微機控制技術(shù)--第4章--程序控制和數(shù)值控制.教學課件

1、 一一 順序控制器 1 順序控制器的功能 根據(jù)生產(chǎn)過程要求預先確定程序，使系統(tǒng)在 輸入信號條件的作用下，按順序進行工序轉(zhuǎn)換 根據(jù)各工序要求，控制相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)動作， 保證過程正常進行 3.1 順序控制器 2 順序控制系統(tǒng)的一般組成 系統(tǒng)控制器、輸入輸出接口、輸入輸出電路、信 號檢測、顯示電路、報警電路、操作臺 3 順序控制系統(tǒng)的類型 1) 按順序執(zhí)行的繼電器接觸器控制系統(tǒng) 2) 無觸點邏輯控制系統(tǒng) 3) 以微型計算機為核心的順序控制系統(tǒng) 4) 可編程序控制器 專用順序控制器的設(shè)計 針對某一類被控對象的結(jié)構(gòu)特點和加工工藝流程而設(shè)計的 微型計算機系統(tǒng)的硬件和軟件 采用固定連線控制的設(shè)計思想來設(shè)計硬

2、件和軟件，靈活性 不夠，通用性差 控制軟件采用匯編語言編制，用戶自行二次開發(fā)軟件和調(diào) 試困難 4 可編程控制器（Programmable Controller） 早期的PLC雖然采用了計算機的設(shè)計思想，但實際上它只能完成順 序控制，僅有邏輯運算、定時、計數(shù)等順序控制功能 在經(jīng)歷了30年的發(fā)展，現(xiàn)代PLC產(chǎn)品已經(jīng)成為了名符其實的多功能 控制器，如邏輯控制、過程控制、運動控制、數(shù)據(jù)處理等功能都得到 了很大的加強和完善 與此同時，PLC的網(wǎng)絡(luò)通信功能也得到飛速發(fā)展，PLC及PLC網(wǎng)絡(luò) 成為了工廠企業(yè)中不可或缺的一類工業(yè)控制裝置 5 PLC的特點 1) 可靠性高，抗干擾能力強 2) 控制程序可變，具有

3、良好的可變性 編程簡單，使用方便 功能完善，擴充方便，組合靈活 縮短設(shè)計和施工時間 6 PLC的基本組成 1) CPU是PLC的核心組成部分，其主要任務(wù)有： 接收、存儲由編程工具輸入的用戶程序和數(shù)據(jù)，并通過顯示 器顯示出程序的內(nèi)容和存儲地址 檢查、校驗用戶程序 接收、調(diào)用現(xiàn)場信息 執(zhí)行用戶程序 故障診斷 2) PLC的存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器、用戶程序 存儲器及工作數(shù)據(jù)存儲器等三種 系統(tǒng)程序存儲器用來存放由PLC生產(chǎn)廠家編寫的系統(tǒng) 程序，并固化在 ROM 內(nèi)，用戶不能直接更改 用戶程序存儲器用來存放用戶針對具體控制任務(wù)，用 規(guī)定的PLC編程語言編寫的各種用戶程序 工作數(shù)據(jù)存儲器用來存儲工作數(shù)據(jù)

4、 3) I/O接口是PLC與外界連接的接口 輸入接口用來接收和采集兩種類型的輸入信號，一類 是由按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)、繼電器觸點、接近開關(guān)、 光電開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)等的開關(guān)量輸入信號。另一類是 由電位器、測速發(fā)電機和各種變送器等來的模擬量輸入信 號 輸出接口用來連接被控對象中各種執(zhí)行元件，如接觸 器、電磁閥、指示燈、調(diào)節(jié)閥（模擬量）、調(diào)速裝置（模 擬量）等 4) 編程器的作用是供用戶進行程序的編制，編 輯，調(diào)試和監(jiān)視 簡易編程器：一般只能編輯語句表指令程序，不能 直接編輯梯形圖程序，多用于小型PLC的編程或者用 于PLC控制系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)試和維修 。 圖形編程器 ：本質(zhì)上是一臺便攜式專用計算

5、機系 統(tǒng)，可以編制多種指令程序，功能強。 7 PLC的分類 按地域范圍 美國流派; 羅克韋爾 歐洲流派; 西門子 日本流派; 歐姆龍 按I/O點數(shù) 超小型 512 按結(jié)構(gòu) 一體化 模塊化 順序控制和數(shù)值控制是計算機控制系統(tǒng)中最 常見的控制方式 數(shù)值控制 數(shù)值控制：用計算機把輸入的數(shù)字信息按一 定的程序進行處理后轉(zhuǎn)換為控制信號，去控制一 個或幾個被控制對象，使被控制點按照某種軌跡 運動 4.2 開環(huán)數(shù)值控制器 利用數(shù)字控制原理實現(xiàn)的機械加工繪圖設(shè)備 數(shù)字控制機床 線切割機 數(shù)字繪圖儀 數(shù)值控制的分類 （）按工具運動軌跡分有 a.點位控制這類控制方式只要求控制工具從一點移到另一 點的準確位置，對運

6、動軌跡不加控制適用于鉆床，沖床等 b.直線控制除滿足點位控制要求，控制點與點之間準確位 置外，還要保證兩點之間移動軌跡是一條直線這種數(shù)值控制又 叫做簡易數(shù)值控制 c.連續(xù)控制（也稱凸輪控制）這類控制方式能對兩個或兩 個以上坐標方向的位移進行嚴格的不間斷的控制 （）按伺服機構(gòu)控制方式不同分 a.開環(huán)控制該系統(tǒng)不帶位置測量元件，驅(qū)動 用步進電機或電液脈沖電機 開環(huán)數(shù)值控制系統(tǒng)的一般組成 b. 閉環(huán)控制該系統(tǒng)帶有位置測量元件，把工作臺移動 距離通過位置檢測進行負反饋控制 二數(shù)值控制的基本原理 .概念 （）插補與插補器 插補沿著規(guī)定的線段，在起點與終點之間求取中間值的數(shù)值計算方 法稱為插值或插補 插補

7、器是一種完成插補功能的邏輯電路 （）脈沖當量每一個脈沖移動的相對位置稱為脈沖當量，也稱步長 （）插補分類 a直線插補在給定的兩個基點之間，中間點的各點之間連線是一條 折線，用這些折線來逼近直線 如圖是一段用折線逼近直線的直線插補線段，其中（x0，y0）代表該 線段的起點坐標值，（xe，ye）代表終點坐標值，則x方向和y方向應(yīng)移動 的總步數(shù)為Nx和Ny，為 y yy N x xx N y x 0e 0e （a）精度高；（b）精度低。 b二次曲線插補在給定兩個基點之間，中間各點之間連線是一條近 似于曲線的折線弧 二次插補又分園弧插補 拋物線插補 雙曲線插補 實現(xiàn)直線插補和二次曲線插補的方法有多種，

8、常見的有數(shù)字脈沖乘法 器（又稱MIT法，因為它由麻省理工學院首先使用），數(shù)字積分法（又稱數(shù) 字微分分析器，即DDA法）和逐點比較法（又稱富士通法或醉步法）等， 其中又以逐點比較法使用最廣。 （）插補運算的方法實現(xiàn)插補的方法有 a數(shù)字脈沖乘法器是一種最簡單的直線插補器，最早用于數(shù)字設(shè)備 上的插補方式，能方便實現(xiàn)多坐標插補 b數(shù)字積分法又稱數(shù)字微分分析器，即DDA法是用求解微分方程 的原理得出欲插補的曲線該方法脈沖分配均勻，易于實現(xiàn)，但精度不高 c逐點比較法，又稱富士通法或醉步法 d矢量法以矢量運算為基礎(chǔ) e最小偏差法該方法以目標點為特征單步跟蹤 這五種方法中以逐點比較法使用最廣泛 2.數(shù)值控制基

9、本原理 讓我們先看圖所示的平面圖形，如何用計算機在繪圖儀或加工裝置上 重現(xiàn)。 第一步 將此曲線分割成若干線段，可以是直線段，也可以是曲線段， 該圖把它分割成3段，即，和弧線，然后把a，b，c，d 4點坐標記下來并 送給計算機。圖形分割的則應(yīng)保證線段所連接成的曲線（或折線）與原圖 形的誤差在允許范圍之內(nèi)。由圖可見，顯然采用，和弧線比采用，和要精 確得多。 第二步 當給定a，b，c，d各點坐標和x，y值之后，如何確定各坐標值 之間的中間值？求得這些中間值的數(shù)值計算方法稱為插值或插補。插補計 算的宗旨是通過給定的基點坐標，以一定的速度連續(xù)定出一系列中間點， 而這些中間點的坐標值是以一定的精度逼近給定

10、的線段的。 從理論上說，插補的形式可以用任意函數(shù)形式，但為了簡化插補運算過程 和加快插補速度，常用的是直線插補和二次曲線插補兩種形式。所謂直線 插補是指在給定的兩個基點之間用一條近似直線來逼近，也就是由此定出 的中間點連接起來的折線近似于一條直線，并不是真正的直線。所謂二次 曲線插補是指在給定的兩個基點之間用一條近似曲線來逼近，也就是實際 的中間點連線是一條近似于曲線的折線弧。常用的二次有圓弧、拋物線和 雙曲線等。對圖4-26所示的圖形來說，顯然ab和bc線段用直線插補，cd線 段用圓弧插補是合理的。 。 第三步 把插補運算過程中定出的各中間點，以脈沖信號形式去控制x， y方向上的步進電機，帶

11、動畫筆、刀具或線電極運動，從而繪出圖形 或加工出符合要求的輪廓。這里的每一個脈沖信號代表步進電機走一 步，即畫筆或刀具在x方向或y方向移動一個位置。我們把對應(yīng)于每個 脈沖移動的相對位置稱為脈沖當量，又稱為步長，常用x和y來表 示，并且總是取x=y 三逐點比較法插補原理 1 . 逐點比較法插補原理 所謂“逐點比較法”插補原理，就是每當畫筆或刀尖向某一方向移動一 步，就進行一次偏差計算和偏差判別，也就是比較到達的新位置和理想線型 上對應(yīng)點的理想位置坐標之間的偏離程度，然后根據(jù)偏差的大小確定下一步 的移動方向，使畫筆或刀尖始終緊靠理想線型運動，起到步步逼近的效果 2 . 4方向逐點比較法直線插補原理

12、 (1) 第一象限內(nèi)的直線插補 在第一象限內(nèi)的并形成三個點集（如圖4-28所示）： 第一個點集是重合于直線段OP上的所有點； 第二個點集是位于A+區(qū)域內(nèi)的所有點； 第三個點集是位于A區(qū)域內(nèi)的所有點。 a偏差判別式Fi=xeyiyexi 在0P直線上任取一點M(xi,yi)，在與M點等高位置上，在A區(qū)內(nèi)取一點M（xi,yi ）, 在A+區(qū)內(nèi)取一點M (xi,yi)，連接OM與OM，則得OM、OM、OM3條直線，它們 與x軸正方向夾角、大小不一樣，并有 于是它們的斜率也不一樣，即 tgtgtg 由于理想直線段OP的斜率為 tg=ye/xe=yi/xi 從而可得OP直線的方程為 xeyiyexi=0

13、 由于tg“tg，即yixi”yexe 所以 xeyiyexi“0 又由于tgtg，即yixi yexe 所以 xeyiyexi0 把第一象限內(nèi)任意一點M的坐標設(shè)為(xi,yi)，用Fi代表M點的偏差值，并定義為 Fi=xeyiyexi (4-1) 則當Fi=0時，表示M點在OP直線上；當Fi0時，表示M點在A+區(qū)域內(nèi)；當Fi0 時，表示M點在A區(qū)域內(nèi)。 式（4-1）稱為直線插補的偏差判別式，或原始判別式。以后為方便起見，將開始 時的Fi記為F0。 當F0時，畫筆在A+區(qū)，在OP上方，為了逼近理想直線OP，必須沿+x方向走一 步，若穿過OP，則進入A-區(qū)域；若沿+x方向上走一步，未穿過OP，則

14、此時畫筆 仍在A+區(qū)內(nèi)，因此經(jīng)判別式判斷，仍有F0，故繼續(xù)沿+x方向走一步，直至穿過 OP走入A區(qū)為止。 同理可得，當F0時，畫筆向+y走一步，再判斷，若仍有F 0，則再次沿+y方向走一步，直到穿過OP進入A+區(qū)為止。 結(jié)論：逐點比較法第一象限直線插補原理是 當F 時沿著+x方向走一步 當F 0時進給；(b) F0時進給。 偏差計算結(jié)論 新加工點的偏差等于前一點的偏差加或減去一個固定的常數(shù) F=F+Xe給進給+y F=F-ye給進給+x （）其他象限中的偏差判別及給進方向 如果需要在其它3個象限內(nèi)畫直線，只要將它化作第一象限的插補處理 即可。因為這樣處理，偏差運算公式?jīng)]有變化，僅僅是進給方向?qū)?/p>

15、于不同 的象限作某些改變即可。 由圖可見，第一象限內(nèi)直線OP與第四象限內(nèi)直線OP是對稱于x軸的， OP的終點為P(xe,ye)，而OP的終點為P (xe, ye)。注意，為了把其它象限 的直線插補作為第一象限的直線插補來處理，我們總是取終點坐標的絕對 值來進行插補運算，求得偏差，根據(jù)求得的偏差大小決定進給，所不同的 是某些進給方向與第一象限的直線插補的進給方向相反。 我們以軸對稱法則看圖，顯然，第一、二象限和第三、四象限的圖形 對稱于y軸，而第二、三象限和第一、四象限的圖形對稱于x軸。每組對稱 圖形之間，平行于對稱軸的兩個象限中的進給方向相同，而垂直于對稱軸 的兩個象限中的進給方向相反。 不同

16、象限中進給方向的對稱性 F值與進給方向的關(guān)系 （）終點判斷 畫筆到達終點(xe,ye)時必須自動停止進給，因此，在插補過程中，每 走一步就要與終點坐標比較一下：如果沒有到達終點，就繼續(xù)插補運算； 如果已到達終點，就必須自動停止插補運算。 判斷畫筆是否到終點一般可以有以下兩種方法。 a總步數(shù)法判斷畫筆所走過的總步數(shù)是否等于終點坐標之和。為此， 可比較每一個插值點的坐標值之和（xi+yi）是否等于終點坐標值之和 （xe+ye），若相等，則終點已到；否則，終點未到，繼續(xù)插補。 b長軸法取終點坐標xe和ye中的較大者作為終判計數(shù)器的初值，我 們稱此較大者為長軸；另一為短軸。在插補過程中，只要沿長軸方向

17、上有 進給脈沖，終判計數(shù)器就減1，而沿短軸方向的進給脈沖不影響終判計數(shù)器。 （）直線插補程序流程圖 逐點比較法直線插補工作過程可歸納為以下4步： 第一步 偏差判別，即判斷上一步進給后的偏差值是F0，還是F0； 第二步 進給，即根據(jù)偏差判別的結(jié)果和插補所在象限，決定在什么方向上 進給一步； 第三步 偏差運算，即計算出進給一步后的新偏差值，作為下一步進給的判 別依據(jù)； 第四步 終點判別，看是否已到終點：若已到達終點，就停止插補；若未到 達終點，則重復第一至第四步的工作。 因此，直線插補器的流程圖可如圖所示。 方向逐點比較法園弧插補原理 要畫一段圓弧，應(yīng)知道圓心坐標、半徑大小、圓弧的起始點和終止點的

18、 坐標。因此，當圓心作為笛卡兒坐標系的原點時，知道圓弧的起點坐標（x0， y0），就可算出半徑值R，即可畫出圓弧，直到終點為止。 畫園要有方向，而且有四個不同象限 順時針畫園為順園，有SR1,SR2,SR3,SR4. 逆時針畫園為逆園，有NR1,NR2,NR3,NR4. （）第一象限園弧插補 圓心定在坐標原點，原弧起點坐標為P （x0，y0）,園半徑為R，原弧終 點坐標為Q（xe，ye），則有R2=x02+y02=xe2+ye2，在這里討論逆園的插補公 式 a偏差判別式 對于圓內(nèi)的點，到圓心的距離小于半徑R；而對于圓外的點，到圓心的 距離大于半徑R。因此，可以定義任一點到圓心的距離與半徑R之差

19、作為偏 差判別式。 對于第一象限的逆圓弧來說，圓弧把第一象限劃分成兩個區(qū)，構(gòu)成3個 點集，如圖所示。 其中 第一個點集為理想圓弧上的所有點；第二個點集為圓外區(qū)域A+內(nèi)的所有點； 第三個點集為圓內(nèi)區(qū)域A內(nèi)的所有點。圖中，M、M、M3點分別落在圓弧 內(nèi)、圓弧上、圓弧外，它們與圓心的連線為OM，OM，OM，則 OM2=xi2+yi2=R2=x02+y02 OM2=xi2+yi2R2=x02+y02 因此，平面上任一點(xi,yi)與理想圓弧之間的偏差值F為 F=xi2+yi2R2 當F=0時，代表這一點在理想圓弧上； 當F0時，代表這一點在A+區(qū)內(nèi)，即在圓弧外； 當F0時，代表這一點在A區(qū)內(nèi)，即在圓

20、弧內(nèi)。 結(jié)論：為了使畫筆的軌跡逼近理想園弧 當F時，畫筆沿-x軸方向走一步 當F時，畫筆沿+y軸方向走一步 b偏差計算 偏差判別式的缺點是先要逐點進行平方計算，然后做加減運算，既麻煩 又費時。為此，人們希望找到與直線插補同樣簡便的偏差計算方法。 如圖所示，由于Mi點在A+區(qū)內(nèi)，故F=xi2+yi2R20，因此進給x一步， 至達新的一點Mi，其坐標值為(xi,yi)，根據(jù)式可求得到達Mi點處的新偏差值 F為 F=(xi1)2+yi2R2=xi2+yi2R22xi+1=F2xi+1 因為M2在A區(qū)內(nèi)，故F0，因此應(yīng)進給+y一步，到達M2點，如果M2 點的坐標值為(xi,yi)，則M2的坐標值為(x

21、i,yi+1)，所以在M2點處的新偏差值F 為 F=xi2+(yi+1)2R2=xi2+yi2R22yi+1=F+2yi+1 NR1逆圓弧插補的進給SR1順圓弧插補的進給 結(jié)論：要畫出NR園弧的插補公式必須： 當F時，F(xiàn)=F-2xi+1沿-x軸方向進給一步 F時，F(xiàn)=F+2yi+1沿+y軸方向進給一步 同理可以推導出SR1園弧插補規(guī)律 對于在A+區(qū)內(nèi)的M1(xi,yi)，其偏差F=xi2+yi2R20，應(yīng)沿y方向進給一 步，到達新點M1(xi,yi1)，新偏差值為F=F2yi+1。對于在A區(qū)內(nèi)的 M2(xi,yi)，其偏差F0，應(yīng)沿+x軸方向進給一步，到達新點M2(xi+1,yi)，新 偏差值

22、F=F+2xi+1。同樣，在完成偏差值運算時，還應(yīng)完成坐標修正運算， 即xi=xi+1和yi=yi1。 （）其他象限中逐點比較法園弧插補的偏差公式和進給方向 其它各象限中順、逆圓弧都可以與第一象限比較而得出各自的偏差計算 公式。其進給脈沖的方向，因為其它象限的所有圓弧總是與第一象限的NR1 或SR1互為對稱，如圖所示。 對于圖（a）,SR4與NR1對稱于x軸，SR2與NR1對稱于y軸，NR3與SR2對 稱于x軸，NR3與SR4對稱于y軸。 對于圖（b），SR1與NR2對稱于y軸，SR1與NR4對稱于x軸，SR3與NR2對 稱于x軸，SR3與NR4對稱于y軸。 (a) SR2，NR1，SR4，N

23、R3圓弧插補軌跡；(b) NR2，SR1，NR4，SR3圓弧插補軌跡。 顯然，對稱于x軸的一對圓弧沿x軸的進給方向相同，而沿y軸的進給方 向相反；對稱于y軸的一對圓弧沿y軸的進給方向相同，而沿x軸的進給方向 相反。所以，在圓弧插補中，沿對稱軸的進給方向相同，沿非對稱軸的進給 方向相反，其次，所有對稱圓弧的偏差計算公式，只要取起點坐標的絕對值， 均與第一象限中NR1或SR1的偏差計算公式相同。所以，8種圓弧的插補計 算公式及進給方向可見表所列。 （）終點判斷 圓弧插補的終點判斷方法與直線插補的終判原理一樣，常取x方向的總步 數(shù)和y方向總步數(shù)中的最大步數(shù)作為終點判斷的依據(jù)。這里，x方向或y方向的

24、總步數(shù)是圓弧終點坐標值（對圓心的坐標值）與圓弧起點坐標值之差的絕對 值。 設(shè)加工第一象限逆圓弧，已知起點的坐標為（，），終點的坐標為（，）， 試進行插補計算并作出走步軌跡圖。 （）園弧插補程序的流程圖 實際的程序，隨著處理方法的不同可能有較大的差別，但總是以處理方 便、結(jié)構(gòu)簡單、程序執(zhí)行速度快等原則來考慮的，因此，常有以下幾種常見 的處理方法。 由于起點坐標值和終點坐標值在以圓心為原點的坐標系中可以有正有負。 因此，可利用正、負號來確定所在象限，利用起點坐標值和終點坐標值相 對大小來確定是順圓插補還是逆圓插補。 “進給指令碼” 終判計數(shù)器終值的選取，常取|xex0|和|yey0|中的大數(shù)作為終

25、判計數(shù)器 的初值， 方向逐點比較法線性插補原理 4方向插補原理，在插補過程中只允許沿平行于一個坐標軸的方向上進給 脈沖。如果在相鄰兩個坐標軸方向上同時進給脈沖，則4個合成運動方向 （+x, +y；x,+y；+x，y；x，y）也可作為進給方向，這樣 就成為8方向的進給。采用8方向進給繪制圖形或加工出來的工件的質(zhì)量要比 4方向進給的高，如圖所示。 (a) 4方向進給；(b) 8方向進給。 線性插值-不管我們想畫一條多么復雜的曲線，總能用若干段直線段去逼近， 這樣就可避開各自不同的直線和圓弧等的插補運算公式，而按統(tǒng)一的“線 性插值”方法用一段段折線逼近理想線型。 （）單指令和雙指令 單指令沿坐標軸方

26、向進給 雙指令沿兩個相鄰坐標軸方向進給 若單指令步長為，則雙指令的步長為根號 執(zhí)行單指令只在一個指定坐標方向上進給一步 執(zhí)行雙指令表示在相鄰的兩個坐標方向上各自進給一步 8矢量與指令碼 （）單指令和雙指令的確定原則 如圖所示，且設(shè)網(wǎng)格垂直邊的中點為M；理想直線（圖中以虛線表示）與該 邊的交點為P。若P點位于M點的下方，如圖（a）所示，就選擇單指令，即 沿x軸方向走一步；若P點位于M點上方，如圖（b）所示，就選擇雙指令， 即沿+x，+y軸方向走一步。 (a) 單指令；(b) 雙指令。 （）逐點比較法線性插值原理的偏差計算 在8方向線性插值法中，整個平面被x，y軸及兩條分角線分成8個區(qū)域。下面 以

27、第一區(qū)域為例來說明偏差值的計算。令： NX為理想線段在x軸上的投影，即為沿x軸方向進給的步數(shù)； NY為理想線段在y軸上的投影，即為沿y軸方向進給的步數(shù)； NTOT為進給的總步數(shù)，它作為終點判別的依據(jù)，其值取NX和NY中的較大者； NDBL代表插值過程中應(yīng)出現(xiàn)的雙指令數(shù)； NSMG代表插值過程中應(yīng)出現(xiàn)的單指令數(shù)。 那么，對于第一區(qū)域中的直線段OA的線性插值過程則如圖所示。顯然，此時 NXNY，因此，NTOTNX，NDBL=NY。如果取其中一個網(wǎng)格的垂直步長 的中點M，其y坐標值為h0，并令OA直線段與該垂直邊的交點P的坐標為h1， 則根據(jù)選擇單、雙指令的確定原則，可得 如果h1h0，則選擇雙指令

28、。根據(jù)h0， h1和NTOT可定義偏差判別式 F=( h1h0)NTOT 式中NTOT0，所以F的正、負取決于h1和h0的大小。顯而易見， 偏差值的大小與前一步走的是單指令還是雙指令有關(guān)。 四微機數(shù)值控制框圖 數(shù)值控制絕大部分用于機械加工業(yè)，在繪圖中也用的較多，如數(shù)字繪圖 儀，由于對象不同，組成和結(jié)構(gòu)也不同，現(xiàn)以數(shù)字控制機床為例介紹微機數(shù) 字控制框圖 設(shè)數(shù)據(jù)輸出為“1”時，相應(yīng)繞組通電 數(shù)據(jù)輸出為“0”時，相應(yīng)繞組斷電 微型計算機 8255 PA0 PA1 PA2 PB0 PB1 PB2 驅(qū)動電路 驅(qū)動電路 x y 負載 1 步進電機：是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為線 位移或角位移的機電執(zhí)行元件。（

29、機電式數(shù)摸 （D/A）轉(zhuǎn)換器。） 輸入：脈沖 輸出：位移 脈沖數(shù)：決定位移量或轉(zhuǎn)過角度。 脈沖頻率：決定位移的速度 4.3 步進電機的控制步進電機的控制 一步進電機的基本概念 步進電機的結(jié)構(gòu)及工作原理1）結(jié)構(gòu) 步進電機的結(jié)構(gòu)分為轉(zhuǎn)子與定子兩大部份。 三相步進電機為例其結(jié)構(gòu)為 定子：3對磁極，6個齒 轉(zhuǎn)子：4個齒 一般概念： 轉(zhuǎn)子是具有許多齒（類似牙齒）的鐵心或具有永磁的磁極組成，一 般并無繞組。 轉(zhuǎn)子材料：軟磁材料制成。 定子在轉(zhuǎn)子外圍，由于極對數(shù)不同，有不同的步進電機，與電機一 樣，定子上嵌有繞組，定子同樣有齒 定子材料；硅鋼片疊成。 步進電機的“ 相”和“ 拍” 相：繞組的個數(shù)，相實際上是

30、繞組所組成，即是位置對應(yīng)的兩個極的繞 組串聯(lián)起來構(gòu)成一相繞組（統(tǒng)稱為相） 上圖三個繞組是三相。 拍：繞組的通電狀態(tài)一般用拍來表示，三拍表示一個周期共有3種通電狀 態(tài)，六拍表示一個周期有6種通電狀態(tài)，每個周期步進電機轉(zhuǎn)動一個齒距 步進電機的步距角：步進電機每拍步進的角度 360/(N Z) N：步進電機的拍數(shù) Z：轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。 定子：3對磁極，6個齒 轉(zhuǎn)子：4個齒 2）步進電機的工作原理 結(jié)論：步進電機的工作原理是電磁鐵的作 用原理。 3步進電機的類型可分為三大類。1）根據(jù)材料不同有 （a）反應(yīng)式步進電機 轉(zhuǎn)子由軟磁材料制成，轉(zhuǎn)子中沒有繞組。它結(jié) 構(gòu)簡單，成本低，步距角可以做的很小，但動特性較差

31、。 （ b）永磁式步進電機 轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，轉(zhuǎn)子本身是一個磁源， 輸出力矩大，動態(tài)性能好，步距角較大。 （ c）混合式步進電機 綜合了反應(yīng)式 永磁式的優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)復雜， 成本高。 2）根據(jù)運動形式分（a）直線步進電機（b）旋轉(zhuǎn)步進電機 3）根據(jù)定子相數(shù)分有二相，三相，四相，五相，六相等幾種 4步進電機的工作方式 步進電機可工作于單相通電方式，也可工作于雙相通電方式和單相、雙 相交叉通電方式。選用不同的工作方式，可使步進電機具有不同的工作性能， 諸如減小步距，提高定位精度和工作穩(wěn)定性等。若以三相步進電機為例，則 有以下3種方式。 單相三拍工作方式（簡稱單三拍） 其通電次序為ABCA或者 AC

32、BA。 雙相三拍工作方式（簡稱雙三拍） 其通電次序為ABBCCAAB或 ABACCBBA。 三相六拍工作方式 其通電次序為AABBCCCAA或者 AACCCBBBAA。 步進電機除三相外，還有四相、五相、六相等幾種，而其中每一種均可 工作于上述3種方式之一。 步進電機的工作方式 單三拍方式 正向旋轉(zhuǎn)，通電順序為 ABCA 反向旋轉(zhuǎn)，通電順序為 ACBA 雙三拍方式 正向旋轉(zhuǎn)，通電順序為 ABBCCAAB 反向旋轉(zhuǎn)，通電順序為 ABACCBAB 三相六拍方式 正向旋轉(zhuǎn)，通電順序為 AABBBCCCAA 反向旋轉(zhuǎn)，通電順序為 AACCCBBBAA 5步進電機的控制 1）步進電機的控制方法 由于步進

33、電機的轉(zhuǎn)子有一定的慣性以及所帶負載的慣性，故步進電機在 工作過程中不能立即啟動和立即停止。在啟動時應(yīng)慢慢地加速到一個預定速 度，在停止時應(yīng)提前減速，否則將產(chǎn)生失步現(xiàn)象。其次，步進電機的工作頻 率也有一定的限制，否則會因其速度跟不上也將產(chǎn)生失步現(xiàn)象。 由于以上原因，步進電機的控制方法可歸結(jié)為兩點：第一，按預定的工 作方式分配各個繞組的通電脈沖；第二，控制步進電機的速度，使它始終遵 循加速勻速減速的運動規(guī)律工作。 2） 實現(xiàn)的辦法 （a）采用硬件辦法用集成電路組成，構(gòu)成脈沖分配器和加、減速電路來 實現(xiàn)這種功能，則電路復雜，可靠性較差。 （b）采用軟件辦法用微型計算機來實現(xiàn) a ） 步進電機常規(guī)控制

34、系統(tǒng)方框圖 b) 步進電機微機控制系統(tǒng)方框圖 脈沖 發(fā)生器 脈沖 分配器 功率 放大器 步進 電機 負載 方向 控制 CPU接口驅(qū)動器步進電機負載 二 步進電機與計算機接口 三相步進電機與單片機的接口電路 1）步進電機與單片機的接口電路 由于步進電機需要驅(qū)動電流較大，故單片機與步進電機連接需要專門接口電路和驅(qū)動電路。 接口電路可以用鎖存器，也可以是單片機的P1口，8255可編程接口芯片。驅(qū)動器用大功率 復合管，也可以用專門驅(qū)動器。 工作原理 當P1口的P1.0輸出為0時，經(jīng)過反相變?yōu)?，使達林頓管道通。A相繞組通電， 此時P1.1，P1.2輸出為1，經(jīng)過反相器變?yōu)?，B相，C相不通電，以此類推

35、。 設(shè)數(shù)據(jù)輸出為“1”時，相應(yīng)繞組通電 數(shù)據(jù)輸出為“0”時，相應(yīng)繞組斷電 微型計算機 單片機 P10 P11 P12 8051 P20 P21 P22 驅(qū)動電路 驅(qū)動電路 x y 負載 x步進電機 y步進電機 步進電機的控制（9） a) 微機的運動控制功能 改變輸出脈沖數(shù)，控制步進電機的走步數(shù) 改變各相繞組的通電順序，控制步進電機的轉(zhuǎn) 向，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn) 改變輸出脈沖的頻率，控制步進電機的轉(zhuǎn)速 b) 步進電機程序設(shè)計任務(wù) 其主要任務(wù)是 一）判斷旋轉(zhuǎn)方向 二）順序傳送控制脈沖 三）判斷所要求控制步數(shù)是否傳送完畢 因此步進電機的控制程序就是完成環(huán)形分配器的任務(wù)，以控制步進電機轉(zhuǎn)動，達 到轉(zhuǎn)角和位移的任

36、務(wù)。 一般采用循環(huán)程序來完成。而程序所需要的控制模型可以按順序存放在內(nèi)存之 中，然后逐一從單元中取出控制模型并輸出。 2) 步進電機脈沖分配程序設(shè)計要點 。 a） 根據(jù)工作方式建立通電順序狀態(tài)表見 表所列表中，1代表通電，0代表斷電， b） 步進電機工作方式的狀態(tài)字 c） 設(shè)置轉(zhuǎn)向標志字 d） 識別起始通電狀態(tài)字和結(jié)束通電狀態(tài)字 利用微機實現(xiàn)對步進電機的控制必須解決的 問題： a） 脈沖序列的形成 利用軟件形成脈沖序列 利用定時器形成脈沖序列 開 始 設(shè)值高電平延時 計數(shù)初值 設(shè)置脈沖個數(shù) 輸出高電平 啟動計時 允許定時器中斷 開中斷 設(shè)置定時器 工作方式 中斷等待 開 始 輸出高電平否？ 加

37、載低電平 延時計數(shù)初值 禁止定時器中斷 輸出低電平 輸出信號反相 加載高電平 延時計數(shù)初值 脈沖數(shù)夠否？ 返 回 否 否 是 是 步步 序序 控控 制制 位位 通電狀態(tài)通電狀態(tài)控制數(shù)據(jù)控制數(shù)據(jù) PC2/C相相 PC1/B相相 PC0/A相相 1001A01H 2010B02H 3100C04H 步步 序序 控控 制制 位位 通電狀態(tài)通電狀態(tài)控制數(shù)據(jù)控制數(shù)據(jù) PC2/C相相 PC1/B相相 PC0/A相相 1011AB03H 2110BC06H 3101CA05H 三相三柏 b）控制模型設(shè)計 雙相三拍 三相六拍方式 步步 序序 控控 制制 位位 通電狀態(tài)通電狀態(tài) 控制數(shù)據(jù)控制數(shù)據(jù) PC2/C相相

38、 PC1/B相相 PC0/A相相 1001A01H 2011AB03H 3010B02H 4110BC06H 5100C04H 6101CA05H 杷三種情況合成一張內(nèi)存表 3） 三相步進電機控制程序 的設(shè)計的框圖。 判斷旋轉(zhuǎn)方向 按順序傳送控制脈沖 判斷所要求的控制步數(shù)是否 傳送完畢 2六相步進電機接口電路 1) 六相步進電機與PC機接口 只要用一個并行輸入輸出接口電路，就可組成具有六相A，B，C，D，E，F(xiàn) 的步進電機通用接口電路，如圖所示。此接口電路可選用LSI并行IO接口芯 片，也可用一片緩沖器和一片鎖存器芯片來組成。其中A口接步進電機驅(qū)動器， 向步進電機提供各相的激磁電流；B口用來檢

39、測步進電機的類型及工作方式選 擇，開關(guān)的狀態(tài)可根據(jù)需要來設(shè)置。 2）步進電機通用的脈沖分配程序設(shè)計 設(shè)計脈沖分配程序方法很多在這里介紹查表法進行程 序設(shè)計，脈沖分配程序應(yīng)具備下列幾個功能 a)根據(jù)工作方式建立通電順序狀態(tài)表，見表所列，該表 列出了三相步進電機的通電順序狀態(tài)字；其它步進電機的通 電順序狀態(tài)字也可依次類推。表中，1代表通電，0代表斷電， “”代表通電次序，箭頭向下代表正轉(zhuǎn)，箭頭向反轉(zhuǎn)。因 此，只要把這張通電狀態(tài)表放在存儲器的某一區(qū)域，在驅(qū)動 步進電機工作時，依次讀取某一指定工作方式的通電狀態(tài)字 到步進電機驅(qū)動器即可。 b)設(shè)置步進電機工作方式的狀態(tài)字 由于步進電機工作方式有種，在系