第4章 順序控制與數(shù)字控制技術(shù)

1、楊廉13974840307163.COM4.1 4.1 順序控制技術(shù)順序控制技術(shù)4.2 4.2 數(shù)字程序控制技術(shù)數(shù)字程序控制技術(shù)第第4 4章章 順序控制與數(shù)字控制技術(shù)順序控制與數(shù)字控制技術(shù)第第4 4章章 順序控制與數(shù)字控制技術(shù)順序控制與數(shù)字控制技術(shù)4.1 4.1 順序控制技術(shù)順序控制技術(shù)4.1.1 順序控制概述4.1.2 順序控制系統(tǒng)的組成4.1.3 微機(jī)順序控制系統(tǒng)應(yīng)用案例4.1.1 4.1.1 順序控制概述順序控制概述4.1.1 4.1.1 順序控制概述順序控制概述4.1.1 4.1.1 順序控制概述順序控制概述4.1.1 4.1.1 順序控制概述順序控制概述二、順序控制系統(tǒng)的類型二、順序

2、控制系統(tǒng)的類型 目前在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的順序控制系統(tǒng)數(shù)量龐大，其控制的對(duì)象及過(guò)程也不盡相同。 但根據(jù)其輸入裝置中的元器件及邏輯控制器件的特點(diǎn)可將順序控制系統(tǒng)分為下 列4種類型。1 1、按順序執(zhí)行的繼電一接觸器控制系統(tǒng)、按順序執(zhí)行的繼電一接觸器控制系統(tǒng) 繼電器控制裝置是根據(jù)控制對(duì)象的特點(diǎn)及工藝要求，先計(jì)算出輸出與各輸入條 件的邏輯關(guān)系式，再按該邏輯關(guān)系式把一定數(shù)量的繼電器、接觸器、開(kāi)關(guān)及其 他電器的相關(guān)觸點(diǎn)用導(dǎo)線連接成相應(yīng)的控制電路，從而達(dá)到自動(dòng)順序控制的目 的。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于簡(jiǎn)單的機(jī)床電氣控制系統(tǒng)、化工、包裝等控制邏輯不太 復(fù)雜、工作電流較大的領(lǐng)域。2 2、半導(dǎo)體邏輯順序控制系統(tǒng)、半導(dǎo)體邏輯順序控制

3、系統(tǒng) 該系統(tǒng)采用半導(dǎo)體邏輯順序控制裝置作為組成順序控制系統(tǒng)核心部件。將半導(dǎo) 體邏輯元器件（如二極管、三極管、門電路、觸發(fā)器及CPU芯片等）按一定的 邏輯運(yùn)算關(guān)系在印制電路板上連接成順序控制系統(tǒng)就稱為半導(dǎo)體邏輯順序控制 裝置，也稱無(wú)觸點(diǎn)邏輯控制裝置。它克服了繼電一接觸器控制系統(tǒng)中壽命短、 工作頻率低、功能簡(jiǎn)單、可靠性差等缺點(diǎn)，是常用的順序控制系統(tǒng)之一。4.1.1 4.1.1 順序控制概述順序控制概述 3 3、可編程順序控制器系統(tǒng)、可編程順序控制器系統(tǒng) 該系統(tǒng)采用可編程控制器（PLC）作為順序控制系統(tǒng)核心部件。它是針對(duì)繼電 器順序控制器及非接觸式半導(dǎo)體邏輯控制裝置專用性強(qiáng)、更改維護(hù)不易的缺點(diǎn) 而推

4、出的一種順序控制系統(tǒng)。該類順序控制器把CPU、I/O、程序存儲(chǔ)器、數(shù)字 存儲(chǔ)器等元器件集成在同一個(gè)控制器中；特別是針對(duì)其工作的工業(yè)環(huán)境，強(qiáng)化 了其I/O接口的數(shù)量、種類及功能，使控制器不需擴(kuò)展就具有帶多種負(fù)載的能 力。為了提高其抗干擾能力，在控制器內(nèi)部專門集成了光耦、電子看門狗等抗 干擾電路，使其在工作時(shí)能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。該系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)中得到了廣泛 應(yīng)用，PLC也成為順序控制系統(tǒng)裝置中的主流設(shè)備之一。4 4、微機(jī)順序控制系統(tǒng)、微機(jī)順序控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)采用微型計(jì)算機(jī)作為順序控制系統(tǒng)核心部件。該系統(tǒng)適用于要求精度 高、性能復(fù)雜等順序控制的場(chǎng)合。該系統(tǒng)具有應(yīng)用靈活、智能程度較高、二次 開(kāi)發(fā)效率高等

5、優(yōu)點(diǎn)。順序控制方式順序控制方式 連鎖式順序步進(jìn)控制是將前一個(gè)動(dòng)作的常開(kāi)觸點(diǎn)串聯(lián)在后一個(gè)動(dòng)作的啟動(dòng)線路 中，作為后一個(gè)動(dòng)作發(fā)生的必要條件。同時(shí)將代表后一個(gè)動(dòng)作的常閉觸點(diǎn)串入 前一個(gè)動(dòng)作的關(guān)斷線路里。 定時(shí)器式順序控制動(dòng)作的發(fā)生是在定時(shí)器的控制下自動(dòng)按順序一步步進(jìn)行的。 下一個(gè)動(dòng)作發(fā)生時(shí)，自動(dòng)把上一個(gè)動(dòng)作關(guān)斷。這樣，一個(gè)動(dòng)作接著一個(gè)動(dòng)作發(fā) 生。在實(shí)際工程應(yīng)用中，常用于設(shè)備的順序啟動(dòng)的控制。4.1.1 4.1.1 順序控制概述順序控制概述三、順序控制系統(tǒng)的特點(diǎn)三、順序控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 1、順序控制系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)以開(kāi)關(guān)量信號(hào)為主、順序控制系統(tǒng)的輸入、輸出信號(hào)以開(kāi)關(guān)量信號(hào)為主 順序控制系統(tǒng)常常利用按

6、鈕、行程開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、限位開(kāi)關(guān)等開(kāi)關(guān)輸入量元 器件輸入控制對(duì)象的位置、狀態(tài)等信息，CPU根據(jù)相關(guān)信息進(jìn)行邏輯運(yùn)算后， 作出相關(guān)的邏輯判斷并向外輸出開(kāi)關(guān)控制信息，輸出的開(kāi)關(guān)信息經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放 大后，控制電磁閥、繼電器、開(kāi)關(guān)電路等執(zhí)行電路動(dòng)作，從而可以操作液壓、 氣壓、電動(dòng)機(jī)等裝置按要求動(dòng)作。 2、邏輯關(guān)系復(fù)雜、邏輯關(guān)系復(fù)雜 有些復(fù)雜的順序控制系統(tǒng)輸出信號(hào)和輸入信號(hào)之間，各個(gè)輸出信號(hào)之間存在復(fù) 雜的邏輯關(guān)系和時(shí)序關(guān)系，例如高層建筑的多臺(tái)電梯群控系統(tǒng)。 在順序控制系統(tǒng)的工作過(guò)程中，控制對(duì)象的工作狀態(tài)需由檢測(cè)電路將相應(yīng)檢測(cè) 的信號(hào)傳遞給CPU，CPU依據(jù)原先植入的算法程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算后，再?zèng)Q定將 控制

7、對(duì)象導(dǎo)入何種工步工作。因此，在設(shè)計(jì)該類控制系統(tǒng)時(shí)，必須對(duì)信息流在 系統(tǒng)中的流向及轉(zhuǎn)化關(guān)系有較深刻的理解。3、控制程序客觀、控制程序客觀 由于順序控制程序中，上一步驟與下一步驟之間是否進(jìn)行轉(zhuǎn)換決定于控制對(duì)象 的實(shí)際狀態(tài)及所檢測(cè)的相關(guān)參數(shù)情況，所有控制程序中相關(guān)程序的設(shè)計(jì)必須配 有相關(guān)檢測(cè)電路并且系統(tǒng)需足夠的IO接口來(lái)輸入、輸出相關(guān)信息，需足夠容 量的程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序，較復(fù)雜的順序控制系統(tǒng)還必須配有CPU對(duì)電路狀態(tài) 進(jìn)行輸入、存儲(chǔ)、運(yùn)算、判斷并產(chǎn)生控制時(shí)序。4.1.1 4.1.1 順序控制概述順序控制概述4、可靠性要求高、可靠性要求高 順序控制系統(tǒng)一般用于多步驟、多工序控制對(duì)象的加工或生產(chǎn)過(guò)程，

8、往往具有 一定的生產(chǎn)規(guī)模和使用頻率。由于各步驟、工序是有條件地聯(lián)系起來(lái)的，前一 個(gè)工序如果未處理好就進(jìn)入下一工序工作的話，將會(huì)造成很大的破壞及危害。 所以在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)控制對(duì)象狀態(tài)的檢測(cè)要求全面、及時(shí)，程序?qū)π畔⑻幚矸绞?要求正確、可靠，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作迅速、準(zhǔn)確，在循環(huán)工作時(shí)誤差小、工作穩(wěn) 定。4.1.1 4.1.1 順序控制概述順序控制概述 典型的微機(jī)順序控制系統(tǒng)是由系統(tǒng)控制器、信號(hào)檢測(cè)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及被控對(duì)象等 組成，如圖所示。 一般地，順序控制系統(tǒng)的輸入和輸出都是開(kāi)關(guān)信號(hào)，順序控制系統(tǒng)控制生產(chǎn)機(jī) 械按照次序或時(shí)序動(dòng)作，動(dòng)作的轉(zhuǎn)換是根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)的邏輯判斷或時(shí)序 判斷來(lái)決定的，因此順序控制系統(tǒng)

9、應(yīng)具有較完善的輸入、輸出功能和各種接口 電路，并具有邏輯記憶以及時(shí)序產(chǎn)生和時(shí)序判斷的功能， 這些功能均由系統(tǒng) 控制器完成，它是組成順序控制系統(tǒng)的核心部分。 此外，為了保證系統(tǒng)工作可靠，有的系統(tǒng)中需對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或控制對(duì)象的實(shí)際狀 態(tài)進(jìn)行檢查或測(cè)量，將結(jié)果及時(shí)反饋給控制器，這就需要增加信號(hào)檢測(cè)電路。 顯示與報(bào)警單元用于實(shí)時(shí)顯示被控對(duì)象的工況以及故障時(shí)的報(bào)警。4.1.2 4.1.2 順序控制系統(tǒng)的組成順序控制系統(tǒng)的組成 例子：例子：鉆孔動(dòng)力頭在一個(gè)工作循環(huán)中有快進(jìn)、工進(jìn)、工進(jìn)延時(shí)、快退和停止5 個(gè)工作狀態(tài)。從前一個(gè)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)人下一個(gè)工作狀態(tài)，是根據(jù)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的輸入 信號(hào)的邏輯判斷，現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)有啟動(dòng)按鈕

10、SB1、原位開(kāi)關(guān)SQ1、行程開(kāi)關(guān)SQ2 和SQ3及延時(shí)信號(hào)，這些電器觸點(diǎn)的通斷，通過(guò)輸入電路變換為電平信號(hào)送到 輸入接口的輸入端，CPU按一定的邏輯順序讀取這些信號(hào)，并逐一判斷是否滿 足各工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件。若滿足，則發(fā)出相應(yīng)的轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)的控制信號(hào)。輸 出控制信號(hào)通過(guò)輸出接口經(jīng)過(guò)輸出電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電磁閥吸合或釋放，從而改 變液壓油路的狀態(tài)，使動(dòng)力頭轉(zhuǎn)換為新的工作狀態(tài)。若不滿足，則等待（當(dāng) CPU只控制一臺(tái)動(dòng)力頭時(shí)）或跳過(guò)，轉(zhuǎn)向詢問(wèn)另一臺(tái)動(dòng)力頭（當(dāng)CPU控制多臺(tái)動(dòng) 力頭時(shí)）。下面介紹采用803l單片機(jī)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力頭的順序控制。4.1.3 4.1.3 微機(jī)順序控制系統(tǒng)應(yīng)用案例微機(jī)順序控制系統(tǒng)應(yīng)用案例一

11、、硬件框圖一、硬件框圖 在該例中，因?yàn)檩斎搿⑤敵龅狞c(diǎn)數(shù)不多，故 用單片機(jī)內(nèi)的P1口作為I/O端口。輸入、輸出 信號(hào)連接如圖4.4所示?，F(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)SB1、 SQ1、SQ2、SQ3經(jīng)過(guò)輸入電路處理后分別送到 P1口的P1.0P1.3，當(dāng)觸點(diǎn)閉合時(shí)，P1口對(duì)應(yīng) 的位為“1”，當(dāng)觸點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)，P1口對(duì)應(yīng)的位 為“0”。計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)經(jīng)P1口的 P1.5P1.7輸出至輸出電路放大后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī) 構(gòu)完成相應(yīng)的動(dòng)作。 單片機(jī)只能接受電平為05V的開(kāi)關(guān)信號(hào)或數(shù)字信號(hào)， 而反映現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)的是按鈕、行程開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)換開(kāi) 關(guān)、繼電器等電器觸點(diǎn)的接通或斷開(kāi)。因此輸入電路 必須完成電平轉(zhuǎn)換的任務(wù)，即將電器觸點(diǎn)的通、

12、斷轉(zhuǎn) 換成單片機(jī)所能接受的電平。同時(shí)，為了保證系統(tǒng)工 作安全可靠，還必須考慮信號(hào)的濾波和隔離。常用的 輸入電路有中間繼電器隔離的電平轉(zhuǎn)換電路、晶體管 隔離及電平轉(zhuǎn)換電路、光電耦合器輸入隔離電路以及 變壓器輸入隔離電路等。單片機(jī)接口輸出的控制信號(hào) 通常為05V。因此，在輸出鎖存器與負(fù)載之間，通常 要加驅(qū)動(dòng)電路，以獲得必要的電流、電壓和功率。常 用的輸出驅(qū)動(dòng)電路有中間繼電器輸出電路、晶體管輸 出電路、固態(tài)繼電器輸出電路以及晶閘管輸出電路等.二、控制程序流程圖及控制程序二、控制程序流程圖及控制程序 控制程序流程圖如圖4.5所示。從程序流程圖可以看 出，控制程序按一定的邏輯順序讀入被控設(shè)備的狀態(tài) 信號(hào)

13、，按預(yù)定的邏輯算式進(jìn)行與、或、非等邏輯運(yùn) 算；按運(yùn)算結(jié)果判別是否發(fā)出某種控制信號(hào)。根據(jù)程 序流程圖，輸入、輸出信號(hào)排列，用8031匯編語(yǔ)言編 寫(xiě)的控制程序如下頁(yè)：.3微機(jī)順序控制系統(tǒng)應(yīng)用案例微機(jī)順序控制系統(tǒng)應(yīng)用案例4.1.3 4.1.3 微機(jī)順序控制系統(tǒng)應(yīng)用案例微機(jī)順序控制系統(tǒng)應(yīng)用案例 在程序中，在某一工步讀入 現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)后，判斷相應(yīng)的行 程開(kāi)關(guān)是否被壓動(dòng)，若是， 則轉(zhuǎn)下一工步；若不是，則 反復(fù)輸出本步的控制信號(hào)。 在實(shí)際應(yīng)用中，這樣安排程 序能夠有效地提高系統(tǒng)的抗 干擾能力。例子：交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 4.1.3 4.1.3 微機(jī)順序控制系統(tǒng)應(yīng)用案例

14、微機(jī)順序控制系統(tǒng)應(yīng)用案例 北向 南向 東向 西向 紅 紅 紅 紅 黃 黃 黃 黃 綠 綠 綠 綠 啟動(dòng) 停止 東西向 南北向 黃黃 紅紅 綠綠 Q4.0 Q4.1 Q4.2 Q4.3 Q4.4 Q4.5 交通信號(hào)燈控制盤 I0.0 I0.1 上圖所示為雙干道交通信號(hào)燈設(shè)置示意圖，元件分配表如下。 開(kāi) 始 東西向紅燈亮、南北向綠燈亮 20s 時(shí)間到否？ 東西向紅燈亮、南北向黃燈亮 5s 時(shí)間到否？ 東西向綠燈亮、南北向紅燈亮 30s 時(shí)間到否？ 東西向黃燈亮、南北向紅燈亮 5s 時(shí)間到否？ Y Y Y Y N N N N 1.1.控制說(shuō)明控制說(shuō)明 信號(hào)燈的動(dòng)作受 開(kāi)關(guān)總體控制， 按一下起動(dòng)按 鈕

15、，信號(hào)燈系統(tǒng) 開(kāi)始工作，工作 流程如圖所示。 2.2.順序功能圖順序功能圖 分析信號(hào)燈的變化規(guī)律， 可將工作過(guò)程分成4個(gè)依設(shè) 定時(shí)間而順序循環(huán)執(zhí)行的 狀態(tài)：S2、S3、S4和S5， 另設(shè)一個(gè)初始狀態(tài)S1。由 于控制比較簡(jiǎn)單，可用單 流程實(shí)現(xiàn)，如圖所示。 編寫(xiě)程序時(shí)，可將順序功 能圖放置在一個(gè)功能塊 （FB）中，而將停止作用 的部分程序放置在另一個(gè) 功能（FC）或功能塊 （FB）中。這樣在系統(tǒng)啟動(dòng) 運(yùn)行期間，只要停止按鈕 （Stop）被按動(dòng)，立即將 所有狀態(tài)S2S5復(fù)位，并 返回到待命狀態(tài)S1。4.1.3 4.1.3 微機(jī)順序控制系統(tǒng)應(yīng)用案例微機(jī)順序控制系統(tǒng)應(yīng)用案例在待命狀態(tài)下，只要按動(dòng)起動(dòng)按鈕

16、（Start），系統(tǒng)即開(kāi)始按順序功能圖所描述的過(guò)程循環(huán)執(zhí)行。4.2 4.2 數(shù)字程序控制技術(shù)數(shù)字程序控制技術(shù)4.2.1 數(shù)字程序控制基礎(chǔ)4.2.2 逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理4.2.3 步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)4.2 4.2 數(shù)字程序控制技術(shù)數(shù)字程序控制技術(shù)4.2 4.2 數(shù)字程序控制技術(shù)數(shù)字程序控制技術(shù)4.2 4.2 數(shù)字程序控制技術(shù)數(shù)字程序控制技術(shù)一、數(shù)字程序控制的基本原理一、數(shù)字程序控制的基本原理 首先分析如圖4.6所示的平面曲線圖形，如何用計(jì)算機(jī)在繪圖儀或數(shù)控加工機(jī) 床上重現(xiàn)，以此來(lái)簡(jiǎn)要說(shuō)明數(shù)字程序控制原理。1 1、曲線分割、曲線分割 將所需加工的輪廓曲線，依據(jù)保證線段所連的曲線（或折線）與原圖形的誤

17、差 在允許范圍之內(nèi)的原則分割成機(jī)床能夠加工的曲線線段。如將圖4.6所示的曲 線分割成直線段ab，cd和圓弧曲線bc三段，然后把a(bǔ)、b、c、d四點(diǎn)坐標(biāo)記下來(lái) 并送給計(jì)算機(jī)。4.2.1 數(shù)字程序控制基礎(chǔ)2 2、插補(bǔ)計(jì)算、插補(bǔ)計(jì)算 根據(jù)給定的各曲線段的起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)（即a、b、c、d各點(diǎn)坐標(biāo)），以一定的 規(guī)律定出一系列中間點(diǎn)，要求用這些中間點(diǎn)所連接的曲線段必須以一定的精度 逼近給定的線段。確定各坐標(biāo)值之間的中間值的數(shù)值計(jì)算方法稱為插值或插 補(bǔ)。常用的插補(bǔ)形式有直線插補(bǔ)和二次曲線插補(bǔ)兩種形式。直線插補(bǔ)是指在給 定的兩個(gè)基點(diǎn)之間用一條近似直線來(lái)逼近，當(dāng)然由此定出中間點(diǎn)連接起來(lái)的折 線近似于一條直線，而并

18、不是真正的直線。所謂二次曲線插補(bǔ)是指在給定的兩 個(gè)基點(diǎn)之間用一條近似曲線來(lái)逼近，也就是實(shí)際的中間點(diǎn)連線是一條近似于曲 線的折線弧。常用的二次曲線有圓弧、拋物線和雙曲線等。對(duì)圖4.6所示的曲 線，ab和cd段用直線插補(bǔ)，bcbc用圓弧插補(bǔ)比較合理。3 3、脈沖分配、脈沖分配 根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算過(guò)程中定出的各中間點(diǎn)，對(duì)x、y方向分配脈沖信號(hào)，以控制步進(jìn) 電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向、速度及轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)刀具，從而加工出所要求 的輪廓。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)，每一個(gè)脈沖信號(hào)將控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角 度，從而帶動(dòng)刀具在x或y方向移動(dòng)一個(gè)固定的距離。把對(duì)應(yīng)于每個(gè)脈沖移動(dòng)的 相對(duì)位置稱為脈沖當(dāng)量或步長(zhǎng)，常用x和y來(lái)表

19、示，并且x=y。很明 顯，脈沖當(dāng)量也就是刀具的最小移動(dòng)單位，x和y的取值越小，所加工的曲 線就越逼近理想的曲線。4.2.1 4.2.1 數(shù)字程序控制基礎(chǔ)數(shù)字程序控制基礎(chǔ)4.2.1 4.2.1 數(shù)字程序控制基礎(chǔ)數(shù)字程序控制基礎(chǔ)4.2.1 4.2.1 數(shù)字程序控制基礎(chǔ)數(shù)字程序控制基礎(chǔ) 4.2.1 4.2.1 數(shù)字程序控制基礎(chǔ)數(shù)字程序控制基礎(chǔ)三種方式比較三種方式比較4.2.1 4.2.1 數(shù)字程序控制基礎(chǔ)數(shù)字程序控制基礎(chǔ)4.2.1 4.2.1 數(shù)字程序控制基礎(chǔ)數(shù)字程序控制基礎(chǔ)4.2.2 4.2.2 逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理4.2.2 4.2.2 逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理00y

20、xyxmm00yxxymm00yxxyFmmm4.2.2 4.2.2 逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理。4.2.2 4.2.2 逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理 于是取偏差計(jì)算式為 Fm=ymxe-xmye 偏差判別式： 若Fm = 0，則點(diǎn)m在OA直線段上； 若Fm 0，則點(diǎn)m在OA直線段的上方； 若Fm = 0時(shí)，沿+x軸方向走一步； 當(dāng)Fm = 0，這時(shí)沿+x軸方向走一步至m1點(diǎn)。 ( xm+1， ym+1) = ( xm+1, ym ) Fm+1= ym+1xe-xm+1ye= ymxe-(xm+1)ye = ymxe-xmye -ye= Fm ye （2）設(shè)加工點(diǎn)在m點(diǎn)，若F

21、m = 0，F(xiàn)m+1= Fm ye 若Fm 0，F(xiàn)m+1= Fm+ xe 終點(diǎn)判斷： 方法1：設(shè)置x，y軸兩個(gè)減法計(jì)數(shù)器Nx和Ny ，加工前分別存入終點(diǎn)坐標(biāo)xe和ye ， x (y) 軸每進(jìn)給 一步則Nx 1 (Ny 1）, 當(dāng)Nx和Ny 均為0，則認(rèn)為達(dá)到終點(diǎn)。 方法2：設(shè)置一個(gè)終點(diǎn)計(jì)數(shù)器Nxy , x 或y 軸每進(jìn)給一步則Nxy 1，當(dāng)Nxy 為0，則認(rèn)為達(dá)到終點(diǎn)。 第一象限內(nèi)的直線插補(bǔ)第一象限內(nèi)的直線插補(bǔ) 偏差計(jì)算式： 若點(diǎn)m在OA直線段上，則有: xm/ym=xe/ye即ymxe-xmye0 4.2.2 4.2.2 逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計(jì)算終點(diǎn)判斷

22、走一步比較一次決定下一步的走向 插補(bǔ)結(jié)束判斷 2 2、4 4個(gè)象限的直線插補(bǔ)個(gè)象限的直線插補(bǔ) 設(shè)A1、A2、A3、A4分別表示第一、第二、第三、第四象限的4種線型。它們的 加工起點(diǎn)均從坐標(biāo)原點(diǎn)開(kāi)始，則刀具進(jìn)給方向如圖右所示。凡F0時(shí)，向x方 向進(jìn)給，在第一、第四象限向+x方向進(jìn)給；在第二、第三象限，向-x方向進(jìn) 給；凡FR，于是可以寫(xiě)成即也就是說(shuō)，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，于是可得即P點(diǎn)在圓弧之內(nèi)時(shí)，偏差值F0，向圓內(nèi)（-x方向）進(jìn)給一步； P點(diǎn)在圓弧內(nèi)時(shí)，F(xiàn)O處理。3)3)偏差計(jì)算偏差計(jì)算 依據(jù)式（4.4）計(jì)算偏差F，需進(jìn)行3項(xiàng)乘方的計(jì)算，比較費(fèi)時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算

23、， 采用遞推法來(lái)求F值。 以第一象限逆圓為例：設(shè)P點(diǎn)在圓外，F(xiàn)O，則刀具向-x方向走一步，到達(dá)（x- 1，y）點(diǎn)，設(shè)新點(diǎn)的偏差為F，則有4.2.2 4.2.2 逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理 若P點(diǎn)在圓內(nèi)，F(xiàn)O，則刀具向+y方向走一步，新點(diǎn)的坐標(biāo)值為（x，y+1），設(shè)新點(diǎn) 的偏差為F，則有 與直線插補(bǔ)一樣，總是設(shè)刀具從圓弧的起點(diǎn)開(kāi)始插補(bǔ)，因此初始偏差值F0=0。此后的 F值可用式（4.5）和式（4.6）算出。（4.5）（4.6） 4）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(zhǎng)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(zhǎng)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。4

24、.2.2 4.2.2 逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理00yyxxneexy 長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器的初值為（4.7）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(zhǎng)度分別為 0 xxnex0yyney x方向進(jìn)給時(shí)， xn減1，在y方向進(jìn)給時(shí) yn減1。直至 和 第一象限逆圓插補(bǔ)的流程圖如圖4.14所示。在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中設(shè)置6個(gè)單元X0、Y0、XE、YE、NXY、FM，X0存放起點(diǎn)橫坐標(biāo)x0，Y0存放起點(diǎn)縱坐標(biāo)y0，XE存放終點(diǎn)橫坐標(biāo)xe，YE存放終點(diǎn)縱坐標(biāo)ye，NXY存放總步數(shù)nxy，F(xiàn)M存放加工點(diǎn)偏差F，F(xiàn)的初值為F0=0，xe和ye的初值為x0和y0，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

25、，還要計(jì)算出新的坐標(biāo)值，供下一次偏差計(jì)算時(shí)使用。實(shí)際的程序，隨著處理方法的不同可能有較大的差別，但總是以處理方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、程序執(zhí)行速度快等原則來(lái)考慮的。xnyn都減為零時(shí)，插補(bǔ)結(jié)束。 例4.4假設(shè)加工第一象限逆圓弧AB，起點(diǎn)A的坐標(biāo)值為x0=4，y0=3，終點(diǎn)B的 坐標(biāo)值為xe=0，ye=5。試進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算并作出走步軌跡圖。 計(jì)算過(guò)程如表4.3所示。根據(jù)表4.3可作出圓弧插補(bǔ)走步軌跡如圖4.15所示。4.2.2 4.2.2 逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理2 2、四象限的圓弧插補(bǔ)原理、四象限的圓弧插補(bǔ)原理 在實(shí)際應(yīng)用中，所要加工的圓弧可以在不同的象限中，可以按逆時(shí)針的方向加 工，也可以按

26、順時(shí)針的方向來(lái)加工。為了便于表示圓弧所在的象限及加工方 向，可用SR1、SR2、SR3、SR4依次表示第一、二、三、四象限中的順圓弧，用 NR1、NR2、NR3、NR4分別表示第一、二、三、四象限中的逆圓弧。 前面以第一象限逆圓弧為例推導(dǎo)出圓弧偏差計(jì)算公式，并指出了根據(jù)偏差符號(hào) 來(lái)確定進(jìn)給方向。其他3個(gè)象限的逆、順圓的偏差計(jì)算公式可通過(guò)與第一象限 的逆圓、順圓相比較而得到。 下面推導(dǎo)第二象限順圓的偏差計(jì)算公式。 如圖4.16所示的一段順圓弧CD，起點(diǎn)C，終點(diǎn)D，設(shè)加工點(diǎn)現(xiàn)處于M（x，y）。從圖中可 以看出，若FO時(shí)，下一步應(yīng)沿+x方向進(jìn)給一步，新的加工點(diǎn)坐標(biāo)將是（x+1，y），可 求出新的偏差

27、為 F=F+2x+1 若FO時(shí)，下一步應(yīng)沿+y方向進(jìn)給一步，新的加工點(diǎn)坐標(biāo)將是（z，y+1），可求出新的 偏差為 F=F+2y+1 對(duì)于圖4.17（a），SR4與NR1對(duì)稱于x軸，SR2與NR1對(duì)稱于y軸，NR3 與SR2稱于x軸，NR3與SR4對(duì)稱于y軸。 對(duì)于圖4.17（b），SR1與NR2對(duì)稱于y軸，SR1與NR4對(duì)稱于x軸，SR3 與NR2對(duì)稱于x軸，SR3與NR4對(duì)稱于y軸。 顯然，對(duì)稱于x軸的一對(duì)圓弧沿x軸的進(jìn)給方向相同，而沿y軸的進(jìn)給 方向相反；對(duì)稱于y一對(duì)圓弧沿y軸的進(jìn)給方向相同，而沿x軸的進(jìn)給 方向相反。所以在圓弧插補(bǔ)中，沿對(duì)稱軸的進(jìn)給方向相同，沿非對(duì)稱軸的進(jìn)給方向相 反；其

28、次，所有對(duì)稱圓弧的偏差計(jì)算公式，只要取起點(diǎn)坐標(biāo)的絕對(duì)值，就與第一象限中 NRl或SRl的偏差計(jì)算公式相同。8種圓弧的插補(bǔ)計(jì)算公式及進(jìn)給方向如表4.4所示。4.2.2 4.2.2 逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理 4.2.3 4.2.3 步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)4.2.3 4.2.3 步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)4.2.3 4.2.3 步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)4.2.3 4.2.3 步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)4.2.3 4.2.3 步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)4.2.3 4.2.3 步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)4.2.3 4.2.3 步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)

29、控制技術(shù)一、步進(jìn)電機(jī)的工作原理一、步進(jìn)電機(jī)的工作原理1、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 圖4.18所示為一個(gè)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，它分成轉(zhuǎn)子和定子兩部 分。定子是由硅鋼片疊成的，每相有一對(duì)磁極（N、S極），每個(gè)磁極的內(nèi)表面都分布著多個(gè) 小齒，它們大小相同，間距相同。該定子上共有3對(duì)磁極。每對(duì)磁極都纏有同一繞組，也即形 成一相，這樣3對(duì)磁極有3個(gè)繞組，形成三相?？梢缘贸?，四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有4對(duì)磁極、4相繞 組；五相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有5對(duì)磁極、5相繞組；依此類推。 轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，其外表面也均勻分布著小齒，這些小齒 與定子磁極上的小齒的齒 距相同，形狀相似。 2、

30、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的工作原理 通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過(guò)定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生 一矢量磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng) 方向與定子的磁場(chǎng)方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn) 子也隨著該磁場(chǎng)轉(zhuǎn)一個(gè)角度。每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè) 角度前進(jìn)一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組 通電的順序，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。所以可用控制脈沖數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來(lái) 控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。 步進(jìn)電機(jī)的“相”-繞組的個(gè)數(shù)；“拍”繞組的通電狀態(tài)。如果對(duì)一相繞組通電的操作稱為一 拍，那對(duì)A、B、C三相繞組輪流通電需要

31、三拍。三拍表示一個(gè)周期共有3種通電狀態(tài)，六拍 表示一個(gè)周期有6種通電狀態(tài)，每個(gè)周期步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距。對(duì)A、B、C三相輪組輪流 通電一次稱為一個(gè)周期。4.2.3 步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù) 步進(jìn)電機(jī)的工作就是步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。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(duì)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。步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)過(guò)程可以用圖4.19來(lái)說(shuō)明。圖4.19是一個(gè) 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其定子的每相都有一對(duì)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3對(duì)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U通過(guò)開(kāi)關(guān)SA、SB、SC分別對(duì)

32、步進(jìn)電機(jī)的A、B、C相繞 組輪流通電。 初始狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)SA接通，則A相磁極和轉(zhuǎn)子的0、2號(hào)齒對(duì)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)。 當(dāng)開(kāi)關(guān)SA斷開(kāi)，Se接通，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)齒與B相磁極對(duì)齊，則轉(zhuǎn)子的0、2號(hào)齒就使A、C相繞組磁極形成 錯(cuò)齒狀態(tài)。 此后，開(kāi)關(guān)SB斷開(kāi)，SC接通。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(duì)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。 當(dāng)開(kāi)關(guān)SC斷開(kāi)，SB接通后，A相繞組磁極相轉(zhuǎn)子1、3號(hào)齒之間的磁力線的用， 使轉(zhuǎn)子1、3號(hào)齒和A相繞組磁極對(duì)齊，這時(shí)轉(zhuǎn)子的0

33、、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。4.2.3 4.2.3 步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù) 如果對(duì)一相繞組通電的操作稱為一拍，那么對(duì)A、B、C三相繞組輪流通電需要 三拍。對(duì)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)齒輪，需要三拍操作。由ABCA相輪流通 電，此磁場(chǎng)沿A、B、C方向轉(zhuǎn)動(dòng)了360空間角，而這時(shí)轉(zhuǎn)子沿ABC方向轉(zhuǎn)動(dòng)了 一個(gè)齒距的位置，在圖4.19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。 對(duì)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z為4.2.3 4.2.3 步

34、進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)(4.8) 而步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行”拍可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)進(jìn)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)的步距角口可以表示如下： 其中，n是步進(jìn)電機(jī)工作拍數(shù)，z是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。 對(duì)于圖4.18所示的三相步進(jìn)電機(jī)，若采用三拍方式，則它的步距角是(4.9) 對(duì)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zz0360/2nznz0360/003043360003403360二、步進(jìn)電機(jī)的工作方式二、步進(jìn)電機(jī)的工作方式 步進(jìn)電機(jī)有三相、四相、五相、六相等多種形式，為了分析方便，下面仍以 三相步進(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

35、于雙相通電方式或單相、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(duì) 于三相步進(jìn)電機(jī)，則有單拍（簡(jiǎn)稱單三拍）方式、雙相三拍（簡(jiǎn)稱雙三拍）方 式、三相六拍方式：4.2.3 4.2.3 步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù) 單三拍工作方式 雙三拍工作方式 三相六拍工作方式 ABCA ABBCCAAB AABBBCCCAA 如果按上述3種通電方式和通電順序進(jìn)行通電，則步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)；反之，如 果通電方向與上述順序相反，則步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。 三、步進(jìn)電機(jī)控制接口及輸出字表三、步進(jìn)電機(jī)控制接口及輸出字表 過(guò)去常規(guī)的步進(jìn)電機(jī)控制電路主要南脈

36、沖分配器和驅(qū)動(dòng)電路組成。采用微機(jī)控 制，主要取代脈沖分配器，而給步進(jìn)電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)電路是必不可少 的，同時(shí)用微機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的走步數(shù)、轉(zhuǎn)向以及速度控制等。1 1、步進(jìn)電機(jī)控制接口、步進(jìn)電機(jī)控制接口 脈沖分配器：把脈沖串按一定規(guī)律分配給脈沖放大器的各相輸入端，又稱環(huán)形 分配器。 輸入：步進(jìn)脈沖，1個(gè)脈沖為1拍，走一步；方向選擇，正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。 輸出：各相繞組的驅(qū)動(dòng)脈沖。 功率放大器：脈沖分配器的輸出電路不足以驅(qū) 動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)行功率放大。 步進(jìn)電機(jī)微機(jī)控制方式一步進(jìn)電機(jī)微機(jī)控制方式一 微機(jī) 環(huán)形分配器功放 (運(yùn)動(dòng)控制及脈沖產(chǎn)生) (脈沖分配) 步進(jìn)電機(jī)微機(jī)控制方式步進(jìn)電機(jī)微機(jī)控制方式2

37、2 微機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路 (運(yùn)動(dòng)控制和脈沖分配) (功率放大) 微機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制功能微機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制功能 改變輸出脈沖數(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)的 走步數(shù)； 改變各相繞組的通電順序，控制步 進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)； 改變輸出脈沖的頻率，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。4.2.3 步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)2 2、步進(jìn)電機(jī)輸出字表、步進(jìn)電機(jī)輸出字表 在圖4.20所示的步進(jìn)電機(jī)控制接口電路中，選定由PA0、PA1、PA2通過(guò)驅(qū)動(dòng)電 路來(lái)控制x軸步進(jìn)電機(jī)，由PB0、PB1、PB2通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制y軸步進(jìn)電機(jī)， 并假定數(shù)據(jù)輸出為“1”時(shí)，相應(yīng)的繞組通電；為“0”時(shí)，相應(yīng)的繞組斷電。 下面以三相六拍控制方式為例確定步進(jìn)電機(jī)控制的輸出字。 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和控制方式確定之后，PA0PA2和PB0PB2輸出數(shù)據(jù)變化的 規(guī)律就確定了，這種輸出數(shù)據(jù)變化規(guī)律可用輸出字來(lái)描述。為了便于尋找，輸 出字以表的形式放在計(jì)算機(jī)指定的存儲(chǔ)區(qū)域。表4.5給出了三相六拍控制方式 的輸出字表。4.2.3 4.2.3 步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù) 顯然，若要控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，則按ADX 1ADX 2ADX