伺服系統(tǒng)實驗指導(dǎo)書

1、 實驗一 數(shù)控二維平臺實驗指導(dǎo)書數(shù)控二維平臺是數(shù)控系統(tǒng)中的基礎(chǔ)裝置。不難想象，當(dāng)人們對數(shù)控二維平臺配備以不同的第三維方向的設(shè)計便可以滿足不同場合的需求。例如，當(dāng)?shù)谌S設(shè)計成筆架形式時，就可組成一臺繪圖儀，當(dāng)設(shè)計成縫紉機(jī)頭時，就有可能具備電腦提花機(jī)的功能；當(dāng)我們將二維數(shù)控平臺設(shè)計成自動銑床的一部分時，又可以組成一臺電腦雕刻機(jī)等等。本實驗的主要目的。本實驗中，我們給數(shù)控二維平臺配以磁性筆架作為平臺運(yùn)動軌跡的記錄裝置，從中體驗數(shù)控二維平臺的一些基本功能。通過實驗，我們還將進(jìn)一步加深對于數(shù)控裝置和數(shù)控系統(tǒng)的認(rèn)識和理解。本次實驗的任務(wù)是：1 認(rèn)識數(shù)控二維平臺實驗設(shè)備的組成。11 數(shù)控二維平臺實驗設(shè)備總體

2、上由：機(jī)床本體、伺服系統(tǒng)、計算機(jī)控制界面、數(shù)控裝置、測量反饋裝置及相關(guān)的電氣供配電系統(tǒng)組成。12 除機(jī)床本體之外，數(shù)控二維平臺實驗設(shè)備的伺服系統(tǒng)由兩臺步進(jìn)電動機(jī)及其驅(qū)動器組成。步進(jìn)電動機(jī)及驅(qū)動器的技術(shù)參數(shù)見說明書：兩相混合式步進(jìn)電動機(jī)細(xì)分驅(qū)動器SH-20403一文和圖紙：步進(jìn)電動機(jī)及其驅(qū)動器。13 數(shù)控二維平臺實驗設(shè)備的計算機(jī)控制界面用VB6.0編寫，具體使用和操作方法將在本文的第2小節(jié)中介紹。14 在數(shù)控二維平臺實驗設(shè)備中，數(shù)控裝置由以單片機(jī)89C51為核心的自制實驗板卡StepMotorsDriver1組成，該板卡的具體硬件電路可見圖紙：兩維平臺步進(jìn)控制電路。15 數(shù)控二維平臺實驗設(shè)備中提

3、供的測量反饋裝置有兩種，一種是開關(guān)量信號，是由每臺機(jī)床的X、Y軸兩端安裝的干簧管開關(guān)在磁鐵接近時實現(xiàn)的；另一種是由光柵采集的數(shù)字量信號，兩種裝置所采集的信息都要經(jīng)過單片機(jī)處理之后才能實現(xiàn)所要求的功能。16 電氣供配電系統(tǒng)的組成線路和工作原理見兩維數(shù)控平臺電氣線路圖說明書。2 通過實踐操作，體驗數(shù)控二維平臺的基本功能。實驗步驟。21 對照實物設(shè)備和相關(guān)圖紙，認(rèn)識系統(tǒng)的各個功能部分及實現(xiàn)該功能部分的主要元器件。22 檢查系統(tǒng)的電氣連接線路和通信線路，看是否有開路、掉線和接線端子松動或斷頭的現(xiàn)象，如有異常，應(yīng)參考鄰近臺位的接線方式妥善處理。在需要筆錄平臺軌跡的情況下，應(yīng)先設(shè)置好筆桿的初始位置，以保證

4、四周有足夠的劃線工作區(qū)間。23 在確認(rèn)接線無誤的情況下，可將平臺的電源插頭接入220V交流電源插口，此時，平臺系統(tǒng)中5V直流電源LED信號燈亮，此信號表示控制電源已經(jīng)開始供電，5V直流輸出正常；數(shù)控板卡上也應(yīng)有一個LED信號燈量，此信號表示單片機(jī)程序已經(jīng)開始運(yùn)行，目前正處于待命狀態(tài)。24 打開計算機(jī)，在桌面上找到一個名為“DEMO”的VB執(zhí)行文件，雙擊該文件，調(diào)出數(shù)控平臺基本功能實驗界面。25 數(shù)控二維平臺基本功能操作實驗251 自動歸零操作實驗。一般數(shù)控機(jī)床都有一個“開機(jī)恢復(fù)零位”的功能，所謂零位一般是指X軸和Y軸的中點(diǎn)。本實驗研究解決了如何實現(xiàn)這一基本功能的問題。單擊“自動歸零”框架內(nèi)的X

5、按鈕，X軸的“自動歸零”動作開始執(zhí)行：平臺首先自動向X軸的正方向移動，當(dāng)?shù)竭_(dá)正向極限位置時，步進(jìn)電動機(jī)反轉(zhuǎn)，平臺反向朝X軸的負(fù)方向運(yùn)行，與此同時，單片機(jī)開始自動記錄所走過的步數(shù)，當(dāng)平臺到達(dá)負(fù)向的極限位置時，單片機(jī)已經(jīng)獲得了X軸的移動總步數(shù)，并立即計算出到達(dá)X軸中點(diǎn)的步數(shù)，然后平臺又反向朝X軸的正向移動，到達(dá)中點(diǎn)時，平臺便停止運(yùn)行。單擊“自動歸零”框架內(nèi)的Y按鈕，Y軸的自動歸零動作也即刻開始執(zhí)行，其動作過程及原理與上述相同。252 軸向位移操作實驗。數(shù)控運(yùn)動控制指令中有“快速點(diǎn)定位指令G00”該指令是使刀具從當(dāng)前位置以系統(tǒng)設(shè)定的速度快速移動到坐標(biāo)系的另一位置。該功能在筆架不動，平臺運(yùn)動的情況下，

6、可以通過平臺的軸向位移來實現(xiàn)。在“軸向位移”框架內(nèi)，先選中“位移量”組合框，點(diǎn)擊框右側(cè)的下拉按鈕，在下拉列表中，選中需要的位移量，點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵。組合框內(nèi)便顯示出所選的位移量?！拜S向位移”框架內(nèi)的四個命令按鈕，分別標(biāo)明X+、X-、Y+、Y-表示位移的方向。當(dāng)點(diǎn)擊X+按鈕時，平臺將向X軸的正方向移動剛才組合框內(nèi)所選中的位移量。其余按鈕的功能類同?？梢岳幂S向位移功能來繪制X或Y軸方向的直線，當(dāng)所設(shè)定的位移量不夠大時，可以連續(xù)移動若干次，直到達(dá)到所需的位移量?！拜S向位移”的特點(diǎn)是：只有單個步進(jìn)電動機(jī)工作，拖動平臺按單軸方向移動，這是與后面將要說到的直線插補(bǔ)最根本的區(qū)別。253 直線插補(bǔ)操作實驗。該實

7、驗采用了DDA計算法進(jìn)行直線插補(bǔ)，作為直線運(yùn)動控制指令G01的一個平面直線插補(bǔ)的實例進(jìn)行演示。在“直線插補(bǔ)”框架內(nèi)，先選中“選擇長度”組合框，點(diǎn)擊框右側(cè)的下拉按鈕，在下拉列表中，選中需要的直線插補(bǔ)長度，點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵。組合框內(nèi)便顯示出所選的直線插補(bǔ)長度?！爸本€插補(bǔ)”框架內(nèi)的四個命令按鈕，分別標(biāo)明L1、L2、L3、L4，表示本次直線插補(bǔ)的直線象限。直線插補(bǔ)一般都是從當(dāng)前起點(diǎn)（坐標(biāo)原點(diǎn)）算起，當(dāng)點(diǎn)擊L1按鈕時，平臺將進(jìn)行第1象限的直線插補(bǔ)工作，插補(bǔ)到剛才組合框內(nèi)所選中的直線長度為止。其余按鈕L2、L3、L4將分別進(jìn)行第2、第3、第4象限的直線插補(bǔ)的工作，操作方法與前述類同。DDA直線插補(bǔ)算法可以實現(xiàn)

8、豐富的加工軌跡，本實驗中，僅提供了與軸向成45度斜線段的插補(bǔ)實例。254 順圓弧插補(bǔ)操作實驗。該實驗采用了DDA計算法進(jìn)行順圓弧插補(bǔ)，作為順時針方向圓弧運(yùn)動控制指令G02的一個實例進(jìn)行演示。在“順圓弧插補(bǔ)”框架內(nèi)，先選中“選擇半徑”組合框，點(diǎn)擊框右側(cè)的下拉按鈕，在下拉列表中，選中需要的圓弧插補(bǔ)半徑，點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵，組合框內(nèi)便顯示出所選的圓弧插補(bǔ)半徑長度?！绊槇A弧插補(bǔ)”框架內(nèi)的四個命令按鈕，分別標(biāo)明SR1、SR2、SR3、SR4，表示本次順圓弧插補(bǔ)的工作象限。圓弧插補(bǔ)一般都是從當(dāng)前起點(diǎn)算起，當(dāng)點(diǎn)擊SR1按鈕時，平臺將進(jìn)行第1象限的順圓弧插補(bǔ)工作，插補(bǔ)時以剛才組合框內(nèi)所選中的長度為半徑。其余按鈕SR

9、2、SR3、SR4將分別進(jìn)行第2、第3、第4象限的順圓弧插補(bǔ)的工作，操作方法與前述類同。本實驗中，各按鈕功能都能提供90度順時針圓弧插補(bǔ)的實例。實驗中，若按SR1、SR4、SR3、SR2的順序逐次點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕，可以獲得一個整圓。255 逆圓弧插補(bǔ)操作實驗。該實驗采用了DDA計算法進(jìn)行逆圓弧插補(bǔ)，作為逆時針方向圓弧運(yùn)動控制指令G03的一個實例進(jìn)行演示。在“逆圓弧插補(bǔ)”框架內(nèi)，先選中“選擇半徑”組合框，點(diǎn)擊框右側(cè)的下拉按鈕，在下拉列表中，選中需要的圓弧插補(bǔ)半徑，點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵，組合框內(nèi)便顯示出所選的圓弧插補(bǔ)半徑長度?！澳鎴A弧插補(bǔ)”框架內(nèi)的四個命令按鈕，分別標(biāo)明NR1、NR2、NR3、NR4，表示本次

10、逆圓弧插補(bǔ)的工作象限。圓弧插補(bǔ)一般都是從當(dāng)前起點(diǎn)算起，當(dāng)點(diǎn)擊NR1按鈕時，平臺將進(jìn)行第1象限的逆圓弧插補(bǔ)工作，插補(bǔ)時以剛才組合框內(nèi)所選中的長度為半徑。其余按鈕SR2、SR3、SR4將分別進(jìn)行第2、第3、第4象限的逆圓弧插補(bǔ)的工作，操作方法與前述類同。本實驗中，各按鈕功能都能提供90度逆時針圓弧插補(bǔ)的實例。實驗中，若按NR1、NR2、NR3、NR4的順序逐次點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕，可以獲得一個整圓。需要說明的是，由于單片機(jī)驅(qū)動程序中，已經(jīng)在兩個坐標(biāo)軸的四個極限位置都設(shè)置了限位保護(hù)的功能，在實現(xiàn)軸向位移、直線插補(bǔ)或圓弧插補(bǔ)過程中，只要有任一方向上的限位開關(guān)動作，就有可能使本次操作中途失敗，此時的癥狀是：插補(bǔ)

11、尚未到位，但電動機(jī)已經(jīng)不轉(zhuǎn)動了。在這種情況下，可以先觀察在哪個方向上最有可能發(fā)生了限位動作，然后選擇在與該方向相反的方向上再進(jìn)行一次操作，這樣，就有可能擺脫原有的困境。例如，發(fā)現(xiàn)在X-方向的限位有可能已經(jīng)動作了，只需選擇X+方向的軸向位移20mm就能夠使該電動機(jī)恢復(fù)運(yùn)行。256 光柵數(shù)顯操作實驗。1）光柵校驗操作實驗?zāi)康模菏褂霉鈻艑Σ竭M(jìn)電動機(jī)的步距進(jìn)行測量。光柵選擇：本實驗應(yīng)使用安裝在二維平臺X軸方向的光柵。在實驗前應(yīng)選擇X軸向的光柵，并將其插入數(shù)控板卡的下RS232插座上。在光柵數(shù)顯框架內(nèi)，設(shè)置有三個文本框和三個命令按鈕。用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊“光柵校驗+”按鈕，平臺將向X軸的+方向移動，X軸的步進(jìn)

12、電動機(jī)按程序?qū)⑦B續(xù)走2000步，然后停止。單片機(jī)在發(fā)出步進(jìn)脈沖的同時便開始記錄光柵發(fā)出的莫爾條紋的條數(shù)，只要發(fā)完2000個步進(jìn)脈沖，便將所記錄到的光柵總數(shù)以16進(jìn)制數(shù)的形式發(fā)送給PC機(jī)，PC機(jī)在VB程序的作用下將該原始數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在第三個文本框內(nèi)。該數(shù)據(jù)中的第一個數(shù)字用來確定運(yùn)動的方向，當(dāng)平臺正向運(yùn)行時該數(shù)字被賦值為“0”，負(fù)向運(yùn)行時該數(shù)被賦值為“F”。VB程序在獲得這個原始數(shù)據(jù)之后，立即將其處理成人們熟悉的形式，于是就有了第一個文本框內(nèi)的光柵條數(shù)（十進(jìn)制整數(shù)）和第二和文本框內(nèi)的實際位移量（單位：mm）。不難看出，這個實際的位移量是根據(jù)光柵的柵距（為20um）計算出來的?？紤]到單向運(yùn)行有可能偏離零

13、位，所以又增加了反向運(yùn)行的“光柵校驗-”按鈕的功能，可以使步進(jìn)電動機(jī)反向運(yùn)行2000步，此舉亦有助于檢驗光柵辨別方向的功能。2）光柵數(shù)顯操作實驗?zāi)康模菏褂霉鈻艑崪y隨機(jī)位移量。光柵選擇：本實驗應(yīng)使用安裝在工作臺位Y軸方向的光柵。在實驗前應(yīng)選擇Y軸向的光柵，并將其插入數(shù)控板卡的下RS232插座上。實驗步驟：1）用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊“光柵數(shù)顯”命令按鈕，文本框內(nèi)將顯示“00”，表示已經(jīng)進(jìn)入運(yùn)行程序，等待移動短光柵。2）用手指向前（或向后）移動短光柵若干mm（請注意移動距離不要超出光柵的有效工作區(qū)，該工作區(qū)由長光柵上的前后兩個小紅點(diǎn)確定）。3）按一下數(shù)控板卡左側(cè)第二個按鈕AN2，確認(rèn)光柵的移動已經(jīng)完成，計算

14、機(jī)DEMO界面上的三個文本框內(nèi)立即顯示出本次光柵移動的方向、光柵數(shù)和實際移動距離。順便需要說明的是，數(shù)控板卡左側(cè)第一個按鈕AN1是單片機(jī)的復(fù)位按鈕，一旦出現(xiàn)單片機(jī)死機(jī)的情況，即可使用該按鈕使單片機(jī)復(fù)位。3 實驗思考題31 根據(jù)本次實驗的結(jié)果可以計算出，你所工作的臺位X軸步進(jìn)電動機(jī)的步距是多少？32 同一象限內(nèi)的順時針圓弧插補(bǔ)和逆時針圓弧插補(bǔ)有何區(qū)別？33 為什么在進(jìn)行圓弧插補(bǔ)時，要首先確定是“順圓弧插補(bǔ)”還是“逆圓弧插補(bǔ)”？34 請使用二維平臺上的筆架設(shè)備畫出如下圖形（單位：mm）圖中，所有圓角R=5實驗二 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行實驗1 步進(jìn)電機(jī)的基本原理在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)是一種非常重要的自

15、動化執(zhí)行元件，它能將電脈沖轉(zhuǎn)化為電動機(jī)軸的角位移。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號, 它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角”), 當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器一個一個地接收到若干個脈沖時，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。因此，可以通過控制進(jìn)給脈沖的個數(shù)來控制電動機(jī)的角位移量, 從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；與此同時，還可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度, 從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)具有快速啟停能力。如果負(fù)荷不超過步進(jìn)電機(jī)所提供的動態(tài)轉(zhuǎn)矩值，采用給不給脈沖的方式就能夠在“一剎那”使步進(jìn)電機(jī)啟動或停轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)速率一般為2001000步/秒，如果步進(jìn)電機(jī)從最低速度逐漸加

16、速到最高轉(zhuǎn)速，然后再逐漸減速到0，其間，雖步進(jìn)速率變化1-2倍，仍不會失掉一步。因此步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn), 可廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制系統(tǒng)之中?，F(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)有：反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)( VR) 、永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM) 、混合式步進(jìn)電機(jī)(HB) 和單相式步進(jìn)電機(jī)等。1.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理現(xiàn)在以磁阻式步進(jìn)電機(jī)為例，介紹步進(jìn)電機(jī)的工作原理。圖1-1所示是磁阻式步進(jìn)電機(jī)工作原理示意圖。圖示步進(jìn)電動機(jī)的定子上有六個極,轉(zhuǎn)子有四個極。定子磁極上繞有三組繞組,每組繞組由相互串聯(lián)的兩個線圈構(gòu)成。一組繞組叫做一相。因此,圖1- 1所示的電機(jī)為三相

17、步進(jìn)電機(jī)。直流電源通過開關(guān)I、和與三相繞組聯(lián)接,當(dāng)某相開關(guān)閉合時，就有驅(qū)動電流流過繞在相應(yīng)定子上的繞組。狀態(tài)(1) ,開關(guān)I閉合,A相通電。由于A相繞組受到激磁,空氣隙里出現(xiàn)如箭頭所示的磁場。A相上的兩個定子磁極和兩個轉(zhuǎn)子齒對準(zhǔn),轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)。若再閉合開關(guān)激勵B相,如狀態(tài)(2)所示, B相的定子磁極以同樣的方式產(chǎn)生磁場。在磁力線的張力作用下,產(chǎn)生逆時針方向的轉(zhuǎn)矩。于是,轉(zhuǎn)子沿逆時針方向轉(zhuǎn)過一個固定的角度,到達(dá)狀態(tài)(3) 。圖中,轉(zhuǎn)過的角度為15°。如果現(xiàn)在打開開關(guān)I,去掉A相的激磁, 轉(zhuǎn)子將再轉(zhuǎn)15°,到達(dá)狀態(tài)(4) 。因此,轉(zhuǎn)子的角位置可以用這種開關(guān)方式進(jìn)行控制。若開

18、關(guān)以某種時序轉(zhuǎn)換,則轉(zhuǎn)子就能以步進(jìn)運(yùn)動的方式連續(xù)旋轉(zhuǎn);若進(jìn)一步使時序轉(zhuǎn)換的速度可調(diào),則平均速度也能用這種開關(guān)方式進(jìn)行控制。1.2 步進(jìn)電機(jī)的一些基本參數(shù)(1) 電機(jī)固有步距角它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進(jìn)脈沖信號, 電機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度。電機(jī)出廠時給出了一個步距角的值, 如57BYG46403 型電機(jī)給出的值為0.9°/1.8°( 表示半步工作時為0.9°、整步工作時為1.8°) , 這個步距角可以稱之為電機(jī)固有步距角, 它不一定是電機(jī)實際工作時的真正步距角,真正的步距角和驅(qū)動器有關(guān)。(2) 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)是指電機(jī)內(nèi)部的線圈組數(shù), 目前常用的有二相、三相、四相、

19、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同, 其步距角也不同, 一般二相電機(jī)的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72°。在沒有細(xì)分驅(qū)動器時, 用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動器, 則相數(shù)將變得沒有意義, 用戶只需在驅(qū)動器上改變細(xì)分?jǐn)?shù), 就可以改變步距角。(3)保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動時, 定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一, 通常步進(jìn)電機(jī)在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減

20、, 輸出功率也隨速度的增大而變化, 所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如, 當(dāng)人們說2N.m 的步進(jìn)電機(jī), 在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī)。（4）啟動頻率（fq0）空載時，步進(jìn)電動機(jī)由靜止突然啟動，并進(jìn)入不丟步的正常運(yùn)行所允許的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率，用fq表示。若啟動時頻率大于突跳頻率，步進(jìn)電動機(jī)就不能正常啟動。Fq與負(fù)載慣量有關(guān)，一般說來隨著負(fù)載慣量的增長而下降?？蛰d起動時，步進(jìn)電動機(jī)定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率。1.3 步進(jìn)電機(jī)的控制方法采用計算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的典型原理框圖1-2如下圖所示。 計算機(jī)通過輸出接口，按一定的

21、規(guī)則輸出脈沖控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路放大后，分別作用在步進(jìn)電機(jī)的每一相上，步進(jìn)電機(jī)就會按預(yù)定的方向和步進(jìn)速度工作。常用的步進(jìn)電機(jī)有三相、四相、五相、六相 4種。本實驗所用的步進(jìn)電機(jī)是兩相步進(jìn)電機(jī)。1.4 步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動技術(shù)步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行需要各相電流滿足一定的時序要求, 而電磁力的大小與繞組通電電流的大小有關(guān), 如果繞組中電流不再是方波, 而是一個分成個臺階的近似階梯波, 電機(jī)每運(yùn)行一個階梯即轉(zhuǎn)動一步。當(dāng)轉(zhuǎn)動小步時, 實際上相當(dāng)于轉(zhuǎn)過一個步距角, 這就是所謂的細(xì)分。以二相步進(jìn)電機(jī)為例式（1）、式（2）為A、B相電流公式, 式(3)、式(4)則為分別的力矩。這里是轉(zhuǎn)矩的常量, 矢

22、量合成式（3）、式（4）得到 可見, 細(xì)分前后合成力矩并沒有變化, 但是電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性卻增加了。圖1-3的上半部分為整步運(yùn)行下的A、B兩相的電流圖?？梢钥闯?、2、3、4點(diǎn)的合成力矩相等, 但是連續(xù)性不好, 尤其在低頻運(yùn)行時會有明顯的振動。而經(jīng)過細(xì)分的則不同, 如圖下半部分所示, 將整步的一拍分成了四步來完成, 即四細(xì)分。每一微步的電流合成大小都一樣, 這樣使得每一步過渡更加平穩(wěn), 有效抑制了振動, 并減少了失步。由此可見， 細(xì)分驅(qū)動能極大地改善步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性,近幾年來由于微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展, 細(xì)分技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。2步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動實驗21 實驗?zāi)康模?）了解二維數(shù)控微型機(jī)床的電氣

23、控制系統(tǒng)的電路原理。（2）了解STEP1單片機(jī)步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動板卡的作用和工作原理。（3）了解韋福單片機(jī)仿真器開發(fā)系統(tǒng)的使用方法。（4） 熟悉數(shù)控二維平臺步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動原理和驅(qū)動程序。22 實驗設(shè)備計算機(jī)，韋福V5/T仿真開發(fā)器，二維數(shù)控微型機(jī)床，STEP1單片機(jī)板卡23 實驗原理二維數(shù)控微型機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)和STEP1單片機(jī)板卡的電路原理請閱二維數(shù)控平臺步進(jìn)伺服系統(tǒng)電氣線路說明書；韋福單片機(jī)仿真器的使用方法請參閱WV軟件中的“幫助”菜單中的內(nèi)容。本系統(tǒng)原是一個單片機(jī)控制系統(tǒng)，現(xiàn)使用了由計算機(jī)和韋福仿真器構(gòu)成的在線仿真系統(tǒng)，目的是讓學(xué)生能直觀地通過計算機(jī)屏幕看到運(yùn)行程序在單片機(jī)內(nèi)的工作情況，

24、學(xué)生可以在熟悉控制程序的基礎(chǔ)上對程序進(jìn)行修改，然后再運(yùn)行程序，看看運(yùn)行的結(jié)果如何，比較與修改前有何不同。通過這樣的參與和互動，提高自己對程序的認(rèn)識和理解，進(jìn)而提高自己使用計算機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)的能力。24 實驗步驟（1）連接實驗設(shè)備。連接數(shù)控微型機(jī)床的插頭JP、JX和JY，將其插入單片機(jī)板卡STEP1的對應(yīng)插座上；連接WV仿真器的單片機(jī)插頭，將其正確地插入單片機(jī)板卡STEP1的對應(yīng)單片機(jī)芯片的插座上，此時應(yīng)注意對應(yīng)管腳必須完全正確；連接WV仿真器與計算機(jī)的USB通信線；連接WV仿真器的專用電源插件并將其插入交流220V電源。閉合WV仿真器的電源開關(guān)。（2）調(diào)用WV仿真軟件。用鼠標(biāo)左鍵雙擊計算機(jī)桌

25、面上的WV軟件標(biāo)志，打開WV單片機(jī)仿真軟件。軟件被打開后，通過自動檢測，會顯示一個關(guān)于仿真方式和當(dāng)前使用的仿真頭的型號的提示：“仿真方式：韋福軟件模擬器/型號：POD-H8X5X（Atmel:AT89C51）”操作者可點(diǎn)擊提示牌上的按鈕“好”即可確認(rèn)，進(jìn)入WV仿真軟件的主界面操作。（3）設(shè)置WV仿真軟件。用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊WV仿真軟件主界面上第一行菜單中的“仿真器（O）”，會出現(xiàn)一個下拉菜單，從中選擇并點(diǎn)擊第一項：“仿真器設(shè)置.”后，可以進(jìn)入“仿真器設(shè)置”界面。在這個界面中，請進(jìn)行如下設(shè)置： 在“選擇仿真器”欄中，請選中V5/T 在“選擇仿真頭”欄中，請選中POD-H8X5X 在“選擇廠商”欄中，

26、請選中AT89C51 將“使用韋福軟件模擬器”前面復(fù)選框中的“”去除 將“晶體頻率（HZ）改為11059200 再點(diǎn)擊“仿真頭設(shè)置”按鈕，在彈出的“仿真頭設(shè)置”對話框中I選中：P0、P2口僅做為I/O使用II選中：時鐘輸出端XTAL2輸出低III點(diǎn)擊“好”確認(rèn)后，退出“仿真頭設(shè)置”對話框 在返回“仿真器設(shè)置”界面后，點(diǎn)擊該界面中的“好”，表示確認(rèn)后退出“仿真器設(shè)置”界面。此時，計算機(jī)將重新與仿真器通信，對仿真器的設(shè)置進(jìn)行更新后返回WV仿真軟件的主界面。（4）調(diào)用單片機(jī)程序。在WV仿真軟件的主界面上，用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊WV仿真軟件主界面上第一行菜單中的“文件（F）”，在隨后出現(xiàn)的下拉菜單上選中“打開

27、文件”并點(diǎn)擊，在隨后出現(xiàn)的“打開文件”對話框中，選擇文件路徑為：D：自制設(shè)備實驗程序AMXHL并打開，AMXHL的匯編語言源程序便出現(xiàn)在主界面上。 org 0000h ;本程序使平臺由高位向低位平移2000步(約10mm) ajmp start org 0050hstart: mov sp,#65h clr p1.4 ;進(jìn)入程序標(biāo)志 clr p0.2 clr p0.3 clr p0.4 clr p2.2 clr p2.3 clr p2.4 ;初始化工作端口main: clr p1.5 ;開始供電 setb p2.3 ;確定運(yùn)動方向 mov r7,#14h ;20lop: mov r0,#64h

28、 ;100lop1: jb p2.0,noxx ;查限位 ajmp startnoxx: acall stepx ;X走步 djnz r0,lop1 djnz r7,lopwait: ajmp wait ;踏步stepx: setb p2.2 ; X走步子程序 acall delay1 ; 調(diào)用延時子程序1 clr p2.2 acall delay2 ; 調(diào)用延時子程序2 retstepy: setb p0.2 ; Y走步子程序 acall delay1 clr p0.2 acall delay2 retdelay1: mov r4,#0ahdela4: djnz r4,dela4 ; 延時時

29、間為10us retdelay2: mov r6,#05hdela5: mov r5,#0c8hdela3: djnz r5,dela3 ; 延時時間為1000us djnz r6,dela5 ret endAMXHL是一個能使平臺作軸向平移的工作程序，其作用是：程序每執(zhí)行一次，便可讓平臺沿X軸向由高位（右）向低位（左）平移10mm。平移功能程序組由四個程序組成。另外三個程序中，AMXLH的作用是：程序每執(zhí)行一次，可以讓平臺沿X軸向由低位（左）向高位（右）平移10mm；AMYLH的作用是：程序每執(zhí)行一次，可以讓平臺沿Y軸向由低位（前）向高位（后）平移10mm；與之相對應(yīng)，AMYHL的作用是：程

30、序每執(zhí)行一次，便可讓平臺沿Y軸向由高位（后）向低位（前）平移10mm。這組程序結(jié)構(gòu)最為簡單，從程序中，我們可以清楚地看出單片機(jī)是如何控制步進(jìn)電動機(jī)按程序預(yù)先規(guī)定的方向、速度和步數(shù)工作的。而這種形式的控制是普通交直流電動機(jī)無法實現(xiàn)的。建議學(xué)生在做后續(xù)的項目實驗之前，先預(yù)習(xí)熟悉和理解AMXHL程序。只有在理解單片機(jī)軟件的基礎(chǔ)之上，做本實驗才能收到預(yù)期的效果。（5）程序調(diào)出之后，用左鍵點(diǎn)擊WV仿真器軟件菜單欄中的“項目（P）”，在隨后出現(xiàn)的下拉式菜單中，點(diǎn)擊“編譯”項，WV軟件平臺的左下方的信息窗口中便會出現(xiàn)有關(guān)程序已通過編譯的提示。（當(dāng)然，如果學(xué)生已經(jīng)修改過程序，而且在修改中發(fā)生了錯誤時，該窗口也

31、會給出“出錯”信息的提示）。（6）在程序通過編譯之后，便可以運(yùn)行了，在運(yùn)行之前，還需先檢查一下電源供電是否正常（一般只需觀察二維平臺控制電源板上的發(fā)光管是否已經(jīng)點(diǎn)亮便可確認(rèn)），如果發(fā)光管不亮，應(yīng)首先檢查二維平臺的電源插頭是否已經(jīng)插入電源插座之中。在確認(rèn)機(jī)床外圍電路供電正常之后，便可運(yùn)行程序。方法是：用左鍵點(diǎn)擊WV仿真器軟件菜單欄中的“執(zhí)行（R）”，在隨后出現(xiàn)的下拉式菜單中，點(diǎn)擊“全速運(yùn)行”項，機(jī)床便開始運(yùn)動，根據(jù)本程序設(shè)定，步進(jìn)電動機(jī)在走了2000步之后，就自動停止運(yùn)行了。（7）電動機(jī)停止運(yùn)行，表明程序已經(jīng)執(zhí)行到了某一個循環(huán)點(diǎn)，程序本身仍在執(zhí)行之中。此時應(yīng)再次用左鍵點(diǎn)擊WV仿真器軟件菜單欄中的

32、“執(zhí)行（R）”，在隨后出現(xiàn)的下拉式菜單中，點(diǎn)擊“暫?！表?，使程序中止運(yùn)行，此時可以觀察到程序中止的當(dāng)前位置以及相關(guān)RAM中的數(shù)據(jù)。（8）程序的復(fù)位。在程序進(jìn)入暫停之后，用左鍵再次點(diǎn)擊WV仿真器軟件菜單欄中的“執(zhí)行（R）”，在隨后出現(xiàn)的下拉式菜單中，點(diǎn)擊“復(fù)位”項，使程序完全退出運(yùn)行狀態(tài)，重新回到了調(diào)試狀態(tài)。（9）在程序復(fù)位后，可以對程序按如下不同的項目進(jìn)行修改，然后重新編譯、運(yùn)行程序。每次修改和運(yùn)行，都實現(xiàn)了某項知識點(diǎn)的實驗和驗證。25 實驗項目和結(jié)果分析為了記錄下平臺的運(yùn)動軌跡，在做以下實驗前，請及時調(diào)整筆架及筆桿的位置。（1）改變二維平臺運(yùn)行方向的實驗實驗步驟A、先再次運(yùn)行AMXHL程序，

33、根據(jù)筆架記錄的軌跡確定平臺的運(yùn)行方向。B、將程序復(fù)位。C、修改單片機(jī)程序的第13行，將原來的“SETB P2.3”改為“CLR P2.3”D、編譯、運(yùn)行修改后的程序，觀察平臺的運(yùn)行方向和軌跡。問題與思考：A、程序修改前后的運(yùn)行情況有何變化？為什么？B、對Y軸的驅(qū)動程序AMYHL是否也可做相同的處理？（2）實測和計算步進(jìn)電動機(jī)的脈沖當(dāng)量值的實驗實驗步驟A、用卷尺測量實驗（1）中所得到的平臺移動的軌跡長度，并記錄在案。B、根據(jù)程序所規(guī)定的步進(jìn)脈沖總數(shù)計算出本次實驗中，步進(jìn)電動機(jī)的脈沖當(dāng)量的平均值。問題與思考A、你是如何計算出本次實驗中步進(jìn)電動機(jī)的實際運(yùn)行步數(shù)的？B、你認(rèn)為這種測量脈沖當(dāng)量的方法是否

34、很精確？C、你認(rèn)為最簡單的提高測量脈沖當(dāng)量的方法是什么？（3）改變步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行步數(shù)的實驗實驗步驟A、將程序復(fù)位。B、修改單片機(jī)程序的第14行，將原來的“mov r7,#14h”改為“mov r7,#28h”C、編譯、運(yùn)行修改后的程序，觀察和記錄平臺的運(yùn)行軌跡。D、用卷尺量出此次平臺運(yùn)行所繪出的軌跡長度。問題與思考A、在此次運(yùn)行中，單片機(jī)給步進(jìn)驅(qū)動器發(fā)出了多少個脈沖？B、與程序運(yùn)行前相比，平臺的運(yùn)行軌跡發(fā)生了怎樣的變化？（4）改變步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行速度的實驗實驗步驟A、將程序復(fù)位，并恢復(fù)修改過的單片機(jī)程序B、將單片機(jī)原程序中的倒數(shù)第6行“delay2: mov r6,#05h”修改為“delay2

35、: mov r6,#0fh”C、編譯、運(yùn)行修改后的程序，根據(jù)步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行時發(fā)出的聲音頻率作出判斷問題與思考A、程序修改后，步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行速度發(fā)生了怎樣的變化？為什么？B、要提高步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行速度，應(yīng)當(dāng)采用什么方法？C、通過實驗，說說步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以無限制地提高嗎？為什么？（5）步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器細(xì)分驅(qū)動功能的實驗實驗步驟A、將程序復(fù)位，并恢復(fù)修改過的單片機(jī)程序B、找到X軸步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器上的撥碼開關(guān)，觀察“細(xì)分”區(qū)間的三檔開關(guān)，記錄下目前該開關(guān)的設(shè)置位置。C、改變“細(xì)分”區(qū)間三檔開關(guān)的設(shè)置，將其按8倍細(xì)分的位置設(shè)定。D、編譯、運(yùn)行恢復(fù)后的程序，觀察和記錄平臺的運(yùn)行軌跡。E、用卷尺量出此

36、次平臺運(yùn)行所繪出的軌跡長度。問題與思考A、步進(jìn)驅(qū)動器的細(xì)分開關(guān)原先是按幾倍細(xì)分設(shè)置的？B、現(xiàn)改變?yōu)?倍細(xì)分后，平臺的運(yùn)行軌跡長度發(fā)生了怎樣的變化？C、發(fā)生這樣的變化，其原因是什么？實驗三 力矩式自整角機(jī)實驗一實驗?zāi)康?了解力矩式自整角機(jī)精度和特性的測定方法。2掌握力矩式自整角機(jī)系統(tǒng)的工作原理和應(yīng)用知識。 二預(yù)習(xí)要點(diǎn)1力矩式自整角機(jī)的工作原理。2力矩式自整角機(jī)精度與特性的測試方法。 三實驗項目1測定力矩式自整角發(fā)送機(jī)的零位誤差。2測定力矩式自整角機(jī)的靜態(tài)誤差。 四實驗設(shè)備及儀器1電機(jī)系統(tǒng)教學(xué)實驗臺主控制屏2自整角機(jī)實驗儀五實驗方法1測定力矩式自整角發(fā)送機(jī)的零位誤差Dq0測量線路如圖6-2所示。勵

37、磁繞組兩端L1L2施加額定激勵電壓UN(220V)；將整步繞組T2-T3端接數(shù)字式交流電壓表，測輸出電壓。旋轉(zhuǎn)刻度盤，找出輸出電壓為最小的位置作為基準(zhǔn)電氣零位。從基準(zhǔn)電氣零位開始，刻度盤每轉(zhuǎn)過60°，整步繞組中有一線間電勢為零的位置。此位置稱作理論電氣零位。整步繞組三線間共有6個零位。實驗時，對應(yīng)T2-T3，轉(zhuǎn)子從基準(zhǔn)電氣零位正方向轉(zhuǎn)動0°、180°；則T3-T1轉(zhuǎn)至60°、240°；T1-T2轉(zhuǎn)至120°、300°。實測整步繞組三線間6個輸出電壓為最小值的相應(yīng)位置角度與電氣角度并記錄于表6-5中。表6-5理論上應(yīng)轉(zhuǎn)角度基準(zhǔn)

38、電氣零位+180°+60°+240°+120°+300°刻度盤實際轉(zhuǎn)角誤差注意：機(jī)械角度超前為正誤差，滯后為負(fù)誤差，取其正、負(fù)最大誤差絕對值之和的一半，此誤差值即為發(fā)送機(jī)的零位誤差Dq0，以角分表示。力矩式自整角發(fā)送機(jī)的精度由零位誤差來確定。2測定力矩式自整角機(jī)的靜態(tài)誤差Dqjt在力矩式自整角機(jī)系統(tǒng)中，靜態(tài)協(xié)調(diào)時，接收機(jī)與發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角之差即靜態(tài)誤差Dqjt，以角度表示。實驗接線仍如圖6-3所示。將發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的勵磁繞組加額定勵磁電壓220V，待穩(wěn)定后，把發(fā)送機(jī)和接收機(jī)調(diào)整在0°位置，緩慢旋轉(zhuǎn)發(fā)送機(jī)刻度盤，每轉(zhuǎn)過20°，測取接收機(jī)實際轉(zhuǎn)過的角度并記錄于表6-6中。 表6-6發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)角0°20°40°60°80°100°120°140°160°接收機(jī)轉(zhuǎn)角誤差發(fā)送機(jī)轉(zhuǎn)角180°200°220°240&