計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第五章

第5章數(shù)字控制技術(shù)

5.1數(shù)字控制系統(tǒng)5.2逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理（掌握）5.3步進(jìn)電機(jī)伺服控制技術(shù)（掌握）5.4直流伺服電機(jī)伺服控制技術(shù)

什么是數(shù)字控制？數(shù)字控制，就是生產(chǎn)機(jī)械(如各種加工機(jī)床)根據(jù)計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)，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)律自動(dòng)地完成工作的控制方式。

數(shù)字控制主要用于機(jī)床的自動(dòng)控制。如用于銑床、車床、加工中心、線切割機(jī)以及焊接機(jī)、氣割機(jī)等的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。采用數(shù)字程序控制的機(jī)床叫做數(shù)控機(jī)床。數(shù)控機(jī)床特點(diǎn)：能加工形狀復(fù)雜的零件、加工精度高、生產(chǎn)效率高、便于改變加工零件品種等，它是實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動(dòng)化的一個(gè)重要發(fā)展方向。數(shù)控機(jī)床例1數(shù)控機(jī)床例2數(shù)控機(jī)床例3普通機(jī)床例1普通機(jī)床例25.1數(shù)字控制系統(tǒng)5.1.1數(shù)字控制系統(tǒng)的組成數(shù)控系統(tǒng)一般由數(shù)控裝置、控制介質(zhì)、伺服系統(tǒng)和測量反饋系統(tǒng)等構(gòu)成。數(shù)控裝置由輸入裝置,輸出裝置,控制器和插補(bǔ)器等四大部分組成。其中,控制器和插補(bǔ)器功能以及部分輸入輸出功能由計(jì)算機(jī)承擔(dān)。。數(shù)字控制系統(tǒng)發(fā)展概況如下圖所示。5.1.2數(shù)字控制原理

如圖所示的平面曲形圖形，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)，以此來說明數(shù)字控制的基本原理。圖5.1曲線分段基本思路：

－逐點(diǎn)輸入加工軌跡的坐標(biāo)不現(xiàn)實(shí)。－數(shù)控加工輪廓一般由直線、圓弧組成，也可能有一些非圓曲線輪廓，因此可以用分段曲線（曲線基點(diǎn)和曲線屬性）擬合加工輪廓。－輸出裝置為步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)每個(gè)軸以一定距離的步長運(yùn)動(dòng)，實(shí)際加工輪廓是以折線軌跡擬合光滑曲線。步驟：

1.

曲線分段－圖中曲線分為三段，分別為ab、bc、cd，a、b、c、d四點(diǎn)坐標(biāo)送計(jì)算機(jī)。－分割原則：應(yīng)保證線段所連的曲線與原圖形的誤差在允許范圍之內(nèi)。

2.插補(bǔ)計(jì)算－插補(bǔ)計(jì)算原則：通過給定的基點(diǎn)坐標(biāo)，以一定的速度連續(xù)定出一系列中間點(diǎn)，這些中間點(diǎn)的坐標(biāo)值以一定的精度逼近給定的線段。插補(bǔ)運(yùn)算的實(shí)質(zhì)是折線逼近。

插補(bǔ)形式：直線插補(bǔ)、二次曲線插補(bǔ)兩種。直線插補(bǔ)：在給定的兩個(gè)基點(diǎn)之間用一條近似直線來逼近。二次曲線插補(bǔ)：在給定的兩個(gè)基點(diǎn)之間用一條近似曲線來逼近。常用二次曲線：圓弧、拋物線和雙曲線3.折線逼近（脈沖分配）

根據(jù)插補(bǔ)計(jì)算出的中間點(diǎn)、產(chǎn)生脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)x、y方向上的步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)繪圖筆、刀具等，從而繪出圖形或加工所要求的輪廓。我們把對(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，又稱為步長，常用用△x,△y來表示，并且總是取△x＝△y。插補(bǔ)運(yùn)算的實(shí)質(zhì)是折線逼近。

下圖是一段用折線逼近直線的直線插補(bǔ)線段

x方向步數(shù)：Nx＝(xe-x0)/△x y方向步數(shù)：Ny＝(ye-y0)/△y。圖5.2用折線逼近直線段

因此，插補(bǔ)計(jì)算就是如何分配x和y方向上的脈沖數(shù)，使實(shí)際的中間點(diǎn)軌跡盡可能地逼近理想軌跡。實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)和二次曲線插補(bǔ)的方法很多，常見的有逐點(diǎn)比較法、數(shù)字積分法、數(shù)字脈沖乘法器等，其中又以逐點(diǎn)比較法使用最廣。

數(shù)字程序控制的3種方式：點(diǎn)位控制、直線切削控制、輪廓切削控制。

5.1.3數(shù)字控制系統(tǒng)的分類按照控制對(duì)象的運(yùn)動(dòng)軌跡1

①點(diǎn)位控制：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。刀具從一個(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)方向趨近都無需規(guī)定，并且在移動(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)床加工業(yè)中，采用這類控制的有鉆床、鏜床、沖床等。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控立鉆

②直線切削控制：（1）控制行程的終點(diǎn)坐標(biāo)值，（2）刀具相對(duì)于工件平行某一坐標(biāo)軸作直線運(yùn)動(dòng)（控制兩點(diǎn)之間的移動(dòng)速度和路徑），（3）運(yùn)動(dòng)過程中進(jìn)行切削加工。需要這類控制的有銑床、車床、鏜床、加工中心等。立式銑鏜加工中心

五軸聯(lián)動(dòng)龍門加工中心20

③輪廓切削控制：輪廓切削控制的特點(diǎn)：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，能夠?qū)蓚€(gè)或者兩個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的位移和速度同時(shí)進(jìn)行控制。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，計(jì)算圖紙坐標(biāo)點(diǎn)之間的中間點(diǎn)，向每一坐標(biāo)軸發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令。這類控制用于銑床、車床、磨床、齒輪加工機(jī)床等。數(shù)控立軸圓臺(tái)平面磨床數(shù)控高速滾齒機(jī)

三種控制方式比較：點(diǎn)位控制：最簡單。運(yùn)動(dòng)軌跡無特別要求，運(yùn)動(dòng)時(shí)又不作加工，不需要插補(bǔ)計(jì)算。直線切削控制：進(jìn)行直線加工（平行坐標(biāo)軸直線運(yùn)動(dòng)），其控制電路要復(fù)雜一些，不需要插補(bǔ)計(jì)算。輪廓切削控制：要控制刀具準(zhǔn)確地完成復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng)，所以控制電路復(fù)雜，且需要進(jìn)行一系列的插補(bǔ)計(jì)算和判斷。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)按照伺服控制方式主要分為開環(huán)數(shù)字程序控制和閉環(huán)數(shù)字程序控制兩大類。

根據(jù)有無檢測反饋元件分類2①.閉環(huán)數(shù)字程序控制

執(zhí)行機(jī)構(gòu)多采用直流伺服電機(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。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。閉環(huán)數(shù)字程序控制

②.開環(huán)數(shù)字程序控制

沒有反饋檢測元件，工作臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)裝置采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)接收驅(qū)動(dòng)電路發(fā)來的指令脈沖作相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，把刀具移動(dòng)到與指令脈沖相當(dāng)?shù)奈恢谩５毒呤欠竦竭_(dá)了指令脈沖規(guī)定的位置，是沒有任何檢查的，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。

開環(huán)數(shù)字程序控制特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單；可靠性高；成本低；易于調(diào)整和維護(hù)等。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。開環(huán)數(shù)字程序控制本章主要討論開環(huán)數(shù)字程序控制技術(shù)。5.1.4伺服控制系統(tǒng)（了解）1.伺服控制系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，把輸出量能以一定準(zhǔn)確度跟隨輸入量的變化而變化的系統(tǒng)稱為隨動(dòng)系統(tǒng)，亦稱伺服控制系統(tǒng)。2.伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象、測量/反饋環(huán)節(jié)等五部分組成。

驅(qū)動(dòng)器控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象測量、反饋環(huán)節(jié)給定輸出測量-+3.伺服控制系統(tǒng)的分類1）按執(zhí)行機(jī)構(gòu)分類步進(jìn)伺服系統(tǒng)（使用步進(jìn)電機(jī)）直流伺服系統(tǒng)（使用直流電機(jī)）交流伺服系統(tǒng)（使用交流電機(jī)）2）按控制形式分類開環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)4.伺服控制系統(tǒng)的基本要求1）.穩(wěn)定性當(dāng)系統(tǒng)給定輸入或外界干擾的作用下，能在暫短的調(diào)節(jié)過程后達(dá)到新的平衡態(tài)或恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。2）.系統(tǒng)精度伺服系統(tǒng)精度是指輸出量復(fù)現(xiàn)輸入量的程度，一般以誤差的形式表現(xiàn)，包括動(dòng)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差。5.2逐點(diǎn)比較法差值原理

什么是逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)？

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)是在給定軌跡的上方或下方，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。如果原來在給定軌跡的下方，下一步就向給定軌跡的上方走，如果原來在給定軌跡的里面，下一步就向給定軌跡的外面走，……。如此，走一步、看一看，比較一次，決定下一步走向，不斷逼近給定軌跡，即形成逐點(diǎn)比較插補(bǔ)。30

逐點(diǎn)比較法特點(diǎn)：逐點(diǎn)比較法是以階梯折線來逼近直線或圓弧等曲線。最大誤差：一個(gè)脈沖當(dāng)量。通過減小脈沖當(dāng)量就能達(dá)到加工精度要求。1．第一象限內(nèi)的直線插補(bǔ)

(1)偏差計(jì)算公式根據(jù)逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理，每走一步后要把每一插值點(diǎn)(動(dòng)點(diǎn))的實(shí)際位置與給定軌跡的理想位置間的誤差，即“偏差”計(jì)算出來，根據(jù)偏差的正、負(fù)去決定下一步的走向，來逼近給定軌跡。

偏差計(jì)算是逐點(diǎn)比較法關(guān)鍵的一步。5.2.1逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)

如圖所示，動(dòng)點(diǎn)m(xm,ym)為加工點(diǎn)，若點(diǎn)m落在直線段OA上，則有即

若動(dòng)點(diǎn)m不在直線OA上，上式將不等于零，因而可用該式判別m與直線OA的關(guān)系偏差判別式：偏差計(jì)算公式

可以看出：若Fm=0，表明點(diǎn)m在OA直線段 上；若Fm>0，表明點(diǎn)m在OA直線段 的上方，即點(diǎn)m’處；若Fm<0，表明點(diǎn)m在OA直線段 的下方，即點(diǎn)m”處。

第一象限直線逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)的原理從直線的起點(diǎn)O出發(fā)，計(jì)算Fm,

當(dāng)Fm≥0時(shí)，沿+x軸方向走一步；當(dāng)Fm<0時(shí)，沿+y軸方向走一步，

重復(fù)計(jì)算Fm并插補(bǔ)，直到兩方向所走的步數(shù)與終點(diǎn)坐標(biāo)(xe,ye)相等時(shí)，發(fā)出終點(diǎn)到信號(hào)，停止插補(bǔ)。計(jì)算量大，要改進(jìn)。

(2)簡化偏差計(jì)算公式①設(shè)加工點(diǎn)正處于m(xm,ym)點(diǎn)，當(dāng)Fm≥0時(shí)，表明m點(diǎn)在OA上或OA上方，應(yīng)沿+x方向進(jìn)一步至(m+1)點(diǎn)，(m+1)點(diǎn)的坐標(biāo)值為:(m+1)點(diǎn)處的偏差為:②設(shè)加工點(diǎn)正處于m(xm,ym)點(diǎn)，當(dāng)Fm<0時(shí)，表明m點(diǎn)在OA下方，應(yīng)向+y方向進(jìn)給一步至(m+1)點(diǎn)，該點(diǎn)的坐標(biāo)值為：

(m+1)點(diǎn)處的偏差為:實(shí)用偏差計(jì)算公式：當(dāng)Fm0時(shí)：Fm+1=Fm-ye當(dāng)Fm<0時(shí)：Fm+1=Fm+xe

注意：加工的起點(diǎn)是坐標(biāo)原點(diǎn)，起點(diǎn)的偏差是已知的，即F0＝0(3)終點(diǎn)判斷方法逐點(diǎn)比較法的終點(diǎn)判斷有多種方法，下面介紹兩種方法：

設(shè)置Nx和Ny兩個(gè)減法計(jì)數(shù)器，加工開始前，Nx和Ny分別存入終點(diǎn)坐標(biāo)值xe和ye，當(dāng)x坐標(biāo)(或y坐標(biāo))進(jìn)給一步時(shí)，相應(yīng)在Nx(或Ny)中減去1，直到Nx(或Ny)中的數(shù)都減到零時(shí)，即到達(dá)終點(diǎn)。

用一個(gè)終點(diǎn)計(jì)數(shù)器，寄存x和y兩個(gè)坐標(biāo)進(jìn)給的總步數(shù)Nxy，x或y坐標(biāo)進(jìn)給一步，Nxy就減1，若Nxy＝0，則達(dá)到終點(diǎn)。例1設(shè)加工第一象限直線OA，起點(diǎn)為O(0，0)，終點(diǎn)坐標(biāo)為A（xe，ye），其值為A(6，4)，試進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算并作出走步軌跡圖。

解：坐標(biāo)進(jìn)給的總步數(shù)Nxy＝|6－0|+|4－0|＝10，xe＝6，ye＝4， F0=0；

(4)插補(bǔ)計(jì)算舉例40

類比第一象限偏差計(jì)算公式推導(dǎo)，可得圖中的偏差符號(hào)與進(jìn)給方向的關(guān)系。四個(gè)象限直線插補(bǔ)的偏差計(jì)算公式和坐標(biāo)進(jìn)給方向匯總在表3.1中。

該表中四個(gè)象限的終點(diǎn)坐標(biāo)值xe和ye要取絕對(duì)值代入計(jì)算式中。2.四個(gè)象限的直線插補(bǔ)四個(gè)象限直線插補(bǔ)的偏差計(jì)算公式和坐標(biāo)進(jìn)給方向（1）數(shù)據(jù)的輸入及存放：

在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中設(shè)6個(gè)單元：

3．直線插補(bǔ)計(jì)算流程XE：終點(diǎn)X坐標(biāo)

YE：終點(diǎn)Y坐標(biāo)

NXY:總步數(shù)，Nxy＝Nx+

Ny

XOY:象限值，1、2、3、4分別代表1、2、3、4象限

ZF：進(jìn)給方向，1、2、3、4代表在+x、–x、+y、-y方向進(jìn)給。

FM:偏差。42象限值＋X－X+Y-Y1,42,31,23,4

圖為直線插補(bǔ)計(jì)算的程序流程圖，該圖按照插補(bǔ)計(jì)算過程的4個(gè)步驟即偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、偏差計(jì)算、終點(diǎn)判斷來實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)計(jì)算程序。（2）直線插補(bǔ)計(jì)算的程序流程5.2.2逐點(diǎn)比較法圓弧插補(bǔ)1．第一象限內(nèi)的圓弧插補(bǔ)偏差計(jì)算公式

設(shè)要加工逆圓弧AB，圓心在坐標(biāo)原點(diǎn)，起點(diǎn)為A(x0,y0)，終點(diǎn)在B(xe,ye)，圓弧半徑為R。令瞬時(shí)加工點(diǎn)為m(xm,ym)，它與圓心的距離為Rm?？梢员容^Rm和R來反映m點(diǎn)與圓弧的關(guān)系。比較Rm和R大小，用其平方值可減小計(jì)算量。由圖第一象限逆圓弧AB可知定義偏差判別式為：Fm＝0，加工點(diǎn)m在圓弧上;Fm>0，加工點(diǎn)m在圓弧外;Fm<0，加工點(diǎn)m在圓弧內(nèi)。

從圓弧的起點(diǎn)A出發(fā)，當(dāng)Fm≥0，下一步向-x方向進(jìn)給一步，計(jì)算新的偏差；若Fm<0,下一步向+y方向進(jìn)給一步，計(jì)算新的偏差。如此一步步計(jì)算和一步步進(jìn)給，到達(dá)終點(diǎn)后停止計(jì)算，就可插補(bǔ)出圖所示的第一象限逆圓弧AB。

第一象限逆圓弧逐點(diǎn)比較插補(bǔ)原理：(2)簡化偏差計(jì)算公式①設(shè)加工點(diǎn)正處于m(xm,ym)點(diǎn)，當(dāng)Fm≥o時(shí)，應(yīng)沿-x方向走一步至(m+1)點(diǎn)，其坐標(biāo)值為(m+1)點(diǎn)處的偏差為:公式的計(jì)算量大，不適合在線計(jì)算②設(shè)加工點(diǎn)正處于m(xm,ym)點(diǎn)，當(dāng)Fm<o時(shí)，應(yīng)沿+y方向走一步至(m+1)點(diǎn)，其坐標(biāo)值為(m+1)點(diǎn)處的偏差為:由上面兩式可知，只要知道前一點(diǎn)的偏差和坐標(biāo)值，就可求出新的一點(diǎn)的偏差。因?yàn)榧庸c(diǎn)是從圓弧的起點(diǎn)開始，故起點(diǎn)的偏差F0＝0。

(3)終點(diǎn)判斷方法圓弧插補(bǔ)的終點(diǎn)判斷方法和直線插補(bǔ)相同。

x方向的走步步數(shù)Nx＝|xe－x0|，

y方向的走步步數(shù)Ny＝|ye－y0|。總和Nxy＝Nx+Ny。每走一步，從Nxy中減1，當(dāng)Nxy＝0時(shí)發(fā)出終點(diǎn)到信號(hào)。

（1）第一象限順圓弧的插補(bǔ)計(jì)算

設(shè)第一象限順圓弧CD，圓心在坐標(biāo)原點(diǎn)O，起點(diǎn)C(x0，y0)，終點(diǎn)D(xe,ye)。②若Fm<0，則沿+x方向進(jìn)給一步至(m-1)點(diǎn)，新點(diǎn)坐標(biāo)(xm+1，ym)，新的偏差為2．四個(gè)象限的圓弧插補(bǔ)

設(shè)加工點(diǎn)處于m(xm,ym)點(diǎn)，①若Fm≥0，則沿-y方向進(jìn)給一步到(m+1)點(diǎn)，新點(diǎn)坐標(biāo)(xm,ym-1)，新的偏差為

右圖，用SR和NR分別表示順圓弧和逆圓弧一二三四順SR1SR2SR3SR4逆NR1NR2NR3NR4

一二三四對(duì)稱于y軸:SR1,NR2;SR3,NR4對(duì)稱于x軸:NR1,SR4;SR2,NR3

已知第一象限逆、順圓弧的插補(bǔ)計(jì)算公式，利用其它象限圓弧與第一象限中的逆圓弧或順圓弧的對(duì)稱性，即可得其它象限的圓弧插補(bǔ)計(jì)算公式。

四個(gè)象限，8種圓弧插補(bǔ)時(shí)的坐標(biāo)進(jìn)給方向如圖所示。偏差計(jì)算公式見下頁表。

注意：在使用上述公式時(shí)，各象限的動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)都用其絕對(duì)值代入。

向圓弧內(nèi)移動(dòng)向圓弧外移動(dòng)總結(jié)：當(dāng)Fm≥0時(shí)，動(dòng)點(diǎn)在圓弧外，下一步應(yīng)走向圓弧內(nèi)，坐標(biāo)絕對(duì)值減小。

當(dāng)Fm<0時(shí)，動(dòng)點(diǎn)在圓弧內(nèi)，下一步應(yīng)走向圓弧外，坐標(biāo)絕對(duì)值增大。例2：加工第1象限逆圓弧AB，起點(diǎn)為A(4，0)，終點(diǎn)為B(0，4)，試進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算并作走步軌跡圖。解：進(jìn)給總步數(shù)Nxy＝|0-4|+|4-0|=8

插補(bǔ)計(jì)算過程圓弧插補(bǔ)走步軌跡圖5.3步進(jìn)電機(jī)伺服控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)：利用電磁鐵的作用原理，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的機(jī)電式數(shù)摸(D/A)轉(zhuǎn)換器。輸入：脈沖輸出：位移脈沖數(shù)：決定位移量脈沖頻率：決定位移的速度脈沖順序：決定電機(jī)運(yùn)行的方向5.3.1步進(jìn)伺服系統(tǒng)的構(gòu)成分類：

有永磁式、反應(yīng)式和混合式三種。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)性價(jià)比高，應(yīng)用最廣泛。應(yīng)用：

步進(jìn)機(jī)的應(yīng)用非常廣泛。如：在數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)繪圖儀等設(shè)備中都得到應(yīng)用。下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例說明步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。5.3.2步進(jìn)電機(jī)的工作原理圖5.13步進(jìn)電機(jī)的工作原理分析圖結(jié)構(gòu)步進(jìn)機(jī)主要由兩部分構(gòu)成：定子和轉(zhuǎn)子。它們均由磁性材料構(gòu)成，其上分別有六個(gè)、四個(gè)磁極。

定子轉(zhuǎn)子定子繞組定子的六個(gè)磁極上有控制繞組，兩個(gè)相對(duì)的磁極組成一相。注意：這里的相和三相交流電中的“相”的概念不同。步進(jìn)機(jī)通的是直流電脈沖，這主要是指線圖的聯(lián)接和組數(shù)的區(qū)別。ABC定子轉(zhuǎn)子IAIBIC工作過程轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的位置轉(zhuǎn)動(dòng)使通電相磁路的磁阻最小，使轉(zhuǎn)、定子的齒對(duì)齊停止轉(zhuǎn)動(dòng)。A相通電，A方向的磁通經(jīng)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。若轉(zhuǎn)子和磁場軸線方向原有一定角度，則在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子被磁化，吸引A相通電使轉(zhuǎn)子1、3齒和AA'對(duì)齊。CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412同理，B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相軸線對(duì)齊，相對(duì)A相通電位置轉(zhuǎn)30；C相通電再轉(zhuǎn)30。1C'342CA'BB'A這種工作方式，因三相繞組中每次只有一相通電，而且，一個(gè)循環(huán)周期共包括三個(gè)脈沖，所以稱三相單三拍。三相單三拍的特點(diǎn)：（1）每來一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30。此角稱為步距角，用表示。（2）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向取決于三相線圈通電的順序，改變通電順序即可改變轉(zhuǎn)向。實(shí)際采用的步進(jìn)電機(jī)的步距角多為3度和1.5度，步距角越小，機(jī)加工的精度越高。為產(chǎn)生小步距角，定、轉(zhuǎn)子都做成多齒的，圖中轉(zhuǎn)子40個(gè)齒，定子仍是6個(gè)磁極，但每個(gè)磁極上也有五個(gè)齒。

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，則它的齒距角為：Z：轉(zhuǎn)子齒數(shù)齒距角

步進(jìn)電機(jī)通過一個(gè)電脈沖,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度,稱為步距角。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行N拍可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一個(gè)齒距位置。步進(jìn)電機(jī)每一拍執(zhí)行一次步進(jìn)，因此步距角為：N:一個(gè)周期的運(yùn)行拍數(shù)Z：轉(zhuǎn)子齒數(shù)如：Z=40,N=3時(shí)步距角5.3.3步進(jìn)電機(jī)的工作方式

三相步進(jìn)電機(jī)可工作于三相三拍（單三拍）、雙相三拍（雙三拍）、三相六拍工作方式。1.單三拍工作方式

—正向旋轉(zhuǎn)，通電順序?yàn)锳→B→C→A—反向旋轉(zhuǎn)，通電順序?yàn)锳→C→B→A2.三相六拍三相繞組的通電順序?yàn)椋?/p>

AABBBCCCAA

共六拍。工作過程：A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒和A相對(duì)齊。CA'BB'C'A3412所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上。相對(duì)AA'通電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了15°。（1）BB'

磁場對(duì)2、4齒有磁拉力，該拉力使轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。A、B相同時(shí)通電（2）AA'

磁場繼續(xù)對(duì)1、3齒有拉力。CA'BB'C'A3412總之，每個(gè)循環(huán)周期，有六種通電狀態(tài)，所以稱為三相六拍，步距角為15。CA'BB'C'A3412B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒和B相對(duì)齊，又轉(zhuǎn)了15。3.雙相三拍雙相繞組的通電順序?yàn)椋?/p>

AB

BC

CA

AB共三拍。AB通電CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412BC通電以上三種工作方式，雙相三拍和三相六拍較單三拍穩(wěn)定，因此較常采用。工作方式為雙相三拍時(shí)，每通入一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子也是轉(zhuǎn)30，即

=30。CA通電CA'BB'C'A34125.3.4步進(jìn)電機(jī)IPC控制技術(shù)（1）.計(jì)算機(jī)取代脈沖分配器控制步進(jìn)電機(jī)（2）.由于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流比較大，需要計(jì)算機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的連接用專門的接口電路和驅(qū)動(dòng)電路1．步進(jìn)電機(jī)控制接口

用微機(jī)同時(shí)控制x軸和y軸兩臺(tái)三相步進(jìn)電機(jī)，控制接口如圖3.18所示。此接口電路選用可編程并行接口芯片8255。8255PA口的PA0、PA1、PA2控制x軸三相步進(jìn)電機(jī)，8255PB口的PB0、PB1、PB2控制y軸三相步進(jìn)電機(jī)。2.步進(jìn)電機(jī)控制的輸出字表

CACABC2.步進(jìn)電機(jī)控制的輸出字表

三相六拍控制模型2.步進(jìn)電機(jī)控制的輸出字表－－X,Y軸電機(jī)控制3．步進(jìn)電機(jī)走步控制程序ADX:x軸輸出字表的取數(shù)地址指針，ADY:y軸輸出字表的取數(shù)地址指針。ZF＝l、2、3、4分別表示+x、-x、+y、-y走步方向，圖表示步進(jìn)電機(jī)走步控制程序流程。輸出字更換得越快，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高。輸出字更換得越慢，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速越低。輸出字更換時(shí)間間隔不變,勻速轉(zhuǎn)動(dòng);輸出字更換時(shí)間間隔變小,加速轉(zhuǎn)動(dòng);輸出字更換時(shí)間間隔增大,減速轉(zhuǎn)動(dòng);5.3.5步進(jìn)電機(jī)單片機(jī)控制技術(shù)利用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)可以大大簡化控制電路，降低成本，提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性。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。5.4直流伺服電機(jī)伺服控制技術(shù)伺服電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子由永磁體或鐵芯線圈構(gòu)成。永磁體產(chǎn)生磁場，而鐵芯線圈通電后也會(huì)產(chǎn)生磁場。定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互作用產(chǎn)生力矩，使電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)，從而通過磁的形式將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。5.4.1直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)由定子磁極、轉(zhuǎn)子電樞和換向機(jī)構(gòu)組成；定子磁極一般為瓦狀永磁體，可為兩極或多極結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)有多種形式，最常見的是在有槽鐵心內(nèi)鋪設(shè)繞組的結(jié)構(gòu)。鐵芯由沖壓成的硅鋼片一類材料迭壓而成；換向機(jī)構(gòu)由換向環(huán)和電刷構(gòu)成。繞組導(dǎo)線連接到換向片上，電流通過電刷及換向片引入到繞組中。原理：結(jié)構(gòu)上保證在相同極性磁極下，電流方向相 同。因此就能產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩。電磁力計(jì)算式：F=Bli方向判斷：左手定則與發(fā)電機(jī)比較：采用同個(gè)模型下分析；發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)可逆。物理現(xiàn)象本質(zhì)上一致。1.直流電機(jī)啟動(dòng)要求：①啟動(dòng)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩要大，以利于克服啟動(dòng)時(shí)阻轉(zhuǎn)矩，包括總阻轉(zhuǎn)矩和慣性轉(zhuǎn)矩。②啟動(dòng)時(shí)電樞電流不要太大，一般把啟動(dòng)電流限制在允許電流值的1.5～2倍以內(nèi)。③要求電動(dòng)機(jī)有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和加速過程中保持足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩，以利于縮短啟動(dòng)時(shí)間。(1)改變電機(jī)端電壓Ua,即改變電樞電源電壓；(2)改變電樞回路的調(diào)節(jié)電阻Rtj

。(3)改變磁通Φ2.直流電機(jī)調(diào)速方法：3.改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向的方法：

要改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，必須改變電磁轉(zhuǎn)矩的方向。根據(jù)左手定則可知，改變電磁轉(zhuǎn)矩的方向有兩種方法：

(1)改變磁通的方向;

(2)改變電樞電流的方向。

請(qǐng)注意：如果磁通、電樞電流方向均變，則電磁轉(zhuǎn)矩方向不變。所以要改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，必須單獨(dú)改變電樞電流的方向或單獨(dú)改變勵(lì)磁電流的方向。改變磁通的方向改變電樞電流的方向磁通、電樞電流方向均變?cè)紶顟B(tài)4.使用時(shí)注意的問題：