1 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)分類與特點

　　數(shù)控機床伺服系統(tǒng)是以機床移動部件(如工作臺)的位置和速度為控制量的系統(tǒng)，又稱隨動系統(tǒng)，簡稱伺服系統(tǒng)。它接收接受數(shù)控裝置的脈沖指令，并將其變換為機床工作臺的位移。作為數(shù)控機床的重要組成部分的伺服系統(tǒng)，其本身的性能直接影響著整個數(shù)控機床的加工精度和速度等技術(shù)指標。按有無檢測反饋裝置，伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)和閉環(huán)兩大類；按檢測元件安裝的位置和檢測方式的不同，閉環(huán)系統(tǒng)又分為半閉環(huán)系統(tǒng)和全閉環(huán)系統(tǒng)。

　　1.1 開環(huán)控制系統(tǒng)

　圖1所示為開環(huán)控制系統(tǒng)原理圖，主要由驅(qū)動線路和執(zhí)行元件兩部分組成。驅(qū)動線路的作用是將指令脈沖信號轉(zhuǎn)換為執(zhí)行元件所需的信號，并滿足執(zhí)行元件的工作特性要求。執(zhí)行元件的作用是將驅(qū)動線路輸出的電信號轉(zhuǎn)換成位移信號，帶動機床工作臺移動。開環(huán)控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行元件為步進電動機，它將指令脈沖變換為機械轉(zhuǎn)角，再經(jīng)過齒輪副和絲杠螺母帶動機床工作臺移動。不檢測工作臺的實際位移，無位置檢測元件。

　　1.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)

　　圖2-圖4所示為閉環(huán)控制系統(tǒng)原理圖。它主要由位置檢測器、比較線路、伺服放大線路利執(zhí)行元件四部分組成。

　　將位置檢測元件(如旋轉(zhuǎn)編碼器)安裝在伺服電動機軸或數(shù)控機床的傳動絲杠止，即把工作臺實際位移相應(yīng)的轉(zhuǎn)角測出來進行反饋比較，間接出檢測工作臺的實際直線位移，為半閉環(huán)控制系統(tǒng)。將位置檢測元件(如直線光柵)安裝在機床工作臺上，直接檢測工作臺的實際直線位移，為全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　　1.3 特點

　　全閉環(huán)控制系統(tǒng)要求檢測元件的測量范圍與工作臺移動范圍相等。而制造較長的位置檢測元件很困難，須用有限長度的位置檢測元件拼接安裝，不僅價格高，而且安裝后調(diào)整比較復(fù)雜。相比之下，測量轉(zhuǎn)角要容易得多。因此大部分數(shù)控機床使用半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)，但這種伺服系統(tǒng)由于絲杠和工作臺存在的傳動誤差得不到補償，所以半閉環(huán)控制系統(tǒng)要比閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度低。

　　開環(huán)控制系統(tǒng)對移動部件的實際位移量不進行檢測，也不能進行誤差校正，雖然精度較低，但由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。目前，在加工精度要求不很高的中小型數(shù)控機床，如經(jīng)濟型數(shù)控機床中得以廣泛應(yīng)用。

2 開環(huán)伺服系統(tǒng)的PLC控制

　　2.1 步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)控制參數(shù)

　　使用PLC控制步進電機伺服機構(gòu)，關(guān)鍵是控制步進電機的輸入脈沖數(shù)、輸入脈沖頻率、輸出脈沖的順序這三個參數(shù)，達到控制移動部件的行程小、進給速度、進給方向。

　　2.1.1 行程控制

　　工作臺的行程控制是利用直線光柵尺采用數(shù)字控制來實現(xiàn)。工作臺的行程正比于步進電機的總轉(zhuǎn)角，只要控制步進電機的總轉(zhuǎn)角就可控制工作臺的行程。由步進電機的工作原理和特性可知步進電機的總轉(zhuǎn)角正比于所輸入的控制脈沖個數(shù)，因此，應(yīng)由伺服機構(gòu)的位移量確定PLC輸出的脈沖個數(shù)，設(shè)

　　PLC輸出的脈沖個數(shù)為N：

　N=TL／δ (1)

　　式中：TL伺服機構(gòu)的位移量(ITlm)；8伺服機構(gòu)的脈沖當量(mm／脈沖)

　　2.1.2 進給速度控制

　　伺服機構(gòu)的進給速度取決于步進電機的轉(zhuǎn)速，而步進電機的轉(zhuǎn)速取決于輸入的脈沖頻率，因此，因由工序要求的進給速度，確定其PLC輸出的脈沖頻率，設(shè)PLC輸出的脈沖個數(shù)為f：

　　F=Vf／60δ (Hz) (2)

　　式中Vf-一伺服機構(gòu)的進給速度(mm／min)

　　2.1.3 進給方向控制

　　改變步進電機的轉(zhuǎn)向即可控制進給方向。步進電機的轉(zhuǎn)向是通過改變步進電機各繞組的通電順序來改變的，設(shè)三相步進電機通電順序為AABB BCCCAA? 時步進電機正轉(zhuǎn)，當把繞組的通電順序改變?yōu)锳ACCCBBBAA?時，步進電機將反轉(zhuǎn)。因此可以通過PLC輸出的方向控制信號改變硬件環(huán)行分配器的輸出順序來實現(xiàn)通電順序的改變，或經(jīng)編程改變輸出脈沖的順序來改變步進電機繞組的通電順序。

　　2.2 PLC控制的方法

　　2.2.1 結(jié)構(gòu)

　　利用德國西門子公司的S7200PLC，產(chǎn)生脈沖實現(xiàn)步進電機控制，由控制電路、驅(qū)動電路、步進電機三部分構(gòu)成，如圖5所示。

　　2.2.2 PLC

　　用于產(chǎn)生脈沖，控制電機的速度和轉(zhuǎn)向。如S7 200PLC的CPU214有兩個脈沖輸出，可以用來產(chǎn)生控制步進電機驅(qū)動器的脈沖。S7200CPU本體已含有高速脈沖輸出功能，CPU脈沖輸出頻率達20KHz-100KHz，可以用來驅(qū)動步進電機或伺服電機，完成控制要求。

　　2.2.3 驅(qū)動電路

　　由脈沖信號分配和功率細分驅(qū)動電路組成，根據(jù)控制器輸入的脈沖和方向信號，為步進電機各繞組提供正確的通電順序，以及電機需要的高電壓、大電流，同時提供各種保護措施，如過流、過熱等保護。功率驅(qū)動器將控制脈沖按照設(shè)定的模式轉(zhuǎn)換成步進電機線圈的電流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，使得轉(zhuǎn)子只能按固定的步數(shù)來改變它的位置。連續(xù)的脈沖序列產(chǎn)生與其對應(yīng)同頻率的步序列。使控制頻率足夠高，步進電機的轉(zhuǎn)動就為一個連續(xù)的轉(zhuǎn)動。

　　2.2.4 步進電機

　　控制信號經(jīng)驅(qū)動器放大后驅(qū)動步進電機，帶動負載。當輸入端I1.0發(fā)出啟動 信號后，S7200PLC的Qo．0的輸出脈沖觸發(fā)步進電機驅(qū)動器?？刂破鬏敵龇糯罅说墓潭〝?shù)目方波脈沖，使步進電機按對應(yīng)的步數(shù)轉(zhuǎn)動。當輸入端I1.1發(fā)出停止信號后，步進電機停止轉(zhuǎn)動。接在輸入端I1.5的方向開關(guān)位置決定電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

　　2.3 PLC軟件設(shè)計

　　在程序的編制中，為使步進電機在換向時能平滑過渡，不至于產(chǎn)生錯步，應(yīng)在每一步中設(shè)置標志位。在正轉(zhuǎn)時，不僅給正轉(zhuǎn)標志位賦值，也同時給反轉(zhuǎn)標志位賦值。在反轉(zhuǎn)時也如此。這樣，當步進電機換向時，就將上一次的位置作為起點反向運動，避免了電機換向時產(chǎn)生錯步。其程序流程框圖如圖6所示。

3 PLC控制完成的功能

　　3.1 平穩(wěn)起動、加速、減速、平穩(wěn)停止功能

　　在S7—200中，支持高速輸出口PTOO／VT01的線性加／減速，通過MicroWin的向?qū)С绦蛏删€性加／減速的程序，非常容易實現(xiàn)步進電機的平穩(wěn)起動、加速、減速、平穩(wěn)停止。

　　3.2 定位控制功能

　　借助于PLC的CPU產(chǎn)生集成脈沖輸出和定位指令系統(tǒng)，確定相對一根軸的固定參考點，以一個輸入字節(jié)的對偶碼(Duulcoding)給CPU指定定位角度，在程序中根據(jù)該碼計算出所需的定位步數(shù)，再有CPU輸出相關(guān)個數(shù)的控制脈沖，通過步進電機來實現(xiàn)相對的定位控制。

　　3.3 額定電流可調(diào)等角度恒力矩細分驅(qū)動方法的功能

　　步進電機的驅(qū)動方式有多種，如恒電壓、恒電流等多種形式，而這些方式都存在一定的缺陷，特別是在低速運行時的振動、噪聲大和在步進電機自然振蕩頻率附近運行時易產(chǎn)生共振，且輸出轉(zhuǎn)矩隨著步進電機的轉(zhuǎn)速升高而下降等缺點，采用額定電流可調(diào)等角度恒力矩細分驅(qū)動方式，可改變上述缺陷。額定電流可調(diào)等角度恒力矩細分驅(qū)動主要的優(yōu)點是步距角變小，分辨率高，提高了電機的定位精度、啟動性能和高頻輸出轉(zhuǎn)矩，減弱或消除了步進電機的低頻振動，降低了步進電機在共振區(qū)工作的幾率。一般細分驅(qū)動只改變相應(yīng)繞組中電流的一部分，電動機的合成磁勢也只是旋轉(zhuǎn)步距角的一部分，繞組電流不是一個方波而是階梯波，額定電流是臺階式的投入或切除，如圖7所示。

　　其合成的矢量幅值是不斷變化的，輸出力矩也跟著不斷變化，從而會引起滯后角的不斷變化。當細分數(shù)很大、微步距角非常小時，滯后角變化的差值已大于所要求細分的微步距角，使得細分失去了意義。據(jù)此分析，采用建立數(shù)學(xué)關(guān)系同時改變兩相電流，即Ia、Ib以某一數(shù)學(xué)關(guān)系同時變化，保證變化過程中合成矢量幅值始終不變。建立一種額定電流可調(diào)的等角度恒力矩細分驅(qū)動方法，以消除力距不斷變化引起滯后角的問題。隨著A、B兩相相電流Ia、Ib的合成矢量角度不斷變化，其幅值始終為圓的半徑。如圖8、圖9所示。

4 結(jié)語

　　PLC控制的步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)可以采用軟件環(huán)行分配器，也可以采用硬件環(huán)行分配器。采用軟環(huán)占用的PLC資源較多，特別是步進電機繞組相數(shù)大于4時，應(yīng)該予以充分考慮。采用硬件環(huán)行分配器，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，但可以節(jié)省占用PLC的I／0點數(shù)。步進電機功率驅(qū)動器將PLC輸出的控制脈沖放大到幾十至上百伏特、幾安至十幾安的驅(qū)動能力。一般PLC的輸出接口具有一定的驅(qū)動能力，而通常的晶體管直流輸出接口的負載能力僅為十幾至幾十伏特、幾十至幾百毫安。但對于功率步進 機則要求幾十至上百伏特、幾安至十幾安的驅(qū)動能力，因此應(yīng)該采用驅(qū)動器對輸出脈沖進行放大。

　　如伺服機構(gòu)采用硬件環(huán)行分配器，則占用PLC的I／O口點數(shù)少于5點，一般僅為3點。其中輸入占用一點，作為啟動控制信號；輸出占用2點，一點作為PLC的脈沖輸出接口，接至伺服系統(tǒng)硬環(huán)的時鐘脈沖輸入端，另一點作為步進電機轉(zhuǎn)向控制信號，接至硬環(huán)的相序分配控制端，如圖10所示，伺服系統(tǒng)采用軟件環(huán)行分配器時，其接口如圖11。

　　采用PLC控制的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)，具有速度快，噪音低，控制精度高，而且可選整步半步驅(qū)動。配合采用額定電流可調(diào)的等角度恒力矩細分型的驅(qū)動器，基本上克服了傳統(tǒng)步進電機低速振動大和噪聲大的缺點，電機在較大速度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)矩保持恒定，提高了控制精度，減小了發(fā)生共振的幾率，具有很好的穩(wěn)定性、可靠性和通用性，且結(jié)構(gòu)簡單。