畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）數(shù)控機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)的速度控制設(shè)計(jì)

1、摘 要 本文從解決步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制設(shè)計(jì)的軟件和硬件的問(wèn)題上，使步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)能更好的配合數(shù)控機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)，使數(shù)控機(jī)床能發(fā)揮更好的性能。在此 我基于本性質(zhì)設(shè)計(jì)了一套合適的速度控制的方法，并靈活的運(yùn)用數(shù)控的軟件來(lái) 運(yùn)行數(shù)控程序來(lái)檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的方法的正確與否。因此我主要從以下三方面進(jìn)行 介紹。 1. 數(shù)控軟件的學(xué)習(xí)和應(yīng)用 在這部分，主要學(xué)習(xí) mach2 軟件的運(yùn)行界面和操作界面的學(xué)習(xí)、軟件設(shè)置 的要點(diǎn)和電機(jī)的設(shè)置和軟件的使用等一些內(nèi)容；還有 mach3 數(shù)控軟件的綜述和 mach3 的控制和運(yùn)行工件程序的相關(guān)知識(shí)。通過(guò)這部分學(xué)習(xí)，加深認(rèn)識(shí)了數(shù)控 知識(shí)的加工過(guò)程和編程的相關(guān)知識(shí)。熟悉了數(shù)控軟件的安裝

2、和應(yīng)用的相關(guān)操作。 2. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 通過(guò)這項(xiàng)內(nèi)容，復(fù)習(xí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制方式和驅(qū)動(dòng)方式、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的類型 和結(jié)構(gòu)、工作原理、主要特性和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線路的設(shè)計(jì)等相關(guān)內(nèi)容 3. 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制的設(shè)計(jì) 在這部分，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的 選型、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制的軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)兩大方面，并且對(duì)速度控 制的軟件設(shè)計(jì)是運(yùn)用 c 語(yǔ)言來(lái)控制，此程序比較簡(jiǎn)單，易懂，學(xué)會(huì)運(yùn)用 c 語(yǔ)言 來(lái)控制數(shù)控機(jī)床，也學(xué)會(huì)了 c 語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的聯(lián)系。 關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；速度；控制；驅(qū)動(dòng)；數(shù)控軟件；c 語(yǔ)言 abstract in this paper,to

3、 solve the speed of stepper motor control software and hardware design issues,we should that stepper motor to enable better co-ordination of the functioning of the characteristics of cnc machine tools to cnc machine tools can play a better performance.i designed based on the nature of an appropriate

4、 set of speed control,and flexible use of the software to run nc,nc program designed to test the correctness of the method.therefore,i mainly introduce the following three aspects. 1.the application and learning of nc software in this part,the main study is mach2 software interface and operation int

5、erface,the key of the software settings,the settings of moter and the use of the software and other content.there are the summary of the software of mach3 cnc,the controlling of mach3 and the knowledge of procedures for running the workpiece.through the part of the study,we will have a better unders

6、tanding of the cnc machining process and programming knowledge.we are familiar with the installation of cnc software and the application of the operation. 2. stepping motor the adoption of the content,review the driving mode and control of the stepping motor,the type and structure of stepper motor,w

7、orking principle,the main characteristics of the drive and stepper motor control circuit design and other related content. 3. stepper motor speed control design in this part,tocontrol to the speed of the stepper motors design ,incloding the selection of stepper motor,the two major aspects is softwar

8、e design and hardware design to controlling the speed of stepper motor.and controlling the speed of software design is to use c language ,this procedure is relatively simple ,easy to understand ,it can tell us how to use c language to control the cnc machine tools, and i can understand the related o

9、f c language and assembly language links. key word cnc machine tools；stepping motor； ratel；control； drive； cnc software；c language 目目 錄錄 第一章第一章 緒論緒論.1 1.1 本課題的目的.1 1.2 本課題的內(nèi)容.1 第二章第二章 課題概述課題概述.2 2.1 數(shù)控軟件的學(xué)習(xí)和應(yīng)用 .2 2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) .2 2.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制設(shè)計(jì) .2 第三章第三章 數(shù)控軟件的學(xué)習(xí)和應(yīng)用數(shù)控軟件的學(xué)習(xí)和應(yīng)用.3 3.1 mach2 的學(xué)習(xí)和應(yīng)用.3 3.

10、1.1 軟件介紹.3 3.1.2 軟件設(shè)置.4 3.1.3 軟件使用.6 3.2 mach3 的學(xué)習(xí)和應(yīng)用.6 3.2.1 mach3 數(shù)控軟件綜述 .7 3.2.2 mach3 控制和運(yùn)行工件程序.10 第四章第四章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制.17 4.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本特點(diǎn) .17 4.1.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類和結(jié)構(gòu).17 4.1.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理.18 4.1.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性.19 4.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)方式 .20 4.2.1 步進(jìn)電機(jī)的控制方式.20 4.2.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式.21 4.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線路 .25 4.3

11、.1 脈沖混合電路.26 4.3.2 加減脈沖分配電路.26 4.3.3 加減速電路.26 4.3.4. 環(huán)形分配器.28 4.3.5. 功率放大器.29 第五章第五章 步進(jìn)電步進(jìn)電機(jī)機(jī)的速度控制的速度控制.32 5.1 步進(jìn)電機(jī)的選型 .32 5.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)加減速曲線控制.35 5.2.1 步進(jìn)電機(jī)的失步和過(guò)沖.35 5.2.2 加速、減速能力的改進(jìn).36 5.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)速度控制的軟件設(shè)計(jì).37 5.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的硬件控制法 .48 第六章第六章 數(shù)控?cái)?shù)控機(jī)機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)的展望和發(fā)展床的步進(jìn)電機(jī)的展望和發(fā)展.50 6.1 步進(jìn)電機(jī)的展望和發(fā)展 .50 6.1.1 步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

12、.50 6.1.2 國(guó)際市場(chǎng)的開拓及發(fā)展對(duì)策.50 6.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望 .51 參考參考文文獻(xiàn)獻(xiàn).52 致致 謝謝.5353 1 第一章第一章 緒論緒論 畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們最后一次較全面的設(shè)計(jì)訓(xùn)練，是大學(xué)四年的最后一次教學(xué) 環(huán)節(jié)；為我們提供了自主學(xué)習(xí)、自主選擇、自主完成的機(jī)會(huì)；具有實(shí)踐性、綜 合性、探索性、應(yīng)用性等特點(diǎn)，同時(shí)也為啟發(fā)我們智能以適應(yīng)工程技術(shù)人才素 質(zhì)要求及學(xué)生心理素質(zhì)的培養(yǎng)，提供了綜合訓(xùn)練和實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)。 1.1 本課題的目的本課題的目的 本課程包括數(shù)控軟件的學(xué)習(xí)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制兩大主要方面的內(nèi)容， 由于涉及到 math2 的銑床的學(xué)習(xí)、math3 的銑床的學(xué)習(xí)、步進(jìn)

13、電動(dòng)機(jī)的相關(guān)等 復(fù)雜的內(nèi)容，因而具有一定得意義所在，可使學(xué)生學(xué)習(xí)新的知識(shí)如學(xué)習(xí)數(shù)控新 軟件和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相關(guān)知識(shí)，并且對(duì) c 語(yǔ)言和數(shù)控技術(shù)的知識(shí)加以更深的了 解。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，要達(dá)到兩個(gè)目的： 其一：學(xué)習(xí)熟悉和理解現(xiàn)有成熟的數(shù)控控制中的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制，進(jìn)一 步接受和消化先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)。 其二：可鞏固、訓(xùn)練，提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。 通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用專業(yè)課程和其他有關(guān)課程的理論和實(shí)踐知識(shí)去 分析和解決設(shè)計(jì)問(wèn)題，并使學(xué)生所學(xué)的知識(shí)進(jìn)一步地鞏固、深化和發(fā)展。 鞏固設(shè)計(jì)的一般方法，通過(guò)設(shè)計(jì)培養(yǎng)正確的設(shè)計(jì)思想和分析問(wèn)題、解決 問(wèn)題的能力。 鞏固設(shè)計(jì)基本技能的訓(xùn)練，如計(jì)算、繪圖、查閱設(shè)計(jì)資料

14、和手冊(cè)、熟悉 標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范等。 1.2 本課題的內(nèi)容本課題的內(nèi)容 畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題：數(shù)控機(jī)床的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制的設(shè)計(jì) 本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）包括： 數(shù)控技術(shù)書的學(xué)習(xí)和應(yīng)用 c 語(yǔ)言課本的學(xué)習(xí)和應(yīng)用 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制程序的編寫和設(shè)計(jì) 程序的調(diào)試和應(yīng)用 步進(jìn)電機(jī)在數(shù)控軟件的調(diào)試應(yīng)用 設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份（其中包括步進(jìn)電機(jī)的速度控制的分析和應(yīng)用、數(shù)控軟 件的學(xué)習(xí)和分析和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)說(shuō)明） 。 2 第二章第二章 課題概述課題概述 2.1 數(shù)控軟件的學(xué)習(xí)和應(yīng)用數(shù)控軟件的學(xué)習(xí)和應(yīng)用 這一部分包括 mach2 軟件的學(xué)習(xí)和 mach3 的學(xué)習(xí)和應(yīng)用 通過(guò)此項(xiàng)內(nèi)容，使我所學(xué)的數(shù)控技術(shù)課程的知識(shí)得到鞏固，運(yùn)用和深

15、 化。主要在下述方面得到進(jìn)一步訓(xùn)練。 第一 mach2 軟件的界面的學(xué)、軟件設(shè)置和軟件的使用 第二 mach3 軟件的界面的介紹、軟件設(shè)置和軟件的使用。 第三 mach3 控制和運(yùn)行工作程序的相關(guān)的情況 2.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì) 這一部分包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理、驅(qū)動(dòng)方式、其類型和結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)控 制線路的一些主要情況。 通過(guò)此項(xiàng)內(nèi)容，使我所學(xué)的數(shù)控技術(shù)課程的知識(shí)得到鞏固，運(yùn)用和深 化。主要在下述方面得到進(jìn)一步訓(xùn)練。 第一 對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理的學(xué)習(xí) 第二 對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)有了更深刻的認(rèn)識(shí) 第三 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有更好的方法 第四 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制電路，對(duì)脈沖混合

16、電路、加減速脈沖分配電路、 加減速電路、環(huán)形分配器、功率放大器等有了具體的詳細(xì)的說(shuō)明。通過(guò)上述內(nèi) 容的學(xué)習(xí)，我們對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相關(guān)的知識(shí)有了更深入的了解。 2.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制設(shè)計(jì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制設(shè)計(jì) 這一部分包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選型、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速時(shí)間控制、加減速 能力的改進(jìn)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制的軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)。 通過(guò)此項(xiàng)內(nèi)容，使我所學(xué)的c 語(yǔ)言課程的知識(shí)得到鞏固，運(yùn)用和深化。 主要在下述方面得到進(jìn)一步訓(xùn)練。 第一 較全面的了解步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制的設(shè)計(jì)要領(lǐng)； 第二 對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制的設(shè)計(jì)的步驟進(jìn)行正確的認(rèn)識(shí)，當(dāng)然，包括 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) c 語(yǔ)言控制速度控制的設(shè)計(jì)和硬件設(shè)

17、計(jì)。 第三 對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速的控制和能力的改進(jìn)和加減速時(shí)間控制有了更 深入的了解。 第四 讓我知道了如何選擇一部適合數(shù)控機(jī)床的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，并如何才能使 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)揮更好的結(jié)果。 3 第三章第三章 數(shù)控軟件的學(xué)習(xí)和應(yīng)用數(shù)控軟件的學(xué)習(xí)和應(yīng)用 3.1 mach2 的學(xué)習(xí)和應(yīng)用的學(xué)習(xí)和應(yīng)用 mach2 軟件是目前業(yè)余情況下使用較多的 cnc 軟件之一，它是一種使用 pc 機(jī)并口或 usb 口（需要專用驅(qū)動(dòng)器）控制步進(jìn)電機(jī)的 cnc 軟件，使用方便， 但設(shè)置、功能多。 特點(diǎn)： 最多支持 6 軸聯(lián)動(dòng) 直接使用 g 代碼文件 支持 dxf bmp jpg 與 hpgl 直接導(dǎo)入 直觀 g-代碼 路線顯

18、示 可編輯 g 代碼文件 主軸變頻器控制 即時(shí)加工進(jìn)度顯示 手動(dòng)控制功能 可使用并口或 usb 輸出通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī) 可以運(yùn)行在 windows 98/nt/2000/xp 等 32 位操作系統(tǒng)上 3.1.1 軟件介紹軟件介紹 1、mach2 軟件的該屏幕顯示有 7 個(gè)界面 圖 3-1 軟件界面 4 a、 程序運(yùn)行界面 b、 手工輸入界面 c、 手動(dòng)操作界面 d、 刀路界面 e、 偏移量界面 f、 設(shè)置界面 g、 診斷界面 2、程序界面主要內(nèi)容 a、代碼顯示區(qū) b、具體軸向位置顯示 c、刀路軌跡顯示 d、代碼執(zhí)行控制 e、緊急停止按鈕 f、手動(dòng)模式選擇 g、主軸控制 3、手工輸入界面主要

19、內(nèi)容 a、具體軸向位置顯示 b、手工輸入窗口 c、手動(dòng)模式選擇 d、主軸控制 e、緊急停止按鈕 4、手動(dòng)操作界面主要內(nèi)容 a、具體軸向位置顯示 b、手動(dòng)搖桿控制窗口 c、手動(dòng)模式選擇 d、運(yùn)行軌跡顯示 e、緊急停止按鈕 5、診斷界面 該界面主要用于診斷 cnc 設(shè)備與軟件之間的交換信息。 3.1.2 軟件設(shè)置軟件設(shè)置 首先應(yīng)端口設(shè)置，為了滿足這個(gè)要求需要做六步： 1. 設(shè)置端口和引腳 2. 端口設(shè)定和軸選擇：根據(jù)使用的情況，設(shè)置端口和軸數(shù)。此時(shí)應(yīng)注意， 選擇后一定要點(diǎn)擊“應(yīng)用” ，否則不能啟用，后同。 3. 輸入信號(hào)設(shè)置：選擇需要的輸入信號(hào)。 5 4. 輸入腳分配設(shè)置：此時(shí)需要的選項(xiàng)必須在上個(gè)

20、界面設(shè)置后，本界面才可 以設(shè)置。 5. 輸出信號(hào)設(shè)置 6. 輸出腳分配設(shè)置 圖 3-2 軟件設(shè)置圖 然后再進(jìn)行電機(jī)參數(shù)設(shè)置，此操作需要進(jìn)行八步： 1. 選擇電機(jī)運(yùn)行參數(shù)調(diào)整 2. 電機(jī)速度和加速度設(shè)置 3. 軸向選擇 4. 步進(jìn)電機(jī)速度設(shè)置：?jiǎn)挝幻糠昼娺M(jìn)前毫米。沒有細(xì)分時(shí)電機(jī)振動(dòng)大且易 丟步。一般試時(shí)設(shè) 30 了。 5. 步進(jìn)電機(jī)加速度設(shè)置 6. 單位步數(shù)設(shè)置：1.8 度的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 1 圈 200 步，8 細(xì)分后就是 1600 步， 絲桿導(dǎo)程是 5mm 的，那每 mm 就是 320 步，所以每步的理論精度就是 0.008 了。 7. 每個(gè)軸向設(shè)置后都必須保存 8. 驅(qū)動(dòng)器所需脈沖的最小寬度和換

21、向時(shí)間：因驅(qū)動(dòng)器使用了光藕隔離，不 可避免地帶來(lái)了信號(hào)延遲，為防止因信號(hào)延遲而產(chǎn)生丟步，軟件應(yīng)做好相應(yīng)設(shè) 6 置。 最后再進(jìn)行單位設(shè)置：測(cè)量設(shè)置為公制毫米這樣，軟件基本的設(shè)置就完成 了。 3.1.3 軟件使用軟件使用 圖 3-3 軟件使用圖 1. 手動(dòng)校正刀具到工作原點(diǎn)，軟件所有軸清零到“0”點(diǎn) 2. 打開文件（g 代碼） 3. 選擇 g 代碼文件 4. 代碼載入 5. 電機(jī)“開始運(yùn)行” 6. 點(diǎn)擊“停止運(yùn)行”結(jié)束代碼執(zhí)行 3.2 mach3 的學(xué)習(xí)和應(yīng)用的學(xué)習(xí)和應(yīng)用 數(shù)控銑床主要組成部分：工件的設(shè)計(jì)一般用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（cad）和計(jì) 算機(jī)輔助制造（cam）或者計(jì)算機(jī)的其他程序（1） ，工件程

22、序的輸出通常以 g 代碼的形式（通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或軟盤） （2）輸送到機(jī)床的控制系統(tǒng)（3） ，機(jī)床控制系 統(tǒng)解讀 g 代碼并控制刀具（5）被伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)牽引的螺釘、齒輪、皮 帶所帶動(dòng)。機(jī)床控制系統(tǒng)所發(fā)生地信號(hào)被驅(qū)動(dòng)器放大，這樣控制系統(tǒng)便能實(shí)時(shí) 7 有效地控制電動(dòng)。由于 mach3 軟件比較復(fù)雜，在這里我主要介紹數(shù)控軟件的綜 述和 mach3 控制和運(yùn)行工作程序的情況。 3.2.1 mach3 數(shù)控軟件綜述數(shù)控軟件綜述 1. 界面顯示 mach3 的界面經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，因此很容易根據(jù)您工作方式的把界面用戶化。 雙擊圖標(biāo)運(yùn)行 mach3，您可以看到圖的銑床程序運(yùn)行界面，但是在界面中各個(gè) 數(shù)字讀出器都為

23、 0，并且沒有加載程序。如果不能正常使用，可能是因?yàn)橛惺?么東西插入了井口，或者是因?yàn)樵诎惭b mach3 時(shí)緊急停止的端口指針配置錯(cuò)誤， 點(diǎn)擊脫機(jī)按鈕可以重新使用緊急復(fù)位。 界面顯示對(duì)象，在程序運(yùn)行界面上您可以看到以下對(duì)象： 按鈕，如重新設(shè)置、停止 alt-a 等。 數(shù)字讀出器，所有數(shù)字化顯示的都是數(shù)字讀出器，主要的數(shù)字讀出 器是顯示 x，y，z，a，b，c 軸的當(dāng)前位置。 發(fā)光二極管，各種不同形狀、尺寸。 g 代碼顯示窗口（帶滾動(dòng)條） 。 刀具顯示（在您的屏幕上目前是空白方塊） ，還有一類在程序運(yùn)行界 面上沒有顯示的重要控制。 手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入框 按鈕和快捷鍵的使用 在標(biāo)準(zhǔn)屏幕上大部分的按鈕在鍵

24、盤上都有熱鍵，熱鍵在按鈕的名稱后面或 者在按鈕附近的標(biāo)簽上，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊按鈕和點(diǎn)擊名稱作用是一樣的。您可以使 用鼠標(biāo)和快捷鍵啟動(dòng)和停止主軸、開啟冷卻劑以及切換到手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入界面， 值得注意的是快捷鍵有時(shí)候是又control和alt鍵加字母組成的，雖然字母是大寫 字母但當(dāng)您在使用快捷鍵時(shí)也可以輸入小寫字母。 數(shù)字讀出器的數(shù)值輸入 經(jīng)常向數(shù)字讀出器輸入數(shù)據(jù)是不可取的，比如主軸實(shí)際速度的顯示是由電 腦通過(guò)mach3控制的，您所輸入的任何數(shù)據(jù)都將被改寫。請(qǐng)您在閱讀第7章之后 再通使用數(shù)字讀出器輸入數(shù)值。 2. 點(diǎn)動(dòng) 通過(guò)手動(dòng)使用點(diǎn)動(dòng)可以將刀具移動(dòng)到任何一個(gè)位置，當(dāng)然有些機(jī)床的刀具 本身就可以移動(dòng)，有些機(jī)

25、床是工作臺(tái)移動(dòng)或滑動(dòng)，在這里我們用用刀具移動(dòng)表 示。 點(diǎn)動(dòng)控制是特殊的彈出式界面，通過(guò)tab鍵可以在顯示和隱藏間切換，圖 3.4所示為彈出式界面圖。 8 圖3-4 點(diǎn)動(dòng)控制 3. 手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入和施教 圖 3-5 手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入輸入數(shù)據(jù) 手動(dòng)輸入界面上有輸入數(shù)據(jù)框，您可以通過(guò)點(diǎn)擊選擇輸入數(shù)據(jù)也可以按 enter 鍵自動(dòng)選擇，工作程序中出現(xiàn)的任何一行有效程序都可以被輸入，按下 enter 鍵后工件程序開始執(zhí)行。當(dāng)您需要撤銷您的輸入時(shí)按 esc 鍵，錯(cuò)誤的輸入 可以通過(guò) backspace 鍵改正。 mach3能夠記住您手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入的行程序并把它們寫入文件中，這些文件 可以作為g代碼程序反復(fù)運(yùn)行。在手

26、動(dòng)數(shù)據(jù)輸入界面上點(diǎn)擊開始施教按鈕，它 旁邊的發(fā)光二極管將提示您施教已經(jīng)啟動(dòng)，輸入不同的程序行后，按下程序行 后面的返回mach3將開始運(yùn)行，并且把它們都保持在teach的文件夾中，施教完 成時(shí)點(diǎn)擊停止施教結(jié)束施教。 使用編輯功能您可以改正程序的任何錯(cuò)誤也可以將程序存在指定的文件夾 內(nèi)。 9 4. 加工策略特別cam程序 圖3-6 加工策略菜單中的加工策略表格 系統(tǒng)中安裝的加工策略將以表格的形式顯示，您在程序運(yùn)行界面上點(diǎn)擊加 工策略很容易就可以得到所需要的工件。在這個(gè)界面上有一些默認(rèn)選項(xiàng)，注意 您可以選擇加工單位、全圓內(nèi)精銑的中心，使用的刀具以及工件的材料，但不 是所有的選項(xiàng)都適合您的機(jī)床，比如

27、您必須手動(dòng)設(shè)置主軸速度，設(shè)置主軸速度 時(shí)您可以忽略加工策略界面。 設(shè)定完成后點(diǎn)擊傳輸代碼（post code）按鈕，mach3將自動(dòng)編寫并加載g代 碼工件程序，刀具路徑將顯示刀具路徑。您可以通過(guò)修改參數(shù)減小切屑量或改 變其他設(shè)置，值得注意的是設(shè)置改變之后必須重新的是設(shè)置改變之后必須重新 點(diǎn)擊傳輸代碼（post code）。 您可以保存當(dāng)前的設(shè)置，下一次運(yùn)行加工策略的時(shí)候初始數(shù)據(jù)就是當(dāng)前定 義的數(shù)據(jù)。 點(diǎn)擊退出（exit）您將回到mach3的主界面并且可以運(yùn)行加工策略生成的工 件程序，這個(gè)過(guò)程往往比閱讀本段快的多。 5. 運(yùn)行g(shù)代碼 在程序運(yùn)行界面上您可以試試循環(huán)開始（ start cycle）

28、、暫停（pause）、 停止（stop）和返回程序開頭（rewind）按鈕的效果及其捷徑。 運(yùn)行程序時(shí)，一列突出的代碼會(huì)在g代碼窗口上以特殊方式運(yùn)動(dòng)。mach3提 前讀取程序并設(shè)計(jì)其運(yùn)動(dòng)，避免刀具路徑以低于要求的速度運(yùn)動(dòng)。暫停時(shí)通過(guò) 顯示器您可以看到提前讀取確實(shí)在進(jìn)行。 通過(guò)滾動(dòng)界面您可以看到g代碼的任何一行，顯示出來(lái)的g代碼是突出的， 您也可以使用從這里開始（run from here）從這一行開始運(yùn)行程序。 運(yùn)行程序只能從硬盤而非軟盤驅(qū)動(dòng)器或usb， mach3 需要高速讀取存在 10 硬盤中的文檔，并且文檔必須是只讀文檔。 6. 刀具軌跡顯示 查看刀具軌跡 刀具軌跡顯示窗口的移動(dòng)和縮放

29、7.其他屏幕顯示特點(diǎn) 按鈕：估計(jì)工件程序運(yùn)行在機(jī)床上花費(fèi)時(shí)間。 控制器：控制工件程序所選的進(jìn)給修調(diào)。 數(shù)字式讀出器：給出加載工件程序所有軸刀具運(yùn)動(dòng)范圍。 屏幕：顯示如何安裝z軸使x和y運(yùn)動(dòng)不會(huì)撞到夾具等信息。 屏幕：監(jiān)控所有mach3輸入輸出的邏輯電平（0和1）。 3.2.2 mach3 控制和運(yùn)行工件程序控制和運(yùn)行工件程序 控制在本節(jié)的解釋控制在本節(jié)的解釋 1. 界面開關(guān)控制系列 每個(gè)界面上都有開關(guān)控制裝置，當(dāng)您在界面之間切換時(shí)他們也不會(huì)改變， 仍然會(huì)顯示系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的信息。 緊急復(fù)位（reset） 表格 界面選擇按鈕 圖3-7 軸的控制系列 使用界面選擇按鈕可以在各個(gè)界面之間切換，它們

30、的快捷鍵就在它們名稱 的后面，雖然快捷鍵都是大寫字母但是您在使用快捷鍵的時(shí)候也可以輸入小寫 字母。 11 2. 軸控制系列 坐標(biāo)值數(shù)字讀出器 定義基準(zhǔn) 機(jī)械坐標(biāo) 縮放比例 軟件限制 校驗(yàn) 直徑或半徑修正 3. 定義特殊功能 在各類界面上設(shè)置了一些快速精確移動(dòng)刀具（控制點(diǎn)）到指定位置（如更 換刀具）的按鈕，這些按鈕包括歸零：把所有的軸移動(dòng)到零點(diǎn)，直達(dá)更換刀具 位置，直達(dá)z軸安全位置，直達(dá)原點(diǎn)位置。 另外mach3能記住兩個(gè)不同的坐標(biāo)系并到達(dá)命令指定的位置，這些功能的 控制按鈕是設(shè)定基準(zhǔn)點(diǎn)和直達(dá)基準(zhǔn)點(diǎn)以及設(shè)定可變位置和直達(dá)可變位置。 4. 手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入和施教控制系列 圖3-8 手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)框 5.

31、 點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行控制系列 熱鍵點(diǎn)動(dòng)：熱鍵點(diǎn)動(dòng)有三種模式 連續(xù)點(diǎn)動(dòng)、分步點(diǎn)動(dòng)和電子首輪模式，您 可以使用界按鈕點(diǎn)動(dòng)模式（jog mode）并根據(jù)發(fā)光二極管來(lái)選擇您所要的模 式。 并口或modbus電子手輪點(diǎn)動(dòng)：在電子手輪速度上面是一系列的選擇點(diǎn)動(dòng)模式 的按鈕。 主軸速度控制系列：根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)的不同，主軸速度的控制可以分為以下三 種類型：（a）手動(dòng)設(shè)定速度，手動(dòng)啟用和停止：（b）手動(dòng)設(shè)定速度，m代 碼通過(guò)輸出信號(hào)啟用和停止；（c）使用電子手輪設(shè)定速度，或者通過(guò) step/direction驅(qū)動(dòng)。 6. 程序運(yùn)行控制系列 12 圖3-9 程序運(yùn)行控制系列 程序運(yùn)行控制系列用于執(zhí)行加載的工件程序或手動(dòng)數(shù)據(jù)輸

32、入的命令。 循環(huán)開始（cycle start） 進(jìn)給保持 停止 返回程序開頭 單行程序運(yùn)行 程序反向運(yùn)行 行序數(shù) 從這里開始設(shè)置下一行 設(shè)置下一行 刪除程序行 任選停止（optional stop）,如果您激活了任選停止，mach3就回把m01 當(dāng)成m00處理。 7. 文件控制系列 8. 刀具信息控制系列 9. g代碼和刀具軌跡控制系列 g代碼顯示窗口可以顯示當(dāng)前加載的工件程序，您可以滾動(dòng)窗口查看工件 程序g代碼，當(dāng)前運(yùn)行的程序行在g代碼顯示窗口上是突出的。 刀具軌跡顯示窗口將顯示控制點(diǎn)在x、y、z三個(gè)平面的路徑，當(dāng)工件程序運(yùn) 行的時(shí)候刀具軌跡將會(huì)重新勾勒，刀具路徑的顏色為配置下拉菜單刀具路徑

33、對(duì) 話框中設(shè)置的顏色。重新勾勒的刀具軌跡是動(dòng)態(tài)的，當(dāng)您切換界面和視角的時(shí) 候并不會(huì)保存。 10.工件偏移量和刀具庫(kù)控制系列 工件偏移量和刀具庫(kù)可以從操作菜單中打開，通常通過(guò)此系列操作會(huì)更加 方便。因?yàn)間代碼的基本定義工件偏移量和刀具庫(kù)在工件原理上有輕微的差異。 注意：改變工件和刀具的偏移量雖然改變了軸的數(shù)字讀出器的讀數(shù)，但是事實(shí) 13 上刀具并不會(huì)移動(dòng)，設(shè)置了新偏移量之后刀具移動(dòng)命令。 工件偏移量 刀具 直接存儲(chǔ)器偏移量表 11.旋轉(zhuǎn)直徑控制系列 12.切線控制系列 13.極限和其他控制系列 輸入激活 極限修調(diào) 14.系統(tǒng)設(shè)置控制系列 單位 安全z 恒速度模式和角極限 脫機(jī) 15.編碼器控制系

34、列 16.z軸自動(dòng)控制系列 17.激光觸發(fā)器輸出系列 18.自定義控制便利 使用加工策略使用加工策略 14 圖3-10 加工策略界面 mach3加工策略是施教功能的擴(kuò)展功能，通過(guò)一個(gè)或幾個(gè)特殊的界面您可以 定義機(jī)床的操作，加工策略可以生成g代碼控制刀具的切割，加工策略的例子有 圓環(huán)精內(nèi)銑、鉆排孔和雕刻。 系統(tǒng)中的加工策略來(lái)之不同的作者，因?yàn)樗麄兊哪康牟煌虼嗽诳刂瓢粹o 上有輕微的差異，但是每個(gè)加工策略都包含了把g代碼傳送給mach3和返回 mach3界面的意思，使用大部分加工策略時(shí)您都可以保存您的設(shè)置，在下一次 運(yùn)行加工策略時(shí)數(shù)字讀出器上顯示的參數(shù)不會(huì)改變。 加載加載g g代碼工件程序代碼工件

35、程序 圖3-11 加載g代碼 如果您有現(xiàn)成的手寫工件程序或者cad/cam軟件編寫的程序，您可以使 用加載g代碼按鈕加載程序，點(diǎn)擊加載g代碼按鈕將彈出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的windows打 開文件對(duì)話框，然后您可以選擇需要加載的文件。 文件被選擇并打開之后mach3會(huì)加載并分析代碼，生成和顯示刀具路徑， 并且建立程序極限。 被加載的程序代碼會(huì)在g代碼顯示窗口顯示，您可以使用窗口的滾動(dòng)條觀 看所有的g代碼程序。 編輯工件程序編輯工件程序 如果您定義了g代碼編輯器程序（配置下拉菜單邏輯對(duì)話框），您可以點(diǎn)擊 15 編輯對(duì)g代碼進(jìn)行編輯，點(diǎn)擊編輯之后會(huì)打開一個(gè)加載了g代碼的新對(duì)話框。 完成編輯之后保持文件并退出編

36、輯，您也可以直接關(guān)閉對(duì)話框，系統(tǒng)將提 示您對(duì)更改后的文件進(jìn)行保存。 編輯g代碼時(shí)mach3處于暫停狀態(tài)，mach3窗口是鎖定的，激活mach3窗口的 辦法就是返回并關(guān)閉編輯。 mach3會(huì)分析編輯之后的g代碼，并生成新的刀具路徑和程序極限，任何時(shí) 候您都可以點(diǎn)擊重新生成按鈕生成刀具路徑。 手動(dòng)準(zhǔn)備和運(yùn)行工件程序手動(dòng)準(zhǔn)備和運(yùn)行工件程序 1. 手寫程序的輸入 您可以通過(guò)以下兩種方式編寫程序：運(yùn)行mach3之外的編輯器并保存文件： 您也可以點(diǎn)擊編輯按鈕但不加載程序，然后把文件另存為一個(gè)新的文件并退出 編輯。 圖3-12 在記事本中設(shè)置g代碼 以上兩種情況您都需要使用文件下拉菜單的加載g代碼把新的程序

37、加載到 mach3。 2. 運(yùn)行工件程序之前 在啟動(dòng)機(jī)床運(yùn)行工件程序之前最好對(duì)機(jī)床進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試，您可以輸入以 下命令對(duì)機(jī)床進(jìn)行測(cè)試：g17/g18/g19, g20/g21, g40, g49, g61/g62, g90/g91, g93/g94。 然后您可以選擇刀具或部件偏移量。 16 最后，如果程序還沒被證實(shí)是正確的，您就需要對(duì)程序進(jìn)行試運(yùn)行，在工 作臺(tái)上不放任何東西看是否有狀況發(fā)生。 3.運(yùn)行程序 在您初次運(yùn)行程序時(shí)您必須格外小心，可能您需要對(duì)主軸速度和進(jìn)給進(jìn)行 修調(diào)、減小噪聲以及優(yōu)化產(chǎn)品，您可以在機(jī)床運(yùn)行時(shí)或點(diǎn)擊暫停進(jìn)行更改，更 改完成之后再點(diǎn)擊循環(huán)開始。 輸入其它文件生成輸入其它文

38、件生成g g代碼代碼 mach3可以把dxf、hpgl和jpeg格式文件轉(zhuǎn)換為g代碼。 可以通過(guò)一定得途徑轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的程序來(lái)運(yùn)行。 17 第四章第四章 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制 4.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本特點(diǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本特點(diǎn) 4.1.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類和結(jié)構(gòu)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類和結(jié)構(gòu) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類方式很多，根據(jù)不同的分類方式，可將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分為 多種類型，如表 4-1 所示。 圖 4-7 是一典型單定子、徑向分相、反應(yīng)式伺服步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。 它與普通電動(dòng)機(jī)一樣，分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分，其中定子又分為定子鐵心和定 子繞組。定子鐵心由電工鋼片疊壓而成，其形成如圖中所示

39、。定子繞組是繞置 在定子鐵心 6 個(gè)均勻分布的齒上的線圈，在直徑方向上相對(duì)的兩個(gè)齒上的線圈 串聯(lián)在一起，構(gòu)成一相控制繞組。圖 4-7 所示的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可構(gòu)成三相控制繞 組，故也稱三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。若任一相繞組通電，便形成一組定子磁極，其方 向即圖中所示的 ns 極。在定子的每個(gè)磁極上，即定子鐵心上的每個(gè)齒上又開 了 5 個(gè)小齒。齒槽等寬，齒間夾角是 9，與磁極上的小齒一致。此外，三相 定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯(cuò)開 1/3 齒距，如圖 4-8 所示。當(dāng) a 相磁 極上的小齒與轉(zhuǎn)子上的小齒對(duì)齊時(shí)，b 相磁極上的齒剛好超前（或滯后）轉(zhuǎn)子 齒 1/3 齒距角，c 相磁極齒超前（或滯后）轉(zhuǎn)子齒 2

40、/3 齒距角。 圖 4-7 單定子徑向分相反應(yīng)式伺服 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖 表 4-1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的分類 分類方式具體類型 按力矩產(chǎn)生的原理(1) 反應(yīng)式：轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，由被激磁的定子繞組產(chǎn)生反應(yīng)力距實(shí)現(xiàn) 步進(jìn)運(yùn)行 18 (2) 激磁式：定、轉(zhuǎn)子均有激磁繞組（或轉(zhuǎn)子用永久磁鋼） ，由電 磁力距實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行 按輸出力矩大小 (1) 伺服式：輸出力矩在百分之幾 n.m,只能驅(qū)動(dòng)較小的負(fù)載，要 與液壓扭矩放大器配合，才能驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)等較大的負(fù)載 (2) 功率式：輸出力矩在 550n.m 以上，可以直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作 臺(tái)等較大的負(fù)載 按定子數(shù)(1)單定子式；(2)雙定子式；(3) 三定子式；(4) 多定

41、子式 按各組繞組分布(1) 徑向分相式：電動(dòng)機(jī)各相按圓周依次排列 (2) 軸向分相式：電動(dòng)機(jī)各相按軸向依次排列 4.1.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理實(shí)際上時(shí)電磁鐵的作用原理。以圖 4-8 所示為例， 當(dāng) a 相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子的齒與定子 aa 上的赤對(duì)齊。若 a 相斷電，b 相通電， 由于磁力的作用，轉(zhuǎn)子的齒與定子 bb 上的齒對(duì)齊，轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過(guò) 3， 如果控制線路不停地按 a-b-c-a的順序控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的通斷電，步進(jìn) 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子便不停地順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。若通電順序改為 a-c-b-a，步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 的轉(zhuǎn)子將逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這種通電方式稱為三相三拍，

42、而常用的通電方式為三相 六拍，其通電順序?yàn)?a-ab-b-bc-c-ca-a及 a-ac-c-cb-b-ba-a，相應(yīng)地， 定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò) 1.5。 各組定子 轉(zhuǎn)子齒展開 順時(shí)針方向 c相 b相a相 6 圖 4-8 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的齒距 綜上所述，可以得到如下結(jié)論： (1)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè) 確定的角度，即步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角 ； (2)改變步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變； (3)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)地速度 越快，即通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高； 19 (4)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距

43、角 與定子繞組的相數(shù) m、轉(zhuǎn)子的齒數(shù) z、通電方 式 k 有關(guān)，可用下式表示： =360/(mzk) 式中，m 相 m 拍時(shí)，k=1;m 相 2m 拍時(shí)，k=2。 4.1.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性 (1) 步進(jìn)角和靜態(tài)步距誤差 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角 shi6 決定開環(huán)伺服系 統(tǒng)脈沖當(dāng)量的重要參數(shù)，數(shù)控機(jī)床中常見的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角一般為 0.53，一般情況下，步距角越小，加工精度越高。靜態(tài)步距誤差指理論的 步距角和實(shí)際的步距角之差，以分表示，一般在 10之內(nèi)。步距誤差主要由步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)齒距制造誤差、定子和轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻以及各相電磁轉(zhuǎn)矩不均勻等 因素造成的。步距誤差直接

44、影響工作地加工精度以及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。 (2) 啟動(dòng)頻率 fq。空載時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止突然啟動(dòng)，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(dòng)頻率或突跳頻率，用 fq 表示。若啟動(dòng)時(shí)頻 率大于突跳頻率，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就不能正常啟動(dòng)。fq 與負(fù)載慣量有關(guān)，一般說(shuō)來(lái) 隨著負(fù)載慣量的增長(zhǎng)而下降?？蛰d啟動(dòng)時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)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。 (3) 連續(xù)運(yùn)行的最高工作頻率 fmax 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，它所能接受 的，即保證不丟步運(yùn)行的極限頻率 fmax，稱為最高工作頻率。它是決定定子繞 組通電狀態(tài)最高變化頻率的參數(shù)，它決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。其值遠(yuǎn)大 于 fq

45、，且隨負(fù)載的性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動(dòng)電源也有很大關(guān)系。 (4) 加減速特性 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加減速特性是描述不技能電動(dòng)機(jī)由靜止到工 作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過(guò)程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與 時(shí)間的關(guān)系。當(dāng)要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)到大于突跳頻率的工作頻率停止時(shí)，變化 速度必須逐步下降。逐步上升和下降的加速時(shí)間、減速時(shí)間不能過(guò)小，否則會(huì) 出現(xiàn)失步或超步。我們用加速時(shí)間常數(shù) ta和 tb來(lái)描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的升速和降 速特性，如圖 4-9 所示。 20 圖 4-9 加減速特性曲線 (5) 距頻特性與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩 距頻特性 m=f(f)是描述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn) 行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系。如圖 4

46、-10 所示，該特性上每一個(gè)頻 率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩?？梢妱?dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降。 上述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性除第一項(xiàng)外，其余均與驅(qū)動(dòng)電源有很大關(guān)系。 驅(qū)動(dòng)電源性能好，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性可得到明顯改善。 0 4812 16 1 2 3 f/x103 hz md/(n.m) 圖 4-10 轉(zhuǎn)矩-頻率特性曲線 4.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)方式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)方式 4.2.1 步進(jìn)電機(jī)的控制方式步進(jìn)電機(jī)的控制方式 如果通過(guò)單片機(jī)按順序給繞組施加有序的脈沖電流，就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn) 動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字角度的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)動(dòng) 的速度與脈沖頻率成正比，而轉(zhuǎn)動(dòng)方

47、向則與脈沖的順序有關(guān)。以三相步進(jìn)電機(jī) 為例，電流脈沖的施加共有三種方式。 （1） 單相三拍方式-按單相繞組施加電流脈沖 abc 正轉(zhuǎn) abc 反轉(zhuǎn) （2） 雙相三拍方式-按雙相繞組施加電流脈沖 abbcca 正轉(zhuǎn) ac cb ab 反轉(zhuǎn) （3） 三相六拍方式-單相繞組和雙相繞組交替施加電流脈沖 aabbbccca 正轉(zhuǎn) a ac c cb bba 反轉(zhuǎn) 單相三拍可以在繞組斷電時(shí)，通過(guò)續(xù)流二極管將儲(chǔ)存在繞組中的電能消耗 在電阻上，表現(xiàn)為電流波形下降的速度加快，下降時(shí)間減少。雙三拍與單三拍 的另外不同之處是：雙三拍工作時(shí)的磁導(dǎo)率最大位置并不是轉(zhuǎn)子處于對(duì)齒的位 置，并且雙三拍還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是不易產(chǎn)

48、生失步，而單三拍由于是單相通電 21 勵(lì)磁，不會(huì)產(chǎn)生阻尼作用，因此當(dāng)工作在低頻區(qū)時(shí)，由于通電時(shí)間而使能量過(guò) 大，易產(chǎn)生失步現(xiàn)象。六拍工作時(shí)的步距角要比單三拍和雙三拍時(shí)的步距角小 一步，所以步進(jìn)精度要高一倍，六拍工作方式的性能最好，單三拍工作方式的 性能較差。 單相三拍方式的每一拍步進(jìn)角為 3三相六拍的步進(jìn)角則為 1.5。因此， 在三相六拍下，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行反轉(zhuǎn)平穩(wěn)柔和，但在同樣的運(yùn)行角度與速度下， 三相六拍驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率需提高一倍，對(duì)驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的開關(guān)特性要求較高。 4.2.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式 步進(jìn)電電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有多種，可以根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選用。分為單電壓驅(qū) 動(dòng)、全電壓驅(qū)動(dòng)

49、、高低壓法等幾種形式，下面我主要介紹以下幾種。 1單電壓驅(qū)動(dòng) 單電壓驅(qū)動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)繞組在工作時(shí)，只用一個(gè)電壓電源對(duì)繞組供電。特 點(diǎn)是電路最簡(jiǎn)單。圖 4-2 就是一個(gè)例子，它只是一個(gè)電源 v。電路中的限流電 阻 r1決定了時(shí)間常數(shù)。可在 r1兩端并聯(lián)一個(gè)電容，以便電流的上升波形變陡， 來(lái)改善高頻特性，但這樣做又使低頻性能變差。 r1在工作中要消耗一定的能量，所以這個(gè)電路損耗大，效率低。一般只用 于小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。 圖 4-2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路 2雙電壓驅(qū)動(dòng) 用提高電壓的方法可以使繞組中的電流上升波形變陡，這樣就產(chǎn)生了雙電 壓驅(qū)動(dòng)。雙電壓驅(qū)動(dòng)有兩種方式：雙電壓法和高低壓法。 22 圖

50、4-3 雙電壓驅(qū)動(dòng)原理圖 雙電壓法 雙電壓法的基本路線是：在低頻段使用較低的電壓驅(qū)動(dòng)，在高頻段使用較 高的電壓驅(qū)動(dòng)。其電路原理如圖 4-3 所示。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在低頻時(shí)，給 t1低電平，使 t1關(guān)斷。這時(shí)電動(dòng)機(jī)的繞組由 低電壓 vl供電，控制脈沖通過(guò) t2使繞組得到低壓脈沖電源。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在 高頻時(shí)，給 t1 高電平，使 t1打開。這時(shí)二極管 d2反向截止，切斷低電壓電源 vl，電動(dòng)機(jī)繞組由高電壓 vh供電，控制脈沖通過(guò) t2使繞組得到高壓脈沖電源。 這種驅(qū)動(dòng)方法保證了低頻段具有單電壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，在高頻段具有良好的 高頻性能，但仍沒擺脫單電壓驅(qū)動(dòng)的弱點(diǎn)，在限制電阻 r 上仍然會(huì)產(chǎn)生損耗和 發(fā)

51、熱。 高低壓法 高低壓法的基本思路是：不論電動(dòng)機(jī)工作的頻率如何，在繞組通電的開始 用高壓供電，使繞組中電流迅速上升，而后用低壓來(lái)維持繞組中的電流。 高低壓驅(qū)動(dòng)電路的原理圖如圖 4-4 所示。盡管看起來(lái)與雙電壓法電路非常 相似，但它們的原理有很大差別。 圖 4-4 高低壓驅(qū)動(dòng)原理圖 高壓開關(guān)管 t1的輸入脈沖 uh與低壓開關(guān)管 t2的輸入脈沖 ul同時(shí)起步，但 23 脈寬要窄得多。兩個(gè)脈沖同時(shí)使開關(guān)管他 t1、t2導(dǎo)通，使高電壓 vh 為電動(dòng)機(jī) 繞組供電。這使得繞組中電流 i 快速上升，電流波形的前沿很陡，如圖 4-4 所 示電流波形。當(dāng)脈沖 uh降為低電壓時(shí)，高壓開關(guān)管 t1截止，高電壓被切斷

52、， 低電壓 vl通過(guò)二極管 d2為繞組繼續(xù)供電。由于繞組電阻小，回路中又沒串聯(lián) 電阻，所以低電壓只需數(shù)伏就可以為繞組提供較大電流。 低頻工作時(shí)，由于繞組通電周期長(zhǎng)，容易產(chǎn)生能量過(guò)剩。因此，在設(shè)計(jì)中， 可通過(guò)計(jì)算平均電流的方法，來(lái)選擇低電壓 vl值。 高頻工作時(shí)，由于繞組通電周期短，可能出現(xiàn) uh與 ul脈寬相同。因此， 在設(shè)計(jì)中，要保證在最高工作頻率工作時(shí)，uh的脈寬不要大于 ul的脈寬。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與其他電動(dòng)機(jī)不同，它所標(biāo)稱的額定電壓和額定電流只是參考 值；又因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)以脈沖方式供電，電源電壓是其最高電壓，而不是平均 電壓，所以，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以超出其額定值范圍工作。這就是為什么步進(jìn)電動(dòng)

53、機(jī)可以采用高低壓工作的原因。一般高壓選擇范圍是 80150v，低壓選擇范圍 是 520v。選擇時(shí)注意不要偏離步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的額定值太遠(yuǎn)。 高低壓驅(qū)動(dòng)法是目前普通應(yīng)用的一種方法。由于這種驅(qū)動(dòng)在底頻時(shí)電流有 較大的上沖，電動(dòng)機(jī)低頻噪聲較大，低頻共振現(xiàn)象存在，使用時(shí)要注意。 3. 斬波驅(qū)動(dòng) 高低壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，電流波形在高壓與低壓交接處有一個(gè)凹陷（如圖 4-4 所示） ， 這會(huì)使輸出轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)下降。另外，雙電壓也會(huì)增加設(shè)備的成本。斬波驅(qū)動(dòng)會(huì)很 好地解決這些問(wèn)題。 圖 4-5(a)是斬波恒流驅(qū)動(dòng)的原理圖。t1是一個(gè)高頻開關(guān)管。t2開關(guān)管的發(fā) 射極接一只小電阻 r，電動(dòng)機(jī)繞組的電流經(jīng)這個(gè)電阻到地，所以這個(gè)電阻是電

54、流采樣電阻。比較強(qiáng)的一端接給定電壓 uc,另一端接采樣電阻上的壓降，當(dāng)采樣 電壓為 0 時(shí)，比較強(qiáng)輸出高電平。 圖 4-5 斬波恒流驅(qū)動(dòng)原理圖 當(dāng)控制脈沖 u1為低電平時(shí)，t1和 t2兩個(gè)開關(guān)管均截止；當(dāng) ui 為高電平時(shí)， t1和 t2兩個(gè)開關(guān)管均導(dǎo)通，電源向繞組供電。由于繞組電感的作用，r 上的電 24 壓逐漸升高，當(dāng)超過(guò)給定電壓 uc 的值時(shí)，比較器輸出低電平，使與門輸出低電 平，t1截止，電源被切斷；當(dāng)采樣電阻上的電壓小于給定電壓時(shí)，比較器輸出 高電平，與門業(yè)輸出高電平，t1又導(dǎo)通，電源又開始向繞組供電。這樣反復(fù)循 環(huán)，直到 ui 為低電平。 以上的驅(qū)動(dòng)過(guò)程表現(xiàn)為：t2每導(dǎo)通一次，t1

55、導(dǎo)通多次，繞組的電流波形為 鋸齒形，如圖 4-5（b）所示。 t2導(dǎo)通時(shí)，電源是脈沖式供電（見 ua 波形） ，所以提高了電源效率，并且 能有效地抑制共振。由于無(wú)需外接影響時(shí)間常數(shù)的限流電阻，所以提高了高頻 性能；但是，由于電流波形鋸齒形，將會(huì)產(chǎn)生較大的電磁噪聲。 4. 細(xì)分驅(qū)動(dòng) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組的電流是按照工作方式的節(jié)拍流通電的。繞組通電的 過(guò)程非常簡(jiǎn)單，即通電斷電反復(fù)進(jìn)行。現(xiàn)在設(shè)想將這一過(guò)程復(fù)雜化，例如， 每次通電時(shí)電流的幅值并不是一次升到位，而是分級(jí)，逐級(jí)上升；同樣，每次 斷電時(shí)電流也不是一次降到 0，而是逐級(jí)下降。如果這樣做會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？ 眾所周知，電磁力的大小與繞組通電電流的大小

56、有關(guān)。當(dāng)通電相的電流并 不馬上升到位。而斷電相的電流并不立即降為 0 時(shí)，它們所產(chǎn)生的磁場(chǎng)合力， 會(huì)使轉(zhuǎn)子有一個(gè)新的平衡位置，這個(gè)新的平衡位置是在原來(lái)的步距角范圍內(nèi)。 也就是說(shuō)，如果繞組中電流的波形不再是一個(gè)近似方波，而是一個(gè)分成 n 個(gè)階 級(jí)的近似階梯波，則電流每升或降一個(gè)階級(jí)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一小步。當(dāng)轉(zhuǎn)子按照 這樣的規(guī)律轉(zhuǎn)過(guò) n 小步時(shí)，實(shí)際上相當(dāng)于它轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這種將一個(gè)步距 角細(xì)分成若干小步的驅(qū)動(dòng)方法，就稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。 細(xì)分驅(qū)動(dòng)使實(shí)際步距角更小了，可以大大提高對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制精度。同 時(shí)，也可以減小或消除振蕩、噪聲和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。目前，采用細(xì)分技術(shù)已經(jīng)可以 將原步距角分成數(shù)百份。 例如，三

57、相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子有 40 個(gè)齒，采用六拍工作方式，由式 1 可計(jì)算 出它的步距角為 1.5。如果將步距角 4 細(xì)分，則新的步距角為 0.375。 實(shí)現(xiàn)細(xì)分的驅(qū)動(dòng)電路可分為兩類：一類是采用線性模擬功率放大的方法獲 得階梯形電流，這種方法電路簡(jiǎn)單，但功率管功耗大，效率低；另一類是用單 片機(jī)采用數(shù)字脈寬調(diào)制的方法獲得階梯形電流，這種方法需要復(fù)雜的計(jì)算來(lái)使 細(xì)分后的步距角均勻一致。下面介紹一種屬于脈寬調(diào)制法的驅(qū)動(dòng)電路恒頻 脈寬調(diào)制細(xì)分電路，它不需要復(fù)雜的計(jì)算，是目前比較流行的方法。 恒頻脈寬調(diào)制細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制實(shí)際上是在斬波恒流驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上的進(jìn)一步改 進(jìn)。在斬波驅(qū)動(dòng)電路中，繞組中電流的大小取決于比較器的給

58、定電壓，在工作 中這個(gè)給定電壓是一個(gè)定值?，F(xiàn)在，用一個(gè)階梯電壓來(lái)代替這個(gè)給定電壓，就 可以得到階梯形電流。 25 恒頻脈寬調(diào)制細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路如圖 4-6（a）所示。單片機(jī)是控制主體。它通 過(guò)定時(shí)器 t0輸出 20khz 的方波，送 d 觸發(fā)器，作為恒頻信號(hào)。同時(shí)，輸出階 梯電壓的數(shù)字信號(hào)好 d/a 轉(zhuǎn)換器，作為控制信號(hào)，它的階梯電壓的每一個(gè)變化， 都使轉(zhuǎn)子走一細(xì)分步。 恒頻脈寬調(diào)制細(xì)分電路工作原理如下：當(dāng) d/a 轉(zhuǎn)換器輸出的 ua 不變時(shí)， 恒頻信號(hào) clk 的上升沿使 d 觸發(fā)器輸出 ub 高電平，使開關(guān)管 t1、t2導(dǎo)通，繞 組中的電流上升，采樣電阻 r2上壓降增加。當(dāng)這個(gè)壓降大于 ua

59、時(shí)，比較器輸 出低電壓，使 d 觸發(fā)器輸出 ub 低電平，t1、t2截止，繞組的電流下降。這使 得 r2上的壓降小于 ua，比較器輸出高電平，使 d 觸發(fā)器輸出高電平，t1、t2 導(dǎo)通，繞組中的電流重新上升。這樣的過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，使繞組電流的波頂鋸齒 形。因?yàn)?clk 的頻率較高，鋸齒形波紋會(huì)很小。 當(dāng) ua 上升突變時(shí)，采樣電阻上的壓降有較長(zhǎng)時(shí)間大于 ua，比較器輸出低 電平，clk 的上升沿即使使 d 觸發(fā)器輸出 1 也馬上清 0.電源始終被切斷，使電 流幅值大幅下降，降到新的階級(jí)為止。 （a） 電路圖 （b） 波形圖 圖 4-6 恒頻脈寬細(xì)分電路及波形 以上過(guò)程重復(fù)進(jìn)行。ua 的每一個(gè)突變

60、，就會(huì)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)細(xì)分步。 當(dāng)然還有其他驅(qū)動(dòng)電路，像集成電路驅(qū)動(dòng)、雙極性驅(qū)動(dòng)等。但常用的是以 前幾種形式。 26 4.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線路 根據(jù)步進(jìn)式伺服系統(tǒng)的工作原理，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制線路的功能是，將 具有一定頻率 f、一定數(shù)量和方向的進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相定子繞 組通斷電的電平信號(hào)。電平信號(hào)的變化頻率、變化次數(shù)和通斷電順序與進(jìn)給指 令脈沖的頻率、數(shù)量和方向?qū)?yīng)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)該功能，一個(gè)較完善的步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線路應(yīng)包括脈沖混合電路、加減脈沖分配電路、加減速電路、 環(huán)形分配器和功率放大器（見圖 4-11） ，并應(yīng)能接收和處理各種類型的進(jìn)給指