雙坐標運動控制系統設計及自動化實現探究

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1 課題背景介紹

微電子技術是以計算機技術為基礎發展起來的，特別是由于微型計算機技術的迅速發展，促進了電子技術，檢測傳感器技術，自動控制技術，計算機技術、機械技術以及其他技術。機電一體化這種復合型邊緣學科在這一背景下應運而生。機電一體化是機械發展的必然趨勢。

2 典型的機電一體化產品組成部分

（1）機械驅動器包括一個主體部分和結構部分，該種驅動器是一種用于學習的機電方式。

（2）生物量傳感器是機電一體化產品測量系統操作，其可以根據檢測信號的遠近來控制以及執行裝置。

（3） 執行裝置 其功能是根據信息處理與控制裝備所發出的信號來控制、驅動并控制信號發射，從而達到所請求動作信息完全被計算機接收。

（4）信號自外理和控制外輸設備通常包括輸出設備、輸入設備以及微型控制機等。在因特網中，雙坐標控制系統也稱為雙坐標運動X-Y工作臺，在經濟形數控機床的加工系統、堆疊器立體倉庫的運動平面移動的領域中、繪圖儀系統，機器人輸送檢測裝置等具有一個廣泛的實驗教學應用[1]。

3 X-Y工作臺控制系統簡述及控制方案選擇

X-Y工作臺裝置能夠分別沿X階段和Y移動。其工作原理是X、Y采用步進電機或伺服電機，通過齒輪減速器（減少速度，功率放大）和用于移動載物臺的X-Y方向的滾珠絲杠驅動。這一階段的運動控制系統是由機械系統、電氣系統和電子系統合并的機電一體系統形成。一般來說，X-Y運動控制系統包括開環控制系統、閉環控制系統和半閉環控制系統。開環控制系統，這樣的控制位置檢測裝置沒有反回路，通過驅動器（電路功率指令脈沖輸出放大器）中的主計算機控制部進一步推動驅動步進電機轉動時，其他兩種控制系統原理也是類似第一種。因此，上述三種控制系統中，載物臺移動的開環控制是相對穩定的、快速的、容易調試，維護簡單，但控制精度低，這樣的控制系統大多是經濟型。閉環控制系統，它的控制精度高，移動的精確度精準，但有必要提高檢測的速度和檢測元件的具體位移，但是提高這些會使控制系統變得復雜，成本大大增加。半閉環控制精度比開環控制更高，但是又低于閉環控制，所以成本也介于兩者之間[3]。

4 開環運動控制系統的工作原理

為了實現X-Y工作臺的開環控制，即位置控制和速度控制，即以實現在所述步進電機的驅動裝置的位移和速度的控制。步進電動機也稱為脈沖電動機，它是一種對應的電動機控制的角速度或線位移轉換電信號成脈沖的裝置。步進電機為控制脈沖到其旋轉軸通過的角度或線性位移運動，稱為步驟。隨著脈沖增加，角位移（或排量線）的數量增加，高脈沖頻率也會增加，步進電機的旋轉速度高，脈沖頻率變化也會越快。但是隨著步進電機加速，相位分布中所述脈沖的順序變化，步進電動機也會出現反轉。

5 系統執行裝置的設計與選擇

執行裝置X-Y工作臺運動控制系統是一個步進電機由步進系統及其專用驅動器所組成。我們知道，步進電動機可以是一個數字輸入脈沖旋轉或線性增量運動的電磁制動器。每個輸入脈沖的步進電機軸的步距角增量，正比于輸入脈沖轉角實施方式的總數量，速度取決于各自的輸入脈沖，步進電機是機電一體化產品的主體的關鍵部件，它通常用作恒定的速度控制和位置控制。低慣性步進電機，定位精度高，誤差小，也是比較簡單控制。數控機床、包裝機械、計算機外圍設備、復印機、傳真機等這些在機電一體化系統中都被廣泛使用。步進電機分為三類：永磁式(PIM) 、反應式(VR)和混合式(HB)。PM型步形機通常是兩用，因為它具有體積較小的扭矩可以實現步驟角通常為1.5度，但噪聲和振動很大，和其他發達國家相比有待提高。混合式步進電機既有永磁式步進電機的特性，也有反應式步進電動機的特性。一般情況下，它被分為兩相和五相，1.8度和0.72度。相對來說，混合式步進電機具有高精度，高轉矩，小步進角的優點。該步進電機的應用范圍很廣，尤其是廣泛應用于辦公自動化和工廠自動化[2]。

6 結束語

脈沖分配電路，也稱為脈沖分配器，其功能是從所述脈沖序列的控制部分，并按一定的分布，分配給所述步進電機線圈的指令，使得按照時間順序在規定時間內通、斷電。由于分配器循環重復，并且在不同的操作模式下進行，步進電機也是在不相同的環形分配器下有不同的數量，因此在進行該結構設計時，設計成環形分配器，這是設計驅動電路的第一步。環形分配器可以是一個普通的集成電路，利用計算機實現。運動控制解決方案也是基于PC的開環運動控制系統而設計開發。這具體應包括: PC機、軟件開發工具、運動控制函數庫、運動控制硬件、伺服系統（動力制動器）等。其中，PC機為運動控制器的平臺。在此等條件完善下，裝置X-Y工作臺運動控制系統也會成功實現。