微機(jī)順序控制器是針對(duì)某一類(lèi)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工工

1、第五章 開(kāi) 環(huán) 控 制 本章主要介紹微機(jī)開(kāi)環(huán)控制，包括順序控制與數(shù)值控制兩大部分： 微機(jī)順序控制器是針對(duì)某一類(lèi)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工工藝流程而設(shè)計(jì)的，包括微機(jī)硬件電路和程序控制軟件； 數(shù)值控制器是根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù)，控制生產(chǎn)機(jī)械按規(guī)定的工作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)距離和運(yùn)動(dòng)速度等規(guī)律而自動(dòng)完成工作的自動(dòng)控制方式。 15.1 微機(jī)順序控制器一、原理 使生產(chǎn)機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程按規(guī)定的時(shí)序順序動(dòng)作，或在現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)作用下按預(yù)定規(guī)律順序動(dòng)作的自動(dòng)控制稱(chēng)為順序控制。簡(jiǎn)言之，按時(shí)序或事序規(guī)定工作的自動(dòng)控制稱(chēng)為順序控制。 在現(xiàn)代化的工廠里，如運(yùn)輸、加工、檢驗(yàn)、裝備、包裝等許多工序都要求順序控制。就是一個(gè)復(fù)雜的大

2、型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，通常在某些環(huán)節(jié)也少不了要采用順序控制。如某些生產(chǎn)機(jī)械要求在現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)(行程開(kāi)關(guān)、按鈕、光電開(kāi)關(guān)、各種繼電器等等)作用下，按一定的轉(zhuǎn)換條件，實(shí)現(xiàn)有順序的開(kāi)關(guān)動(dòng)作；某些生產(chǎn)機(jī)械則要求按一定的時(shí)間先后次序，實(shí)現(xiàn)有順序的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。 2二、順序控制系統(tǒng)的組成 首先，順序控制系統(tǒng)的輸入和輸出信號(hào)都是二狀態(tài)的開(kāi)關(guān)信號(hào)，如動(dòng)力頭控制中，行程開(kāi)關(guān)受壓或釋放；電磁閥通電或斷電等。因此順序控制系統(tǒng)應(yīng)具有方便接收和輸出信號(hào)的能力，應(yīng)設(shè)立相應(yīng)的輸入輸出電路和接口。 其次，順序控制系統(tǒng)控制生產(chǎn)機(jī)械依次順序動(dòng)作，動(dòng)作的轉(zhuǎn)換是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)輸入信號(hào)的邏輯判斷或時(shí)序的判斷來(lái)決定的。順序控制系統(tǒng)必須具有邏輯運(yùn)算和

3、邏輯記憶以及時(shí)序產(chǎn)生和時(shí)序判斷的功能，完成這些功能的部件稱(chēng)為系統(tǒng)控制器，它是系統(tǒng)的核心部件。 除此之外，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)行檢測(cè)或測(cè)量，將結(jié)果及時(shí)地反饋回控制器，這就需要增加檢測(cè)機(jī)構(gòu)。為了調(diào)整方便、并實(shí)現(xiàn)工作時(shí)的監(jiān)視以及發(fā)生故障時(shí)的報(bào)警，一般要有顯示與報(bào)警電路。 因此，一個(gè)典型的順序控制系統(tǒng)由系統(tǒng)控制器、輸入電路、輸入接口、輸出接口、輸出電路、檢測(cè)機(jī)構(gòu)、顯示與報(bào)警電路等七大部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。 3圖5.1 順序控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖4 采用微機(jī)來(lái)組成順序控制系統(tǒng)是很容易的，一般在單片機(jī)或單板機(jī)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)擴(kuò)充一些內(nèi)存、并行接口或計(jì)數(shù)定

4、時(shí)器等芯片即可構(gòu)成一個(gè)順序控制系統(tǒng)。對(duì)于按順序工作的系統(tǒng)，CPU通過(guò)并行輸入接口，從現(xiàn)場(chǎng)接收輸入信號(hào)，然后按工藝要求對(duì)有關(guān)的輸入信號(hào)進(jìn)行“與”、“或”、“非”等基本邏輯運(yùn)算與判斷，最后將結(jié)果通過(guò)并行輸出接口向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)順序控制。 對(duì)于按時(shí)序工作的系統(tǒng)，由CPU、計(jì)數(shù)定時(shí)器等產(chǎn)生必要的時(shí)序信號(hào)，由CPU判斷按工藝要求規(guī)定的時(shí)間間隔是否已到，判斷結(jié)果也是通過(guò)并行輸出接口輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)順序控制。 順序控制系統(tǒng)的輸入和輸出接口電路有些特殊的要求：如輸入接口電路需包括電平轉(zhuǎn)換、濾波、隔離等電路；而輸出接口則需包括輸出隔離、放大驅(qū)動(dòng)等電路。 5三、順序控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例 在順

5、序控制中經(jīng)常用到組合邏輯來(lái)完成“與”、“或”、“非等邏輯運(yùn)算和記憶、判斷、定時(shí)、延時(shí)等功能。而單片機(jī)則具有很豐富的位指令和靈活可編程的計(jì)數(shù)定時(shí)器，因而很容易實(shí)現(xiàn)組合邏輯的控制。組合邏輯控制是指對(duì)應(yīng)于不同的輸入開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合，要求有相應(yīng)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)輸出。 如圖所示的應(yīng)用系統(tǒng)中有8個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入和8個(gè)開(kāi)關(guān)量輸出。圖中開(kāi)關(guān)輸入狀態(tài)為低電平時(shí)，表示有效電平；輸出狀態(tài)用LED指示，為有效的低電平時(shí)，LED指示燈亮。任何8位開(kāi)關(guān)的任何組合狀態(tài)都可以用一個(gè)狀態(tài)字表示。同樣，對(duì)于所要求的任何8位輸出狀態(tài)也可以用一個(gè)狀態(tài)字表示。例如，要求開(kāi)關(guān)1，3，5，7閉合(開(kāi)關(guān)接通為1，斷開(kāi)為0)，輸出LED的0，4，7亮?xí)r(L

6、ED亮為l，暗為O)，開(kāi)關(guān)輸入狀態(tài)為0AAH，即P1口輸入狀態(tài)字為55H；P0口輸出狀態(tài)字為6EH，LED指示狀態(tài)則為91H。 6圖5.2 8輸入8輸出組合邏輯控制系統(tǒng)7現(xiàn)假設(shè)有8組組合控制狀態(tài)，如表5-1所示。表5-18其控制程序清單如下：ZHLOG： MOV R2，#TBN ；TBN為狀態(tài)組數(shù)，在本例中TBN 8 MOV R1，#OOH ；查表偏移量一Rl MOV A，#0FFH ；關(guān)斷LED(輸出狀態(tài)無(wú)效) MOV DPTR，#7FFFH MOVX DPTR，A MOV A，#0FFH ；P1口置輸入狀態(tài) MOV P1，A ；先對(duì)Pl口寫(xiě)“1” MOV AP1 ；讀開(kāi)關(guān)的輸入狀態(tài) CJN

7、E A，#0FFH，MH ；有輸入，則轉(zhuǎn) AJMP ZHLOG ；開(kāi)關(guān)無(wú)輸入，則返回 MH： MOV 60H，A ；開(kāi)關(guān)輸入狀態(tài)存60H單元 TA： MOV DPTR，#TAB ；查輸入狀態(tài)字 LOOP：MOV AR1 MOVC A，A+DPTR ；狀態(tài)字送A CJNE A，60H，LOOPl ；與輸入開(kāi)關(guān)狀態(tài)不符，則轉(zhuǎn)查下一組9 LOOP2：INC R1 ；相符，指向相應(yīng)的輸出狀態(tài)字 L00P3：MOV A，Rl MOVC A，A+DPTR MOV DPTR，#7FFFH MOVX DPTR，A ；查找相應(yīng)輸出狀態(tài)字，并輸出 AJMP ZHLOG LOOPl：INC R1 ；查找下一組輸入狀

8、態(tài)字 INC R1 DJNZ R2，LOOP AJMP ZHLOG TAB：DB 55H 0FEH 0AAH 80H 0BBH 40H 05H 85H 08H 0FDH 10H 55H 20H 0AAH 40H 0BBH四、控制多臺(tái)裝置的應(yīng)用 實(shí)際控制系統(tǒng)中，由于裝置的機(jī)械動(dòng)作相對(duì)于微機(jī)的高速處理能力來(lái)說(shuō)是十分緩慢的，因此，一臺(tái)微機(jī)完全可以同時(shí)控制多臺(tái)裝置運(yùn)行。一臺(tái)微機(jī)究竟能同時(shí)控制多少臺(tái)裝置，這取決于裝置移動(dòng)的速度、距離、定位精度以及控制程序的執(zhí)行時(shí)間等因素。 105.2 開(kāi)環(huán)數(shù)值控制器 車(chē)床是機(jī)械加工中應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)床?？刂频毒咦鹘o定終點(diǎn)坐標(biāo)值的直線運(yùn)動(dòng)，以及給定起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值的圓弧

9、運(yùn)動(dòng)，是微機(jī)車(chē)床控制系統(tǒng)的基本任務(wù)，微機(jī)可利用插補(bǔ)原理和步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種控制。 實(shí)現(xiàn)直線或圓弧逼近的方法稱(chēng)為插補(bǔ)運(yùn)算。所謂插補(bǔ)運(yùn)算，就是指車(chē)床控制程序根據(jù)輸入的加工參數(shù)，如直線(或圓弧)的起點(diǎn)(和終點(diǎn))坐標(biāo)，把直線(或圓弧)描述出來(lái)的運(yùn)算。這種程序要求一邊計(jì)算，一邊根據(jù)計(jì)算的結(jié)果向各坐標(biāo)(即x或y方向)發(fā)出進(jìn)給脈沖，步進(jìn)電機(jī)接收到此脈沖信號(hào)后，即產(chǎn)生一定的角位移，從而使x(或y)方向的刀架運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)刀具把零件加工成所需要的形狀。實(shí)現(xiàn)這種插補(bǔ)運(yùn)算的方法是很多的，常見(jiàn)的有脈沖數(shù)字乘法、逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分法等等。其中逐點(diǎn)比較法用得最廣。 11一、直線逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理 所謂“逐點(diǎn)比較法”就是刀具

10、每移動(dòng)一步，就進(jìn)行一次偏差計(jì)算和偏差判別，判斷刀具的實(shí)際位置與所要求的位置是否相符，從而決定出下一步的前進(jìn)方向。由于這種方法每走一步就需比較一次，所以稱(chēng)之為逐點(diǎn)比較法，亦即“走一步看一步”。在笛卡爾坐標(biāo)中，x、y軸把一個(gè)平面分成四個(gè)象限，所以對(duì)整個(gè)平面來(lái)說(shuō)，插補(bǔ)所得到的中間點(diǎn)位置可以向四個(gè)坐標(biāo)軸方向(即+x、-x、+y、-y)移動(dòng)，也就是說(shuō)，插補(bǔ)運(yùn)算是按這四個(gè)方向中的任何一個(gè)來(lái)逼近理想線型的。（一） 第一象限的插補(bǔ)及偏差判別 設(shè)直線段OP的起點(diǎn)坐標(biāo)為原點(diǎn)(O，O)，終點(diǎn)坐標(biāo)為P點(diǎn)(xe，ye)，如圖所示: 12圖5.3 第一象限直線插補(bǔ)原理圖13各夾角之間的關(guān)系為: 根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，角的大小

11、可用正切值來(lái)表示，所以有 由于直線OP的斜率為 代入各斜率得 14由此可得 點(diǎn)在0P的下方 點(diǎn)在OP的上方 設(shè)任一點(diǎn)的坐標(biāo)為M(xi,yi)，用Fi代替M點(diǎn)的偏差值，并定義為： 則 Fi=0時(shí)，M點(diǎn)在OP直線上； FiO時(shí)，M點(diǎn)在OP直線的上方； FiO時(shí)，刀具在OP的上方，為了逼近OP，必須沿+x方向走一步。若穿過(guò)OP，則進(jìn)入A一區(qū)，此時(shí)Fi 0，所以刀具應(yīng)繼續(xù)沿+x方向走一步，直到穿過(guò)OP，進(jìn)入A一區(qū)后(此時(shí)Fi 0)，再按(2)進(jìn)行調(diào)整。 (2) 當(dāng)Fi O，再返回到(1)進(jìn)行調(diào)整；若沿+y方向走一步，并未超過(guò)OP，刀具仍在A一區(qū)，此時(shí)判別式仍是Fi O)，又返回到(1)進(jìn)行調(diào)整。(3)

12、 如果Fi=0，則說(shuō)明刀具正好在OP上。但由于此時(shí)未到終點(diǎn)P(xe，ye)，刀具又不能沿OP運(yùn)動(dòng)，所以規(guī)定此時(shí)按FiO處理。 16 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)算后才能判斷，這樣將影響插補(bǔ)速度。為了簡(jiǎn)化運(yùn)算，我們把上式作一些變換，如圖所示。 圖5.4 第一象限直線插補(bǔ)進(jìn)給方向(a)Fi O時(shí)的進(jìn)給 (b)Fi 0，刀具應(yīng)向+x方向移動(dòng)一步到達(dá) (xi+l,yi)點(diǎn)。若令 點(diǎn)的新偏差值為 ，則 同理，當(dāng)M點(diǎn)在A-區(qū)內(nèi)，即FiO時(shí)，刀具應(yīng)向+x方向移動(dòng)一步到達(dá) (xi,yi+l)點(diǎn)。則 點(diǎn)的新偏差值為 ， 18對(duì)于新偏差的判斷仍然遵循下列原則： 當(dāng) 時(shí)，刀具沿+x方向前進(jìn)一步；

13、 當(dāng) 0 時(shí)，刀具沿+y方向前進(jìn)一步。（二） 其它象限的插補(bǔ)原理及偏差判別。 根據(jù)第一象限的補(bǔ)原理及偏差判別式，可求出其它三個(gè)象限的進(jìn)給方向及偏差判別式，它們分別如圖5.5和表52所示。說(shuō)明：為了把其它象限的插補(bǔ)作為第一象限的直線來(lái)處理，總是根據(jù)終點(diǎn)坐標(biāo)的絕對(duì)值來(lái)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，求得偏差，并根據(jù)偏差的大小而決定進(jìn)給。所不同的是某些進(jìn)給方向與第一象限的直線插補(bǔ)的進(jìn)給方向相反。 19圖5.5 加工直線各象限進(jìn)給運(yùn)動(dòng)20表52 21（三） 終點(diǎn)判斷 當(dāng)?shù)毒叩竭_(dá)終點(diǎn)(xe，ye)時(shí)，必須自動(dòng)停止進(jìn)給。因此，在插補(bǔ)過(guò)程中，每走一步，便與終點(diǎn)坐標(biāo)比較一次，如果尚未到達(dá)終點(diǎn)，就繼續(xù)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算；若已達(dá)到終點(diǎn)，

14、則自動(dòng)停止進(jìn)給。判斷終點(diǎn)的辦法： 1. 可以取終點(diǎn)坐標(biāo)xe和ye的較大者作為終點(diǎn)判斷計(jì)數(shù)器的初值； 2. 可以取終點(diǎn)坐標(biāo)xe和ye之和作為終點(diǎn)判斷計(jì)數(shù)器的初值； 3. 可以分別取終點(diǎn)坐標(biāo)xe和ye作為各自終點(diǎn)判斷計(jì)數(shù)器的初值；（四）直線插補(bǔ)程序設(shè)計(jì) 根據(jù)上述分析，可知直線插補(bǔ)的步驟如下： 1.偏差判別，即判別上一次進(jìn)給后的偏差值是FiO還是FiO時(shí)，表示該點(diǎn)在理想的圓弧之外(即A+區(qū))； 當(dāng)Fi0時(shí)，刀具應(yīng)從A+區(qū)向-x方向移動(dòng)一步，穿過(guò)圓弧到達(dá)A-區(qū)；當(dāng)FiO處理。 30 但是，偏差判別式 計(jì)算起來(lái)比較麻煩，要逐點(diǎn)進(jìn)行平方和加減運(yùn)算。因此，和直線插補(bǔ)法一樣，也需要進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖5.8所示。

15、圖5.8 逆弧插補(bǔ)的進(jìn)給方向31 在圖中，設(shè)M1(xi，yi)點(diǎn)在A+區(qū)內(nèi)，當(dāng)其向-x方向移動(dòng)一步，達(dá)到新的一點(diǎn) (xi-1，yi)時(shí)，寫(xiě)出點(diǎn)的新偏差值 為：同理，若設(shè)M2(xi，yi)點(diǎn)在A-區(qū)內(nèi)，當(dāng)其向+y方向移動(dòng)一步，達(dá)到新的一點(diǎn) (xi，yi+1)，所以點(diǎn) 的新偏差值 為： 32綜上所述，可以得出逆弧插補(bǔ)的方法如下：(1)A+區(qū)內(nèi)的點(diǎn)應(yīng)向-x方向移動(dòng)，新的調(diào)整點(diǎn)的偏差值 ； (2) A-區(qū)內(nèi)的點(diǎn)應(yīng)向+y方向移動(dòng)，新的調(diào)整點(diǎn)的偏差值。注意:在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，一定要及時(shí)修正中間點(diǎn)的坐標(biāo)值 ，和 。同理，我們可以得出第一象限順弧插補(bǔ)的進(jìn)給方向，如圖5.9所示。圖5.9 順弧插補(bǔ)的進(jìn)給方向33 第

16、一象限順弧插補(bǔ)的方法如下： A+區(qū)內(nèi)的點(diǎn)應(yīng)向-y方向移動(dòng)，新點(diǎn)的偏差值為； A-區(qū)內(nèi)的點(diǎn)應(yīng)向+x方向移動(dòng)，新點(diǎn)的偏差值為。此時(shí)，也需要注意坐標(biāo)點(diǎn)的修正， 和 。（二）其它象限圓弧插補(bǔ)原理。 其它象限中圓弧順向、逆向的插補(bǔ)方法可以仿照第一象限插補(bǔ)方法進(jìn)行，各象限的插補(bǔ)方向，如圖所示。 34圖5.10 各象限圓弧插補(bǔ)進(jìn)給方向35各象限8種圓弧的進(jìn)給方向及插補(bǔ)公式，如表5-3所示。表5-336（三）終點(diǎn)判斷 圓弧插補(bǔ)方法的終點(diǎn)判斷和直線插補(bǔ)的終點(diǎn)判斷原理類(lèi)似，取x方向總參數(shù)和y方向總參數(shù)中的最大數(shù)作為終點(diǎn)判斷的依據(jù)。其中，x方向和y方向的總參數(shù)為圓弧終點(diǎn)坐標(biāo)與圓弧起點(diǎn)坐標(biāo)值之差的絕對(duì)值。在插補(bǔ)過(guò)程中

17、，只要進(jìn)行長(zhǎng)軸方向插補(bǔ)時(shí)，其計(jì)數(shù)器就減1，若減l后結(jié)果不為0，則繼續(xù)插補(bǔ)；當(dāng)減1后結(jié)果為0時(shí),圓弧插補(bǔ)過(guò)程則停止。（四）圓弧插補(bǔ)計(jì)算程序的設(shè)計(jì)例題：設(shè)加工第二象限圓弧OM，起點(diǎn)坐標(biāo)為 (0，4)，終點(diǎn)坐標(biāo)為P點(diǎn)(-4，0)，試用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，作出走步軌跡圖。解：加工第二象限逆弧，當(dāng)?shù)毒咴趫A弧上及A+區(qū)時(shí)，刀具沿-y方向前進(jìn)一步，此時(shí) ， ；當(dāng)?shù)毒咴贏-區(qū)時(shí)，刀具沿-x方向前進(jìn)一步，此時(shí) ， ；且F0=0。終點(diǎn)判別采用 作為終點(diǎn)判斷計(jì)數(shù)器的初值。 37插補(bǔ)運(yùn)算過(guò)程如下： 38走步軌跡圖如下： （四）圓弧插補(bǔ)計(jì)算程序的設(shè)計(jì) 以插補(bǔ)第一象限順弧(SRl)為例說(shuō)明插補(bǔ)程序的設(shè)計(jì)方法。 39我

18、們?cè)O(shè)定： R7為x軸坐標(biāo)值存放寄存器（初始值存放x。）； R6為y軸坐標(biāo)值存放寄存器（初始值存放y。）； R5為總步數(shù) 存放寄存器；（ ） R4則為加工點(diǎn)瞬時(shí)偏差值暫存寄存器。 R7、R6初始值分別為x。、y。的值，但在加工過(guò)程中則要隨計(jì)算結(jié)果而變化。R5中的值在加工過(guò)程中則作減1修改，直至其值為0，表示加工結(jié)束。R4的初始值為0，但在加工過(guò)程中也要隨計(jì)算結(jié)果而發(fā)生變化。第一象限順圓插補(bǔ)計(jì)算程序流程圖，如圖所示： 40 第一象限順圓插補(bǔ)程序清單如下：YINSERT： MOV R4，#00H ；置偏差初始值Fi為0 LOOP： MOV A，R4 ；取偏差值送A RLC A JC YYl ；偏差值

19、Fi為負(fù)跳轉(zhuǎn) DEC R6 ：y軸坐標(biāo)值減l，即yiyi-1 MOV A，R6 CLR C RLC A MOV B，A ；2(yi-1)的值暫存寄存器B MOV A，R4 ；瞬時(shí)偏差值Fi送A DEC A ；瞬時(shí)偏差值減1 CLR C SUBB A，B ；新的瞬時(shí)偏差值FiFi-2(yi-1)-1 MOV R4，A ；回存新的瞬時(shí)偏差值Fi ACALL STEP4 ；調(diào)用-y方向步進(jìn)子程序 41 AJMP YY2YYl：INC R7 ；修改x坐標(biāo)值為xixi+1 MOV AR7 CLR C RLC A MOV B，A ；2(xi+1)暫存寄存器B MOV A，R4 ；瞬時(shí)偏差值Fi送寄存器A

20、DEC A ；瞬時(shí)偏差值FiFi-l ADD A，B ；新的瞬時(shí)偏差值FiFi+2(xi+1)-1 MOV R4，A ；回存新的瞬時(shí)偏差值Fi到R4 ACALL STEPl ；調(diào)用+x方向步進(jìn)子程序YY2：DJNZ R5，LOOP ；計(jì)數(shù)值減l后不為0，則循環(huán) RET 說(shuō)明：STEPl、STEP4分別是+x、-y走步子程序。 425.3 步進(jìn)電機(jī)控制 一、步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)是工業(yè)過(guò)程控制及儀表中的主要控制元件，主要有以下特點(diǎn)： 1. 它可以直接接收微機(jī)送來(lái)的數(shù)字控制信號(hào)，而不需要進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換； 2. 具有快速起停能力； 3. 精度高。 二、工作原理 步進(jìn)電機(jī)實(shí)際上是起一個(gè)數(shù)字角度轉(zhuǎn)換器，

21、或是一個(gè)串行的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的作用。其結(jié)構(gòu)原理，如圖所示。 43圖5.12 步進(jìn)電機(jī)剖面示意圖44 從圖可以看出，電機(jī)的定子上有6個(gè)等分的磁極：A， ，B， ，C， ，相鄰兩個(gè)磁極間的夾角為60。相對(duì)的兩個(gè)磁極組成一相，圖中所示的結(jié)構(gòu)為三相步進(jìn)電機(jī)(A ，B , C )。當(dāng)某一繞組有電流流過(guò)時(shí)，該繞組相應(yīng)的兩個(gè)磁極立即形成N極和S極，每個(gè)磁極上備有5個(gè)均勻分布的矩形小齒。電機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，而是由40個(gè)矩形小齒均勻分布在圓周上，相鄰兩個(gè)齒之間的夾角為9。 當(dāng)某相繞組通電時(shí)，對(duì)應(yīng)的磁極就產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。如果這時(shí)定子的小齒與轉(zhuǎn)子的小齒沒(méi)有對(duì)齊，則在磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子

22、某小齒與定子某小齒對(duì)齊，其余齒可不對(duì)齊。由此可見(jiàn)，錯(cuò)齒是促使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因。 45 例如，在單相三拍控制方式中，假如A相通電，B、c兩相都不通電，在磁場(chǎng)的作用下使轉(zhuǎn)子齒和A相的定子齒列對(duì)齊。我們以此作為初始狀態(tài)，設(shè)與A相磁極中心對(duì)齊的轉(zhuǎn)子齒為0號(hào)齒，由于B相磁極與A相磁極相差120。，且120。9。=403不為整數(shù)，所以，此時(shí)轉(zhuǎn)子齒不可能與B相定子齒對(duì)齊，只是第13號(hào)小齒靠近B相磁極的中心線與中心線相差3。，如果此時(shí)突然變?yōu)锽相通電，而A、C兩相都不通電，則B相磁極迫使13號(hào)轉(zhuǎn)子齒與之對(duì)齊，整個(gè)轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)3。，此時(shí)稱(chēng)電機(jī)走了一步，一般用步長(zhǎng)來(lái)表示。步長(zhǎng)即某相通電一次(加一個(gè)脈沖)轉(zhuǎn)子所

23、轉(zhuǎn)的角度。同理，我們按照ABCA為順序輪流通電一周，則轉(zhuǎn)子才轉(zhuǎn)9。 46三、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，如圖所示。變頻信號(hào)源是一個(gè)脈沖頻率由幾Hz到幾十kHz可連續(xù)變化的信號(hào)發(fā)生器，它為脈沖分配器提供脈沖序列。脈沖分配器則根據(jù)方向控制信號(hào)把脈沖信號(hào)按一定的邏輯關(guān)系加到脈沖放大器上進(jìn)行放大，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在這種控制方式中，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)序脈沖完全由硬件產(chǎn)生，對(duì)于不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)及同一型號(hào)電機(jī)的不同控制方式需要不同的邏輯部件。所以其通用性差，成本高. 圖5.13 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)框圖47 如果用微機(jī)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，則可以很方便地使不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)按任意一種可行的通電方

24、式進(jìn)行控制。典型的微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)原理框圖，如圖所示。 在該控制系統(tǒng)中，微機(jī)的主要作用是提供步進(jìn)電機(jī)的時(shí)序脈沖串。每當(dāng)步進(jìn)電機(jī)從脈沖輸入線上得到一個(gè)脈沖，便沿時(shí)序脈沖所確定的方向進(jìn)一步。 圖5.13 微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理圖48 從步進(jìn)電機(jī)的工作原理可知，步進(jìn)電機(jī)要轉(zhuǎn)動(dòng)，必須要有電脈沖，而且必須按一定的順序加到電機(jī)繞組上才能使步進(jìn)電機(jī)按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的軟件程序要能夠產(chǎn)生所需要的脈沖串，并能按規(guī)定的順序送出相應(yīng)的脈沖信號(hào)(即時(shí)序脈沖)。 1脈沖信號(hào)的形成 用軟件產(chǎn)生脈沖信號(hào)的方法是先輸出一個(gè)高電平，然后進(jìn)行延時(shí)，再輸出一個(gè)低電平，再進(jìn)行延時(shí)。延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短，即分別保持

25、高、低電平的時(shí)間長(zhǎng)短，由步進(jìn)電機(jī)的工作頻率決定。根據(jù)單片機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以采用程序延時(shí)或者定時(shí)器延時(shí)的辦法。 (1)程序延時(shí)。 根據(jù)延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短，可采用單循環(huán)延時(shí)和雙重計(jì)數(shù)循環(huán)延時(shí) 程序。 單循環(huán)延時(shí)子程序如下：DELAY1： MOV A，#data ；1 LOOP： DEC A ；1 JNZ LOOP ；2 RET ；2 49 該程序的延時(shí)時(shí)間為 t1=3+(1+2)data T =3+3dataT式中T為單片機(jī)的機(jī)器周期，當(dāng)晶振頻率為6MHz時(shí)，T=2 us。該程序的最大延時(shí)時(shí)間為1.54ms。 雙重計(jì)數(shù)循環(huán)延時(shí)子程序如下：DELAY2： MOV R2，#datal ；1DELAYl：

26、MOV A，#data2 ；1 LOOP： DEC： A ； 1 JNZ LOOP ； 2 DJNZ R2，DELAYl ；2 RET ；2 t2=1+(1+2)data2+2data1+1+2T 50(2) 利用定時(shí)器進(jìn)行延時(shí) 利用定時(shí)器TO的方式l進(jìn)行定時(shí)，設(shè)機(jī)器周期T=2 us，計(jì)數(shù)初值為X，延時(shí)時(shí)間為N，因T0、T1為加1計(jì)數(shù)器，要用補(bǔ)碼運(yùn)算，則 (256-X)210-6= N10-6256-X = O.5N X = 256-O.5N用XH表示初值X的高字節(jié)，XL表示X的低字節(jié)，編寫(xiě)程序如下：T0一DELY：MOV TMOD，#01H ；T0定時(shí)器方式1定時(shí) MOV TLO，#XL ；

27、賦初值 MOV THO，#XH SETB TRO ；起動(dòng)T0計(jì)時(shí) L00P：JBC TFO，REP AJMP L00P REP： 當(dāng)改變初值X時(shí)，就能改變延時(shí)時(shí)間，X值越小，延時(shí)時(shí)間則越長(zhǎng)。通過(guò)單片機(jī)的某個(gè)輸出口輪流送出高、低電平就可得到相應(yīng)的脈沖串，高、低電平保持的時(shí)間長(zhǎng)短決定了脈沖串的周期或頻率。51脈沖串生成程序流程圖如圖：程序延時(shí)方式脈沖串程序清單如下：PULSEl： MOV R3，#N ；計(jì)數(shù)器賦初值，即脈沖個(gè)數(shù)LOOP0： PUSH A ；保存A MOV P1，#0FFH ；送高電平 ACALL DELAYl ；延時(shí) MOV P1，#00H ；送低電平 ACALL DELAYl ；

28、延時(shí) DJNZ R3，LOOP0 ；R3不為0轉(zhuǎn)移 POP A ；恢復(fù)A RETDELAYl： MOV A，#dataLOOP： DEC A JNZ LOOP RET52 利用定時(shí)器延時(shí)方式的脈沖串程序清單如下：PULSE2： MOV R3，#N ；計(jì)數(shù)器賦初值，即脈沖個(gè)數(shù) MOV TMOD，#01H ；定時(shí)器TO方式1定時(shí) MOV TL0，#XL ；賦初值 MOV TH0，#XH SETB TR0 ；啟動(dòng)T0計(jì)時(shí) SETB P10 ；送脈沖輸出為高電平 LOOPl： JBC TF0，REP ；查T(mén)O是否溢出 AJMP LOOPl REP： MOV TL0，#XL ；重新賦計(jì)時(shí)初值 MOV T

29、H0#XH CPL P1.0 ；輸出信號(hào)倒相 DJNZ R3，LOOPl ；不為0轉(zhuǎn)移 RET532時(shí)序脈沖信號(hào)的形成 步進(jìn)電機(jī)自旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序和通電方式有關(guān)。以常用的三相步進(jìn)電機(jī)為例，通常有三種通電方式： (1)三相單三拍方式 ABCA (2)三相雙三拍方式 ABBCCAAB (3)三相六拍方式 AABBBCCCAA按以上順序通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；若按相反方向通電，則步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。這三種通電方式下表所示： 545556 產(chǎn)生時(shí)序脈沖的方法是： （1） 用單片機(jī)的P1.0、P1.1和P1.2分別控制三相步進(jìn)電機(jī)的A相、B相和C相繞組； （2） 根據(jù)控制方式，找出控制模型； （3）

30、按控制模型的順序向步進(jìn)電機(jī)輸入控制脈沖。 由三相單三拍通電方式的二進(jìn)制數(shù)可以看出，步進(jìn)電機(jī)每進(jìn)一步，高電平就左移或右移一位。因此，可以考慮在A累加器中放一個(gè)時(shí)序字節(jié)，在每個(gè)采樣時(shí)刻累加器就左移或右移一位，并把經(jīng)移位后的累加器A中的值通過(guò)輸出口輸出。8031單片機(jī)的字長(zhǎng)為8位，8不能被3整除。但若把進(jìn)位標(biāo)志位cy也考慮在內(nèi)，則可以看成是第9位，這時(shí)就能實(shí)現(xiàn)三相單三拍和三相雙三拍的通電方式。 實(shí)現(xiàn)三相單三拍通電方式時(shí)，需在累加器A中放時(shí)序字節(jié)49H。其示意圖如圖5.16(a)所示。 57圖5.16 三相單三拍示意圖(a) 正轉(zhuǎn) (b) 反轉(zhuǎn)58 而實(shí)現(xiàn)三相雙三拍通電方式時(shí)，則應(yīng)在累加器A中放時(shí)序字

31、節(jié)0DBH。其示意圖如圖5.17所示。 圖5.17 三相雙三拍示意圖(a) 正轉(zhuǎn) (b) 反轉(zhuǎn)59三相三拍時(shí)序脈沖輸出程序流程圖如圖5.18所示。 根據(jù)圖518(a)編寫(xiě)的時(shí)序脈沖程序如下：PULOUTl： MOV R3，#N ；設(shè)置步數(shù)計(jì)數(shù)器 CLR C ；O(C) PUSH A ；保存累加器A中原值 MOV A，#49H(或#0DBH) ；時(shí)序字節(jié)A MOV P1，A ；輸出時(shí)序脈沖 PUSH A ；保存時(shí)序字節(jié) ACALL DELAY ；延時(shí) POP A ；恢復(fù)時(shí)序字節(jié) LOOP： RLC A或RRC A) ；循環(huán)移位時(shí)序字節(jié) MOV P1，A ；輸出時(shí)序脈沖 PUSH A ；保存時(shí)序字節(jié) ACALL DELAY ；延時(shí) 60 POP A ；恢復(fù)時(shí)序字節(jié) DJNZ R