【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的控制精度以及程序控制誤差的雙重影響，為了達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)計與實施的關(guān)鍵，并給出了實現(xiàn)精確定位的控制方案及PLC程序。這種使用PLC實現(xiàn)的定位方法具有快速、精確、成本低、易于實現(xiàn)的特點，在工業(yè)生產(chǎn)中十分實用。

　　

【正文】 執(zhí)行機構(gòu)。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”），其旋轉(zhuǎn)以固定的角度運行?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量以達到準確定位的目的。同時也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度而達到調(diào)速的目的。步進電機作為一種控制用的特種電機，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。步進電機實物圖如圖33所示。 圖33 步進電機步進電機的分類　現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應(yīng)式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等?！　∮来攀讲竭M電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小， 或15度；　　反應(yīng)式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，但噪聲和振動都很大。反應(yīng)式步進電機的轉(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。　　混合式步進電機是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它又分為兩相和五相： 。這種步進電機的應(yīng)用最為廣泛，也是本次細分驅(qū)動方案所選用的步進電機。 兩相混合式步進電機的結(jié)構(gòu) 步進電機是一種感應(yīng)電機，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，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅(qū)動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器。雖然步進電機已被廣泛地應(yīng)用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機那樣在常規(guī)下使用。步進電機必須由雙環(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 混合式步進電機的定子(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34兩相混合式步進電動機的結(jié)構(gòu)圖，和圖35步進電機繞組接線圖，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 混合式步進電機繞組接線圖步進電機的特點?。?）．一般步進電機的精度為步進角的35%，且不累積?！　。?)．步進電機外表允許的最高溫度?！　〔竭M電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏8090度完全正常?！　?3)．步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降?！　‘?dāng)步進電機轉(zhuǎn)動時，電機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)．步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲?！　〔竭M電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機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，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(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（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）?？朔秉c的方法 步進電機低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲大是其固有的缺點，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； ，如三相或五相步進電機； ，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步進電機應(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，此時電機工作效率高，噪音低。: ~ |$ O: I. j。 x$ S1 P步進電機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，只有標稱為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不是驅(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)動慣量大的負載應(yīng)選擇大機座號電機。5 V0 k: n0 Vamp。 k. Y電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，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)通過機械減速、提高電機速度,或采用高細分數(shù)的驅(qū)動器來解決，也可以采用5相電機，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型細分型兩相混合式步進電機驅(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電機。此驅(qū)動器采用交流伺服驅(qū)動器的電流環(huán)進行細分控制，電機的轉(zhuǎn)矩波動很小，低速運行很平穩(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、數(shù)控機床、包裝機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、相間短路保護功能(5) 十五檔細分和自動半流功能(6) 八檔輸出相電流設(shè)置(7) 具有脫機命令輸人端子(8) 電機的扭矩與它的轉(zhuǎn)速有關(guān)，而與電機每轉(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)： 步進脈沖信號輸入正端或正向步進脈沖信號輸入正端PUL(PUL)： 步進脈沖信號輸入負端或正向步進脈沖信號輸入負端DIR+(+5V)： 步進方向信號輸入正端或反向步進脈沖信號輸入正端DIR(DIR)： 步進方向信號輸入負端或反向步進脈沖信號輸入負端ENBL+(+5V)： 脫機使能復(fù)位信號輸入正端ENBL(ENB： 脫機使能復(fù)位信號輸入負端脫機使能信號有效時復(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，電機無保持扭矩。功能選擇（SW1SW8的定義）(1)設(shè)置電機每轉(zhuǎn)步數(shù)驅(qū)動器可將電機每轉(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