基于FPGA的數控機床步進電機高精度控制

劉武常， 陳鋒

(1.西安航空職業技術學院 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

數控機床步進電機因控制精度不高，無法對速度參數間的關系進行有效協調對，步進電機可實現控制信號數模轉換，具備魯棒性強、控制誤差不累計等優點，隨著各方面自動水平的不斷發展與完善，步進電機應用領域廣泛，包括數控、計量、器械等。在數控領域中因為控制水平比較穩定，步進電機是數控機床中的核心控制設備，現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展的產物，FPGA是作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路而出現的，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控和修正作用，微控制器給出運行流程的控制指令，根據指令現場可編程門陣列(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。在實際數控機床的應用中會涉及多臺步進電機，FPGA能夠有效解決這一問題，可同時控制多臺數控機床，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決定性作用。

步進電機的正常運行需通過驅動器，FPGA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，是通過優化8位單片機后產生的，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，可實現多方信號的同時、快速傳輸，提供了節能工作模塊、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、數據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，FPGA工作模式包括分頻測試和內部測試兩種，進而實現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，需對其傳輸地址進行控制，這部分功能則由虛擬內存來實現，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，FPGA輸出格式為數字脈沖信號的控制信號。在數控機床實際應用過程中，需步進電機具有初始化、穩定運轉、加減速運轉和休眠的運行流程，對于晶振電路的計時輸出，FPGA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(發出的控制信號能量較低)，需首先放大其控制信號(需循環進行)，這一過程由步進電機驅動器實現。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)輸出穩定電流的條件下的運行狀態為反相轉動，在無電流輸出條件下的運行狀態為正向轉動。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高精度控制被控對象。

2 控制模塊軟件設計

數控機床中的傳統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，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勢，采用了綜合線性速度控制函數，實現對被控對象的高精度控制[7]。

步進電機(處于加速運行狀態)的加速函數用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，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，由f表示加速拋物線的總參數，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量P表示為：

當第n個控制指令由微控制器發出時，各加速階段的加速時間t同該指令間的關系式表示為：

減速運行狀態的步進電機的減速曲線運算方式與其相近，表現為和加速曲線呈對稱關系。通過對式中各項參數的調節，對高精度控制的實現具有重要作用，可有效協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，且表現出了較強的穩定性，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據轉矩(不確定性較大)實現的，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

實驗機器產生的加工元件的規格同越接近目標規格，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，可實現高精度控制。

4 總結

本文完成了基于FPGA的數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、現場可編程門陣列等，通過使用線性速度控制函數，有效提升了控制成果，進而實現模塊的高精度控制。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。