PC—based高精度步进式位置伺服系统

　　步进电机主要参数:脉冲分配方式为两相四拍，步矩角0.9°，静态相电流3A，保持转矩1.0N·m,空载起动频率2 KPPS，转动惯量0.23 X 10-4kg·m2。为了计算脉冲频率必须先确定脉冲当量δ_P，即每一个电脉冲负载产生的直线位移量。步进电机细分驱动器采用8细分，由此，δ_p=（β/8·t·i）/360°，其中β=0.9°为半步驱动方式时的步距角，t=4 mm为丝杠螺距，i=1为传动比。可以得出脉冲当量δ_p=0. 00125 mm/P。

　　系统的快速直线插补运动速度为200 mm/s，此时步进电机转速为3 000 r/min,精度为0. 01 mm。在键盘上每一次按键运动控制卡发出的脉冲为8个，转换成位移量为δ_P*8=0.01 mm。而丝杠螺距为4 mm，步进电机转动一圈需要的脉冲数为360°/(0.9°/8)=3 200个，电机转动一圈丝杠位移为一个螺距，即4 mm。因此，丝杠位移。0.01 mm时所需要的脉冲数为8个。这就是说，在步进电机的转速为3 000 r/min时，运动控制卡发出的脉冲数等于步进电机所接收到的脉冲数，并且准确地转换为丝杠的直线位移。

3 系统的性能研究

　　3.1 系统的误差和精度分析

　　双坐标步进式位置伺服系统的误差主来源有2方面，一是机械方面，包括滚珠丝杠副等传动部件;二是电气方面，主要是步进电机。滚珠丝杠副都进行了预紧，从理论上来讲消除了其出现误差的可能性。实际上对于有相对运动的传动部件，必然会存在间隙，因而丝杠反向运行时将会出现微小的空程，这个空程足可以影响系统的精度。同时丝杠的螺距误差和传动刚度对系统的精度也有很大的影响。

　　步进电机的步距角精度和振动对系统的精度也造成很大的影响。典型的步进电机的步距角精度可以达到3%~5%。，并且不积累。步进电机位置精度如图3所示。当步进电机接收到一个脉冲信号转过一个角度会产生步距角误差，步距角误差片测量步步些偏差位置精度

图3步进电机位置精度

　　距角度一理论步距角度。当步进电机转过N个步，并且从电机开始转动的初始位置测量电机转过的角度为θ_N，设步距误差为△θ_N，则△θ_N=θ_N-θ*N，其中R为步进电机的步距角。一般用户根据步距误差的最大与最小值之差来计算，即△θ_N=±1/2(△θ_max-△θ_min)。

　　3.2 提高系统性能的措施

　　为了消除滚珠丝杠的空程影响可以通过软件和硬件2方面莱实现。采用补偿电路或者软件补偿方法，补偿滚珠丝杠的空程和螺距误差，以提高系统的位移精度。在该系统中选用高精度的滚珠丝杠副和坐标运动机械平台，从机械结构方面保证系统的精度，并且控制软件来保证系统的精度。EdiTasc能够在插补运动时按设定的时间段周期性地与运动控制卡DEC4 T建立通讯，使DEC4T获得相关轴运动的速度和长度，软件具有预读功能和预加速/减速功能，这样可以保证速度的恒定和平稳过渡。运动控制软件自动计算位置偏差，并根据该差值对位置偏差进行PID调节，以保证系统精确运动，运动控制卡DEC4T按接收的指令自行控制步进电机进行插补运动。

　　两相混合式步进电机采用微步驱动模式，可以达到平滑的运动轨迹，提高分辨率、消除振动，从而提高了系统的精度。运动控制卡可以实现控制脉冲的精确定时功能，采取了抗干扰措施。

4 结束语

　　以两相混合式步进电机为执行部件的位置伺服系统是一个典型的机电一体化系统，具有开放性、灵活性、可靠性并且具有较高的精度。它可以作为机电一体化的实验平台，满足了现代运动控制技术研究和实验的需要。通过该系统可以掌握各类数控的基本原理、运动控制的基本概念、运动控制系统的集成方法。同时本系统也可以作为数控系统的开发工具。该系统符合工业现场标准，可以直接进行工业现场控制。