文献综述

中国计量学院现代科技学院毕业设计（论文）文献综述

学生姓名：周国斌学号：********** 专业：机械设计制造及其自动化

班级：机械071

设计（论文）题目：

二维激光切割平台控制器的设计

指导教师：赖惠芬王鹏峰

系：机电工程系

2011年 3 月15 日

一概述

二维激光切割平台加工机通过飞行光路系统，把激光的能量传输、汇聚后从光笔输出到工件表面，利用激光的热效应使工件熔化、汽化[1]。光笔在运动系统的驱动下，沿着设定的轨迹在X-Y平面内运动，实现对工件的加工。数控系统是激光切割机的重要组成部分，它把用户设计的图形图像文件经过一系列的处理，最终变成给电机和激光器的控制指令，其性能是衡量一台激光切割加工机的主要指标[1]。

二维激光切割平台的驱动控制方式由伺服电机驱动转变为步进电机驱动，步进电机技术发展越来越成熟，目前的二维激光切割平台多采用步进电机来驱动控制[4]。

步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线运动的执行机构，由步进电机及其功率驱动装置构成一个开环的定位运动系统。[3]当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即步距角) [7]。脉冲输入越多，电机转子转过的角度就越多;输入脉冲的频率越高，电机的转速就越快。因此可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度，从而达到调速的目的 [7][10]。

步进电机的工作必须使用专用设备—步进电机驱动器。驱动器针对每一个步进脉冲，按一定的规律向电机各相绕组通电(励磁)，以产生必要的转矩，驱动转子运动 [10]。步进电机、驱动器和控制器构成了不可分割的3大部分。步进电机驱动系统的性能除与电机自身的性能有关外，在很大程度上取决于驱动器性能的优劣。当电机和负载己经确定之后，整个驱动系统的性能就完全取决于驱动控制方法’。步进电机驱动方式的发展先后有单电压驱动、高低压驱动、斩波恒流驱动、调频调压驱动和细分驱动等[8][9][10]。

二国内外研究现状

我国数控切割技术的开发工作开始于20世纪80年代初，起步是数控火焰切割机。到了20世纪90年代，在数控火焰切割技术趋于成熟并获得广泛应用的基础上，又通过嫁接引入国际上先进的等离子切割系统，采取引进和自主开发相结合的方法，开展了数控等离子切割机的研制[1]。历经20多年，终于取得了可喜的成就，目前国产数控等离子、火焰切割机门类和规格已相当齐全，其中部分产品在技术性能指标和功能上均已接近或达到国际水平，产业化进展顺利，并已具备一定的经营规模[1]。

随着现代机械加工业的发展和对切割的质量、精度要求的不断提高，对提高生产效率、降低生产成本、具有高智能化的自动切割功能的要求也在提升。由于

对切割质量、劳动环境等的要求越来越高，国外的大型水下等离子切割法、精细等离子切割法等先进等离子切割技术得到较快发展，其相应的产品在我国的市场需求量也逐年上升。在提升技术水平的同时，数控切割机还在向通用和专用两个方向发展[1]。

目前主要的驱动控制方式是伺服电机驱动方式，随着步进电机技术的越来越成熟，在数控生产和经济型定位系统改造及机器人等定位系统的应用领域，有三分之二以上采用的是步进电机作为伺服控制系统的.因此，如何改善电机的控制方法以提高定位系统的定位精度，成为提高系统性能的关键所在。目前，电机控制方法已经由传统的PID控制方法发展到性能更优良、结构更简单的数字式PID 控制方法，并取得了较好的效果，在一定程度上提高了系统的定位精度[11][12][13]。

但是，由于精密和超精密加工的尖端部分代表着最新科学技术的发展，同时与航空、军事、核能等方面联系密切，各国对这部分技术是严格保密的。有关精密加工的高新技术和产品还对中国实行禁运。而发展精密加工技术又是我国的当务之急，因此我们必须依靠自己力量，加速发展自己的精密定位技术。随着微电子技术、大功率电力电子器件及驱动技术的进步，目前发达国家的驱动器已进入恒相电流与细分技术相结合的技术阶段，使步进电机低速运行振荡很小、高速运行时转矩维持不变。在步进电机驱动技术上，一方面由于采用了斩波恒流控制、SPWM(正弦脉宽调制)和细分技术以及最佳升降频控制，大大提高了步进电机运行快速性和运动精度，使步进电机在中、小功率范围内向高速精密化领域渗透;另一方面在电路设计方面，驱动器电路普遍采用单片机加上外围电路，或专用SPWM 芯片甚至DSP来产生SPWM波来控制功放电路上开关管的通断，从而控制各相绕组细分电流的大小[17]。功率开关管目前采用的功率场效应管(MOSFET)，与早先采用的大功率晶体管(GTR)相比有很多优点;性能更加优越的绝缘栅极晶体管(IGBT)也己应用于高速型及较大功率的步进电机驱动电路中[14][15]。

三研究历史

随着步进电机技术越来越成熟，在数控机床和焊接平台中的应用更为广泛。上个世纪(约1831年)就出现了步进电动机，其动作原理和今天的反应式步进电动机没有什么实质上的区别，也是依靠气隙磁导的变化产生电磁转矩。由于受到机械换向装置、四连杆结构及衔铁动作速度的限制，这种步进电动机的转速不可能很高，一般不超过200r/min。这种电动机现在早就不用了[16][17]。

到了本世纪初，由于造船工业的迅速发展，在1920-1927年期间，先后发表了一些有关步进电动机在航海技术方面应用的文章，介绍了步进电动机的设计和计算方法。但是真正地把这些理论用于指导设计和制造步进电动机是1930年以后的事情。这种原始的步进电动机不能迅速地驱动和精确地定位，使得这项技术徘

徊了数十年之久，几乎被抛弃[18]。

后来，由于无触点式电子开关元件的出现，解决了步进电动机励磁绕组快速换相的问题。因此，在本世纪中期，步进电动机又重新崛起。1948年晶体管技术开始走向应用，使步进电动机的驱动电源向小型化前进了一步。数控机床的出现推动了机械制造业的发展，但究竟采用哪种类型的电机作为进给机构的驱动元件，当时就有过争论。显然，在数控机床中，用步进电动机作为进给驱动元件，一直是比较理想的方案，因为采用步进电动机开环控制可以得到一定位置精度，而又可以省去数模转换及检测元件，具有控制方便、结构简单可靠等优点[19]。

我国对步进电动机的研究和应用起步不晚，1958年我国少数科研单位和高等院校就研制成功了反应式步进电动机，并开始应用到数控机床中。进入60年代中期，结构新颖的步进电动机相继出现。70年代步进电动机的生产进入了全盛时期，它每年都以11%的指数递增，其用量占各类电机总数的2.43%[20][21]。

到了80年代，由于廉价的微型计算机以多功能的姿态出现，使步进电动机的控制性能更加灵活多样。原来采用分立元件或集成电路组成的控制回路，不仅调试安装费时，且要消耗大量元器件，而且一旦定型后，想改变控制方案就需要重新设计不可[9]。微型计算机通过软件代替了复杂而又不经济的逻辑电路，能更好地挖掘步进电动机的潜力因此，采用微型计算机控制步进电动机的技术，受到了国内外普遍重视[1]。

由于步进电动机与驱动电源关系十分密切。驱动电源的好坏在很大程度决定了步进电动机的性能。近十余年步进电动机的控制电路和功率驰动电路发生了很大的变化。建立在计算机编程方式上的高、低压驱动，斩波恒流驱动以及细分驱动等驱动方式，靠软件控制步进电机，灵活性高，成本低。有着广泛的发展空间四分析总结

本人在参考、借鉴国内外有关运动控制系统的研究成果的基础上，对一种以单片机为核心的步进电动机运动控制器进行了研究，实现了二维激光切割运动平台的准确定位。

主要进行的工作包括以下几个方面：

1) 在阅读国内外大量文献，总结国内外运动控制领域的现状与发展趋势基础上，提出了二维激光切割平台控制的设计目标。现有的运动控制卡，结构复杂，操作困难，售价昂贵，主要面向的是大中型企业，而对于小型企业和私人用户不大适用。因此，对面向低端市场以单片机为核心的成本低的运动控制器进行重点研究；

2) 对切割平台的机械结构进行了简单的介绍，即 X—Y二维运动平台的结构；

3) 阅读大量有关步进电动机的文献，对步进电动机的原理、控制方式、驱动