1 數控機床伺服系統分類與特點

　　數控機床伺服系統是以機床移動部件(如工作臺)的位置和速度為控制量的系統，又稱隨動系統，簡稱伺服系統。它接收接受數控裝置的脈沖指令，并將其變換為機床工作臺的位移。作為數控機床的重要組成部分的伺服系統，其本身的性能直接影響著整個數控機床的加工精度和速度等技術指標。按有無檢測反饋裝置，伺服系統可分為開環和閉環兩大類；按檢測元件安裝的位置和檢測方式的不同，閉環系統又分為半閉環系統和全閉環系統。

　　1.1 開環控制系統

　圖1所示為開環控制系統原理圖，主要由驅動線路和執行元件兩部分組成。驅動線路的作用是將指令脈沖信號轉換為執行元件所需的信號，并滿足執行元件的工作特性要求。執行元件的作用是將驅動線路輸出的電信號轉換成位移信號，帶動機床工作臺移動。開環控制系統中常用的執行元件為步進電動機，它將指令脈沖變換為機械轉角，再經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 閉環控制系統

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

　　將位置檢測元件(如旋轉編碼器)安裝在伺服電動機軸或數控機床的傳動絲杠止，即把工作臺實際位移相應的轉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，為半閉環控制系統。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，為全閉環控制系統。

　　1.3 特點

　　全閉環控制系統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，而且安裝后調整比較復雜。相比之下，測量轉角要容易得多。因此大部分數控機床使用半閉環控制伺服系統，但這種伺服系統由于絲杠和工作臺存在的傳動誤差得不到補償，所以半閉環控制系統要比閉環控制系統的精度低。

　　開環控制系統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，但由于系統結構簡單，成本較低。目前，在加工精度要求不很高的中小型數控機床，如經濟型數控機床中得以廣泛應用。

2 開環伺服系統的PLC控制

　　2.1 步進電機開環控制系統控制參數

　　使用PLC控制步進電機伺服機構，關鍵是控制步進電機的輸入脈沖數、輸入脈沖頻率、輸出脈沖的順序這三個參數，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字控制來實現。工作臺的行程正比于步進電機的總轉角，只要控制步進電機的總轉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角正比于所輸入的控制脈沖個數，因此，應由伺服機構的位移量確定PLC輸出的脈沖個數，設

　　PLC輸出的脈沖個數為N：

　N=TL／δ (1)

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

　　2.1.2 進給速度控制

　　伺服機構的進給速度取決于步進電機的轉速，而步進電機的轉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PLC輸出的脈沖個數為f：

　　F=Vf／60δ (Hz) (2)

　　式中Vf-一伺服機構的進給速度(mm／min)

　　2.1.3 進給方向控制

　　改變步進電機的轉向即可控制進給方向。步進電機的轉向是通過改變步進電機各繞組的通電順序來改變的，設三相步進電機通電順序為AABB BCCCAA? 時步進電機正轉，當把繞組的通電順序改變為AACCCBBBAA?時，步進電機將反轉。因此可以通過PLC輸出的方向控制信號改變硬件環行分配器的輸出順序來實現通電順序的改變，或經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 結構

　　利用德國西門子公司的S7200PLC，產生脈沖實現步進電機控制，由控制電路、驅動電路、步進電機三部分構成，如圖5所示。

　　2.2.2 PLC

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

　　2.2.3 驅動電路

　　由脈沖信號分配和功率細分驅動電路組成，根據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。功率驅動器將控制脈沖按照設定的模式轉換成步進電機線圈的電流，產生旋轉磁場，使得轉子只能按固定的步數來改變它的位置。連續的脈沖序列產生與其對應同頻率的步序列。使控制頻率足夠高，步進電機的轉動就為一個連續的轉動。

　　2.2.4 步進電機

　　控制信號經驅動器放大后驅動步進電機，帶動負載。當輸入端I1.0發出啟動 信號后，S7200PLC的Qo．0的輸出脈沖觸發步進電機驅動器。控制器輸出放大了的固定數目方波脈沖，使步進電機按對應的步數轉動。當輸入端I1.1發出停止信號后，步進電機停止轉動。接在輸入端I1.5的方向開關位置決定電機正轉或反轉。

　　2.3 PLC軟件設計

　　在程序的編制中，為使步進電機在換向時能平滑過渡，不至于產生錯步，應在每一步中設置標志位。在正轉時，不僅給正轉標志位賦值，也同時給反轉標志位賦值。在反轉時也如此。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 平穩起動、加速、減速、平穩停止功能

　　在S7—200中，支持高速輸出口PTOO／VT01的線性加／減速，通過MicroWin的向導程序生成線性加／減速的程序，非常容易實現步進電機的平穩起動、加速、減速、平穩停止。

　　3.2 定位控制功能

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

　　3.3 額定電流可調等角度恒力矩細分驅動方法的功能

　　步進電機的驅動方式有多種，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生共振，且輸出轉矩隨著步進電機的轉速升高而下降等缺點，采用額定電流可調等角度恒力矩細分驅動方式，可改變上述缺陷。額定電流可調等角度恒力矩細分驅動主要的優點是步距角變小，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工作的幾率。一般細分驅動只改變相應繞組中電流的一部分，電動機的合成磁勢也只是旋轉步距角的一部分，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。據此分析，采用建立數學關系同時改變兩相電流，即Ia、Ib以某一數學關系同時變化，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的等角度恒力矩細分驅動方法，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 結語

　　PLC控制的步進電機開環伺服系統可以采用軟件環行分配器，也可以采用硬件環行分配器。采用軟環占用的PLC資源較多，特別是步進電機繞組相數大于4時，應該予以充分考慮。采用硬件環行分配器，雖然硬件結構稍微復雜些，但可以節省占用PLC的I／0點數。步進電機功率驅動器將PLC輸出的控制脈沖放大到幾十至上百伏特、幾安至十幾安的驅動能力。一般PLC的輸出接口具有一定的驅動能力，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、幾安至十幾安的驅動能力，因此應該采用驅動器對輸出脈沖進行放大。

　　如伺服機構采用硬件環行分配器，則占用PLC的I／O口點數少于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，接至伺服系統硬環的時鐘脈沖輸入端，另一點作為步進電機轉向控制信號，接至硬環的相序分配控制端，如圖10所示，伺服系統采用軟件環行分配器時，其接口如圖11。

　　采用PLC控制的步進電機驅動系統，具有速度快，噪音低，控制精度高，而且可選整步半步驅動。配合采用額定電流可調的等角度恒力矩細分型的驅動器，基本上克服了傳統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轉矩保持恒定，提高了控制精度，減小了發生共振的幾率，具有很好的穩定性、可靠性和通用性，且結構簡單。