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２００７年３月

第３５卷第３期

机床与液压

ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ

Ｍａｒ．２００７

Ｖｏｌ＿３５ Ｎｏ．３

ＰＣ—ＢＡＳＥＤ高精度步进式位置伺服系统

黄益群，舒志兵

（南京工业大学自动化学院运动控制研究所，江苏南京２１０００９）

摘要：ＡＤＴ８５０运动控制卡是基于Ｐｃ机ＰＣＩ总线的高精度伺服运动控制卡，它作为数控发生装置方便地用于各种运动

控制系统中。本文详细地分析了步进式位置伺服系统控制方案并进行了软硬件结构设计。讨论了如何确定系统中步进电机

的脉冲频率，从系统的误差和精度方面对系统的性能进行了分析。该系统在对数控系统的研究开发和实验教学中具有广阔

的应用前景。

关键词：运动控制卡；步进电机；位置伺服系统；细分驱动器

中图分类号：ＴＭ３８３；ＴＰ３３６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１１３０１—３８８１（２００７）３—１４９—３

ｌＩｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｓｔｅｐｐｉｎｇ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｒｖｏ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＰＣ－ｂａｓｅｄ

ＨＵＡＮＧ Ｙｉｑｕｎ．ＳＨＵ Ｚｈｉｂｉｎｇ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２ １ ０００９，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡＤＴ８５０ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｒｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＣＩ ｂｕｓ ｏｆ ＰＣ．Ｔｈｉｓ ｃａｒｄ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅ ｉｎ ａｌｌ ｋｉｎｄｓ ｏｆ

ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｓ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｅｔｔｉｎｇ．Ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ Ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓ・

ｔｅｍ ａｎｄ ｉｔｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｈｏｗ ｔｏ ｃｏｎｆｉｒｍ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ Ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍ－

ａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｅｌｒｏｒ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔｅｐｐｉｎｇ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ ａｐｐｌｉｃａ－

ｔｉｏｎ ｆｏｒｅｇｒｏｕｎｄ ｉｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃａｒｄ；Ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ；Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ；Ｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎ ｄｒｉｖｅｒ

０ 引言

步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或直

线位移的控制电机，在数字控制系统中作为执行电动

机，由专门的、可以产生一定频率、功率和时序的电

脉冲的驱动器驱动 。步进电机易于起动、停止、正

反转及变速，响应性好。步进电机可用数字信号直接

进行开环控制组成位置控制系统，并且系统定位度

高，具有良好的跟踪性能，没有积累误差 。步进电

机转子的位移量严格正比于输入脉冲数，平均转速严

格正比于输入脉冲频率。尤其是混合式步进电动机具

有小步距角、快速启停、消耗功率小、断电时有定位

转矩的特点，越来越多地在工业中得到应用 Ｊ。同

时采用细分控制策略又大幅度提高了步进电动机的分

辨率，并且有效地抑制单步运行中所产生的噪声和振

荡现象，无需专门的阻尼器，既减小了控制器的体

积，又降低了成本 。

利用两相混合式步进电机及细分驱动器的优点，

基于ＡＤＴ８５０运动控制卡组成一套双坐标的位置伺服

控制系统。该系统配备了基于网络技术的视窗交互式

控制软件，可以实现二维运动轨迹的合成、插补运算

以及在线高速轨迹跟踪和控制，同时具有图示化的编

程功能。基于该平台可方便地实现各种数控系统的实

验及仿真研究。

１ 系统控制方案及软硬件结构设计

以步进电机及其驱动器作为执行部件的位置伺服

系统，它最大的优点就是能够在开环系统中达到精确

的控制。在该开环步进式位置伺服系统中指令信号是

单向流动的，由ＡＤＴ８５０卡发出的指令脉冲，经细分

驱动器、两相混合式步进电机，通过滚珠丝杠驱动双

坐标平台移动。系统开环控制方案如图１所示。

兰 恒 Ｉ

输入Ｉ输出Ｉ

Ｉ 苎！ 皇Ｉ

图１ 系统开环控制方案图

１．１ 基于ＰＣＩ总线的运动控制卡

ＡＤＴ８５０运动控制卡是深圳众为兴数控技术有限

公司开发出来的针对ＰＣＩ总线的运动控制卡。它用于

控制步进电机和数字伺服电机，进行直线、圆弧插补

和样条函数等运动。ＡＤＴ８５０运动控制卡作为步进电

机的上位单元，与计算机构成主从式控制结构。计算

机主要完成人机交互界面的管理、控制系统的检测和

控制工作；运动控制卡接收计算机ＣＰＵ的发出的指

令，进行运动轨迹的规划。这包括脉冲的方向和方向

信号的输出、自动升降速处理、原点和限位开关等信

号的检测。系统具有软件搜索参考点和软件限位功

能，这样可以保证电机和滚珠丝杠等精密部件不在系

统运行中损坏。

１．２ 系统执行机构

系统的执行机构采用整体式稀土永磁混合两相步

进电动机，该类电机兼有反应式和永磁式步进电机的

优点。它既可以像反应式步进电机一样实现小步距角

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・１５０・ 机床与液压 第３５卷

运转，有较高的起动和运行频率；同时又可以像永

磁式步进电机那样，控制功率小，功耗低，输出力矩

大，具有定位转矩。为了减小低速转矩脉动和噪声，

提高运行平稳性、分辨率和精度，电机采用小步距角

细分控制，以确保步进电机不丢步，速度实现连续平

滑调节。步进伺服系统控制器与步进电机平台如图２

所示

图２步进伺服系统控制器与步进电机平台

１．３ 系统的控制软件

系统采用控制软件ＮＵＴ—Ｓｅｒｖｏ来实现对硬件的控

制功能。其中包括：文件导入，图形绘制、编辑、浏

览，属性设定，雕刻加工和帮助主题等几大功能模

块。人机交互界面具备菜单操作和工具栏按钮选择两

种方式，各按钮选项除界面名称外均配有自弹式注

释，使用十分方便。ＮＵＴ—Ｓｅｒｖｏ软件能够导入扩展名

为ＰＬＴ、ＤＸＦ、Ｕ００、ＣＵＴ、ＮＣ或ＣＮＣ的图形文件数

据并以图形的形式在客户区显示；运动过程中具备完

善的保障机制，保证机器安全；雕刻加工时可自动识

别加工路径的弯曲平滑程度而进行相应速度高低调

节，防止因转弯过急而导致的震动，确保加工质量；

同时也可以对所需要的参数进行设置。ＡｕｔｏＣＡＤ、

Ｍａｓｔｅｒｃａｍ、ＵＧ、Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ、Ｔｙｐｅ３、北航ＣＡＸＡ、

文泰等ＣＡＤ／ＣＡＭ软件生成的加工代码都可以直接从

控制软件里导入加工。图３所示为步进式位置伺服软

硬件系统结构设计原理图。

昔

控制软件ＮＵＴ－Ｓｅｒｖｏ

运动控制函数库

嚣臼 鳓 闰

图３ 步进式位置伺服软硬件系统结构设计原理图

２步进电机脉冲频率的确定及参数验算

步进电机主要参数：脉冲分配方式为两相四拍，

步矩角０．９。，静态相电流３Ａ，保持转矩１．ＯＮ・ｍ，空

载起动频率２ｋ个脉冲／ｓ，转动惯量０．２３ｋｇ・ｃｍ 。为

了计算脉冲频率必须先确定脉冲当量６ ，即每一个

电脉冲负载产生的直线位移量。步进电机细分驱动器

采用８细分，由此，６ ＝ ，其中卢＝９０。为

半步驱动方式时的步矩角，ｔ＝４ｍｍ为丝杠螺距，ｉ＝

１为传动比。因此，可以得出脉冲当量６ ＝０．００１ ２５

ｍｍ／ｐ。

系统的快速直线插补运动速度为２００ｍｍ／ｓ，此时

步进电机转速为３ ０００ｒ／ｍｉｎ，精度为０．０１ｍｍ。在键

盘上每一次按键运动控制卡发出的脉冲为８个，转换

成位移量为６ ×８＝０．０１ｍｍ。而丝杠螺距为４ｍｍ，步

进电机转动一圈需要的脉冲数为３６０。／（０．９。／８）＝

３ ２００个，电机转动一圈丝杠位移为一个螺距，即

４ｍｍ。因此，丝杠位移０．０１ｍｍ时所需要的脉冲数为

８个。这就是说，在步进电机转速为３ ０００ｒ／ｍｉｎ时，

运动控制卡发出的脉冲数等于步进电机所接收到的脉

冲数，并且准确地转换为丝杠的直线位移。

３ 系统的性能研究

３．１系统的误差和精度分析 ’

双坐标步进式位置伺服系统的误差主来源有两方

面，一是机械方面，包括滚珠丝杠副等传动部件；二

是电气方面，主要是步进电机。滚珠丝杠副都进行了

预紧，从理论上来讲消除了其出现误差的可能性。实

际上对于有相对运动的传动部件，必然会存在间隙，

因而丝杠反向运行时将会出现微小的空程，这个空程

足可以影响系统的精度。同时丝杠的螺距误差和传动

刚度对系统的精度也有很大的影响。

步进电机的步距角精步

度和振动对系统的精度也

造成很大的影响。典型的

步进电机的步距角精度可

达到３％～５％，并且不

积累。如图４所示为步进

电机位置精度。当步进电

机接收到一个脉冲信号转

一

ｔ

ｌ

！ 位置

ｌ吾 ｛呈章

图４步进电机位置精度

过一个角度会产生步距角误差，步距角误差＝测量步

距角度一理论步距角度。当步进电机转过Ⅳ个步，

并且从电机开始转动的初始位置测量电机转过的角度

为０ ，设步距误差为△ ，则Ａ０ ＝０ 一卢・Ⅳ，其中卢

为步进电机的步距角。一般用户根据步距误差的最大

１ 与最小值之差来计算，即Ａ０ ＝±÷（Ａ０ 一Ａ０…）。

厶

３．２提高系统性能的措施

为了消除滚珠丝杠的空程影响可以通过软件和硬

件两方面来实现。采用补偿电路或者软件补偿方法，

补偿滚珠丝杠的空程和螺距误差，以提高系统的位

移精度。在该系统中选用高精度的滚珠丝杠副和坐

标运动机械平台从机械结构方面保证系统的精度，

并且控制软件来保证系统的精度。ＮＵＴ—Ｓｅｒｖｏ软件

能够在插补运动时按设定的时间段周期性地与运动

控制卡ＡＤＴ８５０建立通讯，使ＡＤＴ８５０获得相关轴运

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第３期 黄益群等：ＰＣ—ＢＡＳＥＤ高精度步进式位置伺服系统 ・１５１・

动的速度和长度，软件具有预读功能和预加速／减速

功能，这样可以保证速度的恒定和平稳过渡。运动控

制软件自动计算位置偏差，并根据该差值对位置偏差

进行ＰＩＤ调节，以保证系统精确运动，运动控制卡

ＡＤＴ８５０按接收的指令自行控制步进电机进行插补运

动。

两相混合式步进电机采用微步驱动模式，可以达

到平滑的运动轨迹，提高分辨率、消除振动，从而提

高了系统的精度。运动控制卡可以实现控制脉冲的精

确定时功能，采取了抗干扰措施。

４结论

以两相混合式步进电机为执行部件的位置伺服系

统是一个典型的机电一体化系统，具有开放性、灵活

性、可靠性并且具有较高的精度。它可以作为机电一

体化的实验平台，满足了现代运动控制技术研究和实

验的需要。通过该系统可以掌握各类数控的基本原

理、运动控制的基本概念、运动控制系统的集成方

法。同时本系统也可以作为数控系统的开发工具。该

系统符合工业现场标准，可以直接进行工业现场控

制。

参考文献

【１】舒志兵，等．现代伺服运动控制系统［Ｍ］．哈尔滨：

黑龙江人民出版社，２００４．

【２】李永义，窦满锋，刘卫国，马瑞卿．８２５３在步进电动机

运动控制系统中的应用［Ｊ］．微电机，２００２，３５

（５）：３３—３５．

【３】李峻，李学全，胡德金．步进电机的运动控制系统及其

应用［Ｊ］．微特电机，２０００，２８（２）：３７—３９．

【４】刘景林，马瑞卿，韩英桃．高精度步进电机位置伺服系

统［Ｊ］．中小型电机，２００２，２９（６）：３５—３７．

【５】周志明．基于运动控制卡的步进电机控制系统［Ｊ］．

煤矿机械，２００４（３）：９５—９７．

【６】Ａｈｍａｄ Ｍ．Ｈａｒｂ，Ａｓｈｒａｆ Ａ．ＺａｈｅＬ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｐｅｒ－

ｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ

Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｓｃｉｅｎｃｅａｎｄ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，２００４：４４３—

４５８．

【７】Ｓｅｒｇｅｙ Ｅｄｗａｒｄ Ｌｙｓｈｅｖｓｋｉ．Ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉ—

ｃａｌ ｓｅｒｖｏ・・ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｉｔｈ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ－－ｍａｇｎｅｔ ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒｓ

［Ｊ］．Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ，１９９７，７（６）：５２１—５３６．

作者简介：黄益群（１９８２一），男（汉）江苏江阴人，

硕士研究生，研究方向为自动控制，交直流传动及其伺服系

统。Ｅ—ｍａｉｌ：ｍａｎｕｎｉｔｅｄ０４１７＠ｓｉｎａ．ｃｏｎ。舒志兵（１９６５一），

男（汉），江苏南京人，副教授，研究方向为自动控制，

变频调速，交直流传动及其伺服系统。

收稿日期：２０ｏ６—０２—２３

（上接第１４８页）

腔隔离。由于截止阀的动作会引起容器内气体压力脉

动，导致两容器间的差压不稳定，呈无规则变化，必

须延迟一段时间，待差压呈稳定变化后才能测量差压

变化；检测过程：这个过程就是检测差压传感器输出

并计算出气体的微小泄漏量，在这个过程中可以测量

出一定时间内差压的变化值，如果需要显示泄漏流量

值，还通过泄漏量计算公式计算出当前气体泄漏量；

排气过程：待测量完差压的变化值，将两容器内的气

体通过排气阀排到大气里，结束一个检测过程。

泄漏检测完成后，水平压紧气缸先缩回，竖直气

缸随后缩回，将工件松开，举升气缸动作，将壳体放

下，最后托盘运动气缸将工件送回下料位置，工人换

下一个被测件。泄漏检测结束时泄漏检测仪根据预先

设定的门槛值判断工件是否合格，并给出具体的泄漏

量。泄漏检测仪带有气泡检测功能，检测到工件不合

格时，工人可以选择转入气泡检测程序，在工件表面

涂抹肥皂液以确定具体的泄漏检测位置。

５结论

汽车变速器壳体的气密性检测是其生产工艺中的

必不可少的环节，针对实际生产的小批量、多品种、

高精度需求，我们研制了本通用型壳体气密性泄漏检

测装置，装置的封堵夹具能够灵活调整，并且采用逐

点减差式校准方法使得差压式气密性泄漏检测的基准

件固定，充分体现了装置的通用性与实用性。该装置

实现了对江西江铃齿轮股份有限公司的总共１４种变

速器壳体的检测，测试压力０．１ＭＰａ，测试精度

±２Ｐａ，工作节拍＜２ｍｉｎ／件。目前，在该公司共有４

台装置同时运行，至今已有一年时间，该检测仪工作

稳定，测试可靠，得到了用户的好评。

参考文献

【１】《机械工程标准手册》编委会．机械工程标准手册减

速器与变速器卷［Ｍ］．北京：中国标准出版社，

２００３．

【２】范伟．差压法检测气体泄漏量的研究［Ｄ］．北京：北

京理工大学，２０００．

【３】ＳＭＣ（中国）有限公司．现代实用气动技术［Ｍ］．北

京：机械工业出版社，２００１．

【４】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｏｒｃｈｓｔａｒ．ｃｏｎ．ｃｎ．

【５】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｔｅｑ．ｃｏｎ．

作者简介：范伟（１９７４一），男，讲师，主要从事基

于气动技术的检测技术与自动化装置方向的研究。

Ｅ—ｍａｉｌ：ｆａｎｗｅｉ＠ｂｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。

收稿日期：２００６—０９—１５

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