一种基于步进电机闭环控制系统的多功能激光加工机

池晴 吴雅琪 谢霖锋 朱法铜 董春阳

（江苏农林职业技术学院，江苏镇江 212400）

随着自动控制技术、电子技术、计算机应用技术等现代化技术的不断发展，步进电机的应用已深入到各个领域，其需求量也日益增加。由于科技发展的不断深入与细化，行业内对于步进电机的高效性与精准度提出了更高的要求。市面上大多数的步进电机采用开环控制方法进行位置的控制，该种方式简单易操作且步进电机的脉冲输入不依赖于转子的运动位移状态，只需按照一定规律输入对应控制的电脉冲数即可实现对步进电机的转角需求，步进电机即可在既定的脉冲下运动，但开环控制系统有存在一定的弊端，极易发生抖动、失步等问题，无法满足医疗设备、自动化设备、工业精密仪器等精度要求较高的场所的需求[1]。而多功能激光加工机采用闭环控制方法对步进电机的位置进行控制，通过对位置的全面检测给出反馈，并且结合步进电机的转角要求自动给出相应的脉冲序列，以此实现对步进电机位置的绝对高精度控制。

1 闭环运动控制系统

1.1 系统架构

多功能激光加工机的闭环运动系统主要包括运算器、执行器、控制器、被控对象和反馈装置五大部分，各个部分之间的关系如图1 所示。

图1 多功能激光加工机系统架构图

运算器位于主控制器上，主要用于闭环算法处理，算法处理的结果输出到控制器用于控制调整控制器的输出量；控制器包含步进电机的驱动程序以及驱动器，主要用于实现步进电机的运动控制，处理和输出步进电机的驱动信号；被控对象为激光雕刻头，激光加工机的闭环运动控制系统其主要目的是精确、稳定地控制激光雕刻头的运动，从而达到理想的雕刻效果。

1.2 控制原理

闭环控制，即直接或间接地对转子的速度进行全面的检测之后，将检测到的信号作为被控的输出以反馈的方式返回到作为控制的输入端，然后在输入端进行一定的算法处理[2]，结合步进电机的转角要求后，自动给出步进电机的驱动脉冲序列，并且这个驱动脉冲序列随着转子位置的变化而改变，闭环控制通过将驱动技术与微型计算机控制技术结合起来，同时采用经典有效的控制算法，从而实现步进电机的位置的稳定且高精度的控制。闭环控制方式完全颠覆了开环控制的精度低、过冲、失步等缺陷，使得步进电机的控制方式更加智能化[3]。

1.3 增量式PID 算法

为了实现步进电机的闭环控制，本系统中运算器选择使用增量式PID 控制算法，对步进电机运动过程中出现的误差进行补偿[4]。PID 是一种基于偏差比例P、微分D、积分I 的控制算法，属于经典的控制算法，凭借其原理简单、易操作且控制效果突出等优良特性而在工业控制等领域有着较为广泛的应用。以下为将增量式PID 算法应用于步进电机闭环运动系统的相关介绍：

通常的位置式连续PID 控制算法的表达式为：

式中，u(t)代表t 时刻控制器的输出量，e(t)代表t 时刻给定量和反馈量之间的差值，Kp为比例常数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。将式（1）进行离散化，就可以得到离散PID 控制算法公式：

式中，u(k)代表第k 次采样时控制器对应的输出量，e(k)代表第k 次给定量和反馈量之间的差值，Kp代表比例常数，Ki代表积分常数，Kd代表微分常数。由于步进电机需要的是位置的增量，所以采用增量式PID 算法实现具体控制。根据上式，可得第k-1 次控制器的输出量表达式为：

式（2）和式（3）求差值，可得增量式PID 控制算式：

对式（4）进行化简，可得：

由于位置式算法计算量较大，而增量式PID 控制算法相比之下计算量较小，这样，通过增量式PID 控制只需要在控制器中存储连续三次偏差值[5]，便可以得出控制器输出量的增量。

2 步进电机闭环控制系统

2.1 TMC5160 芯片

步进电机的闭环控制系统是在原有的开环控制系统步进电机的基础上多加配置一个TMC5160-TA 芯片。2018 年推出了TMC5160 芯片，TMC5160 是带有串行通信接口的新型单轴步进电机驱动芯片，配合可外扩N 通道MOSFET，每个线圈的电机电流最高可以达到20A，电压最大也可以达到60VDC，实现了电机电压和电流规格的最大化[6]。TMC5160-TA 将步进电机驱动器和专用运动控制器集成在一块芯片上，同时，TMC5160-TA 芯片的STALLGUARD 高精度无传感器，负载检测功能，Coolstep 电流随负载动态调节，具有保护和诊断功能，能够有效检测到步进电机在工作过程中发生的失步情况[7]。

2.2 检测系统

如图2 步进电机的闭环控制系统所示，配置有TMC5160 芯片的闭环系统控制步进电机采用同步速度的方式，检测步进电机在雕刻过程中发现电机运动速度与TMC5160 芯片所反应的速度不同情况时，及时反映给TMC5160 芯片，可以有效地避免了步进电机在雕刻过程中出现的失步以及抖动现象。同时，步进电机的工作以脉冲形式反馈与给定值进行比较，如果芯片检测发现丢步，则根据差值继续发送脉冲把丢掉的步数补上，从而完成步进电机的闭环控制。

图2 步进电机的闭环控制系统

3 实验测试与分析

为了测试步进电机在闭环控制系统下的工作性能，为此设置了一个对照实验，用一个多功能激光加工机来实现开环控制系统与闭环控制系统下步进电机的工作结果的对比，可以通过多功能激光加工机雕刻出来的对比图像来观察分析步进电机在闭环控制系统下的工作性能。

3.1 步进电机开环控制实验与闭环控制实验

如图3 实验过程所示，首先要设置实验多功能激光加工机的雕刻时的焦距、变速、弱光功率、位置等等，同时，如表1 雕刻参数表所示要保证各个参数的一致性。调整好步进电机的雕刻焦距以及各个参数之后，需要再调整一下步进电机的雕刻位置，保证雕刻范围。然后开始选择合适的雕刻图像文件来进行雕刻，接着让步进电机开始运转圈出雕刻边框，如果雕刻边框符合适宜范围，那么就让步进电机正式工作，开始雕刻。

图3 实验过程

表1 雕刻参数表

3.2 结果对比分析

实验结果如图4 和图5 所示，可以观察到在开环控制系统下雕刻出来的图像，由于步进电机存在震荡、过冲等问题而出现明显的失步现象，雕刻出来的线条并不完整，中间存在许多缺失的部分，说明在这些线条断开的地方，步进电机由于震荡，导致激光雕刻头未能运动到指定位置而提前运动到下一位置，从而导致部分预设图案未能及时雕刻，出现了失步现象，以致图像明显失真，这对于精密仪器等对精度要求极高的场所来说是极大的劣势。从图5 可以看出，相较于开环控制系统，闭环控制系统雕刻出来的图像完整清晰且线条连续，没有出现明显的线条缺失、断裂等现象，并没有发生失步现象。综上所述，通过这两个实验结果图像的对比，就可以得出，闭环控制系统相较于开环控制系统，可以良好地改进失步现象，尽量减少失步现象的发生，保证雕刻时图像的精确性与完整性。

图4 开环控制雕刻实验图

图5 闭环控制雕刻实验图

4 激光加工机的多功能优化

4.1 平面与曲面加工兼容

目前市场上所售激光雕刻机局限于单一平面雕刻或曲面雕刻，只能满足单一的需求。为了同时满足平面与曲面雕刻的需求，多功能激光加工机采用滚动转轴平台，使用轴承座将滚轴两端固定在玻纤板上，两侧的玻纤板设有圆弧状卡槽，卡槽处设置有三个不同的高度调节档位，可根据需求调节滚轴高度，实现不同直径的立体工件的曲面雕刻。此外，激光加工机两侧玻纤板在水平方向上置有一块平面板，并在其一端的下方放置一条形板，板上均匀固定有一定数量的压纸轮，平面加工件从压纸轮与滚轴之间通过，滚轴滚动带动加工件行进，行进过程中，平面板承托住加工件，加工件不断前进，同时激光头在X轴方向上来回运动，形成加工件与激光头在X、Y 方向上的相对运动，从而实现平面雕刻的效果，达到一机多用的目的。

4.2 突破加工件规格限制

对于传统激光雕刻机而言，其加工的平面工件的规格往往局限于雕刻机整体架构。针对这一问题，多功能激光加工机去除了两端用于固定机器整体的铝型材，并在机器底部放置一平面板，板上设有两处卡槽，将两块玻纤板垂直固定于卡槽处，即可在保证机器结构稳定的同时又能实现任意长度平面材料的加工。

5 结论

主要介绍了一种基于步进电机闭环控制系统的多功能激光加工机，PID 算法的闭环控制方法在很大程度上解决了步进电机开环控制过程中失步和过冲问题，同时具备了操作简便、加工效率高、工序简单的优点，为现代工业控制等多领域提供了良好的技术基础。激光加工技术是20 世纪人类思想重大发明之一，其技术及相应产业已成为国家重点扶持并由科研院所和企业共同主导的国家战略型新兴产业。随着近年来人们对激光加工技术越来越广泛的研究，相信基于步进电机闭环控制系统的多功能激光加工机在未来会得到大范围的推广与应用。