步進電機控制
步進電機控制,步進,電機,機電,控制,節(jié)制
一種高精度步進式位置伺服系統(tǒng)設計本文來自2006年第5期“交流伺服系統(tǒng)”上 ,已經(jīng)被閱讀過462次關(guān)鍵詞: 運動控制卡步進電機位置伺服系統(tǒng)細分驅(qū)動器 步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或直線位移的控制電機,在數(shù)字控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行電動機,由專門的、可以產(chǎn)生一定頻率、功率和時序的電脈沖的驅(qū)動器驅(qū)動。步進電機易于起動、停止、正反轉(zhuǎn)及變速,響應性好。步進電機可用數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制組成位置控制系統(tǒng),并且系統(tǒng)定位度高,具有良好的跟蹤性能,沒有積累誤差。步進電機轉(zhuǎn)子的位移量是嚴格正比于輸入脈沖數(shù),平均轉(zhuǎn)速嚴格正比于輸入脈沖頻率。尤其是混合式步進電動機具有小步距角、快速啟停、消耗功率小、斷電時有定位轉(zhuǎn)矩的特點,越來越多在工業(yè)中得到應用。同時采用細分控制策略又大幅度提高步進電動機了分辨率,并且有效地抑制單步運行中所產(chǎn)生的噪聲和振蕩現(xiàn)象,無需專門的阻尼器,既減小了控制器的體積,又降低了成本。利用兩相混合式步進電機及細分驅(qū)動器的優(yōu)點,基于DEC4T運動控制卡組成一套雙坐標的位置伺服控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)配備了基于網(wǎng)絡技術(shù)的視窗交互式控制軟件,可以實現(xiàn)二維運動軌跡的合成、插補運算以及在線高速軌跡跟蹤和控制,同時具有圖示化的編程功能?;谠撈脚_可方便的實現(xiàn)各種數(shù)控系統(tǒng)的實驗及仿真研究。系統(tǒng)控制方案及軟硬件結(jié)構(gòu)設計 以步進電機及其驅(qū)動器作為的執(zhí)行部件的位置伺服系統(tǒng),它最大的優(yōu)點就是能夠在開環(huán)系統(tǒng)中達到精確的控制。在該開環(huán)步進式位置伺服系統(tǒng)中指令信號是單向流動的,由DEC4T卡發(fā)出的指令脈沖,經(jīng)細分驅(qū)動器、兩相混合式步進電機,通過滾珠絲杠驅(qū)動雙坐標平臺移動。系統(tǒng)開環(huán)控制方案如圖1所示。 圖1 系統(tǒng)開環(huán)控制方案圖基于ISA總線的運動控制卡 DEC4T運動控制卡是德國MOVTEC公司開發(fā)出來的針對ISA總線的運動控制卡。它用于控制步進電機和數(shù)字伺服電機,最多可以控制4軸4聯(lián)動,進行直線、圓弧插補和樣條函數(shù)等運動。DEC4T運動控制卡作為步進電機的上位單元,與計算機構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)。計算機主要完成人機交互界面的管理、控制系統(tǒng)的檢測和控制工作;運動控制卡接收計算機CPU的發(fā)出的指令,進行運動軌跡的規(guī)劃。這包括脈沖的方向和方向信號的輸出、自動升降速處理、原點和限位開關(guān)等信號的檢測。系統(tǒng)具有軟件搜索參考點和軟件限位功能,這樣可以保證電機和滾珠絲杠等精密部件不在系統(tǒng)運行中損壞。系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu) 系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)采用整體式稀土永磁混合兩相步進電動機,該類電機兼有反應式和永磁式步進電機的優(yōu)點。它既可以像反應式步進電機一樣實現(xiàn)小步距角運轉(zhuǎn),有較高的起動和運行頻率;同時又可以像永磁式步進電機那樣,控制功率小,功耗低,輸出力矩大,具有定位轉(zhuǎn)矩。為了減小低速轉(zhuǎn)矩脈動和噪音,提高運行平穩(wěn)性、分辨率和精度,電機采用小步距角細分控制,以確保步進電機不丟步,速度實現(xiàn)連續(xù)平滑調(diào)節(jié)。步進伺服系統(tǒng)控制器與步進電機平臺如圖2所示。 圖2 步進伺服系統(tǒng)控制器與步進電機平臺系統(tǒng)的控制軟件 系統(tǒng)采用通用數(shù)控軟件EdiTasc來實現(xiàn)對硬件的控制功能。其中包括連續(xù)點動、搜索參考點、軟件限位、在線編寫運動軌跡等。EdiTasc是由德國MOVTEC公司為了控制多軸運動控制卡開發(fā)出來基于PC機Windows操作系統(tǒng)下實時運行的通用數(shù)控軟件。它是一個高度開放的開發(fā)平臺,可以直接控制各種工業(yè)自動化設備,方便的開發(fā)專用的界面和控制系統(tǒng)。其漢化軟件可以識別國際標準的DIN66025G代碼和MTASC高級語言。EdiTasc由底層運動控制軟件和用戶操作界面組成,底層運動控制軟件跟運動控制卡建立通訊,對運動控制卡的插補運動進行控制,同時也可以對所需要的參數(shù)進行設置。Editasc軟件可以接收來自多種CAD/CAM軟件產(chǎn)生的加工程序,如Mastercam、海爾軟件、文泰軟件等。圖3所示為步進式位置伺服軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計原理圖。 圖3 步進式位置伺服軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計原理圖 步進電機脈沖頻率的確定及參數(shù)驗算 步進電機主要參數(shù):脈沖分配方式為兩相四拍,步矩角0.9,靜態(tài)相電流3A,保持轉(zhuǎn)矩1.0N.m,空載起動頻率2KPPS,轉(zhuǎn)動慣量0.23kg.cm2。為了計算脈沖頻率必須先確定脈沖當量P,即每一個電脈沖負載產(chǎn)生的直線位移量。步進電機細分驅(qū)動器采用8細分,由此,其中0.9為半步驅(qū)動方式時的步矩角,t4mm為絲杠螺距,i1為傳動比。因此,可以得出脈沖當量P0.00125mm/p。 系統(tǒng)的快速直線插補運動速度為200mm/s,此時步進電機轉(zhuǎn)速為3000r/min,精度為0.01mm。在鍵盤上每一次按鍵運動控制卡發(fā)出的脈沖為8個,轉(zhuǎn)換成位移量為P80.01mm。而絲杠螺距為4mm,步進電機轉(zhuǎn)動一圈需要的脈沖數(shù)為360/(0.9/8)3200個,電機轉(zhuǎn)動一圈絲杠位移為一個螺距,即4mm。因此,絲杠位移0.01mm時所需要的脈沖數(shù)為8個。這就是說,在步進電機轉(zhuǎn)速為3000r/min時,運動控制卡發(fā)出的脈沖數(shù)等于步進電機所接收到的脈沖數(shù),并且準確地轉(zhuǎn)換為絲杠的直線位移。系統(tǒng)的性能研究系統(tǒng)的誤差和精度分析 雙坐標步進式位置伺服系統(tǒng)的誤差主來源有兩方面: 一是機械方面,包括滾珠絲杠副等傳動部件; 二是電氣方面,主要是步進電機。 滾珠絲杠副都進行了預緊,從理論上來講消除了其出現(xiàn)誤差的可能性。實際上對于有相對運動的傳動部件,必然會存在間隙,因而絲杠反向運行時將會出現(xiàn)微小的空程,這個空程足可以影響系統(tǒng)的精度。同時絲杠的螺距誤差和傳動剛度對系統(tǒng)的精度也有很大的影響。 步進電機的步距角精度和振動對系統(tǒng)的精度也造成很大的影響。典型的步進電機的步距角精度可以達到35%,并且不積累。如圖4所示為步進電機位置精度。當步進電機接收到一個脈沖信號轉(zhuǎn)過一個角度會產(chǎn)生步距角誤差,步距角誤差為測量步距角度和理論步距角度的差。當步進電機轉(zhuǎn)過N個步,并且從電機開始轉(zhuǎn)動的初始位置測量電機轉(zhuǎn)過的角度為N, 設步距誤差為N,則NNN,其中為步進電機的步距角。一般用戶根據(jù)步距誤差的最大與最小值之差來計算,即。 圖4 步進電機位置精度提高系統(tǒng)性能的措施 為了消除滾珠絲杠的空程影響可以通過軟件和硬件兩方面來實現(xiàn)。采用補償電路或者是軟件補償方法,補償滾珠絲杠的空程和螺距誤差,以提高系統(tǒng)的位移精度。在該系統(tǒng)中選用高精度的滾珠絲杠副和坐標運動機械平臺從機械結(jié)構(gòu)方面保證系統(tǒng)的精度,并且控制軟件來保證系統(tǒng)的精度。EdiTasc能夠在插補運動時按設定的時間段周期性的與運動控制卡DEC4T建立通訊,使DEC4T獲得相關(guān)軸運動的速度和長度,軟件具有預讀功能和預加速/減速功能,這樣可以保證速度的恒定和平穩(wěn)過渡。運動控制軟件自動計算位置偏差,并根據(jù)該差值對位置偏差進行PID調(diào)節(jié),以保證系統(tǒng)精確運動,運動控制卡DEC4T按接收的指令自行控制步進電機進行插補運動。 兩相混合式步進電機采用微步驅(qū)動模式,可以達到平滑的運動軌跡,提高分辨率、消除振動,從而提高了系統(tǒng)的精度。運動控制卡可以實現(xiàn)控制脈沖的精確定時功能,采取了抗干擾措施。 結(jié)語 以兩相混合式步進電機為執(zhí)行部件的位置伺服系統(tǒng)是一個典型的機電一體化系統(tǒng),具有開放性、靈活性、可靠性并且具有較高的精度。它可以作為機電一體化的實驗平臺,滿足了現(xiàn)代運動控制技術(shù)研究和實驗的需要。通過該系統(tǒng)可以掌握各類數(shù)控的基本原理、運動控制的基本概念、運動控制系統(tǒng)的集成方法。同時本系統(tǒng)也可以作為數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)工具。該系統(tǒng)符合工業(yè)現(xiàn)場標準,可以直接進行工業(yè)現(xiàn)場控制。本文摘自伺服控制
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步進
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