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步進電機是一種能夠實現控制信號數模轉換的控制設備，與其他控制設備相比，其擁有控制誤差不累計、魯棒性強等優點。在強調自動化辦公的當今社會中，步進電機被廣泛應用于數控、計量、器械等領域^M。在數控領域中，步進電機以其穩定的控制水平成為數控加工中心中的核心控制設備。但在傳統的數控加工中心步進電機控制模塊無法有效協調步進電機速度參數間的關系，控制精度不高。現如今，數控領域對數控加工中心中步進電機高精度控制模塊，產生了較大的需求^[4'

控制精度包括響應效果、控制誤差和控制成果，傳統的數控加工中心步進電機控制模塊均無法完全實現高精度控制。如文獻m基于電磁鐵設計數控加工中心步進電機控制模塊，其將電磁鐵產生的電磁扭矩作為控制媒介，實現對被控對象的有效控制。但電磁鐵易受干擾，將導致整個模塊的魯棒性被破壞,故其響應效果、控制誤差和控制成果均不好。文獻[8]基于單片機設計數控加工中心步進電機控制模塊,該模塊利用單片機較為強大的控制性能，結合部分外接電路，實現了對被控對象的有效控制。其響應效果和控制誤差較好,但在多線程控制下單

片機耗能較大，導致控制信號不穩定，故模塊的控制成果不好。文獻[9]設計基于電子電路的數控加工中心步進電機控制模塊，電子電路產生的控制信號可直接被步進電機所使用，有效提高了模塊的控制精度。但該模塊更改控制策略的步驟非常復雜，故只適用于控制策略較為穩定的被控對象。文獻[10]設計基于可編程邏輯控制器的數控加工中心步進電機控制模塊，可編程邏輯控制器的本質就是工業計算機，其價格便宜、使用簡單，具有較強的實用性。在控制工作中，可編程邏輯控制器用其輸出的方形脈沖信息對步進電機的速度進行控制，具有較高的響應效果和控制成果，但該模塊的控制誤差不易控制。

根據上述內容可知，若想使數控加工中心步進電機控制模塊實現高精度控制，需要選擇性能高、成本低的控制器，并結合特定方法有效協調步進電機的速度關系。現基于STM32F103微控制器和綜合線性速度控制函數，設計數控加工中心步進電機高精度控制模塊。

1數控加工中心中的步進電機高精度控制模塊設計

1.1模塊整體方案設計

所設計的數控加工中心步進電機高精度控制模塊采用STM32F103微控制器作為其硬件控制核心，并結合綜合線性速度控制函數，提高模塊響應效果和控制成果，縮減控制誤差，最終實現高精度控制。圖1為模塊硬件結構圖。

由于步進電機只有在驅動器存在的情況下才能正常運行，故FPGA與步進電機并非直接相連? FPGA先將控制信號傳輸給步進電機驅動器，步進電機驅動器根據控制信號中控制位置的排序，依次將步進電機所需的控制電流導入步進電機，以實現對被控對象的準確控制。在所設計的數控加工中心步進電機高精度控制模塊中，光柵傳感器的作用是對步進電機的運行流程進行采集。其將所采集到的信息傳輸給FPGA，FPGA對信息內容進行判斷，得出步進電機的具體運行結果，并將其傳輸給STM32F103微控制器，實現STM32F103微控制器對步進電機運行流程的實時監控和修正。

1.2 STM32F103微控制器設計

STM32F103微控制器是一款對8位單片機進行優化后產生的32位控制器，其價格便宜、便于攜帶，并擁有很強的控制能力，在運算速度和轉換效率上比8位單片機有很大提升。STM32F103微控制器擁有低耗、高兼容性和高通信能力等優點，其電壓范圍為[2.0 V，3.6 V]，通常使用3.3 V電源供電。

STM32F103微控制器給用戶提供了三個工作模塊，分別是標準工作模塊、節能工作模塊和休眠工作模塊，用戶可根據自身控制需求選用最適合的工作模塊。其還擁有多種類型的通信接口，最大傳輸頻率為70 MHz，可進行多方信號的同時、快速傳輸。

在STM32F103微控制器中，其最重要的功能電路是晶振電路和電源電路，如圖2、圖3所示。

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結束語：

本文設計數控加工中心步進電機高精度控制模塊，其采用STM32F103微控制器作為硬件控制核心，并結合綜合線性速度控制函數、現場可編程門陣列、步進電機驅動器和光柵傳感器，以提高模塊響應效果和控制成果、縮減控制誤差為設計目標，最終實現模塊的高精度控制。實驗將本文模塊與單片機控制模塊，以及可編程邏輯控制器控制模塊的響應效果、控制誤差、控制成果進行對比。實驗結果表明，所設計的模塊具有優良的響應效果、控制誤差和控制成果，可較好地實現模塊對被控對象的高精度控制。

數控加工中心中的步進電機高精度控制模塊設計

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