雙通道閉環步進電機控制器設計研究

宋彪 安徽荃宇建筑勞務有限公司

采用“驅動+控制”架構，并結合的數控系統原理，可以實現對步進電機控制器軟件系統的設計。通過結合PID閉環調節架構，能夠在誤差允許范圍內有效實現對步進電機控制器的設計。因此，有必要對雙通道閉環步進電機控制器設計進行研究，以此來設計出合適的步進電機控制器。

一、步進電機綜述

在機電設備中，步進電機屬于常見設備，步進電機能夠在運行中將電脈沖信號轉化為直線、角位移。而且電機輸出的角位移參數與輸入脈沖數成正比，且轉速與頻率同樣為正比關系，因此在對其進行設計時，可以利用電脈沖數量等參數來實現對步進電機啟停、轉速等多個角度的控制。對于傳統步進電機而言，在運行期間需要利用觸發器來生成并控制電脈沖，而在步進電機的參數出現變化后，則要重新針對步進電機的控制器進行設計，以此來適應全新的參數。需要注意的是，由于傳統步進電機的成本相對較高，因此需要結合實際情況與技術條件來進行優化設計，以此來加強對步進電機運行質量的控制。

二、雙通道閉環步進電機控制器分析

步進電機是能對電脈沖信號進行轉化的電子元件，因此步進電機在運行中無法直接與直流電源進行連接，只能通過利用控制器來對步進電機進行控制?？刂破骺梢园l射具有變化能力的信號，并且還能為環形分配器提高脈沖序列。通常情況下，環形分配器的核心作用就是將脈沖序列按照既定的規律進行分配，然后結合功率放大器將其放大并傳遞至輸入端，以此來驅動步進電機實現轉動，因此步進電機控制器的重要性毋庸置疑。通過對其進行設計，可以讓步進電機的運行效果得 到保障[1]。

在諸如大跨度銑床、激光切割機床等機電設備中，龍門橫梁等部件一般會選擇使用兩套伺服驅動設備，以此來讓單軸雙電機實現同步運行。這種運行模式需要保證伺服驅動設備的響應性能帶有一致性，因此在實際使用中，往往具有較高的技術難度以及生產成本。若選擇雙通道驅動設備，就可以利用較低的成本來讓機床設備實現單軸雙電機的同步開啟，因此雙通道步進電機控制器具有較高的研究價值。就目前而言，常見的雙通道驅動設備等往往會采用開環形式，而沒有閉環接口，所以驅動器往往無法直接對雙通道的同步偏差值進行快速調整，所以驅動設備的驅動控制性能將會受到被驅動目標各種參數所帶來的影響，運行質量將會受限。而通過開發雙通道閉環步進電機控制器，則可以結合數控原理對其架構進行設計優化，利用耦合調節算法可以直接完成對雙通道輸出同步偏差的驅動控制，因此雙通道閉環步進電機控制器的運行效率可以得到應有的保障。

三、雙通道閉環步進電機控制器設計

（一）系統設計

在閉環機床中，伺服驅動器是核心組成部分，其各項性能指標可以在一定程度上反映出數控機床的加工運行能力。在閉環數控設備中，位置閉環往往會利用上位計算機中的調節器來進行設計，而伺服驅動設備則可以實現速度環以及電流環。對于數控機床而言，其系統的整體運行效率將會因為系統插補、采樣周期等各方面因素而受限。

為了對雙通道閉環控制器進行控制，需要對傳統數控架構進行優化設計，在優化后的新型架構中，伺服驅動設備應該針對由上位機按照插補周期下發的微位移指令，并以此來進行三閉環調節，所以雙通道驅動設備需要同時具有位移以及速度接口，以此來保障各項功能得以順利進行。在新架構中，若插補計算精度足夠，則數控系統性能只會受到來自于伺服驅動設備其響應能力所帶來的制約，因此閉環架構將會在一定程度上得到簡化。除此之外，新數控架構還可以縮短插補周期，增加系統效率，但是這種數控架構卻會進一步增加對伺服驅動設備的功能性要求。

在數控系統運行期間，由上位機下發的信號指令有微位移、長位移指令。其中微位移指令將利用伺服驅動設備為核心來獲取對應的理論、實際脈沖數，并在運行期間，直接完成位置閉環調節。需要注意的是，各種長位移指令將會讓伺服驅動設備提前進行速度規劃，并且結合系統的插補周期來實現對位置的閉環調節。在此期間，數控系統由中、上位機下達的各種信號指令，在進行信號接收、轉換等功能均由STM32來完成。而雙通道脈沖輸送、閉環采樣則需要在FPGA系統中運行。對于傳統雙通道伺服驅動設備而言，可以在運行中利用雙通道實現速度環以及電流環的雙閉環運行。在此期間，由于雙通道輸出時將會出現同步誤差，且誤差無法在運行階段直接調節。所以在設計系統時，要將PID控制器劃分為位置環、速度環各兩個，通過對PID閉環調節進行改造與優化，可以在一定程度上實現對位置環、速度環偏差的控制。

（二）硬件系統設計分析

在系統設計時，可以使用“STM32+FPGA”的硬件架構，其中STM32能夠利用指令接口完成對各個系統下達的微、長位移指令信號的接收處理。例如可以將微位移指令快速轉化為插補周期下的應發、應收脈沖數，此時便可以綜合插補周期來將信號傳輸至FPGA。而在長位移指令中，則要以插補周期為基礎來完成速度規劃與數據轉化，各種數據同樣會發送至FPGA來執行。在FPGA將指令信號接收后，就能夠結合插補周期完成對控制脈沖發送與采樣，并針對速度環、位置環進行控制[2]。

HMI接口可以實現狀態監視，EEPROM能夠對所有狀態參數進行存儲，其中16位并行數據總線能夠以指令下發總線的方式來使用，而SPI、USART總線則是FPGA狀態上傳總線。在系統運行期間，PWM驅動接口能夠將輸出信號引入驅動模塊，正交編碼器接口則可以捕獲信號指令。驅動模塊在設計期間，應該對系統電源、驅動電路進行調節，驅動電路在驅動芯片的影響下，可以利用信號輸入接口進行指令控制以及信號的接收與輸出，輸入接口作為系統中的總電源，穩壓芯片能夠在轉換電源完成后將信號傳輸至不同的控制模塊。

（三）雙通道閉環控制算法

雙通道閉環控制算法為了保證同步性，在驅動系統中，兩個步進電機并行運行的位置環以及速度環可以使用PID閉環架構。兩個位置環可以在運行中對外部下達的各種信號指令進行并行接收，而且所有接收到的信號都可以由位置環獨立完成運行。與此同時，由于步進電機具有據頻特性，因此系統還可以利用減速同步的運行方式來實現對雙通道運行偏差的同步調節，進而增加系統運行時的同步性，即可以利用增加扭矩的方式來讓雙通道的運行實現同步。在系統運行期間，被系統控制的對象將會在位移中出現偏差，位移偏差與位置同步系數之間的乘積將會共同在PID控制器中運行。需要注意的是，相同位置環在運行調節周期內，同步偏差調整項只能夠作用于兩個位置環的其中之一，因此可以通過單獨調節其中一個位置環來實現同步運行。在運行過程中，如果系統運行偏差中并未達到閾值范圍，則對應系統控制項目并不會直接參與到PID閉環調節，以此來防止位置環在系統干擾中出現振蕩問題。與此同時，速度環的運行原理與位置環近似，即在偏差值小于系統速度閾值的情況下，對應的控制系統并不會參與到閉環調節。

（四）設計結果分析

通過搭建雙邊驅動實驗平臺，可以實現對設計結果的分析。利用實驗臺可以在X軸上利用兩路步進電機以左右對稱的方式來進行同步性驅動，步進電機的驅動核心為雙通道驅動器。在對位置環以及速度環進行設定時，其采樣周期分別控制在4ms與2ms，而STM32下達信號指令的周期則為8ms。在運行過程中，要在設備空載、固定荷載、變載三種工況下分別對運行參數進行記錄與分析。通過針對測定系統的定位以及位移誤差進行控制，可以了解雙通道閉環控制器的使用效果。在此期間，變載工況需要讓荷載在Y軸中勻速移動，而在分析定位誤差時，則要選擇位移輸出以及指令位移中的參數偏大者。

結合測試可以發現雙通道閉環控制器不管處于哪種工況，在各種指令下都可以將實測位移控制在合理范圍內，而隨著指令速度的加快，指令結束后其定位誤差的發展趨勢為增長狀態。在空載以及帶載情況下，若能夠將速度控制在35mm/s以內，控制器的最終誤差可以控制在0.075mm的范圍內。而在變載情況下，則當指令速度達到30mm/s后，其定位誤差便會超出0.08mm。所以在荷載存在變動的情況下，應該將雙通道閉環控制器的運行速度控制在30mm/s以內，以便于降低定位誤差所帶來的影響。需要注意的是，由于不同速度指令下的位移曲線在STM32的速度規劃下，將會出現延遲的情況，所以在控制其對微位移指令進行執行時，并不會受到的延時帶來的影響。在三種工況下，以相同速度指令運行時，雙通道位移所形成的誤差并不會發生明顯的遞增與遞減，所以荷載對系統位移誤差所造成的影響并不大，因此雙通道同步控制策略有極強的可操作性[3]。

通過對雙通道閉環控制器進行設計，可以讓數控系統在運行中實現三閉環，在三種不同的運行工況下，帶載工況下的系統加減速度能夠滿足系統定位以及同步運行的實際需求。即無論是功能性還是誤差情況，都可以滿足步進電機的運行要求。若能夠對閉環控制器的系統元件的性能質量進行優化，還可以讓系統性能得到進一步提高。除此之外，通過對閉環PID控制參數進行分析優化，同樣會提高控制器的運行效果。

四、結論

總而言之，步進電機作為常見機電設備，通過對雙通道閉環步進電機控制器進行設計，可以讓步進電機的運行質量得到進一步優化，并增加步進電機的適用范圍。相信隨著更多人認識到雙通道閉環控制器的價值，雙通道閉環控制器一定會更加完善。