雙坐標(biāo)運動控制系統(tǒng)設(shè)計及自動化實現(xiàn)探究

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1 課題背景介紹

微電子技術(shù)是以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，特別是由于微型計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了電子技術(shù)，檢測傳感器技術(shù)，自動控制技術(shù)，計算機技術(shù)、機械技術(shù)以及其他技術(shù)。機電一體化這種復(fù)合型邊緣學(xué)科在這一背景下應(yīng)運而生。機電一體化是機械發(fā)展的必然趨勢。

2 典型的機電一體化產(chǎn)品組成部分

（1）機械驅(qū)動器包括一個主體部分和結(jié)構(gòu)部分，該種驅(qū)動器是一種用于學(xué)習(xí)的機電方式。

（2）生物量傳感器是機電一體化產(chǎn)品測量系統(tǒng)操作，其可以根據(jù)檢測信號的遠(yuǎn)近來控制以及執(zhí)行裝置。

（3） 執(zhí)行裝置 其功能是根據(jù)信息處理與控制裝備所發(fā)出的信號來控制、驅(qū)動并控制信號發(fā)射，從而達(dá)到所請求動作信息完全被計算機接收。

（4）信號自外理和控制外輸設(shè)備通常包括輸出設(shè)備、輸入設(shè)備以及微型控制機等。在因特網(wǎng)中，雙坐標(biāo)控制系統(tǒng)也稱為雙坐標(biāo)運動X-Y工作臺，在經(jīng)濟形數(shù)控機床的加工系統(tǒng)、堆疊器立體倉庫的運動平面移動的領(lǐng)域中、繪圖儀系統(tǒng)，機器人輸送檢測裝置等具有一個廣泛的實驗教學(xué)應(yīng)用[1]。

3 X-Y工作臺控制系統(tǒng)簡述及控制方案選擇

X-Y工作臺裝置能夠分別沿X階段和Y移動。其工作原理是X、Y采用步進(jìn)電機或伺服電機，通過齒輪減速器（減少速度，功率放大）和用于移動載物臺的X-Y方向的滾珠絲杠驅(qū)動。這一階段的運動控制系統(tǒng)是由機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和電子系統(tǒng)合并的機電一體系統(tǒng)形成。一般來說，X-Y運動控制系統(tǒng)包括開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)，這樣的控制位置檢測裝置沒有反回路，通過驅(qū)動器（電路功率指令脈沖輸出放大器）中的主計算機控制部進(jìn)一步推動驅(qū)動步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動時，其他兩種控制系統(tǒng)原理也是類似第一種。因此，上述三種控制系統(tǒng)中，載物臺移動的開環(huán)控制是相對穩(wěn)定的、快速的、容易調(diào)試，維護(hù)簡單，但控制精度低，這樣的控制系統(tǒng)大多是經(jīng)濟型。閉環(huán)控制系統(tǒng)，它的控制精度高，移動的精確度精準(zhǔn)，但有必要提高檢測的速度和檢測元件的具體位移，但是提高這些會使控制系統(tǒng)變得復(fù)雜，成本大大增加。半閉環(huán)控制精度比開環(huán)控制更高，但是又低于閉環(huán)控制，所以成本也介于兩者之間[3]。

4 開環(huán)運動控制系統(tǒng)的工作原理

為了實現(xiàn)X-Y工作臺的開環(huán)控制，即位置控制和速度控制，即以實現(xiàn)在所述步進(jìn)電機的驅(qū)動裝置的位移和速度的控制。步進(jìn)電動機也稱為脈沖電動機，它是一種對應(yīng)的電動機控制的角速度或線位移轉(zhuǎn)換電信號成脈沖的裝置。步進(jìn)電機為控制脈沖到其旋轉(zhuǎn)軸通過的角度或線性位移運動，稱為步驟。隨著脈沖增加，角位移（或排量線）的數(shù)量增加，高脈沖頻率也會增加，步進(jìn)電機的旋轉(zhuǎn)速度高，脈沖頻率變化也會越快。但是隨著步進(jìn)電機加速，相位分布中所述脈沖的順序變化，步進(jìn)電動機也會出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

5 系統(tǒng)執(zhí)行裝置的設(shè)計與選擇

執(zhí)行裝置X-Y工作臺運動控制系統(tǒng)是一個步進(jìn)電機由步進(jìn)系統(tǒng)及其專用驅(qū)動器所組成。我們知道，步進(jìn)電動機可以是一個數(shù)字輸入脈沖旋轉(zhuǎn)或線性增量運動的電磁制動器。每個輸入脈沖的步進(jìn)電機軸的步距角增量，正比于輸入脈沖轉(zhuǎn)角實施方式的總數(shù)量，速度取決于各自的輸入脈沖，步進(jìn)電機是機電一體化產(chǎn)品的主體的關(guān)鍵部件，它通常用作恒定的速度控制和位置控制。低慣性步進(jìn)電機，定位精度高，誤差小，也是比較簡單控制。數(shù)控機床、包裝機械、計算機外圍設(shè)備、復(fù)印機、傳真機等這些在機電一體化系統(tǒng)中都被廣泛使用。步進(jìn)電機分為三類：永磁式(PIM) 、反應(yīng)式(VR)和混合式(HB)。PM型步形機通常是兩用，因為它具有體積較小的扭矩可以實現(xiàn)步驟角通常為1.5度，但噪聲和振動很大，和其他發(fā)達(dá)國家相比有待提高?；旌鲜讲竭M(jìn)電機既有永磁式步進(jìn)電機的特性，也有反應(yīng)式步進(jìn)電動機的特性。一般情況下，它被分為兩相和五相，1.8度和0.72度。相對來說，混合式步進(jìn)電機具有高精度，高轉(zhuǎn)矩，小步進(jìn)角的優(yōu)點。該步進(jìn)電機的應(yīng)用范圍很廣，尤其是廣泛應(yīng)用于辦公自動化和工廠自動化[2]。

6 結(jié)束語

脈沖分配電路，也稱為脈沖分配器，其功能是從所述脈沖序列的控制部分，并按一定的分布，分配給所述步進(jìn)電機線圈的指令，使得按照時間順序在規(guī)定時間內(nèi)通、斷電。由于分配器循環(huán)重復(fù)，并且在不同的操作模式下進(jìn)行，步進(jìn)電機也是在不相同的環(huán)形分配器下有不同的數(shù)量，因此在進(jìn)行該結(jié)構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計成環(huán)形分配器，這是設(shè)計驅(qū)動電路的第一步。環(huán)形分配器可以是一個普通的集成電路，利用計算機實現(xiàn)。運動控制解決方案也是基于PC的開環(huán)運動控制系統(tǒng)而設(shè)計開發(fā)。這具體應(yīng)包括: PC機、軟件開發(fā)工具、運動控制函數(shù)庫、運動控制硬件、伺服系統(tǒng)（動力制動器）等。其中，PC機為運動控制器的平臺。在此等條件完善下，裝置X-Y工作臺運動控制系統(tǒng)也會成功實現(xiàn)。