双通道闭环步进电机控制器设计研究

2020-11-24宋彪安徽荃宇建筑劳务有限公司

灌篮 2020年33期

宋彪安徽荃宇建筑劳务有限公司

采用“驱动+控制”架构，并结合的数控系统原理，可以实现对步进电机控制器软件系统的设计。通过结合PID闭环调节架构，能够在误差允许范围内有效实现对步进电机控制器的设计。因此，有必要对双通道闭环步进电机控制器设计进行研究，以此来设计出合适的步进电机控制器。

一、步进电机综述

在机电设备中，步进电机属于常见设备，步进电机能够在运行中将电脉冲信号转化为直线、角位移。而且电机输出的角位移参数与输入脉冲数成正比，且转速与频率同样为正比关系，因此在对其进行设计时，可以利用电脉冲数量等参数来实现对步进电机启停、转速等多个角度的控制。对于传统步进电机而言，在运行期间需要利用触发器来生成并控制电脉冲，而在步进电机的参数出现变化后，则要重新针对步进电机的控制器进行设计，以此来适应全新的参数。需要注意的是，由于传统步进电机的成本相对较高，因此需要结合实际情况与技术条件来进行优化设计，以此来加强对步进电机运行质量的控制。

二、双通道闭环步进电机控制器分析

步进电机是能对电脉冲信号进行转化的电子元件，因此步进电机在运行中无法直接与直流电源进行连接，只能通过利用控制器来对步进电机进行控制。控制器可以发射具有变化能力的信号，并且还能为环形分配器提高脉冲序列。通常情况下，环形分配器的核心作用就是将脉冲序列按照既定的规律进行分配，然后结合功率放大器将其放大并传递至输入端，以此来驱动步进电机实现转动，因此步进电机控制器的重要性毋庸置疑。通过对其进行设计，可以让步进电机的运行效果得到保障[1]。

在诸如大跨度铣床、激光切割机床等机电设备中，龙门横梁等部件一般会选择使用两套伺服驱动设备，以此来让单轴双电机实现同步运行。这种运行模式需要保证伺服驱动设备的响应性能带有一致性，因此在实际使用中，往往具有较高的技术难度以及生产成本。若选择双通道驱动设备，就可以利用较低的成本来让机床设备实现单轴双电机的同步开启，因此双通道步进电机控制器具有较高的研究价值。就目前而言，常见的双通道驱动设备等往往会采用开环形式，而没有闭环接口，所以驱动器往往无法直接对双通道的同步偏差值进行快速调整，所以驱动设备的驱动控制性能将会受到被驱动目标各种参数所带来的影响，运行质量将会受限。而通过开发双通道闭环步进电机控制器，则可以结合数控原理对其架构进行设计优化，利用耦合调节算法可以直接完成对双通道输出同步偏差的驱动控制，因此双通道闭环步进电机控制器的运行效率可以得到应有的保障。

三、双通道闭环步进电机控制器设计

（一）系统设计

在闭环机床中，伺服驱动器是核心组成部分，其各项性能指标可以在一定程度上反映出数控机床的加工运行能力。在闭环数控设备中，位置闭环往往会利用上位计算机中的调节器来进行设计，而伺服驱动设备则可以实现速度环以及电流环。对于数控机床而言，其系统的整体运行效率将会因为系统插补、采样周期等各方面因素而受限。

为了对双通道闭环控制器进行控制，需要对传统数控架构进行优化设计，在优化后的新型架构中，伺服驱动设备应该针对由上位机按照插补周期下发的微位移指令，并以此来进行三闭环调节，所以双通道驱动设备需要同时具有位移以及速度接口，以此来保障各项功能得以顺利进行。在新架构中，若插补计算精度足够，则数控系统性能只会受到来自于伺服驱动设备其响应能力所带来的制约，因此闭环架构将会在一定程度上得到简化。除此之外，新数控架构还可以缩短插补周期，增加系统效率，但是这种数控架构却会进一步增加对伺服驱动设备的功能性要求。

在数控系统运行期间，由上位机下发的信号指令有微位移、长位移指令。其中微位移指令将利用伺服驱动设备为核心来获取对应的理论、实际脉冲数，并在运行期间，直接完成位置闭环调节。需要注意的是，各种长位移指令将会让伺服驱动设备提前进行速度规划，并且结合系统的插补周期来实现对位置的闭环调节。在此期间，数控系统由中、上位机下达的各种信号指令，在进行信号接收、转换等功能均由STM32来完成。而双通道脉冲输送、闭环采样则需要在FPGA系统中运行。对于传统双通道伺服驱动设备而言，可以在运行中利用双通道实现速度环以及电流环的双闭环运行。在此期间，由于双通道输出时将会出现同步误差，且误差无法在运行阶段直接调节。所以在设计系统时，要将PID控制器划分为位置环、速度环各两个，通过对PID闭环调节进行改造与优化，可以在一定程度上实现对位置环、速度环偏差的控制。

（二）硬件系统设计分析

在系统设计时，可以使用“STM32+FPGA”的硬件架构，其中STM32能够利用指令接口完成对各个系统下达的微、长位移指令信号的接收处理。例如可以将微位移指令快速转化为插补周期下的应发、应收脉冲数，此时便可以综合插补周期来将信号传输至FPGA。而在长位移指令中，则要以插补周期为基础来完成速度规划与数据转化，各种数据同样会发送至FPGA来执行。在FPGA将指令信号接收后，就能够结合插补周期完成对控制脉冲发送与采样，并针对速度环、位置环进行控制[2]。

HMI接口可以实现状态监视，EEPROM能够对所有状态参数进行存储，其中16位并行数据总线能够以指令下发总线的方式来使用，而SPI、USART总线则是FPGA状态上传总线。在系统运行期间，PWM驱动接口能够将输出信号引入驱动模块，正交编码器接口则可以捕获信号指令。驱动模块在设计期间，应该对系统电源、驱动电路进行调节，驱动电路在驱动芯片的影响下，可以利用信号输入接口进行指令控制以及信号的接收与输出，输入接口作为系统中的总电源，稳压芯片能够在转换电源完成后将信号传输至不同的控制模块。

（三）双通道闭环控制算法

双通道闭环控制算法为了保证同步性，在驱动系统中，两个步进电机并行运行的位置环以及速度环可以使用PID闭环架构。两个位置环可以在运行中对外部下达的各种信号指令进行并行接收，而且所有接收到的信号都可以由位置环独立完成运行。与此同时，由于步进电机具有据频特性，因此系统还可以利用减速同步的运行方式来实现对双通道运行偏差的同步调节，进而增加系统运行时的同步性，即可以利用增加扭矩的方式来让双通道的运行实现同步。在系统运行期间，被系统控制的对象将会在位移中出现偏差，位移偏差与位置同步系数之间的乘积将会共同在PID控制器中运行。需要注意的是，相同位置环在运行调节周期内，同步偏差调整项只能够作用于两个位置环的其中之一，因此可以通过单独调节其中一个位置环来实现同步运行。在运行过程中，如果系统运行偏差中并未达到阈值范围，则对应系统控制项目并不会直接参与到PID闭环调节，以此来防止位置环在系统干扰中出现振荡问题。与此同时，速度环的运行原理与位置环近似，即在偏差值小于系统速度阈值的情况下，对应的控制系统并不会参与到闭环调节。

（四）设计结果分析

通过搭建双边驱动实验平台，可以实现对设计结果的分析。利用实验台可以在X轴上利用两路步进电机以左右对称的方式来进行同步性驱动，步进电机的驱动核心为双通道驱动器。在对位置环以及速度环进行设定时，其采样周期分别控制在4ms与2ms，而STM32下达信号指令的周期则为8ms。在运行过程中，要在设备空载、固定荷载、变载三种工况下分别对运行参数进行记录与分析。通过针对测定系统的定位以及位移误差进行控制，可以了解双通道闭环控制器的使用效果。在此期间，变载工况需要让荷载在Y轴中匀速移动，而在分析定位误差时，则要选择位移输出以及指令位移中的参数偏大者。

结合测试可以发现双通道闭环控制器不管处于哪种工况，在各种指令下都可以将实测位移控制在合理范围内，而随着指令速度的加快，指令结束后其定位误差的发展趋势为增长状态。在空载以及带载情况下，若能够将速度控制在35mm/s以内，控制器的最终误差可以控制在0.075mm的范围内。而在变载情况下，则当指令速度达到30mm/s后，其定位误差便会超出0.08mm。所以在荷载存在变动的情况下，应该将双通道闭环控制器的运行速度控制在30mm/s以内，以便于降低定位误差所带来的影响。需要注意的是，由于不同速度指令下的位移曲线在STM32的速度规划下，将会出现延迟的情况，所以在控制其对微位移指令进行执行时，并不会受到的延时带来的影响。在三种工况下，以相同速度指令运行时，双通道位移所形成的误差并不会发生明显的递增与递减，所以荷载对系统位移误差所造成的影响并不大，因此双通道同步控制策略有极强的可操作性[3]。

通过对双通道闭环控制器进行设计，可以让数控系统在运行中实现三闭环，在三种不同的运行工况下，带载工况下的系统加减速度能够满足系统定位以及同步运行的实际需求。即无论是功能性还是误差情况，都可以满足步进电机的运行要求。若能够对闭环控制器的系统元件的性能质量进行优化，还可以让系统性能得到进一步提高。除此之外，通过对闭环PID控制参数进行分析优化，同样会提高控制器的运行效果。