0 引言

　　步進電機是一種將電脈沖信號轉換成角位移或直線位移的控制電機，它可用數字信號直接進行開環控制組成位置控制系統，并且系統定位度高，具有良好的跟蹤性能，沒有積累誤差。步進電機轉子的位移量嚴格正比于輸入脈沖數，平均轉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、斷電時有定位轉矩的特點，越來越多在工業中得到應用。同時采用細分控制策略又大幅度提高步進電動機的分辨率，并且有效地抑制單步運行中所產生的噪聲和振蕩現象，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動器的優點，基于DEC4T運動控制卡組成一套雙坐標的位置伺服控制系統。該系統配備了基于網絡技術的視窗交互式控制軟件，可以實現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。基于該平臺可方便地實現各種數控系統的實驗及仿真研究。

1 系統控制方案及軟硬件結構設計

　　以步進電機及其驅動器作為的執行部件的位置伺服系統，它最大的優點就是能夠在開環系統中達到精確的控制。在該開環步進式位置伺服系統中指令信號是單向流動的，由DEC4T卡發出的指令脈沖，經細分驅動器、兩相混合式步進電機，通過滾珠絲杠驅動雙坐標平臺移動。

　　1.1 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字伺服電機，最多可以控制4軸4聯動，進行直線、圓弧插補和樣條函數等運動。DEC4T運動控制卡作為步進電機的上位單元，與計算機構成主從式控制結構。計算機主要完成人機交互界面的管理、控制系統的檢測和控制工作;運動控制卡接收計算機CPU發出的指令，進行運動軌跡的規劃。這包括脈沖的方向和方向信號的輸出、自動升降速處理、原點和限位開關等信號的檢測。系統具有軟件搜索參考點和軟件限位功能，可以保證電機和滾珠絲杠等精密部件不在系統運行中損壞。

　　1.2 系統執行機構

　　系統的執行機構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點。它既可以像反應式步進電機一樣實現小步距角運轉，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，具有定位轉矩。為了減小低速轉矩脈動和噪音，提高運行平穩性、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，快速實現連續平滑調節。

　　1.3 系統的控制軟件

　　系統采用通用數控軟件EdiTasc來實現對硬件的控制功能。其中包括連續點動、搜索參考點、軟件限位和在線編寫運動軌跡等。EdiTasc是一個高度開放的開發平臺，可以直接控制各種工業自動化設備，開發專用的界面和控制系統。其漢化軟件可以識別國際標準的D工N66025G代碼和MTASC高級語言。EdiTas。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進行設置。EdiTasc軟件可以接收來自多種CAD/CAM軟件產生的加工程序，如Mas-tercam、海爾軟件和文泰軟件等。

2 步進電機脈沖頻率確定及參數驗算

　　步進電機主要參數:脈沖分配方式為兩相四拍，步矩角0.9，靜態相電流3A，保持轉矩1.0Nm,空載起動頻率2 KPPS，轉動慣量0.23 X 10-4kgm2。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生的直線位移量。步進電機細分驅動器采用8細分，由此，p=（/8ti）/360，其中=0.9為半步驅動方式時的步距角，t=4 mm為絲杠螺距，i=1為傳動比。可以得出脈沖當量p=0. 00125 mm/P。

　　系統的快速直線插補運動速度為200 mm/s，此時步進電機轉速為3 000 r/min,精度為0. 01 mm。在鍵盤上每一次按鍵運動控制卡發出的脈沖為8個，轉換成位移量為;P*8=0.01 mm。而絲杠螺距為4 mm，步進電機轉動一圈需要的脈沖數為360/(0.9°/8)=3 200個，電機轉動一圈絲杠位移為一個螺距，即4 mm。因此，絲杠位移。0.01 mm時所需要的脈沖數為8個。這就是說，在步進電機的轉速為3 000 r/min時，運動控制卡發出的脈沖數等于步進電機所接收到的脈沖數，并且準確地轉換為絲杠的直線位移。

3 系統的性能研究

　　3.1 系統的誤差和精度分析

　　雙坐標步進式位置伺服系統的誤差主來源有2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微小的空程，這個空程足可以影響系統的精度。同時絲杠的螺距誤差和傳動剛度對系統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3%~5%。，并且不積累。當步進電機接收到一個脈沖信號轉過一個角度會產生步距角誤差，步距角誤差片測量步步些偏差位置精度

　　距角度一理論步距角度。當步進電機轉過N個步，并且從電機開始轉動的初始位置測量電機轉過的角度為N，設步距誤差為△N，則△N=N-*N，其中R為步進電機的步距角。一般用戶根據步距誤差的最大與最小值之差來計算，即△N=1/2(△max-△;min)。

　　3.2 提高系統性能的措施

　　為了消除滾珠絲杠的空程影響可以通過軟件和硬件2方面萊實現。采用補償電路或者軟件補償方法，補償滾珠絲杠的空程和螺距誤差，以提高系統的位移精度。在該系統中選用高精度的滾珠絲杠副和坐標運動機械平臺，從機械結構方面保證系統的精度，并且控制軟件來保證系統的精度。EdiTasc能夠在插補運動時按設定的時間段周期性地與運動控制卡DEC4 T建立通訊，使DEC4T獲得相關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過渡。運動控制軟件自動計算位置偏差，并根據該差值對位置偏差進行PID調節，以保證系統精確運動，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，從而提高了系統的精度。運動控制卡可以實現控制脈沖的精確定時功能，采取了抗干擾措施。

4 結束語

　　以兩相混合式步進電機為執行部件的位置伺服系統是一個典型的機電一體化系統，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，滿足了現代運動控制技術研究和實驗的需要。通過該系統可以掌握各類數控的基本原理、運動控制的基本概念、運動控制系統的集成方法。同時本系統也可以作為數控系統的開發工具。該系統符合工業現場標準，可以直接進行工業現場控制。