基于伺服控制系统的精确定位方法的应用

李国林，黄帅

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176）

基于伺服控制系统的精确定位方法的应用

李国林，黄帅

（中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176）

介绍了一种基于伺服电机控制系统的精确定位方法，详细阐述了如何实现该技术，且给出了相应的设计过程，并将此方法应用于LTCC精密丝网印刷设备的工作台定位控制系统中，取得了很好的效果。

伺服电机；控制系统；定位方法；LTCC印刷设备

目前，国内大多数印刷设备上常用的工作台定位方式主要分两种，首先是PLC或工控机通过变频器来控制交流电机带动传输带定位工作台的方式，这种方式主要靠机械限位来使电机停止运转而达到工作台定位的目的。这种方式的缺点是电机的速度主要靠检测慢速信号改变变频器的电压来调节，因此不能实时准确的改变工作台的运行速度。虽然设备是通过硬限位来保证工作台的定位精度，但由于电机一直处于得电压的转矩状态下，所以不能保证工作台完全静止，总会存在一定程度的波动存在。况且由于工作台每次撞击硬限位的相对力度较大，随着时间的推移，硬限位也会受到一定的损伤，从而影响设备本身的定位精度。因此，这种方式一般应用在精度要求相对较低的印刷设备中。再一种就是工控机通过运动控制卡来控制伺服电机带动精密滚珠丝杠或直线电机定位工作台的方式，并且通过光栅尺的反馈形成闭环回路。这种方式的优点是控制精度高且易于改变驱动速度，由于直线电机、光栅尺和精密丝杠的价格普遍较高，以及一些较好的带模拟量闭环控制运动控制卡的价格也不菲，从而造成了这种控制方式的设备成本相对较高。

文中详细介绍了一种经济实用且高精度的可用于LTCC精密丝网印刷设备的工作台伺服定位控制系统，不但解决了高精确定位的问题还大大降低了成本。

1　基于伺服电机定位控制系统的设计

为实现基于伺服电机控制系统的精确定位技术，本文所设计的控制系统主要由工控机、运动控制卡、导轨装置、电磁铁装置、伺服电机以及在伺服电机控制下沿导轨装置移动的工作台装置等组成。定位系统主要包括工作台伺服电机回零和伺服电机运动定位两部分。

伺服定位控制系统的机械结构示意图如图1所示，其中导轨装置上左、右两侧分别设有一定位块装置，定位块装置上设有吸盘式电磁铁装置，工作台装置上设有与吸盘式电磁铁装置配合的吸附块，导轨装置上一侧靠近左侧的定位块装置处设有一用于工作台装置回零初始化的零点开关，其安装位置距离电磁铁1约2 mm处。

图1　伺服电机定位控制系统机械结构示意图

图2　伺服电机定位控制系统工作原理示意图

伺服电机定位控制系统工作原理示意图如图2所示，系统的上位机由工控机通过PCI总线与运动控制卡连接，实现零点开关量的信号读取、电磁铁的吸合与电机动作的控制，而伺服电机的脉冲量输出控制是通过控制伺服电机驱动器来实现，吸盘式电磁铁装置是运动控制卡通过控制继电器实现的。系统的下位机主要由零点开关、伺服驱动器及继电器组成，其中零点开关主要负责在伺服电机回零过程中检测工作台的零点信号，伺服驱动器主要负责执行运动控制卡发给电机的运动动作指令，继电器主要执行控制卡输出给电磁铁的IO信号动作。

工作台回零过程如图3所示，如果工作台装置在零点位置，则伺服电机在位置模式下先脱离零点位置后，再向指定位置方向移动；如果工作台装置不在零点位置，则伺服电机在位置模式下直接向指定位置方向移动，当到达零点后切换至力矩模式并给一同方向力矩，使工作台在转矩模式下运动到电磁铁1位置后吸合电磁铁，完成回零动作。其中，伺服电机初始工作在开环位置模式下，工控机通过发脉冲量控制指令而使伺服电机在位置模式下需要执行固定的脉冲量，并根据控制指令在位置模式下移到所述零位开关的指定位置，然后伺服电机的控制模式自位置模式切换到转矩模式，并加一同方向的力矩，同时打开吸盘式电磁铁装置吸住工作台装置。

图3　伺服电机回零工作流程图

工作台定位过程如图4所示，工作台装置在伺服电机带动下，以位置模式下脱离零点向指定位置方向移动固定距离，当到达离右端电磁铁2接近位置后，切换至力矩模式并给一同方向力矩，使工作台在转矩模式下运动到电磁铁2位置后吸合电磁铁，完成单向定位过程。

图4　伺服电机定位控制系统工作流程图

3　此定位方法在印刷设备中的实际应用

下面结合实际应用实例（如图5、图6所示）对本文所述的伺服电机定位方法的实质性特点和优势作进一步的说明，但本方法并不局限于所列的实例。本方法与传统定位控制系统及方法相比，具有如下优点和积极效果：

（1）本定位控制方法采用位置控制模式辅助转矩模式的开环输出控制，实现过程简单可靠，稳定性好。

（2）由于采用了电磁铁吸附的方法，抵消了电机停止瞬间给工作台带来的微小震动，并使工作台达到小于正负2 μm的重复定位精度，满足了设备高精度定位的要求。

（3）本定位控制系统使用开环运动控制卡以及普通伺服电机加电磁铁的控制方式，降低了设备的研制成本，且适应范围广。

图5　216T型精密丝网印刷机

图6　360T型自动对准丝网印刷机

本文所述方法通过切换电机驱动器内部的电机输出控制方式控制工作台装置定位时，首先让伺服电机在位置控制模式下运行一段距离，使伺服电机在接近另一端定位块装置时切换到转矩控制模式下，同时打开电磁铁将工作台吸住。之所以要切换伺服电机的控制模式，是因为伺服电机在转矩模式下，伺服电机仅受电机驱动器内部的电流环控制运算量最小，此时所受的电机阻力也最小，易于电磁铁吸附，采用电磁铁的结构不仅减小了机械硬限位损伤，保证了定位精度，还能抵消电机停止瞬间给工作台带来的微小震动，进一步保证了伺服电机处于高度力平衡状态。通过采用运动控制卡控制伺服电机带动皮带装置实现工作台装置定位，并在工作台装置两端安装定位块装置确保工作台装置位置的准确性，同时在两定位块装置上分别安装两吸盘式电磁铁装置保证重复定位的一致性，解决了现有印刷设备工作台准确定位的问题，降低了设备的制造成本，且这种定位系统可广泛应用于需要高精度定位的设备中，具有普遍适用性。

4　结论

文中详细介绍了一种经济实用且高精度的可用于LTCC精密丝网印刷设备的工作台伺服定位控制系统以及方法，文中所述伺服定位控制方法，与现有几种定位方法相比，具有控制精度高，控制方法简单，研制成本低，工作效率高，适用范围广等优点，具有很强的实际应用价值。

［1］陈晓军.伺服系统与变频器应用技术［M］.北京：机械工业出版社，2016.

［2］钱平.伺服系统（第二版）［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［3］寇宝泉，程树康.交流伺服电机及其控制［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［4］田宇.伺服与运动控制系统设计［M］.北京：人民邮电出版社，2010.

［5］向晓汉，宋昕.变频器与步进伺服驱动技术［M］.北京：化学工业出版社，2015.

［6］松下伺服电机A5系列说明书［Z］.

Application of the Method Based on Precise Positioning Servo Control System

LI Guolin，HUANG Shuai

（The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China）

This paper presents a method based on precise positioning servo motor control system，described in detail how to implement the technology，and gives the corresponding design process.This method will be applied to the control system LTCC table positioning precision screen printing equipment，and achieved good positioning effect.

Servo motor；Control system；Positioning method；LTCC printing equipment

TN709

B

1004-4507（2016）10-0042-04

2016-09-04

李国林（1985-），男，山东人，硕士研究生，工程师，现在中国电子科技集团公司第四十五研究所主要从事电子专用设备的研发与设计工作。