步进电动机快速准确定位系统的设计

    摘要：将步进电机快速定位系统划分为补偿表、位置控制器、升降速控制器、信号转换
器、转速及位置检测器羽『失步检测器等功能模块，有利于控制器编程和调试。对快速定位
系统 Bang—Bang 非线性控制的不足，提出改进措施，将位置控制的相平面分为多个区域 ，
不仅考虑 r 大、小位置偏差时应采取不同的控制策略，同利提出一种小位置偏差的控制策
略。实验证实这种控制策略是有效的，它提高了定位控制系统的准确性和快速性。
    

  

引 言

    在经济型数控机床中，普遍采用步进电动机作为伺服驱动部件。步进电动机将电脉冲信
号转换成角位移，驱动执行机构按一定的规律运动。高精度的位置控制常采用全闭环控制，
然而全闭环位置控制不仪需要高精度的位置检测装置，而且控制系统结构包含非线性环
节导致控制系统模型复杂化，影响系统的稳定性和快速性。为解决非线性问题将自适应控
制、变结构模糊控制等引入步进电动机位置控制系统中，提出 i 段控制策略。但是这些控
制方法和策略建立在步进电动机线性化的基础上，或要求确定位嚣控制系统较多的参数 ，
从而导致在实际应用中效果不尽人意。嵌入式数字控制系统配置灵活，功耗低，控制功能
强，易于实现智能控制，已成为位置控制系统的主流。随着单片机技术的发展，位置控制
器经历 8 位、16 位到 32 位的发展过程。目前 32 位单片机运算速度快，片内资源丰富，成
为高性能位置控制器的主要控制芯片。
    本文提出一种采用 32 位单片机为控制器，对大、小位置偏差采取不同控制策略、功能模
块化的步进电动机快速准确定位系统非线性设计方案。
    1 步进电动机快速准确定位系统的构成步进电动机快速准确定位系统的硬件电路。控制
器采用 P HlLIPs 公司生产的基于 ARM7TDMI—s 内核的 32 位嵌入式处理器 LPc2114，该
处理器具有丰富的片内资源，如 2 个定时器、I。c 接门、sPl 接口、2 个 uART 接口、PwM、实
时时钟 RTc、看门狗、A／D 转换器、多路中断系统和数量较大的 GPl0，给用户系统设计带
来较大方便。
    控制器 32 位数据宽度对提高控制精度十分有利，同时 cPu 流水线设计使程序执行更快
更流畅。上位机通过串行口对单片机控制器下达指令，单片机对步进电机进行升降速、位
置实时控制，同时检测步进电动机的转速和位置，并回送给 E 位机。上位机将接收到的数
据存储记录，同时采用图形曲线显示在屏幕上，由此研究升降速和快速位置控制的效果。
    LPc2114 的 PO．8 端控制步进电动机的转向，Po．9 端控制步进电动机的速度。步进电
动机的转速控制采用单片机内部定时器 TIMER0 控制，TIM—ER0 配置为匹配中断
MR0、MRl，其中 MR0 的数值控制单片机输出脉冲的频率，决定步进电动机速度的快慢，
MRl 为使 Po 9 能输出脉冲而配置，其值可以是 MR0 的一半。光电编码器_4 相、B 相和 z 相
信号由 PO．10、PO.11 和 PO.14 输入到 LPc2114。
    PO．10 和 Po．11 分别设置为 cAPl．0、cAPl．1 下降沿捕获中断，P0．14 设置为外部
中断 EINT2。机床的原点检测采用栅点法，其优点是原点的保持性好。
    检测近原点的光电开关由 PO．12 输入到 lLPc2114，当机床接近原点时挡板挡住光电开
关，使其输出低电平，而挡板离开光电开关后输出高电平。光电开关和编码器的 z 相信号
共同决定原点的位置，即当光电开关输出低电平信号时，编码器 z 相信号的上升沿指示
机床的原点。
    2 步进电动机快速准确定位系统的设计步进电动机快速准确定位系统的结构图，由位
置补偿表、位置控制器、升降速控制器、信号转换器、转速及位置检测器和转速反馈及失步
检测器等功能模块组成。，上位机向步进电动机定位系统下达位置指令凰，控制器根据起
始位置、目标位置和转向查找位置补偿表得到补偿位置△x，形成实际位置指令盖。，进而