基于伺服控制系統(tǒng)的精確定位方法的應(yīng)用

李國(guó)林，黃帥

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176）

基于伺服控制系統(tǒng)的精確定位方法的應(yīng)用

李國(guó)林，黃帥

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176）

介紹了一種基于伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的精確定位方法，詳細(xì)闡述了如何實(shí)現(xiàn)該技術(shù)，且給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，并將此方法應(yīng)用于LTCC精密絲網(wǎng)印刷設(shè)備的工作臺(tái)定位控制系統(tǒng)中，取得了很好的效果。

伺服電機(jī)；控制系統(tǒng)；定位方法；LTCC印刷設(shè)備

目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)印刷設(shè)備上常用的工作臺(tái)定位方式主要分兩種，首先是PLC或工控機(jī)通過(guò)變頻器來(lái)控制交流電機(jī)帶動(dòng)傳輸帶定位工作臺(tái)的方式，這種方式主要靠機(jī)械限位來(lái)使電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)而達(dá)到工作臺(tái)定位的目的。這種方式的缺點(diǎn)是電機(jī)的速度主要靠檢測(cè)慢速信號(hào)改變變頻器的電壓來(lái)調(diào)節(jié)，因此不能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的改變工作臺(tái)的運(yùn)行速度。雖然設(shè)備是通過(guò)硬限位來(lái)保證工作臺(tái)的定位精度，但由于電機(jī)一直處于得電壓的轉(zhuǎn)矩狀態(tài)下，所以不能保證工作臺(tái)完全靜止，總會(huì)存在一定程度的波動(dòng)存在。況且由于工作臺(tái)每次撞擊硬限位的相對(duì)力度較大，隨著時(shí)間的推移，硬限位也會(huì)受到一定的損傷，從而影響設(shè)備本身的定位精度。因此，這種方式一般應(yīng)用在精度要求相對(duì)較低的印刷設(shè)備中。再一種就是工控機(jī)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)控制伺服電機(jī)帶動(dòng)精密滾珠絲杠或直線電機(jī)定位工作臺(tái)的方式，并且通過(guò)光柵尺的反饋形成閉環(huán)回路。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是控制精度高且易于改變驅(qū)動(dòng)速度，由于直線電機(jī)、光柵尺和精密絲杠的價(jià)格普遍較高，以及一些較好的帶模擬量閉環(huán)控制運(yùn)動(dòng)控制卡的價(jià)格也不菲，從而造成了這種控制方式的設(shè)備成本相對(duì)較高。

文中詳細(xì)介紹了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用且高精度的可用于LTCC精密絲網(wǎng)印刷設(shè)備的工作臺(tái)伺服定位控制系統(tǒng)，不但解決了高精確定位的問(wèn)題還大大降低了成本。

1　基于伺服電機(jī)定位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)基于伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的精確定位技術(shù)，本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、導(dǎo)軌裝置、電磁鐵裝置、伺服電機(jī)以及在伺服電機(jī)控制下沿導(dǎo)軌裝置移動(dòng)的工作臺(tái)裝置等組成。定位系統(tǒng)主要包括工作臺(tái)伺服電機(jī)回零和伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)定位兩部分。

伺服定位控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中導(dǎo)軌裝置上左、右兩側(cè)分別設(shè)有一定位塊裝置，定位塊裝置上設(shè)有吸盤式電磁鐵裝置，工作臺(tái)裝置上設(shè)有與吸盤式電磁鐵裝置配合的吸附塊，導(dǎo)軌裝置上一側(cè)靠近左側(cè)的定位塊裝置處設(shè)有一用于工作臺(tái)裝置回零初始化的零點(diǎn)開關(guān)，其安裝位置距離電磁鐵1約2 mm處。

圖1　伺服電機(jī)定位控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　伺服電機(jī)定位控制系統(tǒng)工作原理示意圖

伺服電機(jī)定位控制系統(tǒng)工作原理示意圖如圖2所示，系統(tǒng)的上位機(jī)由工控機(jī)通過(guò)PCI總線與運(yùn)動(dòng)控制卡連接，實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)開關(guān)量的信號(hào)讀取、電磁鐵的吸合與電機(jī)動(dòng)作的控制，而伺服電機(jī)的脈沖量輸出控制是通過(guò)控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，吸盤式電磁鐵裝置是運(yùn)動(dòng)控制卡通過(guò)控制繼電器實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)的下位機(jī)主要由零點(diǎn)開關(guān)、伺服驅(qū)動(dòng)器及繼電器組成，其中零點(diǎn)開關(guān)主要負(fù)責(zé)在伺服電機(jī)回零過(guò)程中檢測(cè)工作臺(tái)的零點(diǎn)信號(hào)，伺服驅(qū)動(dòng)器主要負(fù)責(zé)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)給電機(jī)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作指令，繼電器主要執(zhí)行控制卡輸出給電磁鐵的IO信號(hào)動(dòng)作。

工作臺(tái)回零過(guò)程如圖3所示，如果工作臺(tái)裝置在零點(diǎn)位置，則伺服電機(jī)在位置模式下先脫離零點(diǎn)位置后，再向指定位置方向移動(dòng)；如果工作臺(tái)裝置不在零點(diǎn)位置，則伺服電機(jī)在位置模式下直接向指定位置方向移動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)零點(diǎn)后切換至力矩模式并給一同方向力矩，使工作臺(tái)在轉(zhuǎn)矩模式下運(yùn)動(dòng)到電磁鐵1位置后吸合電磁鐵，完成回零動(dòng)作。其中，伺服電機(jī)初始工作在開環(huán)位置模式下，工控機(jī)通過(guò)發(fā)脈沖量控制指令而使伺服電機(jī)在位置模式下需要執(zhí)行固定的脈沖量，并根據(jù)控制指令在位置模式下移到所述零位開關(guān)的指定位置，然后伺服電機(jī)的控制模式自位置模式切換到轉(zhuǎn)矩模式，并加一同方向的力矩，同時(shí)打開吸盤式電磁鐵裝置吸住工作臺(tái)裝置。

圖3　伺服電機(jī)回零工作流程圖

工作臺(tái)定位過(guò)程如圖4所示，工作臺(tái)裝置在伺服電機(jī)帶動(dòng)下，以位置模式下脫離零點(diǎn)向指定位置方向移動(dòng)固定距離，當(dāng)?shù)竭_(dá)離右端電磁鐵2接近位置后，切換至力矩模式并給一同方向力矩，使工作臺(tái)在轉(zhuǎn)矩模式下運(yùn)動(dòng)到電磁鐵2位置后吸合電磁鐵，完成單向定位過(guò)程。

圖4　伺服電機(jī)定位控制系統(tǒng)工作流程圖

3　此定位方法在印刷設(shè)備中的實(shí)際應(yīng)用

下面結(jié)合實(shí)際應(yīng)用實(shí)例（如圖5、圖6所示）對(duì)本文所述的伺服電機(jī)定位方法的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)作進(jìn)一步的說(shuō)明，但本方法并不局限于所列的實(shí)例。本方法與傳統(tǒng)定位控制系統(tǒng)及方法相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和積極效果：

（1）本定位控制方法采用位置控制模式輔助轉(zhuǎn)矩模式的開環(huán)輸出控制，實(shí)現(xiàn)過(guò)程簡(jiǎn)單可靠，穩(wěn)定性好。

（2）由于采用了電磁鐵吸附的方法，抵消了電機(jī)停止瞬間給工作臺(tái)帶來(lái)的微小震動(dòng)，并使工作臺(tái)達(dá)到小于正負(fù)2 μm的重復(fù)定位精度，滿足了設(shè)備高精度定位的要求。

（3）本定位控制系統(tǒng)使用開環(huán)運(yùn)動(dòng)控制卡以及普通伺服電機(jī)加電磁鐵的控制方式，降低了設(shè)備的研制成本，且適應(yīng)范圍廣。

圖5　216T型精密絲網(wǎng)印刷機(jī)

圖6　360T型自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)絲網(wǎng)印刷機(jī)

本文所述方法通過(guò)切換電機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的電機(jī)輸出控制方式控制工作臺(tái)裝置定位時(shí)，首先讓伺服電機(jī)在位置控制模式下運(yùn)行一段距離，使伺服電機(jī)在接近另一端定位塊裝置時(shí)切換到轉(zhuǎn)矩控制模式下，同時(shí)打開電磁鐵將工作臺(tái)吸住。之所以要切換伺服電機(jī)的控制模式，是因?yàn)樗欧姍C(jī)在轉(zhuǎn)矩模式下，伺服電機(jī)僅受電機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的電流環(huán)控制運(yùn)算量最小，此時(shí)所受的電機(jī)阻力也最小，易于電磁鐵吸附，采用電磁鐵的結(jié)構(gòu)不僅減小了機(jī)械硬限位損傷，保證了定位精度，還能抵消電機(jī)停止瞬間給工作臺(tái)帶來(lái)的微小震動(dòng)，進(jìn)一步保證了伺服電機(jī)處于高度力平衡狀態(tài)。通過(guò)采用運(yùn)動(dòng)控制卡控制伺服電機(jī)帶動(dòng)皮帶裝置實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)裝置定位，并在工作臺(tái)裝置兩端安裝定位塊裝置確保工作臺(tái)裝置位置的準(zhǔn)確性，同時(shí)在兩定位塊裝置上分別安裝兩吸盤式電磁鐵裝置保證重復(fù)定位的一致性，解決了現(xiàn)有印刷設(shè)備工作臺(tái)準(zhǔn)確定位的問(wèn)題，降低了設(shè)備的制造成本，且這種定位系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于需要高精度定位的設(shè)備中，具有普遍適用性。

4　結(jié)論

文中詳細(xì)介紹了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用且高精度的可用于LTCC精密絲網(wǎng)印刷設(shè)備的工作臺(tái)伺服定位控制系統(tǒng)以及方法，文中所述伺服定位控制方法，與現(xiàn)有幾種定位方法相比，具有控制精度高，控制方法簡(jiǎn)單，研制成本低，工作效率高，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］陳曉軍.伺服系統(tǒng)與變頻器應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

［2］錢平.伺服系統(tǒng)（第二版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［3］寇寶泉，程樹康.交流伺服電機(jī)及其控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［4］田宇.伺服與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［5］向曉漢，宋昕.變頻器與步進(jìn)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

［6］松下伺服電機(jī)A5系列說(shuō)明書［Z］.

Application of the Method Based on Precise Positioning Servo Control System

LI Guolin，HUANG Shuai

（The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China）

This paper presents a method based on precise positioning servo motor control system，described in detail how to implement the technology，and gives the corresponding design process.This method will be applied to the control system LTCC table positioning precision screen printing equipment，and achieved good positioning effect.

Servo motor；Control system；Positioning method；LTCC printing equipment

TN709

B

1004-4507（2016）10-0042-04

2016-09-04

李國(guó)林（1985-），男，山東人，碩士研究生，工程師，現(xiàn)在中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所主要從事電子專用設(shè)備的研發(fā)與設(shè)計(jì)工作。