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1、第5章 數(shù)字控制技術(shù)5.1 數(shù)字控制基礎(chǔ)數(shù)字控制主要用于數(shù)控機(jī)床、線切割機(jī)、焊接機(jī)、氣割機(jī)以及低速小型數(shù)字繪圖儀等。數(shù)控機(jī)床可以加工形狀復(fù)雜的零件,具有加工精度高、生產(chǎn)效率高、便于改變加工零件品種等眾多優(yōu)點(diǎn),是機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動化的發(fā)展方向。對于不同的設(shè)備,其控制系統(tǒng)有所不同,但基本的數(shù)字控制原理是相同的。5.1.1 數(shù)字控制的基本原理n平面曲線圖形如圖5-1所示,下面分析如何利用計算機(jī)在繪圖儀或加工裝置上重現(xiàn),下面分四步。 byxacdO圖5-1 曲線分段n1)將此曲線分割成若干線段,可以是直線段,也可是曲線段,把該圖分割成3段,即 , 和弧線 ,然后把a(bǔ),b,c,d四點(diǎn)坐標(biāo)記下來并送給計算機(jī)。n
2、2)當(dāng)給定a,b,c,d各點(diǎn)坐標(biāo)和x,y值之后,如何確定各坐標(biāo)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(bǔ)。插補(bǔ)計算的宗旨是通過給定的基點(diǎn),以一定的速度連續(xù)定出一系列中間點(diǎn),而這些中間點(diǎn)的坐標(biāo)值是以一定的精度逼近給定的線段的。 abbccdn3)把插補(bǔ)運(yùn)算過程中定出的各中間點(diǎn),以脈沖信號形式去控制x,y方向上的步進(jìn)電機(jī),帶動畫筆、刀具或線電機(jī)運(yùn)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(jìn)電機(jī)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(dāng)量,又稱為步長,常用 和 來表示,并且總是取 = 。n圖5-2是一段用折線
3、逼近直線的直線插補(bǔ)線段,其中 代表該線段的起點(diǎn)坐標(biāo)值, 代表終點(diǎn)坐標(biāo)值,則x方向和y方向應(yīng)移動的總步數(shù) 和 分別為 xyxy)(00yx ,)(eyx ,exNyNe0 xxxNxe0yyyNyn如果把 和 約定為坐標(biāo)增量值,即 均是以脈沖當(dāng)量定義的坐標(biāo)值,則yxO(xe, ye)(x0, y0)圖5-2 用折線逼近直線段xyeeYXYX,00 xe0ye0NXXNYY5.1.2 數(shù)字控制方式數(shù)控系統(tǒng)按控制方式來分類,可以分為點(diǎn)位控制、直線切削控制和輪廓切削控制,以上三種控制方式均是運(yùn)動的軌跡控制。n1點(diǎn)位控制n在一個點(diǎn)位控制系統(tǒng)中,只要求控制刀具行程終點(diǎn)的坐標(biāo)值,即工件加工點(diǎn)準(zhǔn)確定位,至于刀
4、具從一個加工點(diǎn)移到下一個加工點(diǎn)走什么路徑、移動的速度、沿哪個方向都無需規(guī)定,并在移動過程中不做任何加工,只是在準(zhǔn)確到達(dá)指定位置后才開始加工。在機(jī)床加工行業(yè),鉆床、沖床、鏜床采用這類控制。n2直線切削控制n這種控制也主要是控制行程的終點(diǎn)坐標(biāo)值,不過還要求刀具相對于工件平行某一直角坐標(biāo)軸作直線運(yùn)動,且在運(yùn)動過程中進(jìn)行切削加工。n需要這類控制的有銑床、車床、磨床、加工中心等。n3輪廓的切削控制n這類控制的特點(diǎn)是能夠控制刀具沿工件輪廓曲線不斷地運(yùn)動,并在運(yùn)動過程中將工件加工成某一形狀。這種方式是借助于插補(bǔ)器進(jìn)行的,插補(bǔ)器根據(jù)加工的工件輪廓向每一坐標(biāo)軸分配速度指令,以獲得圖紙坐標(biāo)點(diǎn)之間的中間點(diǎn)。n這類控
5、制用于銑床、車床、磨床、齒輪加工機(jī)床等。5.1.3 開環(huán)數(shù)字控制n計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)主要分為開環(huán)數(shù)字控制和閉環(huán)數(shù)字控制兩大類,由于它們的控制原理不同,因此其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差異很大。n1閉環(huán)數(shù)字控制n閉環(huán)數(shù)字控制的結(jié)構(gòu)圖如圖5-3所示。這種結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)多采用直流電壓(小慣量伺服電機(jī)和寬調(diào)速力矩電機(jī))作為驅(qū)動元件,反饋測量元件采用光電編碼器(碼盤)、光柵、感應(yīng)同步器等,該控制方式主要用于大型精密加工機(jī)床,但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難于調(diào)整和維護(hù),一些常規(guī)的數(shù)控系統(tǒng)很少采用。n2開環(huán)數(shù)字控制n開環(huán)數(shù)字控制的結(jié)構(gòu)如圖5-4所示,這種控制結(jié)構(gòu)沒有反饋檢測元件,工作臺由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。步進(jìn)電機(jī)接收步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路發(fā)來的指令脈沖
6、作相應(yīng)的旋轉(zhuǎn),把刀具移動到與指令脈沖相當(dāng)?shù)奈恢茫劣诘毒呤欠竦竭_(dá)了指令脈沖規(guī)定的位置,那是不受任何檢查的,因此這種控制的可靠性和精度基本上由步進(jìn)電機(jī)和傳動裝置來決定。計算機(jī)D/A伺服電機(jī)驅(qū)動電路伺服電機(jī)工作臺測量元件圖5-3 閉環(huán)數(shù)字控制n開環(huán)數(shù)字控制結(jié)構(gòu)簡單,并且可靠性高、成本低、易于調(diào)整和維護(hù)等,應(yīng)用最為廣泛。由于采用了步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動元件,使得系統(tǒng)的可控性變得更加靈活,更易于實(shí)現(xiàn)各種插補(bǔ)運(yùn)算和運(yùn)動軌跡控制。計算機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路步進(jìn)電機(jī)工作臺圖5-4 開環(huán)數(shù)字控制5.2 逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理n所謂逐點(diǎn)比較法插補(bǔ),就是刀具或繪圖筆每走一步都要和給定軌跡上的坐標(biāo)值進(jìn)行比較,看這點(diǎn)在給定軌跡的上
7、方或下方,或是給定軌跡的里面或外面,從而決定下一步的進(jìn)給方向。n逐點(diǎn)比較法是以階梯折線來逼近直線或圓弧等曲線的,它與規(guī)定的加工直線或圓弧之間的最大誤差為一個脈沖當(dāng)量,因此只要把脈沖當(dāng)量(每走一步的距離即步長)取得足夠小,就可達(dá)到加工精度的要求。5.2.1 逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)n1第一象限內(nèi)的直線插補(bǔ)n(1)直線插補(bǔ)計算原理n假設(shè)加工的軌跡為第一象限中的一條直線OA,如圖5-5所示。n在圖5-5中,坐標(biāo)起點(diǎn)為 ,坐標(biāo)終點(diǎn)為 。設(shè)刀具位于 點(diǎn),則有下述三種情況:n P點(diǎn)在直線OA上,則OP與OA重合,它們的斜率相等,有n可改寫為:xO yP(x, y)P(x, y)P(x, y)A(xe, ye)圖
8、5-5 第一象限直線插補(bǔ)(0,0)Oee(,)A xy( ,)P x yee/yxyxn得 (5-1) P點(diǎn)在直線OA上方,OP的斜率大于OA,有即可改寫為: (5-2) eeyxy xee0yxy xee/y xyxeeyxy xee0yxy xn P點(diǎn)在直線OA下方,則有n即n可改寫為 (5-3) 現(xiàn)用F來表示P點(diǎn)的偏差量,定義 (5-4)n則當(dāng) F=0時 P點(diǎn)位于直線OA上; F0時 P點(diǎn)位于直線OA的上方; F0時,控制刀具向方向 走一步。n當(dāng)F0時,控制刀具向方向 走一步。n刀具每進(jìn)給一步后,將刀具新的坐標(biāo)值代入式(5-4),求出新的F值,以確定下一步進(jìn)給方向。如此反復(fù)下去,即可完成
9、直線插補(bǔ)。但是在完成上述計算中,需要進(jìn)行兩次乘法運(yùn)算和一次減法運(yùn)算,這種計算方法將直接影響插補(bǔ)速度,為了簡化運(yùn)算對式(5-4)作一些變換。yOF = 0F0Ax圖5-6 進(jìn)給方向的規(guī)定xyxxyn在圖5-6中,當(dāng)F0時,沿+x方向走一步,到達(dá)點(diǎn) , ,令新的加工偏差為 ,則由式(5-4)可得 (5-5)當(dāng)F0時,刀具向+y方向進(jìn)給一步,到達(dá)點(diǎn) ,令新的加工偏差為 ,同樣可得 (5-6)n式(5-5)、式(5-6)是簡化后的偏差計算公式。走完+x后,用式(5-5);走完+y后,用式(5-6)。即在原偏差值上減一個 或加一個 ,用以求得新的偏差值,作為下一步進(jìn)給方向的判別依據(jù)。這種利用前一加工點(diǎn)的
10、偏差,遞推出新的加工點(diǎn)的偏差的方法,稱為遞推法。n刀具到達(dá)終點(diǎn)時自動停止進(jìn)給。最常用的終點(diǎn)判別方法是設(shè)置一個長度計數(shù)器,其計數(shù)長度為兩個方向進(jìn)給步數(shù)之和。無論x軸還是y軸,每發(fā)一個進(jìn)給脈沖,計數(shù)長度減1,當(dāng)計數(shù)長度減到零時,表示到達(dá)終點(diǎn),插補(bǔ)結(jié)束。 (1, )xyFeeeeee(1)Fyxy xyxy xyFy( ,1)x y Feeeeee(1)Fyxy xyxxy xFxeyexn綜上所述,逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)工作過程可歸納為以下四步:n1)偏差判別,即判斷上一步進(jìn)給后的偏差值是F0還是F 0。n2)進(jìn)給,即根據(jù)偏差判別的結(jié)果和插補(bǔ)所在象限決定在什么方向上進(jìn)給一步。n3)偏差運(yùn)算,即計算出進(jìn)
11、給一步后的新偏差值,作為下一步進(jìn)給的判別依據(jù)。n4)終點(diǎn)判別,看是否已到終點(diǎn),若已到達(dá)終點(diǎn),就停止插補(bǔ),若未到達(dá)終點(diǎn),則重復(fù)一至四步工作。n(2)直線插補(bǔ)計算舉例n假設(shè)對第一象限直線OA進(jìn)行插補(bǔ),OA的起點(diǎn)坐標(biāo)為(0,0),終點(diǎn)坐標(biāo)為(5,4)。n直線插補(bǔ)的起點(diǎn)與OA的起點(diǎn)重合,此時的偏差值F=0。計數(shù)長度 ,即x方向走5步,y方向走4步,共9步。插補(bǔ)過程如圖5-7和表5-1所示。 ee5 4 9l xy A(xe, ye)6428 y13579x4321O圖5-7 直線插補(bǔ)走步軌跡圖序號偏差判別進(jìn)給偏差計算終點(diǎn)判別0l=9 1+x* l=82+yl=73+xl=64+yl=55+xl=46+
12、yl=37+xl=28+yl=19+xl=000F00F10e4FFy 21e1FFx32e3FFy 43e2FFx54e2FFy 65e3FFx 76e1FFy 87e4FFx98e0FFy140F 210F 330F 420F 520F 630F 710F 840F 表5-1 直線插補(bǔ)過程* +x表示向+x方向進(jìn)給一步;+y表示向+y方向進(jìn)給一步。 n第一象限逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)流程圖,如圖5-8所示。初始化主要包括讀入終點(diǎn)坐標(biāo)值 ,求出計數(shù)長度 ,設(shè)置初始偏差值 等。 ee,xyeelxy00F N開始結(jié)束初始化xe、ye、F0=0n = ye+ xeF0 ?FFye+y走一步1+x走一步
13、 = 0 ?NYYFF+ xe圖5-8 第一象限直線插補(bǔ)流程圖n2四個象限的直線插補(bǔ)n(1)插補(bǔ)原理n設(shè)A1、A2、A3、A4分別表示第一、第二、第三、第四象限的四種線型。它們的加工起點(diǎn)均從坐標(biāo)原點(diǎn)開始,則刀具進(jìn)給方向如圖5-9所示。凡F0時,向x方向進(jìn)給,在第一、四象限向+ x 方向進(jìn)給;在二、三象限,向- x方向進(jìn)給;凡F0F 0F 0F 0F0F0F0F0A1A3A4OABxyA2圖5-9 四象限進(jìn)給方向n四象限的進(jìn)給脈沖和偏差計算如表5-2所示。偏差判別 F0 F0 進(jìn)給A1+x+ yA2- x+ yA3- x- yA4+ x- y偏差計算表5-2 四象限的進(jìn)給脈沖和偏差計算eFFye
14、FFx n四象限直線插補(bǔ)流程圖如圖5-10所示。 結(jié)束NNYY xe向走一步,F(xiàn)F| ye|ye向走一步,F(xiàn)F| xe|F0= 0, v=| ye|+| xe|Ai插補(bǔ)開始ll1l=0 ?F0 ?圖5-10 四象限直線插補(bǔ)流程圖n四種線型的偏差計算公式是相同的,差別在于進(jìn)給方向不同。流程圖中的“沿xe方向走一步”或“沿ye方向走一步”,因不同線型的xe 、 ye位于不同象限,因而實(shí)際的進(jìn)給方向是不相同的。因此,對任一直線在插補(bǔ)前,應(yīng)根據(jù)xe 、 ye的符號判斷該線型屬于哪一象限。象限判斷程序的流程圖如圖5-11所示。NNYNYYxe0ye0 xe0ye0 xe0ye0 xe0ye0B(xe,
15、ye)FR,于是可以寫成n即 n也就是說,P點(diǎn)在圓外時,其插補(bǔ)偏差F0。P點(diǎn)在圓弧之內(nèi)時,則OPR,于是可得( , )x yAB2222200 xyxyR222FxyR2222OPxyR2220FxyRn即P點(diǎn)在圓弧之內(nèi)時,偏差值F0,向圓外(-x方向)進(jìn)給一步。P點(diǎn)在圓弧內(nèi)時,F(xiàn)0,則刀具向-x方向走一步,到達(dá) 點(diǎn),設(shè)新點(diǎn)的偏差為 ,則有 (5-8)n若P點(diǎn)在圓內(nèi),F(xiàn)0,則刀具向-y方向走一步,新點(diǎn)的坐標(biāo)值為 ,設(shè)新點(diǎn)的偏差為 ,則有,1x y 2220FxyR(1, )xyF222222222(1)21()21FxyRxxyRxyRx 21FxF222222222(1)21()21FxyR
16、xyyRxyRy (5-9)n與直線插補(bǔ)一樣,總是設(shè)刀具從圓弧的起點(diǎn)開始插補(bǔ),因此初始偏差值 。此后的F值可用式(5-8)、式(5-9)算出。n 終點(diǎn)判別 與直線插補(bǔ)的終點(diǎn)判別一樣,設(shè)置一個長度計數(shù)器,取x、y坐標(biāo)軸方向上的總步數(shù)作為計數(shù)長度值,每進(jìn)給一步,計數(shù)器減1,當(dāng)計數(shù)器減到零時,插補(bǔ)結(jié)束。n長度計數(shù)器的初值為 (5-10)n也可以每個坐標(biāo)方向設(shè)一個計數(shù)器,其計數(shù)長度分別為 。在x方向進(jìn)給時, 減1,在y方向進(jìn)給時, 減1。直至 和 都減為零時,插補(bǔ)結(jié)束。第一象限逆圓插補(bǔ)的流程圖如圖5-14所示。與直線插補(bǔ)不同,每進(jìn)給一步后,除進(jìn)行新的偏差計算外,還要計算出新的坐標(biāo)值,供下一次偏差計算時
17、使用。21Fy00F e0e0|lxxyyxe0ye0|,|lxxlyyxlylxlyl結(jié)束開始初始化xe、ye、x0、y0、F=0 =| yey0| +| xex0|F0 ?FF2 x +1沿+y向走一步 1FF+2y +1沿x向走一步 = 0 ?NNYYxx - 1, y yxx, y y+ 1圖5-14 第一象限逆圓插補(bǔ)流程圖n(2)圓弧插補(bǔ)計算舉例n假設(shè)加工第一象限逆圓弧 ,起點(diǎn)A的坐標(biāo)值為x0=4,y0=3,終點(diǎn)B的坐標(biāo)值為 , 。試進(jìn)行插補(bǔ)計算并作出走步軌跡圖。n計算過程如表5-4所示。根據(jù)表5-4可作出走步軌跡如圖5-15所示。ABe=0 xe=5y y00123465BA(4,
18、3)12345x12345圖5-15 圓弧插補(bǔ)走步軌跡圖表5-4 圓弧插補(bǔ)過程序號偏差判別進(jìn)給偏差計算終點(diǎn)判別0l=61l=52l=43l=34l=25l=16l=0 xyxyxx00,4,3Fxy10217,413 , 3FFxxy 21210,3,314FFyxy 32215,312,4FFxxy 43214,2,415FFyxy 5421 1,21 1,5FFxxy 65210,1 10,5FFxxy 00F 170F 20F 350F 440F 510F n2四象限的圓弧插補(bǔ)n(1)四象限的圓弧插補(bǔ)原理n前面以第一象限逆圓弧為例推導(dǎo)出偏差計算公式,并指出了根據(jù)偏差符號來確定進(jìn)給方向。實(shí)
19、際上,圓弧也可以位于第二、三、四象限。在每個象限中,除逆圓弧外,還有順時針走向的順圓弧。通常用SR1、SR2、SR3、SR4代表一、二、三、四象限的順圓弧,用NR1、NR2、NR3、NR4表示四個象限中的逆圓弧,一共是8種線型,根據(jù)它們的偏差判別和進(jìn)給方向,可將它們歸納成兩組。n NR1、NR3、SR2、SR4為一組,設(shè)都從圓弧起點(diǎn)開始插補(bǔ),則刀具的進(jìn)給方向如圖5-16所示。本組的共同點(diǎn)是:n當(dāng)F0時,向x方向進(jìn)給。NR1、SR4走-x方向,SR2、NR3走+x方向。n當(dāng)F0時,向y方向進(jìn)給。NR1、SR2走+y方向,NR1、SR4走-y方向。n偏差計算與第一象限逆圓弧相同,只是x、y值都采用
20、絕對值。n本組圓弧的偏差計算和進(jìn)給脈沖歸納于表5-5所示。表中偏差計算欄內(nèi)的x、y是進(jìn)給前的坐標(biāo)值, 、 是進(jìn)給后的新坐標(biāo)值。n SR1、SR3、NR2、NR4四種圓弧為另一組,按照“刀具在圓弧外時,往圓內(nèi)方向進(jìn)給;刀具在圓弧內(nèi)時,往圓外方向進(jìn)給”的基本方法,可歸納出這一組圓弧的進(jìn)給特點(diǎn),如圖5-17所示。 xy偏差判別F0F0F0F 0F 0F0F0F0 F 0F 0F 0F0F0F0F0NR2SR1SR3NR4Oxy圖5-16 NR1、NR3、SR2、SR4的進(jìn)給方向 圖5-17 SR1、SR3、NR2、NR4的進(jìn)給方向 n當(dāng)F0時,向y方向進(jìn)給。SR1、NR2向-y方向進(jìn)給,SR3、NR
21、4向+y方向進(jìn)給。n當(dāng)F0時,向x方向進(jìn)給。SR1、NR4向+x方向進(jìn)給,SR3、NR2向-x方向進(jìn)給。n本組的偏差計算公式與第一組不同,它們的插補(bǔ)情況歸納如表5-6所示。偏差判別F0F0? x = 0 ?順圓入口 x0? y = 0? =0? y 0? 0? = 0?SR2插補(bǔ)字出錯SR1插補(bǔ)SR3插補(bǔ)SR4插補(bǔ)YYYYYYYNNNNNNYNN yyyy圖5-19 區(qū)分順圓象限的程序框圖n(2)四象限圓弧插補(bǔ)計算程序n第一象限順圓插補(bǔ)的計算程序框圖如圖5-20所示。與此類似,根據(jù)表5-4、表5-5所列出的進(jìn)給方向、偏差計算公式,可畫出其它七種圓弧的程序框圖,圖5-20僅畫出第一象限順圓插補(bǔ)程
22、序框圖。SR1插補(bǔ)結(jié)束初始化xe、ye、x0、y0、F0=0 =| yey0| +| xex0|F0 ?F2 y +1沿+x向走一步1FF +2x+1沿y向走一步= 0 ?NNYYyy , xx+1 yy1 , xx圖5-20 第一象限順圓插補(bǔ)流程圖5.3 步進(jìn)電機(jī)控制n步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的特種電機(jī),是工業(yè)過程控制及儀表中的主要控制元件之一。n例如,在機(jī)械結(jié)構(gòu)中,可以用絲杠把角度變成直線位移,也可以用它帶動螺旋電位器,調(diào)節(jié)電壓和電流,從而實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。而在數(shù)字控制系統(tǒng)中,由于它可以直接接受來自計算機(jī)的數(shù)字信號,而不需要進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換,所以用起來非常方便。n步進(jìn)
23、電機(jī)作為執(zhí)行元件的一個顯著特點(diǎn)就是快速啟動能力。n步進(jìn)電機(jī)的另一顯著特點(diǎn)是精度高。n正因為步進(jìn)電機(jī)具有快速啟停,精確步進(jìn)以及直接接受數(shù)字量的特點(diǎn),因而使得步進(jìn)電機(jī)在定位場合得到了廣泛的應(yīng)用。如在繪圖機(jī)、打印機(jī)及光學(xué)儀器中,都采用步進(jìn)電機(jī)來定位繪圖筆,印字頭或光學(xué)鏡頭,特別是在工業(yè)過程控制的位置控制系統(tǒng)中,由于它的精確度高以及不用位移傳感器即可達(dá)到精確的定位,因而隨著計算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展,應(yīng)用會越來越廣泛。5.3.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理n步進(jìn)電機(jī)的工作就是步進(jìn)轉(zhuǎn)動。n在一般的步進(jìn)電機(jī)工作中,其電源都是采用單極性的直流電源。要使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動,就必須對步進(jìn)電機(jī)定子的各相繞組以適當(dāng)?shù)臅r序進(jìn)行通電。
24、步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)過程可以用圖5-21來說明。圖5-21 步進(jìn)電機(jī)的工作原理圖n該步進(jìn)電機(jī)是一個三相感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī),其定子的每相都有一對磁極,每個磁極都只有一個齒,即磁極本身,故三相步進(jìn)電機(jī)有三對磁極共6個齒;其轉(zhuǎn)子有4個齒,分別稱為0、1、2、3齒。直流電源V通過開關(guān)A、B、C分別對步進(jìn)電機(jī)的A、B、C相繞組輪流通電。n初始狀態(tài)時,開關(guān)A接通,則A相磁極和轉(zhuǎn)子的0、2號齒對齊,同時轉(zhuǎn)子的1、3號齒和B、C相磁極形成錯齒狀態(tài)。n當(dāng)開關(guān)A斷開,B接通,由于B相繞組和轉(zhuǎn)子的1、3號齒之間的磁力線作用,使得轉(zhuǎn)子的1、3號齒和B相磁極對齊,則轉(zhuǎn)子的0、2號齒就和A、C相繞組磁極形成錯齒狀態(tài)。n此后,開關(guān)B
25、斷開,C接通,由于C相繞組和轉(zhuǎn)子0、2號之間的磁力線的作用,使得轉(zhuǎn)子0、2號齒和C相磁極對齊,這時轉(zhuǎn)子的1、3號齒和A、B相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。n當(dāng)開關(guān)C斷開,A接通后,由于A相繞組磁極和轉(zhuǎn)子1、3號齒之間的磁力線的作用,使轉(zhuǎn)子1、3號齒和A相繞組磁極對齊,這時轉(zhuǎn)子的0、2號齒和B、C相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。很明顯,這時轉(zhuǎn)子移動了一個齒距角。n如果對一相繞組通電的操作稱為一拍,那么對A、B、C三相繞組輪流通電需要三拍。對A、B、C三相繞組輪流通電一次稱為一個周期。從上面分析看出,該三相步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距,需要三拍操作。由于按ABCA相輪流通電,則磁場沿A、B、C方向轉(zhuǎn)動了360空間角,而這時轉(zhuǎn)
26、子沿ABC方向轉(zhuǎn)動了一個齒距的位置。在圖5-21中,轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為4,故齒距角90,轉(zhuǎn)動了一個齒距也即轉(zhuǎn)動了90。n對于一個步進(jìn)電機(jī),如果它的轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為Z,它的齒距角 為 (5-11)而步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行N拍可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距位置。實(shí)際上,步進(jìn)電機(jī)每一拍就執(zhí)行一次步進(jìn),所以步進(jìn)電機(jī)的步距角 可以表示如下ZZ3602/ZZ (5-12)n其中:N是步進(jìn)電機(jī)工作拍數(shù),Z是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。n對于圖5-21的三相步進(jìn)電機(jī),若采用三拍方式,則它的步距角是n對于轉(zhuǎn)子有40個齒且采用三拍方式的步進(jìn)電機(jī)而言,其步距角是 Z360/ NNZ360303 436033 405.3.2 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理圖n典型的步進(jìn)電
27、機(jī)控制系統(tǒng)原理圖,如圖5-22所示。n步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)控制器、功率放大器及步進(jìn)電機(jī)組成。步進(jìn)控制器是由緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯及正、反轉(zhuǎn)控制門等組成。它的作用就是能把輸入的脈沖轉(zhuǎn)換成環(huán)形脈沖,以便控制步進(jìn)電機(jī),并能進(jìn)行正反向控制。功率放大器的作用就是把控制器輸出的環(huán)形脈沖加以放大,以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。在這種控制方案中,由于步進(jìn)控制器線路復(fù)雜,成本高,因而限制了它的應(yīng)用。步進(jìn)控制器負(fù)載步進(jìn)電機(jī)功率放大器脈沖方向控制軸圖5-22 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)組成n如果用計算機(jī)控制系統(tǒng),由軟件代替上述步進(jìn)控制器,則問題大大簡化,不僅使線路簡化,成本下降,而且可靠性也大大加強(qiáng)。特別是用微型機(jī)控制
28、,可根據(jù)系統(tǒng)的需要,靈活改變步進(jìn)電機(jī)的控制方案,因而用起來更加靈活。典型的計算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理圖,如圖5-23所示。n二者的主要區(qū)別在于用計算機(jī)代替了步進(jìn)控制器。因此,計算機(jī)的主要作用就是把并行二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成串行脈沖序列,并實(shí)現(xiàn)方向控制。每當(dāng)步進(jìn)電機(jī)脈沖輸入線上得到一個脈沖,它便沿著方向控制線信號所確定的方向走一步。只要負(fù)載是在步進(jìn)電機(jī)允許的范圍內(nèi),那么,每個脈沖將使電機(jī)轉(zhuǎn)動一個固定的步距角度,根據(jù)步距角的大小及實(shí)際走的步數(shù),只要知道最初位置,便可知道步進(jìn)電機(jī)的最終位置。 圖5-23 計算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理圖CPU接口驅(qū)動器步進(jìn)電機(jī)負(fù)載5.3.3 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路n步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的作用是
29、將CPU輸出的控制脈沖進(jìn)行功率放大,產(chǎn)生電動機(jī)工作所需的激勵電流。驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)對步進(jìn)電機(jī)的性能有著十分重要的作用,主要有單電壓、雙電壓、斬波型、調(diào)頻調(diào)壓型和細(xì)分型等。下面僅介紹單電壓驅(qū)動電路。n單電壓驅(qū)動電路的原理圖如圖5-24所示。VRLRdVTVINCLRCVD圖5-24 單電壓驅(qū)動電路5.3.4 步進(jìn)電機(jī)的工作方式步進(jìn)電機(jī)有三相、四相、五相、六相等多種,為了分析方便,我們?nèi)砸匀嗖竭M(jìn)電機(jī)為例進(jìn)行分析和討論。步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)具有不同的工作性能,如減小步距,提高定位精度和工作穩(wěn)定性等。對于三相步進(jìn)
30、電機(jī)則有單相三拍(簡稱單三拍)方式、雙相三拍(簡稱雙三拍)方式、三相六拍工作方式。假設(shè)用計算機(jī)輸出接口的每一位控制一相繞組,例如用計算機(jī)數(shù)據(jù)線的D0、D1、D2分別接到步進(jìn)電機(jī)的A、B、C三相。n1單三拍n為了使步進(jìn)電機(jī)能正向旋轉(zhuǎn),對各相的通電順序為:n ABCAn數(shù)學(xué)模型如表5-7所示。步序 控 制 位 工作狀態(tài)D7D6D5D4D3D2D1D0C相B相A相100000001A01H200000010B02H300000100C04H400000001A01H表5-7 單三拍數(shù)學(xué)模型控制模型n2雙三拍n雙三拍各相的通電順序為:ABBCCAABn數(shù)學(xué)模型如表5-8所示。 步序控 制 位工作狀態(tài)控
31、制模型D7D6D5D4D3D2D1D0C相B相A相100000011AB03H200000110BC06H300000101CA05H400000011AB03H表5-8 雙三拍數(shù)學(xué)模型n3三相六拍n三相六拍的通電順序為:AABBBCCCAAn數(shù)學(xué)模型如表5-9所示。表5-9 三相六拍數(shù)學(xué)模型步序 控 制 位 工作狀態(tài)D7D6D5D4D3D2D1D0C相B相A相100000001A01H200000011AB03H300000010B02H400000110BC06H500000100C04H600000101CA05H控制模型5.3.5 步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計 n控制程序的主要任務(wù)是:n1)判別
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