【導(dǎo)讀】隨著高精密加工技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對工作臺的加工精度提出了越來越高的要求。而工作臺的定位精度是影響其加工精度的主要因素之一，所以如何方便實(shí)用的提高對工作臺的精確定位成為現(xiàn)在各個方面都在研究的重要課題。而對于開環(huán)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)，由于開環(huán)環(huán)節(jié)的存在，使得我們在本次研究過程中的定位精度受到了一定的限制，對于工作臺的定位精度主要取決于電機(jī)的控制精度以及程序控制誤差的雙重影響，為了達(dá)到最大限度的滿足兩自由度工作臺X-Y的精確定位，本設(shè)計主要從基于高速脈沖的精確定位出發(fā)，以滿足和提高現(xiàn)代機(jī)床的定位操作，從而滿足人們兩自由度工作臺越來越高的要求。本設(shè)計采用PLC基于高速脈沖的兩自由度工作臺精確定位控制系統(tǒng)，得出了精確定位控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)施的關(guān)鍵，并給出了實(shí)現(xiàn)精確定位的控制方案及PLC程序。這種使用PLC實(shí)現(xiàn)的定位方法具有快速、精確、成本低、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中十分實(shí)用。

　　

【正文】 執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”），其旋轉(zhuǎn)以固定的角度運(yùn)行?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量以達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。同時也可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)作為一種控制用的特種電機(jī)，因其沒有積累誤差（精度為100%）而廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)實(shí)物圖如圖33所示。 圖33 步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)的分類　現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等?！　∮来攀讲竭M(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小， 或15度；　　反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?！　』旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相： 。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，也是本次細(xì)分驅(qū)動方案所選用的步進(jìn)電機(jī)。 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進(jìn)電機(jī)分時供電的，多相時序控制器。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)那樣在常規(guī)下使用。步進(jìn)電機(jī)必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。 圖34 混合式步進(jìn)電機(jī)的定子(a)和轉(zhuǎn)子(b) 在工業(yè)控制中采用如圖34所示的定子磁極上帶有小齒、轉(zhuǎn)子齒數(shù)很多的結(jié)構(gòu)，其步距角可以做得很小。如圖34兩相混合式步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，和圖35步進(jìn)電機(jī)繞組接線圖，A、B兩相繞組沿徑向分相，沿著定子圓周有8個凸出的磁極，a、c磁極屬于A相繞組，b、d磁極屬于B相繞組，定子每個極面上有5個齒、極身上有控制繞組。轉(zhuǎn)子由環(huán)形磁鋼和兩段鐵芯組成環(huán)形磁鋼和轉(zhuǎn)子中部、軸向充磁，兩段鐵芯分別裝在磁鋼的兩端，使得轉(zhuǎn)子軸向分為兩個磁極。轉(zhuǎn)子鐵芯上均勻分布50個齒，兩段鐵芯上的小齒相互錯開半個齒距，定、轉(zhuǎn)子的齒距和齒寬相同。 圖35 混合式步進(jìn)電機(jī)繞組接線圖步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)?。?）．一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的35%，且不累積?！　。?)．步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度?！　〔竭M(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏8090度完全正常。　　(3)．步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降?！　‘?dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降?！　?4)．步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲?！　〔竭M(jìn)電機(jī)有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）?？朔秉c(diǎn)的方法 步進(jìn)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲大是其固有的缺點(diǎn)，一般可采用以下方案來克服：* W( K R4 ，可通過改變減速比等機(jī)械傳動避開共振區(qū)； ，這是最常用的、最簡便的方法； ，如三相或五相步進(jìn)電機(jī)； ，幾乎可以完全克服震動和噪聲，但成本較高； ，市場上已有這種產(chǎn)品，但機(jī)械結(jié)構(gòu)改變較大。 m39。 o39。 ^4 C39。 j7 w% J+ hamp。 T0 U |+ i+ h9 Y8 J, W5 B9 y! A步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場合每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（)，最好在10003000PPS(）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機(jī)工作效率高，噪音低。: ~ |$ O: I. j。 x$ S1 P步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。5 U Eamp。 s @0 d4 e$ j3 k$ j4 Z* O由于歷史原因，只有標(biāo)稱為12V電壓的電機(jī)使用12V外，其他電機(jī)的電壓值不是驅(qū)動電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)動電壓，當(dāng)然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源， 不過要考慮溫升。$ [ q1 I K+ `5 n: q J轉(zhuǎn)動慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號電機(jī)。5 V0 k: n0 Vamp。 k. Y電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。 W9 K3 E6 X: q高精度時，應(yīng)通過機(jī)械減速、提高電機(jī)速度,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動器來解決，也可以采用5相電機(jī)，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說法是外行話。8 @) b。 Damp。 L. S: h I/ t電機(jī)不應(yīng)在振動區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。+ d5 b [/ H) c7 I0 i5 x電機(jī)在600PPS（）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動。 應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動的原則。amp。 k! u r. x。 H% g Z6 n* L o! Y1 J! } ， 圖36 驅(qū)動器DQ542DQ542型細(xì)分型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，采用直流18～50V供電，適合驅(qū)動電壓18V～50V，～86毫米的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。此驅(qū)動器采用交流伺服驅(qū)動器的電流環(huán)進(jìn)行細(xì)分控制，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動很小，低速運(yùn)行很平穩(wěn)，幾乎沒有振動和噪音。高速時力矩也大大高于其它二相驅(qū)動器，定位精度高。廣泛適用于雕刻機(jī)、數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械等分辯率要求較高的設(shè)備上。(1) 平均電流控制，兩相正弦電流驅(qū)動輸出(2) 直流18～50V供電(3 )光電隔離信號輸入/輸出(4) 有過壓、欠壓、過流、相間短路保護(hù)功能(5) 十五檔細(xì)分和自動半流功能(6) 八檔輸出相電流設(shè)置(7) 具有脫機(jī)命令輸人端子(8) 電機(jī)的扭矩與它的轉(zhuǎn)速有關(guān)，而與電機(jī)每轉(zhuǎn)的步數(shù)無關(guān)(9) 高啟動轉(zhuǎn)速(10).高速力矩大 控制信號定義PUL+(+5V)： 步進(jìn)脈沖信號輸入正端或正向步進(jìn)脈沖信號輸入正端PUL(PUL)： 步進(jìn)脈沖信號輸入負(fù)端或正向步進(jìn)脈沖信號輸入負(fù)端DIR+(+5V)： 步進(jìn)方向信號輸入正端或反向步進(jìn)脈沖信號輸入正端DIR(DIR)： 步進(jìn)方向信號輸入負(fù)端或反向步進(jìn)脈沖信號輸入負(fù)端ENBL+(+5V)： 脫機(jī)使能復(fù)位信號輸入正端ENBL(ENB： 脫機(jī)使能復(fù)位信號輸入負(fù)端脫機(jī)使能信號有效時復(fù)位驅(qū)動器故障，禁止任何有效的脈沖，驅(qū)動器的輸出功率元件被關(guān)閉，電機(jī)無保持扭矩。功能選擇（SW1SW8的定義）(1)設(shè)置電機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)驅(qū)動器可將電機(jī)每轉(zhuǎn)的步數(shù)分別設(shè)置為400、800、1600、3200、6400、12800、25600、1000、2000、4000、5000、8000、10000、20000、25000步。用戶可以通過驅(qū)動器正面板上的撥碼開關(guān)的SWSWSWSW8位來設(shè)置驅(qū)動器的步數(shù)（如表1）： 表1