基于运动控制卡的控制研究

说明书设计题目： 基于运动控制卡的控制研究 专业年级： 11 机械设计制造及其自动化 学 号： 116712160 姓名： 指导教师、职称： 2015 年 5 月 15 日I摘要现在的社会发展速度很快，传统的加工技术（如人工切削、铸造、人工打磨、钳工等）已经不能满足现代化工业的需求，现代机械加工讲究的是加工速度快、精度高、性能优良、尽量的减少浪费，缩小成本，从中取得最大的利益。机械加工想要在信息进步的时代中站稳自己的脚步，就必须与智能化信息技术相结合。运动控制技术是由多种复杂技术相结合的一个创新，它的出现使得机械工业得到了巨大进步。它主要的核心技术是 DSP，在与计算机配合使用的时候，可以直接插进PCI 插槽中。运动控制卡内部自身带有开放的数据函数库，使用起来很方便，它相对来说很精确、能力也很强。插补是控制方面最基本的要求，运动控制卡对于插补的满足能力很强，现在被很多行业使用。本文首先对目前一些机械加工的实际情况进行分析，了解现代技术的发展情况，对一些软硬件的使用、特点等进行分析，并组成了一个与计算机相结合的运动控制卡系统。其次，利用 PID 控制的一些算法，根据搭建的系统，计算出需要的一些参数，通过实验仿真证明它的可靠性。最后来做插补实验，以体现运动控制卡的精度等特点。关键词：运动控制；PID；插补AbstractWith the development of the social economy, the traditional processing technology (such as artificial cutting, casting, grinding, fitter, etc.) can not be satisfied with the needs of modern industry. The modern machinery processing industry is all about processing speed, high precision, good performance, reducing waste, reducing costs and getting the largest interests. Mechanical processing must be combined with intelligent information technology to stand its step in the information time .Motion control technology is an innovation of the combination of various complex technology. It brings the big advance of mechanical industry. Its main core technology is DSP, which can be directly inserted into the PCI slot when it is used with the computer. As the motion control card has its own data library inside, it is convenient to be used. It is relatively accurate and its ability is very strong. Interpolation is the most basic requirement of controlling, and the motion control card can meet the needs of interpolation fiercely, so it is used by many industry fields.At first, some actual situations in real life now are analyzed in this paper to understand the development of modern technology. The use and characteristic of some hardware and software are analyzed, and a motion control card system combined with the computer has been formed. Then, the parameters needed are calculated by using some algorithms of PID control according to the system. Its reliability is proved through the experiment simulation. Finally, the interpolation experiment is completed to reflect the precision of the movement control CARDS and other characteristic.Key words: motion control；PID； interpolationI目录摘要 .IAbstract .II第 1 章 绪论 .- 1 -1.1 课题背景 .- 1 -1.1.1 直线电机驱动技术 .- 1 -1.1.2 可编程控制器 .- 1 -1.1.3 运动控制卡 .- 2 -1.2 运动控制卡的发展和研究 .- 2 -1.3 课题研究目的及内容 .- 3 -1.3.1 课题研究目的 .- 3 -1.3.2 课题研究内容 .- 3 -第 2 章 控制系统的硬件分析 .- 4 -2.1 控制技术的分析 .- 4 -2.1.1 单片机的特点及应用 .- 4 -2.1.2 可编程控制器的特点及应用 .- 5 - PLC 的特点 .- 6 - PLC 的缺陷 .- 7 - PLC 的应用 .- 8 -2.1.3 运动控制卡的特点及应用 .- 8 - 运动控制卡的特点 .- 10 - 运动控制卡的应用 .- 10 -2.1.4 控制技术的选定 .- 11 -2.2 传感器的选型 .- 11 -2.2.1 传感器及其组成 .- 11 - 传感器的定义 .- 11 - 传感器的构成 .- 11 -2.2.2 传感器的特性 .- 11 -2.2.3 传感器的分类 .- 13 - 常用传感器的原理及应用 .- 13 - 现代新型传感器 .- 14 - 一般传感器的选择 .- 14 -2.2.4 传感器的选型 .- 15 -2.3 步进电机和驱动器 .- 19 -2.3.1 步进电动机的工作原理 .- 19 -II2.3.2 步进电动机的重要参数 .- 19 -2.3.3 步进电机的分类 .- 21 -2.3.4 步进电机和驱动器选型 .- 22 -2.4 本章小结 .- 24 -第三章 PID 控制系统 .- 25 -3.1 PID 控制系统的发展及现状 .- 25 -3.2 PID 控制的算法 .- 25 -3.2.1 PID 控制原理 .- 25 -3.2.2 PID 算法 .- 25 -3.3 PID 控制仿真 .- 27 -3.3.1 PID 控制器的传递函数 .- 27 -3.3.2 Simulink 建模 .- 28 -3.3.3 实验仿真及总结 .- 30 -3.4 本章小结 .- 37 -第四章 插补实验 .- 38 -4.1 插补原理 .- 38 -4.2 插补分析和实验仿真 .- 38 -4.2.1 逐点比较法直线插补 .- 38 - 插补原理 .- 38 - 插补实验 .- 40 -4.2.2 逐点比较法圆弧插补 .- 43 - 插补原理 .- 43 - 插补实验 .- 44 -4.3 本章小结 .- 47 -结论 .- 49 -参考文献 .- 50 -致谢 .- 53 - 0 -第 1 章 绪论1.1 课题背景现在社会一天天地前进，信息技术也逐渐高级，传统的加工技术（如人工切削、铸造、人工打磨、钳工等等）已经不能满足现代工业所需，现代机械加工工业讲究的是加工速度快、精度高、性能优良、尽量的减少浪费，缩小成本，从中取得最大的利益。机械加工想要在信息进步的时代中站稳自己的脚步，就必须与智能化信息技术相结合。任何一个行业，想要发展，都必须拥有自己的实力，如工业，必须实现了机电一体化。目前，机电一体化已经遍及很多行业，如智能机械、医院设施，汽车、机床等等，使机械工业大幅飞跃。在机电一体化流行的时候，工业中的运动控制也被大家拿来研究和改进。运动控制是在以前的伺服系统中发现的，运动控制就是对机械运动部件的速度等条件进行跟踪监督管理，使被控制的那部分达到我们想象中的要求。如（加速度、速度、坐标、插补参数等） 。运动控制器的控制能力很重要。它有很多种，每个行业的控制器都不一样，有LabVIEW、MC 、PCI 总线的开放式控制器 1，其中比较常见的也是比较有代表性的就是 PCI 总线的类型。其一般都是采用运动控制卡或者单片机等作为控制核心，主要控制电机。运动控制技术是一种复杂的多种技术相结合的创新，它的出现使得机械工业得到了巨大进步，近年来越来越多的科研人员不断地研究运动控制技术，从而对其进行改善。下面对几种技术进行简单的介绍。1.1.1 直线电机驱动技术 2优点有：1)、响应速度快，反应灵敏；2） 、精度高；3） 、运动刚度高；4） 、减速快、效率高。1.1.2 可编程控制器PLC 技术是先写条令，然后扫描其自身的命令和 I/O 接口。指令的大小决定它的- 1 -控制速度。相对于 PLC 而言，可编程计算机控制器类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多样化的应用软件的设计，它能够把高时性这一问题更好的解决。PCC 软件，它的运行时间和其它因素没关系，而且能实时控制。还可以进行任意的修改达到自己的要求。基于这一系列特点，PCC 在很多应用当中都脱颖而出，如报警系统、数据采集、通信控制等 2。1.1.3 运动控制卡运动控制卡在现代化机械工业里尤为常见，它是以 DSP (Digital Signal Proeessor)为核心，体积很小的一块芯片，可以很方便的插进 PC 机里面，它可以和 PC 超强的数据信息处理能力与自身的运动控制能力相结合。因为它信息处理能力强、通信性能等特点让很多行业选择了它。其多于用来控制电机，和 PC 机在结构成主从关系，控制卡用于输出、位置检测等 3；PC 机则主要负责人机界面的工作（如状态显示、运动轨迹的走向等） 。运动控制卡内部自身都带有开放的数据函数库，用户可以根据自己不同的要求调用不同的函数，免去了重新编写函数程序的工作。正因为运动控制卡的方便、精确、能力强等特点，才让世界各地都选择其使用。在其被广泛使用后，也给制造商带来了利益，出现了很多专门研制运动控制卡的行业。具有代表性的有美国的PMAC、PARKER、固高运动控制卡等 3。根据查阅资料和收索文献以及亲自体验来说，运动控制卡相对而言更加适合现代信息化机械工业，运动控制卡的智能、精度、方便程度都是其他控制技术所赶不上的。在今后的发展过程中，不断发现以及改善运动控制卡的缺陷，运动控制卡将引领现代化机械工业的潮流。1.2 运动控制卡的发展和研究一般的控制系统都是由运动控制器、驱动器、伺服电机等机械部件组成。早期的运动控制器大多数用于数控行业等，在没有其它操作系统的帮组下，能够独立的完成控制功能、人机交换功能、达到用户所需要的工艺要求。但是这种控制器有比较大的局限性，它在设计制造的同时，是根据不同的工艺要求设计出了不同的功能，所以在其它控制领域，就不能使用，而且人们也不能根据自己的需求来改造其系统。随着社会的进步，信息化工业的发展，早期的控制器不再适合机械工业的需求，随之人们开始研究更加高科技的运动控制器（开放式运动控制系统） 。最早出现的则是由美国开发的 NGC(Next Generation Workstation/Machine Controller)，其拥有一套标准系统结构（开放系统体系结构标准规格 OSACA） ，拥有了这一系统之后，在设计控制器时就可以根据不同需求编制不同的结构。国际上比较成功的案列有日本的OSEC(Open System Environment for Controller Architectur)、美国的 OMAC(Open Modular Architecture Controlle)3。- 2 -近年来，随着加工业的不断发展，越来越来的地方需要运动控制器的支持，运动控制技术的不断完善使得很多行业的生产速度、产品利益不断上升。在医学、纺织、包装等等方面都涉及到了运动控制技术。国际上比较有名有 DMC、Tech80 等，国内比较前端有固高科技等。在不断研究控制器性能的同时，最重要的也要考虑制造成本，从中获得最大的利益。设计人员通过研究，将运动控制卡直接插入 PC 中，在 DSP 平台上运行 ，能够比较直观的显示运行结果。固高科技在 DSP 控制卡之后，又陆续设计出了 GT、GU 等一系列的运动控制器，使运动控制方面的到了更加充分的完善。根据这一些条件，我国主要生产的控制器大致有 4：1） 、基于 PC 总线的控制卡；2） 、以微处理器或单片机作为核心的控制器；3） 、专门运动控制芯片为核心的控制器。这几种运动控制器在目前机械加工业运用的最多，自身拥有控制模拟显示，能够提前试验，清晰的显示出运动轨迹，根据用户需求，任意更改控制系统，使之达到要求。不仅降低了成本、还增强的安全系数。1.3 课题研究目的及内容1.3.1 课题研究目的上面已经介绍过了运动控制技术的重要性以及运用的广泛程度，虽然现在的运动控制器远远比以往的传统技术、手工制造等更加先进，但是随着社会不断进步，信息技术不断提高，目前的等等，都必须与时俱进，提前开发，以达到人们所需。本文主要是以运动控制卡入手，根据不同的功能、性能等情况选取器部件，从而搭建控制系统。使得系统更加智能、方便；更加符合人们所需要的条件 5。1.3.2 课题研究内容本文是以 PCI 总线的运动控制卡为前提，通过选取器部件搭建控制系统，利用PID 控制原理，计算出相应的参数，然后通过实验仿真测试其模块的功能，最后通过设计好的控制系统做一个插补实验，通过对实验的分析，找出问题并改善。本文共分为五个部分，各部分内容如下：第一章：绪论。第二章：控制系统的硬件分析第三章：PID 控制及仿真第四章：插补分析和实验总结- 3 -第五章：结论第 2 章 控制系统的硬件分析2.1 控制技术的分析现代机械工业中，智能化控制早已代替了传统的人工控制，不同的行业里所运用的控制技术各不一样，但都有一定的共同点。接下来介绍几种运用较广泛的控制技术并分析其特点。2.1.1 单片机的特点及应用单片机按机器字长可分为：4 位（很少用） ，8 位，16 位，32 位； 按单片机内核可分为：MCS51、AVR、 PIC、MSP、HT 、ARM 等，MCS51 使用较广泛 6，单片机是将 CPU、存储器、输入/ 输出接口等集成芯片，是目前运用广泛微型计算机。图 2.1 单片机结构图单片机的体积很小，功耗较低，功能强，价格低，而且运行速度很快，最为重要的一点是单片机可直接插入到电子品当中。图 2.2 单片机的应用单片机的运用范围及其广阔，主要讨论其在运动控制行业的运用。它的结构（如8051 型）是由 CPU、内部 RAM、定时部分、中断控制系统、时钟电路、输入输出设- 4 -备等组成，一般是利用定时器对输出端口不断的刷新，使端口产生脉冲来控制步进电机或者伺服电机。其在运行过程中，通过对不同指令的读写，从而执行不同的控制。单片机可以实现多种不同的功能，但是有一点不好的是，单片机的外围电路及其复杂，控制软件也是用一般的编写程序，这就需要专业的程序编写人员，对工人的要求就高，生产较慢，本钱高，价格贵。图 2.3 8051 单片机的外围电路综上所述，用单片机来作为控制系统的控制单元，一般适合于简单的，比较大型的控制场合，由于价格贵等条件，不能广泛普及。2.1.2 可编程控制器的特点及应用又被叫做 PLC（Programmable logic Controller） ，在大学课程里面是机电学科必学，意思是指以计算机技术为基础的控制装置。与其他控制技术相比，PLC 可以说是专门为工业生产而开发的一款控制装置。它是以编写程序来实现其指令。PLC 按结构上分，可分为整体式 PLC 和模块式 PLC7，尽管整体式与模块式 PLC 的结构不太一样，但是各部分的功能作用是相同的，如下图，为整体式 PLC 的大致结构：- 5 -图 2.4 整体式 PLC 的组成框图PLC 的功能比较全面， 可以达到逻辑控制、定时、顺序控制、PID 控制等。 PLC 的特点 81） 、设计时间短, 方便维修，可以根据不同的要求进行变换。因为 PLC 内部含有可以编写程序的储存器，大大减少了外部接线，使得在设计生产时，时间大量缩短，同时简单的机构，也方便用户进行维护等。2） 、体积小, 重量轻, 消耗能量少。由于它的重量很轻，体积也很小，可以很方便的安装在机械内部，从而达到控制功能，实现了机电一体化。3） 、可用性好，变成简单，容易学习。PLC 是大学里面非常普遍的一门学科，它的编程相对简单，编写符号比较易懂，在学习起来更为方便。而且相对于其他控制软件，PLC 只需要用相对简单的逻辑指令就可以实现复杂的控制功能。比如，在设计如下图的升降速曲线时，相对于其他的编程软件来说，利用 PLC 编写指令，既短少，又简单。- 6 -图 2.5 电机升降速曲线如图所示，刚开始输出频率为 Fmin，经过 t 时间加速后，达到最大值，保持稳定频率直到在经过时间 t 减速。曲线所对应的 PLC 程序为：图 2.6 升降速曲线程序说明 PLC 相对于其他控制装置来说，相同的控制要求，PLC 的设计和操作更为简单，程序既短，也较为简单，又能达到用户所需要的要求。 PLC 的缺陷PLC 内部程序存储器容量相对于其他 PC 来说较小，运行速度具有局限性，所有的 PLC 编程语言不能通用，控制特殊的设备需要特殊的模块，不能完全整合在一起。- 7 - PLC 的应用目前，PLC 已经广泛被使用于机械制造、汽车、交通运输、电梯、化工、石油等行业，可以控制一个或很多个装置，使用情况大致为：1） 、运动控制2） 、过程控制3） 、数据处理4） 、通信及联网5） 、开关量的逻辑控制结合 PLC 的特点缺陷以及具体应用，PLC 使用起来较为方便，容易操作，适合于多品种小批量场合，所拥有的运动控制功能，使其广泛使用于机床、机器人、电梯等场合。但由于自身的一些不足，不大适合于高速运行的工业加工，使用起来比较单一，不能随时随意的更改系统，不能与需要特殊控制的设备完全整合在一起。2.1.3 运动控制卡的特点及应用机电一体化随处可见，大学实验里所用的数控机床，机械加工厂里面的自动化机器人等等，都有一个共同的特点，就是都以个人计算机为基础来实施控制的。以 PC 为基础的控制器的出现，使得市场竞争非常激烈，人们开始从不同的角度去研究控制器，使控制器具有更多不同的控制功能。根据了解分析，以 PC 为基础的 CNC 控制器大致分为两种：1） 、把一个个人计算机模板插入到 CNC 端口上。目的是让 CNC 具有计算的的特性。在这一结构中，实时控制由 CNC 部分负责， PC 机则相反 9。2） 、将一个 CNC 单元或者一个运控控制板插入个人计算机的板槽中，PC 机作非实时控制，运动控制板作实时控制。运动控制卡是基于 PCI 总线或 ISA 总线，用微处理器来实现多个电机运行的一种芯片。它是利用脉冲来实现控制的。它的输出方式有两种：脉冲/脉冲、脉冲/ 方向方式。运动控制卡的脉冲计数功能可以实现编码器的位置反馈作用，让机器在运行工程中达到准确的位置，减少机器在传动中的误差。运动控制卡本身还具有自己的库函数，用来实现控电机速度等要求，函数包括 T 型加速、直线插补 和圆弧插补等。运动控制卡的应用在现代社会中相当广泛，尤其是在一些需要实现精确定位、速度控制的工业自动化中。运动控制卡是插在电脑的 PCI 插槽中的，与驱动器、伺服电机、传感器、编码器等组成一个系统。- 8 -图 2.7 控制系统构成如上图所示，卡与驱动器连接，并且输出脉冲信号，发送到驱动器上,其通过内部的电路来实现电机的运转。编码器用于检测作用和反馈作用。图 2.8 运动控制卡实体图它主要是对系统实时控制，早就已经代替了以前的单片机、微处理器等，以 DSP或 PID 为核心，控制能力很高；将卡插在电脑槽中相互配合，都用于控制整个系统，运动控制卡工作原理如图 2.10。- 9 -图 2.9 运动控制卡结构图 2.10 运动控制卡工作原理 运动控制卡的特点1） 、非常方便，可以直接插入 PC 机中使用，功能强大，而且目前 PC 机的软硬件开发非常先进，已经应用于各个领域。它能够和 PC 机相对完美的配合。2） 、采用高级语言编程，本身含有函数库。相对于其他控制软件来说，函数语言相对简单，而且高级语言编程便与修改，可以随着用户不同的要求，选取不同的指令。3） 、可以随时控制，方便反馈，做出控制调整。各方面的性能好。4） 、使用简单，价格适中。 运动控制卡的应用可分为点位、连续轨迹、同步控制三种基本方式。1） 、点位控制：只对坐标点有要求，和轨迹无关。运动控制卡在这方面的应用主- 10 -要有显微仪、定长剪切器、键盘测试、定位控制、纸板运送机驱动等。2） 、同步控制：同时对很多个装置进行工作。在印染、印刷、这些行业都有应用，典型的应用有包装机械、钢板展平、纺织机械。3） 、连续轨迹控制：主要应用有车床、雕刻、焊接、冲压、快速成型等。2.1.4 控制技术的选定前面几段大概分析了当今比较常见的几种控制技术，通过对这几种技术各自原理、特点及应用来分析，也通过对市场需求的调查，基于运动控制卡的控制系统是现在各行业应用最多的一种，它的高性能、方便使用、以及价格便宜等特点，以及它的发展前景，都是比较引人瞩目的。所以本文中采用和电脑相结合运动控制卡。2.2 传感器的选型在机电一体化系统中有着各种不同的物理量需要检测与控制，在机械装置运行的过程中难免会出现误差因素，这就需要一种检测装置来对机器运行过程进行实时检测并及时反馈。传感器的作用就是对原始的一系列参数（如位移、压力、速度、位置等）进行精确可靠的检测。2.2.1 传感器及其组成 传感器的定义传感器是用来测量一定参数（如位移、力、速度、位置等）并且将其转换为对应的已处理的某种物理量的测量装置，具有高精确度。 传感器的构成 9图 2.11 传感器的组成1） 、敏感元件用于分析被测的东西，并且确定输出。2） 、转换元件将前面部件的输出转换成与电路相关的参数。3） 、基本转换电路的目的是用来转换简单电量的。2.2.2 传感器的特性 1011121） 、线性度传感器的输出输入特性曲线为线性，这样的一个理想化状态对标定和数据处理来说都极为方便，但是实际情况只能接近而远远不能达到线性状态，往往都有一定的- 11 -偏差。非线性误差在最大的时候与输出之间的关系：（21）max10%LFSy上式中 为线性度；L为最大非线性绝对误差；max表示输出刻度值。FSy2） 、灵敏度（22）0ySx表示输出量的变化量；y在上式中是输入的变化；x为灵敏度，一般为常数。0S3） 、迟滞输入增大或减少时，输出的差别，或者说特性曲线差距，称之为迟滞。（23）10%mHFsy式（23）中的 表示输出的最大差值。m4） 、精确度精确度表示测量结果与被测值得相似程度，一般用极限误差来表示，或者用极限误差与满量程之比表示。5） 、重复性传感器在相同条件下测量时，重复测量被测输入量，最后得到的输入输出曲线不同程度，用重复性来表示。 mRFsy（24）- 12 -式（23）得到的是近似值，精确计算重复性为：（25）123()/(1mRiiFsyn:上式中 m输出的重复性最大时的误差；iy第 i 次测量的值；测量值的算数平均值；n表示测量的次数。2.2.3 传感器的分类传统分类方法有按照被测量参数分类：温度、热量、粘度、磨损类等等；按照测量原理分类可分为：电感式、电容式、激光、超声波传感器。当今社会，传感器有两种：常用类和新型类传感器。 常用传感器的原理及应用 13常用的传感器分为两个基本类别、四种常见的类型1） 、电子类：（1）电感式传感器：通常检测距离较短的金属材料。它是由一个线圈和一个电磁振荡器组成检测面，在线圈的周围会形成磁场，当金属通过磁场的时候，感应电流会阻碍线圈磁场的变化，从而使得振荡减弱，使输出驱动器工作。在机床加工业、机器人、等行业当中都有见到。（2）光电传感器：光电传感器是一种可以不用与被检测物体直接接触，可以远距离实行检测功能的一种传感器，在 60m 内都可以实施检测。在检测时，电子信号被变换为光脉冲并且发出，在被检测目标进入检测区域时，会引起光强变化，接收器在通过光电效应产生电流并且输出其电流，最后，通过信号处理器和信号放大部分控制用于输出的执行机构，最终达到检测目的。多适用于电梯和车辆、人员的检测。（3）电容式传感器：经常用于检测距离较短的非金属或液体、尘埃等，它与电感式传感器不同时是，传感界面是由电磁振荡器和电容组成的，当介电常数大于 1 的导体或则绝缘体进入传感界面时，会改变其电容值，从而对振荡产生影响，达到检测的目的。电容式传感器多用于化工、塑料以及木制品行业。2） 、机电类：机电类传感器的类型相对较少，使用最常见的是限位开关，它与电子类传感器不同的是直接与被测目标接触，从而实现检测功能。在包装、产品、运动方向的检测方面很多。- 13 -综上所诉，常见的这几种传感器检测时，可以直接接触被测目标，但是被检测的目标通过检测区域的速度、频率不能太高。也可以与被检测目标保持一定的距离行检测，这种传感器通常适用于被检测目标通过速度较快，频率高。 现代新型传感器 141） 、光纤传感器2） 、图像传感器3） 、生物传感器4） 、机器人传感器5） 、智能式传感器6） 、红外传感器现代新型传感器常见的大概有上述 6 种，重点为大家介绍一下智能式传感器，它自身带有微处理器，可以信息处理、判断、检测。相对比较，它可以进行复杂的信息采集，成本低，功能多样化。 一般传感器的选择在对以上一系列传感器的大致了解后，自己又查阅了一些资料，通过对常见传感器的兴致，特点和应用几个方面，自己对传感器的选用有了自己的看法，并总结出如图 2.1215所示的粗略的传感器选型方法。- 14 -图 2.12 传感器的选择方法2.2.4 传感器的选型本文研究的是基于 PC 机的运动控制卡的研究 ,由电机带动的 XY 平台在运行时，电机带动丝杆使 XY 轴在槽型轨道上运行，所以使用光电传感器较好，槽状类型完全XY 平台的要求。通过上网了解，并查阅几家公司。欧姆龙自动化公司的 EESPY412、EESX671A、E3SGS3E4 这三种型号的传感器都是槽型光电传感器，通过学习和资料搜索，对其参数等进行归纳 15。- 15 -表 2.1 EE-SPY412 的基本参数 16项目 型号 EE-SPY412检测距离 25mm ( 反射率 90%白纸 1515mm)检测方式 凹槽型最小检测物体 0.05mm 铜线检测范围 20mm 以上检测不到应差距离 0.2mm 光源 用红外线发光的二极管指示灯 灯的颜色红色，电源电压 DC524V10% 纹波(p-p) 5% 以下电流 1550mA控制输出 关机电流 0.5mA 以下 响应频率 100Hz 以上环境照度 白炽灯、太阳光： 各 3,000lx 以下环境温度范围 -10+55、保存时： -25+65环境湿度范围 工作时： 585%RH、保存时： 595%RH振动(耐久) 1050Hz 上下振幅 1.5mm X、Y、Z 各方向 2h冲击(耐久) 500m/s2 X、Y、Z 各方向 3 次连接方式 接插件型质量 约 2.6g- 16 -表 2.2 EE-SX671A 光电传感器的基本参数 16项目 型号 EE-SX671A检测距离 5mm 检测方式 凹槽型指示灯 亮红灯应差距离 0.025mm 以下光源 红外发光电源电压 DC524V10% 纹波(p-p) 10% 以下消耗电流 12mA 接插件型控制输出NPN 型： NPN 开放式接插件 输出 DC524V 100mA以下 PNP 型： PNP 开放式接插件 输出 DC524V 50mA以下 响应频率 1kHz 以上(平均值为 3kHz)使用环境照度 1,000lx 以下环境温度范围 工作时： -25+55 保存时： -30+80 (无结冰、结露)环境湿度范围 工作时： 585%RH 保存时： 595%RH (无结冰、结露)振动(耐久) 202,000Hz (最大加速度 100m/s2) 上下振幅 1.5mmX、Y、Z 各方向 2h (4min 周期)冲击(耐久) 500m/s2 X、Y、Z 各方向 3 次连接方式 接插件型质量 约 3g- 17 -表 2.3 E3S-GS3E4 的基本参数 16项目 型号 E3S-GS3E4检测方式 凹槽型检测距离 30mm标准检测 直径在 6mm 以上的物体最小检测 3mm 以上光源 红外发光电源电压 DC1224V10% 脉动(p-p) 10%以下消耗电流 40mA 以下响应时间 动作、复位：各 1ms 以下环境照度 日光：10,000lx环境温度 工作时：-25+55C、保存时：-40+70C (无结冰、结露)环境湿度 工作时：3585%RH、保存时：3595%RH (无结露)绝缘电阻 20M 以上(DC500V 兆欧表)耐电压 AC1,000V 50/60Hz 1min振动(耐久) 1055Hz 双振幅 1.5mm X、Y、Z 各方向 2h冲击(耐久) 500m/s2 X、Y、Z 各方向 3 次保护结构 IEC 标准 IP67质量 约 330g连接方式 导线引出型以上表格为三种传感器各自的一些参数、检测条件等，通过对其三种传感器的对比，尤其是检测距离、检测方式、连接方式、质量、应差、响应时间参数的比较，EESPY412 和 EESX671A 两种传感器最适合基于 PC 机运动控制卡控制系统控制的XY 二维平台。最终本次研究的以运动控制卡为核心的控制系统的传感器为槽型光电传感器，型号为 EESPY412 和 EESX671A。- 18 -2.3 步进电机和驱动器2.3.1 步进电动机的工作原理步进电动机把发出的电脉冲信号转换成机械角位移，有脉冲信号时，电机就转动。电动机转过的角度和脉冲数成正比；频率越高，速度越快 19，运动和脉冲的输入时同步的，只要输入控制电脉冲，就可以使电机按相应的转角、转速和转向运动。2.3.2 步进电动机的重要参数 202122231） 、步距角表示一个电脉冲信号让电机转的角度，它是一个理论值，有时与实际工作时电机所转角度有差。（26）036mZ上式中 齿数；Z拍数， ， 为相数， 是常数。0m0kk2） 、齿距角表示电机的两个相邻齿的夹角。 360sZ（27）Z表示转子的齿数。3） 、电机相数电动机的线圈数，不同的电机不一样，步距角也就不同。选择电机类型时，主要分析电机的相数是否达到满足要求。4） 、转矩和惯量选择转矩和惯量的配合，是使步进电动机的启动能力达到最好、响应速度较快的条件之一。（28）max/0.5LT/4LmJ式中 最大静转矩， ；maxT.NL负载转矩， ；- 19 -mJ最大转动惯量， ；2.kgm等效转动惯量， 。L5） 、最大启动频率（ 29）1/mLLffJ上式中 带惯性负载的最大启动频率， 或 /ps；Lf zHm zH或 /ps；电动机转子的转动惯量， ；J 2.kgmL 。2.kg当 时， 0.5Lmff。不同的 /LmJ下的矩 频特性不同。 /LmJ的比值/3mJ增大的时候，自启动频率越小，电动机的减速时间加长，难以启动。6） 、惯频特性电动机的负载力矩不变时，负载惯量和频率之间的关系。图 2.13 惯频特性7） 、单步响应步进电机在通电但是不转动时，脉冲电压变化，转子的变化曲线：- 20 -图 2.14 单步响应8） 、保持转矩保持转矩指的是在额定电流下，电机轴上的最大转矩。是步进电机重要的参数。2.3.3 步进电机的分类根据现代社会广泛使用调查统计，工业上常用的步进电机有：1） 、永磁式（PM）电机的转子材料是永磁的电机。磁芯转子铁芯通过与由定子产生的脉冲电磁场时，产生相互作用，使电机转动。它的步距角为： 360mZN（210）N电机工作时的拍数；m步进电机的相数。2） 、反应式步进电机（VR）它一般分为三相和四相，步进角一般为 ，转子是软性磁性材料做的。1.5在通电顺序不同时，它的工作方式也不同。如三相类型就有单三拍（U VWU） 、单双六拍（UUVV VWWWUU） 、双三拍(UVVWWUUV)三种方式。无论电机怎样运行，步距角都等于：（211）360mZN拍数，单拍时 ，双拍时 ；N1N- 21 -步进电机的相数；m步进电机的齿数。Z转子每经过一个步距角等于转了 转，脉冲频率为 ，转子每秒就会转1/()mZNf转，所以转速为：/()fmN（212）60fnZN表示转速， ；n/ir脉冲频率， 。fHz3） 、混合式步进电机（HB） 24因为这类电机在运行时，是由变磁阻原理和永磁原理共同配合的，所以叫混合式。在结构方面，混合式电机和普通电机一样，都包括定子和转子，它的转子是由旋转轴、转子铁芯、永磁体三部分组成。混合式电机定子的同一极的特性相同，转子的两个端口的极性相反，但是两端作用转矩的方向是一样的。步距角大小： 3602mZ（213）步进电机转子齿数；Zm电机运行的拍数。2.3.4 步进电机和驱动器选型 25在选取电动机适不适合系统使用时，主要是看：1） 、该电动机的额定电流是不是大于实际工作时的电流；2） 、该电机的最大静转矩要符合空载快速启动力矩的条件。3） 、选用电机步距角要与脉冲当量相匹配。（1）额定电流根据课题研究，查询资料得，该电机要在 380V 的条件工作，其额定电流大约为1.60A。- 22 -（2）脉冲当量和步距角通俗来说，脉冲当量就是控制系统输出一个脉冲信号，这个脉冲使被控部件移动的距离。它过大或者太小都不行，不同系统的取值范围也不同。用脉冲当量确定电机步距角：（214）360/h ；hm系统脉冲当量， 。m根据研究课题内容，取脉冲当量 ， ，计算可得：0.14h（215）36.94/.（3）负载力矩负载力矩分为三种。本科题研究中，不存在切削力矩。附加负载力矩为：（216）0(1)2pfFLT上式中 pF丝杠预紧力， ；N0L滚珠丝杠导程， m；一般取 。0.98取 283pFN， 4，则 223.(10.98).65fTN（217）摩擦负载力矩：2auFL（218） ；aFN- 23 -电机转一圈的轴向位移， ；Lm总效率，取 。0.9根据本题内容，取 18aFN， ，代入上式得：0.4L（219）.279uT负载力矩 uf，计算得： 1.27063.N（220）经过一系列的分析，符合该课题研究系统的电机为松下牌型号为 MHMD022P1U的伺服电动机。4） 、步进电机的驱动控制 26驱动器实际上就是一个用来放大功率的部件，一般的输出很小，不能让电机转动，所以要它来放大功率 27，把功率放大到十几安培。图 2.15 驱动控制原理图 2