1、计算机控制技术计算机控制技术第五章第五章 数字程序控制数字程序控制q5.1 数字程序控制基础数字程序控制基础q5.2 逐点比较法插补原理逐点比较法插补原理 q5.3 步进电机控制技术步进电机控制技术 5.1 5.1 数字程序控制基础数字程序控制基础q1 顺序控制顺序控制q2 数字程序控制数字程序控制1 1 顺序控制顺序控制所谓顺序控制是指：所谓顺序控制是指：使生产机械或生产过程按使生产机械或生产过程按预先规定的时序预先规定的时序（或现（或现场输入条件等）而场输入条件等）而顺序动作顺序动作的自动控制系统。的自动控制系统。目前这类系统中多采用微处理器构成的可编程序目前这类系统中多采用微处理器构成的
2、可编程序控制器（控制器（PC或或PLC）。）。 顺序控制系统的组成结构框图顺序控制系统的组成结构框图 典型顺序控制系统典型顺序控制系统自动剪板机自动剪板机 剪板机的生产工艺及工序表剪板机的生产工艺及工序表 2 2 数字程序控制数字程序控制 所谓数字程序控制系统是指：所谓数字程序控制系统是指：能根据能根据输入输入的的指令和数据指令和数据，控制控制生产机械按规定的生产机械按规定的工工作顺序作顺序、运动轨迹运动轨迹、运动距离运动距离和和运动速度运动速度等规律而自等规律而自动完成工作的自动控制系统。动完成工作的自动控制系统。数字程序控制系统（通常简称数控）一般用于机床控数字程序控制系统（通常简称数控）
3、一般用于机床控制系统中，这类机床被称为数控机床。制系统中，这类机床被称为数控机床。 q 数控加工过程数控加工过程 首先由编程人员按照零件的几何形状和加工工艺要求将加工过程首先由编程人员按照零件的几何形状和加工工艺要求将加工过程编成加工程序。数控系统读入加工程序后，将其翻译成机器能够理解编成加工程序。数控系统读入加工程序后，将其翻译成机器能够理解的控制指令，再由伺服系统将其变换和放大后驱动机床上的主轴电机的控制指令，再由伺服系统将其变换和放大后驱动机床上的主轴电机和进给伺服电机转动，并带动机床的工作台移动，实现加工过程。数和进给伺服电机转动，并带动机床的工作台移动，实现加工过程。数控系统实质上是
4、完成了手工加工中操作者的部分工作。控系统实质上是完成了手工加工中操作者的部分工作。数控数控装置装置伺服伺服系统系统零件图零件图 数控系统数控系统 机床机床加工程序加工程序q 数控加工过程（续）数控加工过程（续） q 数字程序控制原理数字程序控制原理u曲线分割曲线分割 u插补计算插补计算u脉冲分配脉冲分配 q 数字程序控制方式数字程序控制方式（1 1） 按运动控制轨迹分按运动控制轨迹分u 点位控制点位控制数控钻床数控钻床数控冲床数控冲床u 直线控制直线控制数控车床数控车床u 轮廓控制轮廓控制立式加工中心立式加工中心进给脉冲步进电机驱动装置 工作台（2 2） 按伺服系统的类型分按伺服系统的类型分u
5、 开环控制开环控制 步 进 电 机指令值位置比较电路速度控制电路伺服电机速度反馈位置反馈工作台u 闭环控制闭环控制指令值位置比较电路速度控制电路伺服电机工作台u 半闭环控制半闭环控制 性能性能类别类别CPUCPU位数位数联动轴数联动轴数分辨率分辨率( (m m) )进给速度进给速度(m/min)(m/min)其它其它高级型高级型32325 5= 0.1= 24,(1= 24,(1m)m)；=10,(0.1m)=10,(0.1m)三维动态，三维动态，MAP,MAP,数字交流伺服数字交流伺服普及型普及型16165, 30.1,0.1,10 24,(1 24,(1m)m)； 10,(0.1m) 10
6、,(0.1m)字符字符/ /图形图形交流伺服交流伺服经济型经济型8/168/1633101080，表明，表明m点在直线点在直线OA上方上方;若若Fm0，表明，表明m点在直线点在直线OA下方。下方。A(Xe,Ye)YXm(Xm,Ym)mmO 直线插补的原理图直线插补的原理图 若若Fm0，应向，应向+X方向走一步，新形成的坐标为：方向走一步，新形成的坐标为： 若若Fm0，应向，应向+Y方向走一步方向走一步,新形成的坐标为：新形成的坐标为：Xm+1=Xm+1， Ym+1=YmA(Xe,Ye)YXm(Xm,Ym)mmO 直线插补的原理图直线插补的原理图eYmFeYmXeXmYmF 111新偏差为：新偏
7、差为：Xm+1=Xm， Ym+1=Ym+1eXmFmF 1新偏差为：新偏差为： 综上所述，逐点比较直线插补分四步：综上所述，逐点比较直线插补分四步：q偏差判别：判别偏差判别：判别Fm的正负号的正负号；q坐标进给：控制坐标进给：控制X或或Y坐坐 标进给一步；标进给一步；q新偏差计算：新偏差计算：Fm+1；q终点判别：执行进给的终点判别：执行进给的 总步数是否等于要求进总步数是否等于要求进 给的总步数。给的总步数。开始开始Xe，YeX=0，Y=0，Fm=0Jm=Xe+YeFm0+X向走一步向走一步+Y向走一步向走一步Fm+1= Fm-YeXm+1= Xm +1Fm+1= Fm+XeYm+1= Ym
8、 +1Jm= Jm -1Jm =0结束结束YYNN 例例1：插补第一象限直线段：插补第一象限直线段OA，起点为坐标原点，终点为，起点为坐标原点，终点为Xe=5，Ye=3OAYX 直线直线OAOA的插补运算过程的插补运算过程序序号号偏差偏差判别判别坐标坐标进给进给新偏差计算新偏差计算终点判别终点判别1F0=0+ XF1=F0-Ye=0-3=-3J1= J0-1=8-1=72F10+ XF3=F2-Ye=2-3=-1J3= J2-1=6-1=55F40+ XF5=F4-Ye=4-3=1J5= J4-1=4-1=36F50+ XF6=F5-Ye=1-3=-2J6= J5-1=3-1=27F60+ X
9、F8=F7-Ye=3-3=0J8= J7-1=1-1=0得，时，时，解：根据式8350)0()0(0011JFFXFFFYFFYXXYFmemmmemmememm4F30+ YF4=F3+Xe=-1+5=+4J4= J3-1=5-1=4OAYX 直线直线OAOA的插补运算过程的插补运算过程偏差计算公式：偏差计算公式：Fm 0时时Fm+1=Fm-YeFm0时时Fm+1=Fm+XeL1Fm 0, + XFm 0, + YY 不同象限的直线插补原理图不同象限的直线插补原理图L2Fm 0, - XFm 0, + YL3Fm 0, - XFm 0, - YL4Fm 0, + XFm 0, - YXu四个
10、象限的直线插补四个象限的直线插补 A(6,4)A(6,4)Y YX X第一象限直线插补轨迹第一象限直线插补轨迹插补计算过程插补计算过程步步数数偏差判别偏差判别坐标进给坐标进给偏差计算偏差计算终点判别终点判别1 F0 = 0 + X F1= F0Ye=- 4 10-1=9 2 F1 = -4 + Y F2= F1+Xe= 2 9-1=8 3 F2= 2 + X F3= F2Ye=- 2 8-1=7 4 F3= -2 + Y F4= F3+Xe= 4 7-1=6 5 F4 = 4 + X F5= F4Ye= 0 6-1=5 6 F5 = 0 + X F6= F5Ye=- 4 5-1=4 7 F6
11、= -4 + Y F7= F6+Xe=2 4-1=3 8 F7 = 2 + X F8= F7Ye=- 2 3-1=2 9 F8 = -2 + Y F9= F8+Xe= 4 2-1=1 10 F9 = 4 + X F10= F9Ye = 0 1-1=0 u直线插补计算实例直线插补计算实例 2 2 逐点比较法圆弧插补逐点比较法圆弧插补 u 圆弧插补计算原理圆弧插补计算原理SR1SR1（第一象限顺圆弧）（第一象限顺圆弧）圆弧插补计算原理圆弧插补计算原理NR1NR1（第一象限逆圆弧）（第一象限逆圆弧） 圆弧插补的逐点比较法与直线插补步骤一样，流程图圆弧插补的逐点比较法与直线插补步骤一样，流程图也一样，
12、只是偏差判别函数也一样，只是偏差判别函数Fm不同。不同。22222RmymxRmRmF 若若Fm=0，表明，表明m点在圆弧上点在圆弧上;若若Fm0，表明，表明m点在圆弧外点在圆弧外;m(Xm, Ym)A(Xp, Yp)B(Xe,Ye)XYRRm 圆弧插补的原理图圆弧插补的原理图若若Fm0，应向，应向+Y方向走一步方向走一步, Ym+1=Ym+1, Xm+1=Xm12221211 mXmFRmYmXmFm(Xm, Ym)A(Xp, Yp)B(Xe,Ye)XYRRm 圆弧插补的原理图圆弧插补的原理图12221211 mYmFRmYmXmF 终点判别：用终点判别：用X, Y方向应走方向应走的总步数之
13、和的总步数之和JM。pYeYpXeXMJ 每走一步减每走一步减1，直至减为，直至减为0即至终点。即至终点。例例2：插补第一象限逆时针圆弧：插补第一象限逆时针圆弧AB，起点坐标，起点坐标X0=6 ， Y0=0终终点坐标为点坐标为Xe=0，Ye=6。OBYXA序序号号偏差偏差判别判别坐坐标标进给进给新偏差新偏差终点判别终点判别01 23 456789101112计算坐标计算坐标F0=0- X1112001 XFFJ1=J0-1=11X1=5, Y1=0F10+ YJ2=J1-1=101012112 YFFX2=5, Y2=1F20+ YJ3=J2-1=9X3=5, Y3=2712223 YFFF3
14、0+ YJ4=J3-1=8X4=5, Y4=3212334 YFFF40- XJ6=J5-1=6X6=4, Y6=4412556 XFFF60- XJ8=J7-1=4X8=3, Y8=5212778 XFFF80- XJ10=J9-1=2X10=2, Y10=64129910 XFFF100- XJ11=J10-1=1X11=1, Y11=6112101011 XFFF110- XJ12=J11-1=0X12=0, Y12=6012111112 XFFF0=0X0=6, Y0=0J0=12OBXYAYFm 0, - YFm 0, + X 顺圆插补原理图顺圆插补原理图Fm 0, + XFm 0,
15、 + YFm 0, + YFm 0, - XXFm 0, - XFm 0, - YYFm 0, - XFm 0, + Y 逆圆插补原理图逆圆插补原理图Fm 0, - YFm 0, - XFm 0, + XFm 0, - YXFm 0, + YFm 0, + X园弧插补计算过程园弧插补计算过程第一象限逆圆弧第一象限逆圆弧AB走步轨迹图走步轨迹图 3.3 3.3 步进电机控制技术步进电机控制技术 q1 步进电机的工作原理步进电机的工作原理q2 步进电机的工作方式步进电机的工作方式q3 步进电机的控制系统步进电机的控制系统 1 1 步进电机的工作原理步进电机的工作原理u 当输入一个电脉冲时转过一个固
16、定角度。当输入一个电脉冲时转过一个固定角度。u 位移量与输入脉冲数严格成比例，无误差积累。位移量与输入脉冲数严格成比例，无误差积累。u 特性由脉冲数、脉冲频率、绕组接通次序决定。特性由脉冲数、脉冲频率、绕组接通次序决定。u 广泛用于数字控制系统，如数控机床。广泛用于数字控制系统，如数控机床。步进电机步进电机 一种将一种将电脉冲信号电脉冲信号变换成相应的变换成相应的角位移角位移或或直线直线位移位移的机电执行元件，步进电机有三相、四相、的机电执行元件，步进电机有三相、四相、五相、六相等多种。五相、六相等多种。步进电机原理演示q 通电方式通电方式 1 1 取决于控制绕组取决于控制绕组通电频率通电频率
17、，也取决于绕组，也取决于绕组通通电方式电方式。 2 2 通电方式通电方式单三拍、六拍及双三拍等。单三拍、六拍及双三拍等。 “单单”每次只有一相绕组通电；每次只有一相绕组通电； “双双”每次有两相绕组通电；每次有两相绕组通电； “拍拍”通电次数（即从一种通电状态转通电次数（即从一种通电状态转到另一种通电状态）。到另一种通电状态）。q 计算公式计算公式Z360齿距：齿距：（Z Z 转子齿数）转子齿数）步距角：步距角：ZKms360拍数（K K 状态系数，三拍时，状态系数，三拍时，K=1K=1；六拍时，；六拍时，K K2 2）（m m 定子相数）定子相数）2 2 步进电机的工作方式步进电机的工作方式
18、q 三相单三拍工作方式三相单三拍工作方式q 三相双三拍工作方式三相双三拍工作方式q 三相六拍工作方式三相六拍工作方式不同通电方式时的矩频特性不同通电方式时的矩频特性3 3 步进电机的控制系统步进电机的控制系统q 常规的步进电机控制系统常规的步进电机控制系统 q 微机步进电机控制系统微机步进电机控制系统 q 脉冲信号的形成脉冲信号的形成 q 软件脉冲分配器软件脉冲分配器 q 硬件环形分配器硬件环形分配器 q 方向控制和脉冲分配方向控制和脉冲分配 三相六拍控制方式输出字表三相六拍控制方式输出字表u步数步数N N的确定的确定 例：如用步进电机带动一个例：如用步进电机带动一个1010圈电位计来调整电圈
19、电位计来调整电压，假定调节范围为压，假定调节范围为0 010V10V，现要把电压从，现要把电压从2V2V调调到到2.1V2.1V，三相双三拍控制方式，转子齿数为，三相双三拍控制方式，转子齿数为4040，则步进电机总共要走几步？则步进电机总共要走几步？u控制速度的确定控制速度的确定 方法：改变各相通电脉冲的时间间隔。方法：改变各相通电脉冲的时间间隔。36060sfnq 步数和速度控制步数和速度控制 变速用以解决步进电机升降速和失步的矛盾。变速用以解决步进电机升降速和失步的矛盾。变速方式：变速方式： （1 1）改变控制方式）改变控制方式 （2 2）均匀改变脉冲时间间隔）均匀改变脉冲时间间隔 （3 3）采用定时器）采用定时器q 步进电机的变速控制步进电机的变速控制 u单电压功率放大电路单电压功率放大电路 q 步进电机驱动电路步进电机驱动电路 u单电压功率放大电路（改进）单电压功率放大电路（改进） u双电压功率放大电路双电压功率放大电路q 训练环节训练环节 用步进电机驱动用步进电机驱动XYXY轴步进电机实现直线或圆弧插补轴步进电机实现直线或圆弧插补并在并在PROTEUSPROTEUS中仿真实现。中仿真实现。
