激光雕刻机二维步进电机运动控制系统研究

　　激光雕刻机二维步进电机运动控制系统研究黄海鸿，刘志峰，尹志强，王淑旺（合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥230009）控制系统的成本与性能，提出了两种基于步进电机与PC机的二居运动控制系统设计方案，并分析了设计中的几个关键问题。提出的两种控制方案均成功应用于激光雕刻机在提高雕刻加工效率的同时，明显改善了系统稳定性。

　　1步进电机控制基于步进电机的运动控制系统电控制。

　　步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，其主要特点是没有累积误差。步进电机广泛应用于各种开环控制系统，如在模具、广告、印章、标牌等行业中广泛应用的激光雕刻机就是应用步进电机控制的典型设备。

　　纵观当前类似于激光雕刻机这种驱动电机功率小、控制系统必须非常稳定的二维平面运动控制系统（见），可采用的控制方式有两种，一类控制器只是驱动器，所有的控制命令由pc机发出，称为微机直接控制方式；另一类控制器采用微控制器，通过微控制器与pc机的协调工作，共同指挥执行机构，称为微控制器控制方式。对于以PC机为核心的微机直接控制方式，可采用PC机己有的端口资源，特别是并行端口，实现步进电机的运动控制。对于微控制器控制方式，可采用在1SA或PC1扩展槽上扩展运动控制卡的方式；也可以采用外接微控制器如单片机或DSP的方式，通过PC机接口如并口、串口或USB口来连接PC机与微控制器。

　　中，运动控制信号主要包括电机驱动信号等。人机交互信号主要包括运动过程的控制信号如开始、暂停、系统的复位信号、运动状态的显示信号等等。综合考虑成本与性能，本文提出了两种控制方案：微机直接控制方式与单片机控制方式。

　　1.1运行速度控制一个驱动电路，驱动电路~=+rin接受两路信号：指示电机，转向的方向信号和控制L电机转动的控制脉冲信号。若方向信号为高电步进电机的驱动脉冲信号平时，电机正转；否则为低电平时，电机反转。控制脉冲信号如所示。

　　中，tw为脉冲周期，th为高电平保持时间，设电机在脉冲的下降沿动作，为保证驱动电路正常工作，需满足：I为步进电机正常工作的时间阈值。设步进电机的脉冲当量为§对运动速度v有：v=tw. 1.2升降速控制由于激光雕刻机类产品的运动速度较高，为了保证系统的位置精度，避免步进电机由启动或停转带来的丢步，需要采用升降速控制。用脉冲进行升降速控制，意味着采用离散的数字控制方式。在软件实现时，可以设置一张时间间隔表，表中的每一项都对应一个转速。时间间隔按一定的规律变化，使得步进电动机的转速按匀加速度规律增减。

　　2微机直接控制方式为了达到控制灵活，编程方便的目的，微机直接控制方式如所示。运动控制信号与人机交互信号均通过微机并口传微处理器控制方式2.1位置控制与速度控制位置控制信号通过插补算法获得。插补在运动控制系统中占有重要地位。二维运动控制系统采用平面插补。在微机直接控制方式微机直接控制方式下，生成位置控制信号的插补算法在微机上完成。目前常用的插补算法有脉冲增量插补与数字增量插补。算法的选择需要遵循稳定性与编程简单的原则。

　　激光雕刻机等运动控制系统要求具有实时性，需要实时发送位置信号，进行实时速度控制。由于此类运动系统运动速度要求较高，位置控制脉冲的周期可能很短，达到心级。由2 1节可知，当运动速度为10m/min步进电机的脉冲当量为0.025mm时，位置控制信号的周期为149/很多学者对基于PC机Windows系统下的高速实时控制进行了研宄。