高精度控制模块,其采用STM32F103微控制器作为硬件控制核心,并结合综合线性速度控制函数、现场可编程门阵列、步进电机驱动器和光栅传感器,以提高模块响应效果和控制成果、缩减控制误差为设计目标,最终实现模块的高精度控制。实验将本文模块与单片机控制模块,以及可编程逻辑控制器控制模块的响应效果、控制误差、控制成果进行对比。实验结果表明,所设计的模块具有优良的响应效果、控制误差和控制成果,可较好地实现模块对被控对象的高精度控制。


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