第5章數(shù)字控制技術(shù)

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(dòng)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(jì)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(jì)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(jì)算方法稱為插值或插補(bǔ)。插補(bǔ)計(jì)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(hào)形式去控制x,y方向上的步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)畫筆、刀具或線電機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而繪出圖形或加工出符合要求的輪廓。這里的每一個(gè)脈沖信號(hào)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(dòng)一個(gè)位置。我們把對應(yīng)于每個(gè)脈沖移動(dòng)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(dòng)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(dòng)的軌跡控制。n1點(diǎn)位控制n在一個(gè)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(gè)加工點(diǎn)移到下一個(gè)加工點(diǎn)走什么路徑、移動(dòng)的速度、沿哪個(gè)方向都無需規(guī)定，并在移動(dòng)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(dòng)，且在運(yùn)動(dòng)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(dòng)，并在運(yùn)動(dòng)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(jì)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(dòng)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(tái)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)接收步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)來的指令脈沖

6、作相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，把刀具移動(dòng)到與指令脈沖相當(dāng)?shù)奈恢?，至于刀具是否到達(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(dòng)裝置來決定。計(jì)算機(jī)D/A伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路伺服電機(jī)工作臺(tái)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(dòng)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(dòng)軌跡控制。計(jì)算機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)工作臺(tái)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(gè)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(jì)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(shí) P點(diǎn)位于直線OA上； F0時(shí) P點(diǎn)位于直線OA的上方； F0時(shí)，控制刀具向方向 走一步。n當(dāng)F0時(shí)，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(jì)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(jì)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(shí)，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(shí)，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(jì)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(gè) 或加一個(gè) ，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(shí)自動(dòng)停止進(jìn)給。最常用的終點(diǎn)判別方法是設(shè)置一個(gè)長度計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)長度為兩個(gè)方向進(jìn)給步數(shù)之和。無論x軸還是y軸，每發(fā)一個(gè)進(jìn)給脈沖，計(jì)數(shù)長度減1，當(dāng)計(jì)數(shù)長度減到零時(shí)，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(jì)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(jì)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(shí)的偏差值F=0。計(jì)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(hào)偏差判別進(jìn)給偏差計(jì)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(jì)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(gè)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(shí)，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(jì)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(jì)算表5-2 四象限的進(jìn)給脈沖和偏差計(jì)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(jì)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(hào)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(shí)，其插補(bǔ)偏差F0。P點(diǎn)在圓弧之內(nèi)時(shí)，則OPR，于是可得( , )x yAB2222200 xyxyR222FxyR2222OPxyR2220FxyRn即P點(diǎn)在圓弧之內(nèi)時(shí)，偏差值F0，向圓外（-x方向）進(jìn)給一步。P點(diǎn)在圓弧內(nèi)時(shí)，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(gè)長度計(jì)數(shù)器，取x、y坐標(biāo)軸方向上的總步數(shù)作為計(jì)數(shù)長度值，每進(jìn)給一步，計(jì)數(shù)器減1，當(dāng)計(jì)數(shù)器減到零時(shí)，插補(bǔ)結(jié)束。n長度計(jì)數(shù)器的初值為 （5-10）n也可以每個(gè)坐標(biāo)方向設(shè)一個(gè)計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)長度分別為 。在x方向進(jìn)給時(shí)， 減1，在y方向進(jìn)給時(shí)， 減1。直至 和 都減為零時(shí)，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(jì)算外，還要計(jì)算出新的坐標(biāo)值，供下一次偏差計(jì)算時(shí)

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(jì)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(jì)算并作出走步軌跡圖。n計(jì)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(hào)偏差判別進(jìn)給偏差計(jì)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(jì)算公式，并指出了根據(jù)偏差符號(hào)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(gè)象限中，除逆圓弧外，還有順時(shí)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(gè)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(shí)，向x方向進(jìn)給。NR1、SR4走-x方向，SR2、NR3走+x方向。n當(dāng)F0時(shí)，向y方向進(jìn)給。NR1、SR2走+y方向，NR1、SR4走-y方向。n偏差計(jì)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(jì)算和進(jìn)給脈沖歸納于表5-5所示。表中偏差計(jì)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(shí)，往圓內(nèi)方向進(jìn)給；刀具在圓弧內(nèi)時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(jì)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(cuò)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(jì)算程序n第一象限順圓插補(bǔ)的計(jì)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(jì)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(hào)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(dòng)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(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)，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(gè)顯著特點(diǎn)就是快速啟動(dòng)能力。n步進(jìn)電機(jī)的另一顯著特點(diǎn)是精度高。n正因?yàn)椴竭M(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(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用會(huì)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(dòng)。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(dòng)，就必須對步進(jìn)電機(jī)定子的各相繞組以適當(dāng)?shù)臅r(shí)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(gè)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(gè)磁極都只有一個(gè)齒，即磁極本身，故三相步進(jìn)電機(jī)有三對磁極共6個(gè)齒；其轉(zhuǎn)子有4個(gè)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(shí)，開關(guān)A接通，則A相磁極和轉(zhuǎn)子的0、2號(hào)齒對齊，同時(shí)轉(zhuǎn)子的1、3號(hào)齒和B、C相磁極形成錯(cuò)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(hào)齒之間的磁力線作用，使得轉(zhuǎn)子的1、3號(hào)齒和B相磁極對齊，則轉(zhuǎn)子的0、2號(hào)齒就和A、C相繞組磁極形成錯(cuò)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(hào)之間的磁力線的作用，使得轉(zhuǎn)子0、2號(hào)齒和C相磁極對齊，這時(shí)轉(zhuǎn)子的1、3號(hào)齒和A、B相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)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(hào)齒之間的磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子1、3號(hào)齒和A相繞組磁極對齊，這時(shí)轉(zhuǎn)子的0、2號(hào)齒和B、C相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。很明顯，這時(shí)轉(zhuǎn)子移動(dòng)了一個(gè)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(gè)周期。從上面分析看出，該三相步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(dòng)了360空間角，而這時(shí)轉(zhuǎn)

26、子沿ABC方向轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)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(dòng)了一個(gè)齒距也即轉(zhuǎn)動(dòng)了90。n對于一個(gè)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(dòng)一個(gè)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(gè)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(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。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(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)代替了步進(jìn)控制器。因此，計(jì)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(gè)脈沖，它便沿著方向控制線信號(hào)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(gè)脈沖將使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)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(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理圖CPU接口驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)負(fù)載5.3.3 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路n步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)工作所需的激勵(lì)電流。驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路。n單電壓驅(qū)動(dòng)電路的原理圖如圖5-24所示。VRLRdVTVINCLRCVD圖5-24 單電壓驅(qū)動(dòng)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(jì)算機(jī)輸出接口的每一位控制一相繞組，例如用計(jì)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?yàn)椋簄 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?yàn)椋篈BBCCAABn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?yàn)椋篈ABBBCCCAAn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(jì) n控制程序的主要任務(wù)是：n1）判別