0 引言

　　步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移的控制電機(jī)，它可用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制組成位置控制系統(tǒng)，并且系統(tǒng)定位度高，具有良好的跟蹤性能，沒(méi)有積累誤差。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位移量嚴(yán)格正比于輸入脈沖數(shù)，平均轉(zhuǎn)速?lài)?yán)格正比于輸入脈沖頻率。尤其是混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具

　　有小步距角、快速啟停、消耗功率小、斷電時(shí)有定位轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，越來(lái)越多在工業(yè)中得到應(yīng)用。同時(shí)采用細(xì)分控制策略又大幅度提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分辨率，并且有效地抑制單步運(yùn)行中所產(chǎn)生的噪聲和振蕩現(xiàn)象，無(wú)需專(zhuān)門(mén)的阻尼器，既減小了控制器的體積，又降低了成本。利用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)及細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn)，基于DEC4T運(yùn)動(dòng)控制卡組成一套雙坐標(biāo)的位置伺服控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)配備了基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的視窗交互式控制軟件，可以實(shí)現(xiàn)二維運(yùn)動(dòng)軌跡的合成、插補(bǔ)運(yùn)算以及在線高速軌跡跟蹤和控制，同時(shí)具有圖示化的編程功能?；谠撈脚_(tái)可方便地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)及仿真研究。

1 系統(tǒng)控制方案及軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　以步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器作為的執(zhí)行部件的位置伺服系統(tǒng)，它最大的優(yōu)點(diǎn)就是能夠在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中達(dá)到精確的控制。在該開(kāi)環(huán)步進(jìn)式位置伺服系統(tǒng)中指令信號(hào)是單向流動(dòng)的，由DEC4T卡發(fā)出的指令脈沖，經(jīng)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器、兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)雙坐標(biāo)平臺(tái)移動(dòng)。

　　1.1 基于ISA總線的運(yùn)動(dòng)控制卡

　　DEC4T運(yùn)動(dòng)控制卡是德國(guó)MOVTEC公司開(kāi)發(fā)出來(lái)的針對(duì)ISA總線的運(yùn)動(dòng)控制卡。它用于控制步進(jìn)電機(jī)和數(shù)字伺服電機(jī)，最多可以控制4軸4聯(lián)動(dòng)，進(jìn)行直線、圓弧插補(bǔ)和樣條函數(shù)等運(yùn)動(dòng)。DEC4T運(yùn)動(dòng)控制卡作為步進(jìn)電機(jī)的上位單元，與計(jì)算機(jī)構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)主要完成人機(jī)交互界面的管理、控制系統(tǒng)的檢測(cè)和控制工作;運(yùn)動(dòng)控制卡接收計(jì)算機(jī)CPU發(fā)出的指令，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃。這包括脈沖的方向和方向信號(hào)的輸出、自動(dòng)升降速處理、原點(diǎn)和限位開(kāi)關(guān)等信號(hào)的檢測(cè)。系統(tǒng)具有軟件搜索參考點(diǎn)和軟件限位功能，可以保證電機(jī)和滾珠絲杠等精密部件不在系統(tǒng)運(yùn)行中損壞。

　　1.2 系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

　　系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用整體式稀土永磁混合兩相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，該類(lèi)電機(jī)兼有反應(yīng)式和永磁式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。它既可以像反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一樣實(shí)現(xiàn)小步距角運(yùn)轉(zhuǎn)，有較高的起動(dòng)和運(yùn)行頻率;同時(shí)又可以像永磁式步進(jìn)電機(jī)那樣，控制功率小，功耗低，輸出力矩大，具有定位轉(zhuǎn)矩。為了減小低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪音，提高運(yùn)行平穩(wěn)性、分辨率和精度，電機(jī)采用小步距角細(xì)分控制，以確保步進(jìn)電機(jī)不丟步，快速實(shí)現(xiàn)連續(xù)平滑調(diào)節(jié)。

　　1.3 系統(tǒng)的控制軟件

　　系統(tǒng)采用通用數(shù)控軟件EdiTasc來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的控制功能。其中包括連續(xù)點(diǎn)動(dòng)、搜索參考點(diǎn)、軟件限位和在線編寫(xiě)運(yùn)動(dòng)軌跡等。EdiTasc是一個(gè)高度開(kāi)放的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可以直接控制各種工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備，開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的界面和控制系統(tǒng)。其漢化軟件可以識(shí)別國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的D工N66025G代碼和MTASC高級(jí)語(yǔ)言。EdiTas。由底層運(yùn)動(dòng)控制軟件和用戶(hù)操作界面組成，底層運(yùn)動(dòng)控制軟件跟運(yùn)動(dòng)控制卡建立通訊，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，同時(shí)也可以對(duì)所需要的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。EdiTasc軟件可以接收來(lái)自多種CAD/CAM軟件產(chǎn)生的加工程序，如Mas-tercam、海爾軟件和文泰軟件等。

2 步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率確定及參數(shù)驗(yàn)算

　　步進(jìn)電機(jī)主要參數(shù):脈沖分配方式為兩相四拍，步矩角0.9，靜態(tài)相電流3A，保持轉(zhuǎn)矩1.0Nm,空載起動(dòng)頻率2 KPPS，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.23 X 10-4kgm2。為了計(jì)算脈沖頻率必須先確定脈沖當(dāng)量P，即每一個(gè)電脈沖負(fù)載產(chǎn)生的直線位移量。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器采用8細(xì)分，由此，p=（/8ti）/360，其中=0.9為半步驅(qū)動(dòng)方式時(shí)的步距角，t=4 mm為絲杠螺距，i=1為傳動(dòng)比?？梢缘贸雒}沖當(dāng)量p=0. 00125 mm/P。

　　系統(tǒng)的快速直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)速度為200 mm/s，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,精度為0. 01 mm。在鍵盤(pán)上每一次按鍵運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)出的脈沖為8個(gè)，轉(zhuǎn)換成位移量為;P*8=0.01 mm。而絲杠螺距為4 mm，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈需要的脈沖數(shù)為360/(0.9°/8)=3 200個(gè)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈絲杠位移為一個(gè)螺距，即4 mm。因此，絲杠位移。0.01 mm時(shí)所需要的脈沖數(shù)為8個(gè)。這就是說(shuō)，在步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)出的脈沖數(shù)等于步進(jìn)電機(jī)所接收到的脈沖數(shù)，并且準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為絲杠的直線位移。

3 系統(tǒng)的性能研究

　　3.1 系統(tǒng)的誤差和精度分析

　　雙坐標(biāo)步進(jìn)式位置伺服系統(tǒng)的誤差主來(lái)源有2方面，一是機(jī)械方面，包括滾珠絲杠副等傳動(dòng)部件;二是電氣方面，主要是步進(jìn)電機(jī)。滾珠絲杠副都進(jìn)行了預(yù)緊，從理論上來(lái)講消除了其出現(xiàn)誤差的可能性。實(shí)際上對(duì)于有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)部件，必然會(huì)存在間隙，因而絲杠反向運(yùn)行時(shí)將會(huì)出現(xiàn)微小的空程，這個(gè)空程足可以影響系統(tǒng)的精度。同時(shí)絲杠的螺距誤差和傳動(dòng)剛度對(duì)系統(tǒng)的精度也有很大的影響。

　　步進(jìn)電機(jī)的步距角精度和振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的精度也造成很大的影響。典型的步進(jìn)電機(jī)的步距角精度可以達(dá)到3%~5%。，并且不積累。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)接收到一個(gè)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度會(huì)產(chǎn)生步距角誤差，步距角誤差片測(cè)量步步些偏差位置精度

　　距角度一理論步距角度。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)N個(gè)步，并且從電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)的初始位置測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為N，設(shè)步距誤差為△N，則△N=N-*N，其中R為步進(jìn)電機(jī)的步距角。一般用戶(hù)根據(jù)步距誤差的最大與最小值之差來(lái)計(jì)算，即△N=1/2(△max-△;min)。

　　3.2 提高系統(tǒng)性能的措施

　　為了消除滾珠絲杠的空程影響可以通過(guò)軟件和硬件2方面萊實(shí)現(xiàn)。采用補(bǔ)償電路或者軟件補(bǔ)償方法，補(bǔ)償滾珠絲杠的空程和螺距誤差，以提高系統(tǒng)的位移精度。在該系統(tǒng)中選用高精度的滾珠絲杠副和坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)機(jī)械平臺(tái)，從機(jī)械結(jié)構(gòu)方面保證系統(tǒng)的精度，并且控制軟件來(lái)保證系統(tǒng)的精度。EdiTasc能夠在插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)時(shí)按設(shè)定的時(shí)間段周期性地與運(yùn)動(dòng)控制卡DEC4 T建立通訊，使DEC4T獲得相關(guān)軸運(yùn)動(dòng)的速度和長(zhǎng)度，軟件具有預(yù)讀功能和預(yù)加速/減速功能，這樣可以保證速度的恒定和平穩(wěn)過(guò)渡。運(yùn)動(dòng)控制軟件自動(dòng)計(jì)算位置偏差，并根據(jù)該差值對(duì)位置偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，以保證系統(tǒng)精確運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)控制卡DEC4T按接收的指令自行控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。

　　兩相混合式步進(jìn)電機(jī)采用微步驅(qū)動(dòng)模式，可以達(dá)到平滑的運(yùn)動(dòng)軌跡，提高分辨率、消除振動(dòng)，從而提高了系統(tǒng)的精度。運(yùn)動(dòng)控制卡可以實(shí)現(xiàn)控制脈沖的精確定時(shí)功能，采取了抗干擾措施。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　以?xún)上嗷旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)為執(zhí)行部件的位置伺服系統(tǒng)是一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，具有開(kāi)放性、靈活性、可靠性并且具有較高的精度。它可以作為機(jī)電一體化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，滿足了現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究和實(shí)驗(yàn)的需要。通過(guò)該系統(tǒng)可以掌握各類(lèi)數(shù)控的基本原理、運(yùn)動(dòng)控制的基本概念、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的集成方法。同時(shí)本系統(tǒng)也可以作為數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工具。該系統(tǒng)符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)，可以直接進(jìn)行工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制。