《基于單片機的激光旋轉加工步進電機的控制系統(tǒng)設計》10000字（論文）

緒論1.1研究背景及意義自從上個世紀60年代初美國人發(fā)明了激光器以來，人們對激光技術的研究和廣泛應用極大地促進了科學技術的發(fā)展。激光器以其優(yōu)異的性能與多學科交叉融合發(fā)展，在通信、醫(yī)療、航天航空、信息處理和制造等領域得到了廣泛的應用。特別是激光加工領域，由于其高精度、高效率、節(jié)能環(huán)保等加工優(yōu)勢，在高新技術產(chǎn)品的加工中具有不可替代的作用，被稱為“萬能加工工具”，是當今最具代表性的先進制造技術之一。激光加工技術在精密微加工領域比傳統(tǒng)加工技術有明顯的優(yōu)勢，它是一種非接觸式加工，具有靈活的空間和時間控制，易于引導和聚焦，并能調節(jié)能量和速度，可加工的材料有金屬材料、塑料制品、陶瓷制品、玻璃材料等。利用光學聚焦鏡，激光可以對材料進行聚焦以獲得更小的光斑，超短脈沖能使材料在短時間內聚集更高的能量密度，使材料和物質作用時實現(xiàn)瞬間“蒸發(fā)”，從而提高了加工精度，在微電子半導體、微機械零件、微光學制品等精密加工領域中得到廣泛應用。激光加工控制系統(tǒng)是激光加工機的核心，與國外知名激光加工公司相比，我國激光加工公司的控制系統(tǒng)主要采用國外研發(fā)，與國外相比存在較大差距。另外，國外控制系統(tǒng)價格高，售后服務晚，開放性低，容易造成技術封鎖，缺乏基本的控制系統(tǒng)技術。因此，有必要研制具有自主知識產(chǎn)權、精度高、開放性好的激光加工控制系統(tǒng)，這對實施中國制造2025具有重要意義?；诖?，本文詳細開發(fā)了一種激光旋轉加工控制系統(tǒng)，目的是為了有效提高加工零件的精度，適應現(xiàn)代生產(chǎn)的要求。1.2國內外研究現(xiàn)狀以美國、日本、德國為代表的國外發(fā)達國家已形成較為完善的激光加工設備發(fā)展產(chǎn)業(yè)。由美國MiyachiAmerica公司開發(fā)的Sigma激光管切割系統(tǒng)，結合Sigma精密切割平臺和Delta專有的冷燒運動控制軟件，可確保切割符合切割要求[1]。利用日本三菱重工制造的皮秒DUV激光光學系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，ABLASER激光微細加工系統(tǒng)可以實現(xiàn)對傳統(tǒng)方法難以加工的材料進行超精密加工。德國IPGPhotonics公司開發(fā)的IX-200型光纖激光微加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于技術研究開發(fā)、批量試產(chǎn)和大規(guī)模生產(chǎn)。采用綜合加工軟件，采用多軸加工技術，可以實現(xiàn)整體加工定位，完全滿足高精度切削、鉆孔、微細加工的工藝控制要求[2]。雖然國內在激光加工技術方面已經(jīng)取得了很多研究成果，但是與國外相比，國內激光加工系統(tǒng)的發(fā)展還不夠成熟。激光器技術的顯著優(yōu)勢決定了它將逐步取代傳統(tǒng)工藝，激光加工系統(tǒng)在國內的市場潛力巨大，而國產(chǎn)激光器替代進口產(chǎn)品的趨勢將不斷深化。當前，國內激光加工系統(tǒng)已形成以大族激光、華工科技兩大龍頭企業(yè)為主導的產(chǎn)業(yè)格局，在激光加工技術的研究和應用過程中，已取得一系列成果，逐步趕上國際領先水平。2激光旋轉加工控制系統(tǒng)總體設計2.1總體結構設計激光旋轉加工是將激光束照射在旋轉工作臺上的旋轉工作表面。整套激光旋轉加工機配備了比常規(guī)激光打標機第三軸旋轉系統(tǒng)，可進行360度旋轉打標、刻度或文字打標[3]。激光旋轉加工整機單體結構如下圖2.1：1激光振鏡掃描頭，2激光器，3工控電腦，4激光制冷系統(tǒng)，5控制系統(tǒng)機柜，6升降臺，7旋轉打標夾頭圖2.1激光旋轉加工整機單體結構圖2.2激光系統(tǒng)設計激光系統(tǒng)是激光旋轉加工機的主要部件，由激光器和振鏡掃描頭組成。其內部結構如圖2.2：①后端板，②導軌，③轉接水嘴，④紅光定位器，⑤全反鏡，⑥Q開關，⑦半導體模塊，⑧小孔光闌，⑨輸出鏡，⑩擴束鏡，?前端板，?連接頸，?場鏡，?激光打標頭，?激光器罩圖2.2激光系統(tǒng)內部結構圖（1）激光器由于激光具有指向性、相干性、高亮度和單色性等特點，可以形成極細的高能密度光束，因此激光在打標中得到廣泛應用。激光器是發(fā)射激光的設備，激光器可以根據(jù)不同的工作介質分類：①氣體激光器，②固體激光器，③半導體激光器，④自由電子激光器，⑤染料激光器[4]。圖2.3半導體激光器基本原理圖該系統(tǒng)采用國際先進的半導體激光器，其基本原理是在半導體材料的能帶與能帶之間，或在雜質與能帶之間，當存在大量電子時，采用一定的激發(fā)方法使不平衡載流子粒子數(shù)發(fā)生反轉。在布居數(shù)反轉狀態(tài)下，它們將與許多空穴重新結合產(chǎn)生受激發(fā)射，從而產(chǎn)生激光[5]?；驹砣缟厦娴膱D2.3所示。激光在光腔中被放大，一部分通過光腔的輸出鏡輸出。（2）激光振鏡掃描頭該激光旋轉加工系統(tǒng)選用常用的振鏡掃描方式進行打標，即將激光束照射到兩塊鏡面上，通過打標計算機軟件控制掃描電機，使兩塊鏡面沿X軸和Y軸移動。旋轉后，具有一定功率密度的激光束聚焦并發(fā)射到工件表面，隨著兩面鏡子的旋轉而移動，從而形成標記圖案[6]。原理如圖2.4所示。圖2.4振鏡工作原理圖2.3步進電機選型作為激光旋轉加工控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機構，步進電機是激光旋轉加工控制系統(tǒng)的重要組成部分，在設計步進電機控制系統(tǒng)時，應充分了解步進電機的主要參數(shù)，并結合實際控制要求，選擇符合要求的步進電機[7]。選擇步進電動機時，應考慮以下技術參數(shù)：（1）步距角步進電動機的轉子角是指每個脈沖信號中轉子的轉角。公式如下：（2.1）其中：N——轉子運行拍數(shù)；Z——轉子的齒數(shù)。步進電機的轉速n可以通過下面的式子得出：（2.2）式中：f——輸入的脈沖頻率（Hz）。從以上公式中可以看出，當N、Z參數(shù)確定后，選擇步進電機，步進電機的旋轉速度僅與輸入脈沖頻率f有關，且具有簡單的線性關系。所以控制步進電機的脈沖頻率是實現(xiàn)電機調速的關鍵[8]。（2）保持轉矩步進電動機鎖定了轉子轉矩，不會轉動也不會啟動。電動機選型時，輸出轉矩與轉速的變化有很大的關系。（3）響應頻率和啟動頻率在響應速度和起動頻率滿足要求的條件下，步進電機具有較高的定位精度和起動速度。步距角度小，定位精度高，響應速度快，系統(tǒng)工作效率高。步進電機的選型應充分考慮三個方面的因素，在很大程度上決定著控制系統(tǒng)的性能。針對工業(yè)現(xiàn)場的需要，結合價格、數(shù)量等因素，對國產(chǎn)39BYG221雙相混合激光旋轉式步進電動機進行了選型，并對其性能進行了分析。其技術參數(shù)列于表2.1。表2.1步進電機技術參數(shù)步距角（°相電阻（Ω））相電感（mH）轉動慣量（g.cm2）反電動勢常數(shù)（N.m/A）粘滯摩擦系數(shù)（N.m.s/rad）齒數(shù)Nr1.80.66.527000.48*10-4502.4步進電機控制系統(tǒng)方案設計激光旋轉加工步進電機控制系統(tǒng)的具體設計方案如圖2.5所示，以主控系統(tǒng)為核心，根據(jù)人機交互系統(tǒng)所設計的各種參數(shù)，對系統(tǒng)傳來的數(shù)據(jù)進行分析，并向步進電機系統(tǒng)發(fā)出一系列操作指令，完成激光旋轉加工步進電機控制系統(tǒng)的全部工作。具體設計方案見圖2.5。主控制系統(tǒng)采用RS485總線通信方式，與步進電機系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)進行同步通信，在實際運行中還需要與多個步進電機控制器同時通信，RS485總線可以實現(xiàn)一對多的通信，實現(xiàn)快速、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。圖2.5步進電機控制系統(tǒng)框圖

3激光旋轉加工步進電機控制系統(tǒng)硬件設計3.1單片機選型單片機是由一個CPU、一個程序存儲器ROM、一個數(shù)據(jù)存儲器RAM、一個I/O接口電路、一個計時器/計數(shù)器、一個串行通信接口、一個中斷控制器等主要部件集成成一個微電路。在眾多的單片機中，使用最廣泛的是8051單片機，由英特爾公司于1981年推出。現(xiàn)在許多新型的單片機也屬于8051系列，但是它們在8051單片機的基礎上加強了一些功能。1983年是單片機快速發(fā)展的時期。在此期間，以MCS-96系列為代表的16位微控制器被發(fā)明。16位單片機技術先進，集成度高，允許用戶使用專用語言進行生產(chǎn)控制[9]。然而，在16位單片機問世后不久，幾家大公司不斷地推出具有更高性能和技術卓越的32位單片機。他們有一個非常高的集成水平，并使用新的RISC（減少指令數(shù)）。與其他單片機兼容，主頻可達300MHz以上，對指令系統(tǒng)進行了進一步優(yōu)化，運行速度可動態(tài)改變，沒有高級語言編譯器，并具有強大的中斷控制系統(tǒng)、事件定時控制系統(tǒng)、并有同步和異步通信控制系統(tǒng)。這種類型的微控制器主要用于汽車，航空航天，先進機器人，軍事技術等，并代表了單片機發(fā)展的最高水平[10]。單片機自身的各項性能指標在一定程度上決定了它的各種軟、硬件特性，其中，單片機具有各自的技術特點，此時便要掌握各種單片機的基本結構和特性。應用單片機的基本原理如下：（1）具有較高的可靠性提高可靠性是使用單片機的重要原則。單片機在人們的生活和工業(yè)生產(chǎn)中主要用于自動控制裝置，如果系統(tǒng)在某個時候發(fā)生故障，輕則造成不便，慢則造成延遲，重則造成整個系統(tǒng)的故障，各方面損失巨大。MCU系統(tǒng)主要應用于工業(yè)和民用領域，在整個系統(tǒng)運行過程中，為保證系統(tǒng)的安全運行，需要對MCU系統(tǒng)進行長期穩(wěn)定的維護。因此，安全性和可靠性成為MCU系統(tǒng)設計中的主要任務。（2）性價比超高系統(tǒng)需要有很高的穩(wěn)定性和成本控制能力，它要求整個系統(tǒng)達到一定的經(jīng)濟效益。為確保實現(xiàn)的功能具有高可靠性，無需堅持使用GSM和高級部件，可使用8位部件，可嘗試不使用16位部件，可使用中間部件，不可使用中間部件。廣泛的部件；通過軟件可以實現(xiàn)硬件的功能，最大限度地減少零件的數(shù)量，從而在一定程度上提高產(chǎn)品的性價比。（3）操作簡易，便于維護SCM用戶的使用通常是對的，因此在設計時應注意盡量簡化用戶的操作。盡量不要出現(xiàn)故障，在日常使用中，即使有小故障，也要讓維修人員及時發(fā)現(xiàn)故障原因，以便能迅速排除故障。（4）可擴展性強隨著市場的不斷發(fā)展，產(chǎn)品更新逐漸加快。管理MCU的目標是不斷變化的，管理功能需要不斷擴展。雖然設計的單片機系統(tǒng)沒有實現(xiàn)這一功能，但在I/O接口的數(shù)據(jù)存儲、程序存儲等方面仍有一定的空白，還有擴展空間。本文主要是將STM32F103C8T6單片機作為控制芯片，應用在激光旋轉步進電機控制系統(tǒng)中。采用LQF48管腳對STM32F103C8T6進行封裝，工作電壓2V~3.6V，工作溫度40~85攝氏度，采用64kb閃存、8kb靜態(tài)存儲器和2個十位ADC等豐富的外部資源，可以有效地降低本系統(tǒng)的硬件成本，避免對資源的浪費。STM32F103C8T6芯片實物圖如圖3.1所示。圖3.1STM32F103C8T6芯片實物圖它的最小系統(tǒng)主要包括STM32單片機，時鐘電路，電源管理電路，JTAG電路，復位電路等，其中STM32時鐘可通過內部晶振提供或外接時鐘電路產(chǎn)生，時鐘電路SYSCLK可選擇HIS、HSE或PLL作為時鐘源。圖3.2顯示了STM32F103C8T6處理器及其外圍電路。圖3.2STM32F103C8T6及其外圍電路3.2電源電路設計按照步進電機控制系統(tǒng)對激光旋轉加工的要求，激光控制接口板采用5V電源電壓，由于高壓電路中預留了220V電源接口，因此采用12V直流電源適配器將電源電路轉換成5V直流輸出的方法較為合理。采用MP2359DC/DC轉換器設計了一個12V-5V直流電源。電源電路如圖3.3所示。圖3.3激光控制接口板電源電路圖3.3電機驅動電路設計步進電機作為目前國內市場上應用十分廣泛的一種控制類型的電機，擁有著控制穩(wěn)定且較為精準的優(yōu)點，并且在運行的過程中只存在周期性的誤差，不會產(chǎn)生累計誤差。其擁有的上述優(yōu)點得益于其工作原理為在設定了初始轉向的情況下每接收到一個脈沖信號步進電機就會轉動一定的角度，隨著脈沖頻率的增加，步進電機的旋轉速度增大。盡管步進電機具有其他電機所沒有的精確定位功能，但是由于步進電機本身的特點，它還存在失步、噪聲大等問題。為解決這些問題，目前常用的是分片驅動法。對步進電機細分驅動而言，其實質是控制勵磁線圈內的電流，使其在穩(wěn)態(tài)上升過程中達到穩(wěn)態(tài)中間電流狀態(tài)，從而使磁場矢量也產(chǎn)生多重穩(wěn)態(tài)中間狀態(tài)，這一穩(wěn)態(tài)的增加將導致勵磁線圈內磁場矢量間的夾角減小，步進電機細分驅動的實質是通過此夾角進行控制。馬達在接收到非細分脈沖時，僅在馬達接收到1/2度的細分脈沖時，馬達才會轉動2/2度。為保證激光旋轉加工的步進電機驅動芯片的穩(wěn)定性和整合性，可在150攝氏度的高溫下工作，作為步進電機的驅動芯片能耗較小，結構簡單，可支持整步、1/2、1/8、1/16細分等細分驅動方式，還可通過配置相應的插頭來設置電流衰減方式，并可控制電流值百分比。圖3.4步進電機驅動電路原理圖步進電機驅動電路原理圖如圖3.4所示。TB6560驅動IC需要外接5V電源，TQ1和TQ2分別連接STM32F103C8T6步進電機微處理器的PB4和PB5引腳，負責控制電流值的百分比。本文將TQ2設置為0,TQ1設置為1，因此當前值為50%。CLK與步進電機微處理器的PB6引腳相連，負責控制脈沖輸入，從而控制電機的角度和速度。ENABLE連接到步進電機微處理器的引腳PB7，負責驅動微電路的開啟。RESET連接到步進電機微處理器的引腳PB8，負責驅動微電路的復位。DCY1和DCY2是衰減模式控制引腳。本文將DCY1和DCY2引腳調低，使其工作在慢衰減模式下。M1和M2是細分選擇引腳。本文中，引腳M1和M2同時調高，使其以1/8的分段驅動方式運行。在這段時間內，當它接收到1600個脈沖時，電機將只旋轉一次。CW/CCW與步進電機微處理器的PB9引腳相連接，分別通過向上或向下拉動實現(xiàn)電機的正旋轉或反向旋轉。通過對驅動電路的設計和采用分步驅動，初步消除了步進電機自身特性造成的步進損失，降低了步進電機運行不穩(wěn)定造成的噪聲。圖3.5施密特反向觸發(fā)器電路原理圖由于驅動IC的工作電壓為5V，微處理器的工作電壓僅為3.3V，導致微處理器發(fā)送的信號不足以驅動TB6560AHQ。為了解決這個問題，本節(jié)在它們之間連接一個74HC140施密特逆觸發(fā)器，以增加信號控制，如圖3.5所示。施密特逆觸發(fā)器可以同時將輸入電平信號轉換為高電平和低電平，以提高信號的可控性。VCC74HC140芯片連接5V電源。如果A1引腳是3.3V高，Y1引腳輸出0低。反之亦然，如果A1引腳輸入0V低，Y1引腳輸出5V高。添加施密特逆觸發(fā)器增加了微處理器的控制能力，允許它驅動TB6560AHQ芯片，運行正常穩(wěn)定。圖3.6電機驅動信號輸出電路原理圖電機驅動信號輸出電路原理圖如圖3.6所示。TB6560AHQ電機驅動IC產(chǎn)生的驅動信號OUT_AM2和OUT_AP2作為A相功率橋輸出到步進電機，驅動信號OUT_BM2和OUT_BP2作為B相功率橋輸出到步進電機，共同控制步進電機運行。3.4存儲模塊電路設計（1）主控制器存儲模塊電路的主控制器需要存儲的信息是關于自旋激光加工產(chǎn)品的信息，因此需要存儲的數(shù)據(jù)量比較大。因此，本文選擇了三星SDHC作為存儲卡，容量為16gb。內存塊相關閃存，速度類是第10類，它對應于控制系統(tǒng)用于訂單數(shù)據(jù)的內存容量。當連接到微控制器時，選擇SPI模式，如圖3.7所示。一共有4條傳輸線，分別用于SD卡上電、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出和SD卡定時輸入。圖3.7SD卡存儲模塊電路（2）從運動控制器存儲模塊運動控制器必須存儲電機的位移和運動方向等重要信息。上電后，可以隨時查看系統(tǒng)狀態(tài)信息，方便操作。在本文中，選擇了Microchip公司的24LC04B芯片來存儲光電傳感器返回的位置和方向信息。具體的布局如圖3.8所示。該芯片屬于EEPROM，在使用過程中可以頻繁擦除。它保持IIC通信。2根傳輸線簡單，使用方便，適合本文開發(fā)的控制系統(tǒng)。圖3.8EEPROM存儲模塊電路3.5信號隔離電路設計考慮到激光回轉加工步進電機控制系統(tǒng)必須應用于工業(yè)數(shù)控加工環(huán)境，工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境較為復雜。當控制對象工作時，不僅有各種外部干擾信號，還有來自其他系統(tǒng)的高壓信號。這將直接影響控制系統(tǒng)的正常運行，如果不進行隔離，甚至會導致控制器組件癱瘓，系統(tǒng)無法使用。因此，為了防止人機界面、步進電機驅動器、光柵條等界面對控制器產(chǎn)生干擾，開發(fā)了一種光電耦合電路，實質上是將控制器的內部電路與外圍電路連接起來。通過光伏連接器。其他系統(tǒng)是隔離的，以保護電路。光耦合器是實現(xiàn)隔離的關鍵器件。它不僅能轉換電壓電平，還能提供外部干擾信號的隔離，具有較強的抗干擾能力。根據(jù)本文對系統(tǒng)設計的要求，選用光耦6N137和TLP250進行電路設計。采用6N137光耦作為外輸入信號隔離電路的主器件，具有信號轉換率高、耐壓高的特點。它將一些超過3.3V的外部高電平按鈕輸入電壓轉換為微控制器引腳所需的3.3V。具體布局如圖3.9所示。圖3.9輸入信號光電耦合電路TLP250光耦是設計控制器輸出信號解耦電路的主要器件。它將單片機輸出的3.3V控制信號轉換成24V控制信號來控制步進電機驅動器。電路如圖3.10所示。隔離電壓達到2500v。當系統(tǒng)運行時，系統(tǒng)的運行速度有一定的限制?？刂菩盘柕膫鬏旑l率不超過100khz，設備高達2mbps的轉換速率滿足系統(tǒng)輸出信號的要求。圖3.10輸出信號光電耦合電路

4激光旋轉加工步進電機控制系統(tǒng)軟件設計4.1主程序設計激光旋轉加工步進電機控制系統(tǒng)主程序的功能是完成系統(tǒng)運行環(huán)境各模塊的初始化，包括系統(tǒng)時鐘的初始化。本文所使用的系統(tǒng)工作頻率為48mhz;對ADC模塊進行初始化，本文將ADC模塊的工作模式設置為自動掃描轉換，4個采樣通道，時鐘由系統(tǒng)時鐘產(chǎn)生;初始化振蕩器模塊，基本設置PWM工作模式。輸出和循環(huán)控制。初始化UART串口通信，設置發(fā)送和接收端口、波特率等參數(shù)[11]。此外，還包括獲取主機信息、讀取撥碼開關參數(shù)、中斷軟呼叫等功能。初始化后，CCU8中的計時器也開始運行。在主程序中，調用相應的串行通信功能，對上位機發(fā)送的信息進行處理，判斷是否有中斷響應。圖4.1主程序流程圖4.2中斷程序設計激光旋轉加工步進電機控制系統(tǒng)的軟件控制算法主要由主程序和中斷程序實現(xiàn)。本文的主要功能在PWM中斷程序中實現(xiàn)，包括速度計算功能，如圖4.2，兩相SVPWM控制功能，如圖4.3、閉環(huán)控制算法功能，如圖4.4。坐標變換，將兩相電流，通過坐標與兩相步進電機在旋轉坐標系中轉換為正交軸電流。電機的正交軸在旋轉坐標系下。通過坐標將電壓轉換回實際電壓;閉環(huán)控制算法:將參考轉速與實際反饋轉速進行比較，將差值注入速度控制器，其輸出作為定子電流與采樣后的交軸分量進行坐標變換。將當前差值輸入當前控制器;SVPWM兩相算法，將實際電壓輸入到兩相SVPWM模塊，輸出PWM占空比，并實時改變占空比來控制MOSFET的通斷，從而控制兩相步進電機的運行[12]。圖4.2PWM中斷程序流程圖圖4.3閉環(huán)控制算法流程圖ADC中斷主要負責對電機相電流和母線電壓的采樣后的模數(shù)轉換和坐標變換。圖4.4AD中斷程序流程圖4.3串口通訊程序設計本文使用的串口通訊是基于Modbus-RTU通訊協(xié)議下的，圖4.5為其數(shù)據(jù)幀處理的流程圖。圖4.5通信數(shù)據(jù)處理流程圖4.4電機驅動程序設計（1）步進電機閉環(huán)反饋的精確控制在步進電機軟件開發(fā)過程中，利用定時器控制PWM脈沖的個數(shù)和頻率，實現(xiàn)了對步進電機的精確控制。改進后的處理步驟速度圖如圖4.6所示。圖4.6加工階段速度示意圖如圖所示，本文將整個處理活動大致分為5個步驟:1.啟動:為減少丟失步數(shù)，電機在啟動過程中應緩慢加速。2.平穩(wěn)加速:在接觸工件之前，為防止與工件劇烈碰撞，加速度相對穩(wěn)定。3.快速加速:與工件接觸后，為提高整體加工速度，進入快速加速階段。4.高速模式:加速階段結束后，進入高速運行模式。5.突然減速:為了避免強烈的噪音和振動，需要快速減速，降低步進電機的運行速度[13]。圖4.7步進電機閉環(huán)反饋控制流程圖實現(xiàn)步進電機精確控制的軟件控制過程如圖4.7所示?？刂频幕驹硎情]環(huán)控制，通過軟件自主和光電檢測裝置實現(xiàn)。首先，步進電機系統(tǒng)將分析主控系統(tǒng)發(fā)送的命令，打開相應的定時器，設置初始控制，將stage的初始值設為0，然后定時器每隔一定時間發(fā)送一個脈沖，直到發(fā)送完畢。如果脈沖數(shù)大于設置的溢出值，則步長值增加1。如果步進值不大于5，將設置一個新的溢流值和PWM脈沖頻率來控制下一個步進的轉向角度和速度，以此類推，直到該步進。如果數(shù)字大于5，它將跳出循環(huán)。接下來，確定本文設計的光電探測器裝置是否觸發(fā)中斷。如果沒有檢測到外部中斷，計時器繼續(xù)發(fā)送脈沖。當檢測到外部中斷時，控制定時器關閉，步進電機到達復位狀態(tài)[14]。（2）電磁振蕩器振動幅度的控制圖4.8電磁振蕩器控制流程圖如圖4.8所示，這是一個控制電磁發(fā)電機的框圖。首先，將步進電機系統(tǒng)定時器和外部中斷進行初始化。接收到主控端的動作命令后，設置相應的定時器。觸發(fā)外部中斷驅動相應的引腳低，使硬件電路中的晶閘管接通，從而使線振子在電磁發(fā)電機的影響下振動。如果計時器沒有過期，引腳將繼續(xù)保持低打開可控硅。一旦到達時間，一個計時器中斷被觸發(fā)拉起一個高電平停止振動。本文所采用的控制電磁振蕩器振幅的方法是控制其振動的定時:定時器計數(shù)越長，電磁振蕩器振動的時間越長，幅值越大[15]。

5激光旋轉加工步進電機控制系統(tǒng)仿真5.1MATLAB簡介本文采用Math-Work的MATLAB/Simulink軟件作為計算機仿真軟件。MATLAB這個名字來自MatrixLabs，由Mathworks在美國銷售。MATLAB是高性能數(shù)值計算和可視化的結合，涵蓋了科學計算、控制系統(tǒng)和信息處理等領域的許多內置分析、建模和設計功能[16]。Simulink是集液壓、機械、電磁、控制、液壓、電氣、電氣等領域為一體的MATLAB組件，將復雜實用的系統(tǒng)分解為簡單的子系統(tǒng)。Simulink可以使用s函數(shù)來實現(xiàn)子例程，這些子例程分層執(zhí)行條件執(zhí)行。它具有下一代程序設計語言的特點，以圖形界面人機交互，并具有直觀的模型設置，使用戶可以更好地同時分析許多問題的現(xiàn)象。通過提高仿真和算法的精度，可以更準確地重構仿真模型的運行狀態(tài)，從而使仿真結果可以用于實際推理[17]。5.2步進電機仿真模型構建圖5.1步進電機物理模型圖本文選用39BYG221系列型號的兩相混合式步進電機作為激光旋轉加工控制系統(tǒng)的驅動裝置，其擁有1.8°的步距角，5V的相電壓，1A的相電流，相電阻為5Ω，相電感為3mH，轉子齒數(shù)為50。擁有著20g·cm2的轉動慣量，將上述部分參數(shù)經(jīng)過換算可得型號為39BYG221的兩相混合式步進電機的傳遞函數(shù)為[18]：（5.1）根據(jù)閉環(huán)傳遞函數(shù)的標準公式：（5.2）可以看出，在兩相混合式步進電機的數(shù)學模型中，以其為被控對象的系統(tǒng)將處于阻尼不足的狀態(tài)，其瞬態(tài)響應將表現(xiàn)出振蕩減弱的過程。其響應曲線。為了提高響應速度和振蕩速度，引入RBF-PID控制策略。本文開發(fā)的控制器主要由PID控制器、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡識別器和被控對象組成。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡通過將系統(tǒng)輸出值與PID控制器輸出值進行替換，計算出RBF神經(jīng)網(wǎng)絡標識符的輸出值，然后對比分析實際輸出值，改變PID控制器的權重來實現(xiàn)PID參數(shù)。最后，對步進電機進行自適應控制，使實際轉速更接近理想的[19]。具體控制器的設計如下圖5.2所示。圖5.2RBF-PID自適應控制器原理圖5.3步進電機仿真結果分析為了驗證RBF-PID控制器在改善步進電機性能方面的優(yōu)越性，本文將選擇一個二階兩相混合式步進電機系統(tǒng)作為系統(tǒng)的理論可控對象，并在Matlab環(huán)境下與Simulink工具和軟件進行協(xié)調與協(xié)作。完成傳統(tǒng)PID和RBF-PID仿真，對比仿真圖，更好的分析兩種控制方法的優(yōu)缺點，提高系統(tǒng)性能。圖5.3傳統(tǒng)PID控制器仿真圖如圖5.3所示，這是傳統(tǒng)PID控制器的仿真圖。通過試錯或經(jīng)驗法則，對三個PID參數(shù)進行調整，使步進電機相對穩(wěn)定。圖5.4基于S函數(shù)的RBF-PID控制器仿真圖如上圖5.4為基于S函數(shù)的RBF-PID控制器的仿真圖，其控制算法核心S函數(shù)需要使用軟件進行編寫，其中In1為e（t），In2為y（t），Out1為u（t），在此基礎上將RBF辨識網(wǎng)絡設置為3-6-1的結構，將輸入分別設置為y（t），y（t-1），u（t），采樣時間t設為0.1s，學習速率設為0.25，慣性系數(shù)設為0.04。圖5.5空載情況下兩種控制方法仿真效果對比圖空載、目標轉速為60rpm時，采用傳統(tǒng)PID控制與RBF-PID控制的仿真效果對比如圖5.5所示。其中，采用傳統(tǒng)PID控制時，速度跳變響應曲線超調約7%。目標速度大約為0.25秒，速度完全穩(wěn)定大約需要0.6秒。采用RBF-PID控制的速度跳變響應曲線超調量很小，約為3%。目標速度約為0.18秒，速度在0.3秒左右完全穩(wěn)定。電機系統(tǒng)具有最佳的運行特性[20]。根據(jù)以上分析，RBF-PID驅動步進電機具有較快的響應速度。由于步進電機在加工過程中必須連續(xù)運行，提高一個操作的響應速度可以大大減少多個操作所需的時間，所以提高步進電機的響應速度可以大大提高激光旋轉的加工速度。圖5.6突加干擾時傳統(tǒng)PID控制的轉速響應曲線圖5.7突加干擾時RBF-PID控制的轉速響應曲線為了進一步分析和比較兩種控制方法的優(yōu)缺點，在步進電機系統(tǒng)穩(wěn)定運行過程中增加了干擾信號，測試其干擾能力。圖5.6和5.7是在傳統(tǒng)PID控制和RBF-PID控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行后突然加入噪聲信號的速度曲線。采用傳統(tǒng)PID控制器控制的系統(tǒng)在1.6秒左右產(chǎn)生噪聲信號，步進電機運行。它有很大的沖擊力，大約花了0.2秒才回到穩(wěn)定狀態(tài)。而RBF-PID控制系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲信號的時間約為1.3秒。步進電機的速度受到的影響較小，可以在0.1秒左右穩(wěn)定。因此，RBF-PID驅動步進電機具有較強的抗干擾能力。

6結論本文詳細設計了激光旋轉加工控制系統(tǒng)，通過明確激光旋轉加工整機結構及激光系統(tǒng)組成，進行步進電機的選型與步進電機控制系統(tǒng)整體方案的設計。在此基礎上設計激光旋轉加工步進電機控制系統(tǒng)硬件部分，主要包含有單片機選型、電源電路設計、電機驅動電路設計、存儲模塊電路設計、信號隔離電路設計。并進行了激光旋轉加工步進電機控制系統(tǒng)軟件設計與仿真。通過建立RBF-PID自適應控制器，利用MATLAB軟件進行仿真得知，采用RBF-PID控制的步進電機有著更優(yōu)越的穩(wěn)定性。由于激光旋轉加工機在加工過程中對步進電機系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高的要求，如果步進電機不穩(wěn)定甚至由于外界干擾而產(chǎn)生振動，就會影響工件的加工效果，因此提高進給電機系統(tǒng)的抗干擾性能可以大大提高旋轉激光加工機的加工精度和穩(wěn)定性。參考文獻[1]張雨新,于潔,王震生,等.基于PLC的激光熔覆機自動控制系統(tǒng)設計[J].機械與電子,2019,317(02):50-54.[2]朱開波.高速精密激光加工控制系統(tǒng)及其在陶瓷切割中的應用[J].應用激光,2019,39(6).[3]康博棟,單等玉,陳濤,等.248nm準分子激光旋轉加工錐形孔試驗[J].電加工與模具,2020,000(002):57-60.[4]余澤,譚安祖.基于DEA控制模型的激光加工系統(tǒng)監(jiān)控軟件設計[J].激光雜志,2019,040(004):172-175.[5]金豪,吳靜臻,滕飛.白車身頂蓋激光釬焊加工系統(tǒng)分析[J].汽車制造業(yè),2019,000(009):58-60.[6]蘇銳,郭歡,范一松,等.基于STM32的脈沖激光器智能控制系統(tǒng)設計[J].量子電子學報,2019(05).[7]龐黨鋒、宋亞杰、王春光、劉彥磊、李傳軍.基于工業(yè)機器人的數(shù)控加工控制系統(tǒng)設計[J].機床與液壓,2020,519(21):67-69.[8]袁宏偉,饒生龍,吳東,等.基于飛