步進(jìn)電動(dòng)機(jī)數(shù)字伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

柏忠梅

摘 要 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，速度控制比較容易實(shí)現(xiàn)，具有較高的精度，可以實(shí)現(xiàn)高精度的開環(huán)定位控制。這種運(yùn)行方式的控制電路簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，不需要位置檢測(cè)元器件，是一種實(shí)用的進(jìn)給數(shù)字侍服系統(tǒng)，只要靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能滿足要求，就應(yīng)該首先考慮采用這種系統(tǒng)。但在大負(fù)載或高速的情況下，這種系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生失步或精度不夠的問題，文章介紹兩種數(shù)字侍服系統(tǒng)可以解決這些問題。

關(guān)鍵詞 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 數(shù)字侍服系統(tǒng) 光電編碼器

中圖分類號(hào)：TM383.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

The Design of Stepper Motor Digital Servo Control System

PAI Zhongmei

(Jiangsu Wuxi Technician School, Wuxi, Jiangsu 214000)

Abstract The stepper motor has simple structure, and speed control is relatively easy to implement, with high precision, can achieve high-precision open-loop positioning control. The control circuit of this operation mode is simple economic, do not need to position detection components, is a practical digital servo feed system, as long as the static and dynamic performance to meet the requirements, should first consider using this system. But in large load or high-speed, this system may be out of step or lack of precision, this paper introduces two digital servo systems which can solve these problems.

Key words stepper motor; digital servo system; optical encoder

1 反饋補(bǔ)償式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)給數(shù)字侍服控制系統(tǒng)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)能跟隨每一個(gè)指令脈沖，在運(yùn)行結(jié)束時(shí)所走的總行程正好等于輸出脈沖的個(gè)數(shù)乘以步距。然而，由于開環(huán)控制沒有位置反饋檢測(cè)，導(dǎo)致無法知道是否丟失了脈沖；另外，電動(dòng)機(jī)的響應(yīng)速度受負(fù)載大小的影響，所以，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制性能受到了一些限制。由于上述原因，近年來出現(xiàn)了反饋補(bǔ)償式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)侍服系統(tǒng)。這種系統(tǒng)基本上解決了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)丟失脈沖的問題，圖1所示是反饋補(bǔ)償式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)給侍服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。步進(jìn)電機(jī)將所給的電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移或線位移，而環(huán)形分配器則按規(guī)定的方式將電脈沖信號(hào)分配給步進(jìn)電機(jī)的各相勵(lì)磁繞組，使各相勵(lì)磁繞組在電脈沖信號(hào)的控制下工作。脈沖功率放大器能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)、電流控制及多種保護(hù)功能。該電路與開環(huán)系統(tǒng)不同的是，這里在步進(jìn)電機(jī)的軸上安裝了脈沖編碼器，脈沖編碼器將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成脈沖輸出，輸出脈沖被送到反饋處理電路中。指令脈沖和反饋脈沖均送入補(bǔ)償控制器中進(jìn)行比較，補(bǔ)償控制器根據(jù)指令脈沖和反饋脈沖之差向后面的環(huán)形脈沖分配器發(fā)出脈沖，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。補(bǔ)償控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心。這里需要指出的是反饋處理電路有兩個(gè)作用：

（1）由于脈沖編碼器每轉(zhuǎn)一周輸出的脈沖個(gè)數(shù)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一周所走過的步數(shù)不一定一樣，所以需要反饋處理電路起適配的作用。

（2）反饋處理電路應(yīng)當(dāng)將脈沖編碼器的輸出脈沖轉(zhuǎn)換成正、反轉(zhuǎn)反饋計(jì)數(shù)脈沖。與反饋脈沖一樣，指令脈沖也有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩個(gè)通道。

圖1 反饋補(bǔ)償式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)給數(shù)字侍服控制系統(tǒng)

2 帶光電編碼盤的直流伺服速度控制系統(tǒng)

圖2是傳統(tǒng)的直流伺服速度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間以后，隨著工作時(shí)間加長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)的溫度會(huì)不斷的上升，而反饋元器件——測(cè)速發(fā)電動(dòng)機(jī)，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)同軸連接，導(dǎo)致測(cè)速電動(dòng)機(jī)溫度也會(huì)隨之上升。測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子線圈切割磁力線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，其值為

=

式中 ——測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電動(dòng)勢(shì)

——電勢(shì)系數(shù)

圖2 傳統(tǒng)直流伺服速度控制系統(tǒng)原理框圖

圖3 采用光電編碼器的直流伺服速度控制系統(tǒng)原理框圖

在通常情況下，是個(gè)常數(shù)，測(cè)速電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速。成正比。實(shí)際工作中，電動(dòng)機(jī)工作后溫度會(huì)有所上升，也會(huì)隨之發(fā)生變化，一般情況是下降的。由于變小，所以也隨之變小。但此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速卻并沒有下降，通過轉(zhuǎn)換，反饋到速度環(huán)的電壓△會(huì)上升，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速上升，通過公式 = 可知，電動(dòng)勢(shì)會(huì)隨之上升，從而達(dá)到△維持不變。可是，給定值不變但電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速在慢慢上升，這勢(shì)必引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速誤差的增大。我們根據(jù)實(shí)際的測(cè)量，一般來說電動(dòng)機(jī)溫度每上升100℃，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的誤差就會(huì)相應(yīng)的增大1%~3%。所以該系統(tǒng)雖能滿足控制精度較低的產(chǎn)品的需求，但對(duì)于控制精度要求高的場(chǎng)合就不適用了。

為了提高電動(dòng)機(jī)的控制精度，這里在電路中增加光電編碼器，它與電動(dòng)機(jī)同軸安裝，可以輸出與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的輸出的脈沖信號(hào)頻率，該脈沖頻率通過F/V（頻壓）轉(zhuǎn)換為反映轉(zhuǎn)速高低的模擬信號(hào)。模擬信號(hào)與給定的信號(hào)比較，就可以準(zhǔn)確測(cè)出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（如圖3）。

步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)控制裝置，通過以上兩種方法，可以步進(jìn)電機(jī)的控制精度，使其更加適應(yīng)數(shù)字伺服系統(tǒng)的發(fā)展。

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