柏忠梅

摘 要 步進電機結(jié)構(gòu)簡單，速度控制比較容易實現(xiàn)，具有較高的精度，可以實現(xiàn)高精度的開環(huán)定位控制。這種運行方式的控制電路簡單經(jīng)濟，不需要位置檢測元器件，是一種實用的進給數(shù)字侍服系統(tǒng)，只要靜態(tài)和動態(tài)性能滿足要求，就應(yīng)該首先考慮采用這種系統(tǒng)。但在大負載或高速的情況下，這種系統(tǒng)可能會產(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 步進電動機 數(shù)字侍服系統(tǒng) 光電編碼器

中圖分類號：TM383.6 文獻標識碼：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 反饋補償式步進電動機進給數(shù)字侍服控制系統(tǒng)

步進電動機的轉(zhuǎn)動能跟隨每一個指令脈沖，在運行結(jié)束時所走的總行程正好等于輸出脈沖的個數(shù)乘以步距。然而，由于開環(huán)控制沒有位置反饋檢測，導(dǎo)致無法知道是否丟失了脈沖；另外，電動機的響應(yīng)速度受負載大小的影響，所以，步進電動機的開環(huán)控制性能受到了一些限制。由于上述原因，近年來出現(xiàn)了反饋補償式步進電動機侍服系統(tǒng)。這種系統(tǒng)基本上解決了步進電動機丟失脈沖的問題，圖1所示是反饋補償式步進電動機進給侍服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。步進電機將所給的電脈沖信號轉(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分配給步進電機的各相勵磁繞組，使各相勵磁繞組在電脈沖信號的控制下工作。脈沖功率放大器能實現(xiàn)電機的功率驅(qū)動、電流控制及多種保護功能。該電路與開環(huán)系統(tǒng)不同的是，這里在步進電機的軸上安裝了脈沖編碼器，脈沖編碼器將步進電動機的轉(zhuǎn)動轉(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償控制器中進行比較，補償控制器根據(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)動步進電動機運轉(zhuǎn)。補償控制器是整個系統(tǒng)的核心。這里需要指出的是反饋處理電路有兩個作用：

（1）由于脈沖編碼器每轉(zhuǎn)一周輸出的脈沖個數(shù)與步進電動機每轉(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)當將脈沖編碼器的輸出脈沖轉(zhuǎn)換成正、反轉(zhuǎn)反饋計數(shù)脈沖。與反饋脈沖一樣，指令脈沖也有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩個通道。

圖1 反饋補償式步進電動機進給數(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)的缺點是：當步進電動機運轉(zhuǎn)一段時間以后，隨著工作時間加長電動機的溫度會不斷的上升，而反饋元器件——測速發(fā)電動機，與步進電動機同軸連接，導(dǎo)致測速電動機溫度也會隨之上升。測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)子線圈切割磁力線產(chǎn)生電動勢，其值為

=

式中 ——測速發(fā)電機的輸出電動勢

——電勢系數(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，是個常數(shù)，測速電動機所產(chǎn)生的電動勢與轉(zhuǎn)速。成正比。實際工作中，電動機工作后溫度會有所上升，也會隨之發(fā)生變化，一般情況是下降的。由于變小，所以也隨之變小。但此時電動機轉(zhuǎn)速卻并沒有下降，通過轉(zhuǎn)換，反饋到速度環(huán)的電壓△會上升，使電動機的轉(zhuǎn)速上升，通過公式 = 可知，電動勢會隨之上升，從而達到△維持不變。可是，給定值不變但電機的實際轉(zhuǎn)速在慢慢上升，這勢必引起電動機轉(zhuǎn)速誤差的增大。我們根據(jù)實際的測量，一般來說電動機溫度每上升100℃，電動機轉(zhuǎn)速的誤差就會相應(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，但對于控制精度要求高的場合就不適用了。

為了提高電動機的控制精度，這里在電路中增加光電編碼器，它與電動機同軸安裝，可以輸出與電機轉(zhuǎn)速成正比的輸出的脈沖信號頻率，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。模擬信號與給定的信號比較，就可以準確測出電動機的轉(zhuǎn)速（如圖3）。

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

參考文獻

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