一種基于步進電機閉環控制系統的多功能激光加工機

池晴 吳雅琪 謝霖鋒 朱法銅 董春陽

（江蘇農林職業技術學院，江蘇鎮江 212400）

隨著自動控制技術、電子技術、計算機應用技術等現代化技術的不斷發展，步進電機的應用已深入到各個領域，其需求量也日益增加。由于科技發展的不斷深入與細化，行業內對于步進電機的高效性與精準度提出了更高的要求。市面上大多數的步進電機采用開環控制方法進行位置的控制，該種方式簡單易操作且步進電機的脈沖輸入不依賴于轉子的運動位移狀態，只需按照一定規律輸入對應控制的電脈沖數即可實現對步進電機的轉角需求，步進電機即可在既定的脈沖下運動，但開環控制系統有存在一定的弊端，極易發生抖動、失步等問題，無法滿足醫療設備、自動化設備、工業精密儀器等精度要求較高的場所的需求[1]。而多功能激光加工機采用閉環控制方法對步進電機的位置進行控制，通過對位置的全面檢測給出反饋，并且結合步進電機的轉角要求自動給出相應的脈沖序列，以此實現對步進電機位置的絕對高精度控制。

1 閉環運動控制系統

1.1 系統架構

多功能激光加工機的閉環運動系統主要包括運算器、執行器、控制器、被控對象和反饋裝置五大部分，各個部分之間的關系如圖1 所示。

圖1 多功能激光加工機系統架構圖

運算器位于主控制器上，主要用于閉環算法處理，算法處理的結果輸出到控制器用于控制調整控制器的輸出量；控制器包含步進電機的驅動程序以及驅動器，主要用于實現步進電機的運動控制，處理和輸出步進電機的驅動信號；被控對象為激光雕刻頭，激光加工機的閉環運動控制系統其主要目的是精確、穩定地控制激光雕刻頭的運動，從而達到理想的雕刻效果。

1.2 控制原理

閉環控制，即直接或間接地對轉子的速度進行全面的檢測之后，將檢測到的信號作為被控的輸出以反饋的方式返回到作為控制的輸入端，然后在輸入端進行一定的算法處理[2]，結合步進電機的轉角要求后，自動給出步進電機的驅動脈沖序列，并且這個驅動脈沖序列隨著轉子位置的變化而改變，閉環控制通過將驅動技術與微型計算機控制技術結合起來，同時采用經典有效的控制算法，從而實現步進電機的位置的穩定且高精度的控制。閉環控制方式完全顛覆了開環控制的精度低、過沖、失步等缺陷，使得步進電機的控制方式更加智能化[3]。

1.3 增量式PID 算法

為了實現步進電機的閉環控制，本系統中運算器選擇使用增量式PID 控制算法，對步進電機運動過程中出現的誤差進行補償[4]。PID 是一種基于偏差比例P、微分D、積分I 的控制算法，屬于經典的控制算法，憑借其原理簡單、易操作且控制效果突出等優良特性而在工業控制等領域有著較為廣泛的應用。以下為將增量式PID 算法應用于步進電機閉環運動系統的相關介紹：

通常的位置式連續PID 控制算法的表達式為：

式中，u(t)代表t 時刻控制器的輸出量，e(t)代表t 時刻給定量和反饋量之間的差值，Kp為比例常數，Ti為積分時間常數，Td為微分時間常數。將式（1）進行離散化，就可以得到離散PID 控制算法公式：

式中，u(k)代表第k 次采樣時控制器對應的輸出量，e(k)代表第k 次給定量和反饋量之間的差值，Kp代表比例常數，Ki代表積分常數，Kd代表微分常數。由于步進電機需要的是位置的增量，所以采用增量式PID 算法實現具體控制。根據上式，可得第k-1 次控制器的輸出量表達式為：

式（2）和式（3）求差值，可得增量式PID 控制算式：

對式（4）進行化簡，可得：

由于位置式算法計算量較大，而增量式PID 控制算法相比之下計算量較小，這樣，通過增量式PID 控制只需要在控制器中存儲連續三次偏差值[5]，便可以得出控制器輸出量的增量。

2 步進電機閉環控制系統

2.1 TMC5160 芯片

步進電機的閉環控制系統是在原有的開環控制系統步進電機的基礎上多加配置一個TMC5160-TA 芯片。2018 年推出了TMC5160 芯片，TMC5160 是帶有串行通信接口的新型單軸步進電機驅動芯片，配合可外擴N 通道MOSFET，每個線圈的電機電流最高可以達到20A，電壓最大也可以達到60VDC，實現了電機電壓和電流規格的最大化[6]。TMC5160-TA 將步進電機驅動器和專用運動控制器集成在一塊芯片上，同時，TMC5160-TA 芯片的STALLGUARD 高精度無傳感器，負載檢測功能，Coolstep 電流隨負載動態調節，具有保護和診斷功能，能夠有效檢測到步進電機在工作過程中發生的失步情況[7]。

2.2 檢測系統

如圖2 步進電機的閉環控制系統所示，配置有TMC5160 芯片的閉環系統控制步進電機采用同步速度的方式，檢測步進電機在雕刻過程中發現電機運動速度與TMC5160 芯片所反應的速度不同情況時，及時反映給TMC5160 芯片，可以有效地避免了步進電機在雕刻過程中出現的失步以及抖動現象。同時，步進電機的工作以脈沖形式反饋與給定值進行比較，如果芯片檢測發現丟步，則根據差值繼續發送脈沖把丟掉的步數補上，從而完成步進電機的閉環控制。

圖2 步進電機的閉環控制系統

3 實驗測試與分析

為了測試步進電機在閉環控制系統下的工作性能，為此設置了一個對照實驗，用一個多功能激光加工機來實現開環控制系統與閉環控制系統下步進電機的工作結果的對比，可以通過多功能激光加工機雕刻出來的對比圖像來觀察分析步進電機在閉環控制系統下的工作性能。

3.1 步進電機開環控制實驗與閉環控制實驗

如圖3 實驗過程所示，首先要設置實驗多功能激光加工機的雕刻時的焦距、變速、弱光功率、位置等等，同時，如表1 雕刻參數表所示要保證各個參數的一致性。調整好步進電機的雕刻焦距以及各個參數之后，需要再調整一下步進電機的雕刻位置，保證雕刻范圍。然后開始選擇合適的雕刻圖像文件來進行雕刻，接著讓步進電機開始運轉圈出雕刻邊框，如果雕刻邊框符合適宜范圍，那么就讓步進電機正式工作，開始雕刻。

圖3 實驗過程

表1 雕刻參數表

3.2 結果對比分析

實驗結果如圖4 和圖5 所示，可以觀察到在開環控制系統下雕刻出來的圖像，由于步進電機存在震蕩、過沖等問題而出現明顯的失步現象，雕刻出來的線條并不完整，中間存在許多缺失的部分，說明在這些線條斷開的地方，步進電機由于震蕩，導致激光雕刻頭未能運動到指定位置而提前運動到下一位置，從而導致部分預設圖案未能及時雕刻，出現了失步現象，以致圖像明顯失真，這對于精密儀器等對精度要求極高的場所來說是極大的劣勢。從圖5 可以看出，相較于開環控制系統，閉環控制系統雕刻出來的圖像完整清晰且線條連續，沒有出現明顯的線條缺失、斷裂等現象，并沒有發生失步現象。綜上所述，通過這兩個實驗結果圖像的對比，就可以得出，閉環控制系統相較于開環控制系統，可以良好地改進失步現象，盡量減少失步現象的發生，保證雕刻時圖像的精確性與完整性。

圖4 開環控制雕刻實驗圖

圖5 閉環控制雕刻實驗圖

4 激光加工機的多功能優化

4.1 平面與曲面加工兼容

目前市場上所售激光雕刻機局限于單一平面雕刻或曲面雕刻，只能滿足單一的需求。為了同時滿足平面與曲面雕刻的需求，多功能激光加工機采用滾動轉軸平臺，使用軸承座將滾軸兩端固定在玻纖板上，兩側的玻纖板設有圓弧狀卡槽，卡槽處設置有三個不同的高度調節檔位，可根據需求調節滾軸高度，實現不同直徑的立體工件的曲面雕刻。此外，激光加工機兩側玻纖板在水平方向上置有一塊平面板，并在其一端的下方放置一條形板，板上均勻固定有一定數量的壓紙輪，平面加工件從壓紙輪與滾軸之間通過，滾軸滾動帶動加工件行進，行進過程中，平面板承托住加工件，加工件不斷前進，同時激光頭在X軸方向上來回運動，形成加工件與激光頭在X、Y 方向上的相對運動，從而實現平面雕刻的效果，達到一機多用的目的。

4.2 突破加工件規格限制

對于傳統激光雕刻機而言，其加工的平面工件的規格往往局限于雕刻機整體架構。針對這一問題，多功能激光加工機去除了兩端用于固定機器整體的鋁型材，并在機器底部放置一平面板，板上設有兩處卡槽，將兩塊玻纖板垂直固定于卡槽處，即可在保證機器結構穩定的同時又能實現任意長度平面材料的加工。

5 結論

主要介紹了一種基于步進電機閉環控制系統的多功能激光加工機，PID 算法的閉環控制方法在很大程度上解決了步進電機開環控制過程中失步和過沖問題，同時具備了操作簡便、加工效率高、工序簡單的優點，為現代工業控制等多領域提供了良好的技術基礎。激光加工技術是20 世紀人類思想重大發明之一，其技術及相應產業已成為國家重點扶持并由科研院所和企業共同主導的國家戰略型新興產業。隨著近年來人們對激光加工技術越來越廣泛的研究，相信基于步進電機閉環控制系統的多功能激光加工機在未來會得到大范圍的推廣與應用。