第3章數(shù)字控制技術(shù)

第3章數(shù)字控制技術(shù)3.1數(shù)字控制基礎(chǔ)3.2逐點比較法插補(bǔ)原理3.3多軸步進(jìn)驅(qū)動控制技術(shù)3.4多軸伺服驅(qū)動控制技術(shù)數(shù)字控制就是利用數(shù)字化信號對機(jī)床運動及其加工過程進(jìn)行自動控制。數(shù)字程序控制主要應(yīng)用于機(jī)床控制，采用數(shù)字程序控制系統(tǒng)的機(jī)床叫做數(shù)控機(jī)床。數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床是實現(xiàn)柔性制造（FM）和計算機(jī)集成制造（CIM）的最重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一。3.1數(shù)字控制基礎(chǔ)所謂數(shù)字控制，就是生產(chǎn)機(jī)械(如各種加工機(jī)床)根據(jù)計算機(jī)輸出的數(shù)字信號按規(guī)定的工作順序、運動軌跡、運動距離和運動速度等規(guī)律自動地完成工作的控制方式。3.1.1數(shù)控技術(shù)發(fā)展概況直線驅(qū)動多過程、多任務(wù)調(diào)度、模板化和復(fù)合化、數(shù)字智能化復(fù)合設(shè)計加工計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)、無人化工廠l990至今高性能集成化交流伺服電機(jī)友好的人機(jī)界面復(fù)合設(shè)計加工柔性制造單元(FMU)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)l982系統(tǒng)化直流伺服電機(jī)CNC控制、刀具自動交換、五軸聯(lián)動、較好的人機(jī)界面多種工藝方法加工中心、電加工、鍛壓l970～l985推廣應(yīng)用3軸以下步進(jìn)、液壓電機(jī)NC控制簡單工藝數(shù)控車床、銑床鉆床1952～l969研究開發(fā)驅(qū)動特點數(shù)控功能工藝方法典型應(yīng)用年代特征階段數(shù)控系統(tǒng)一般有數(shù)控裝置、驅(qū)動裝置和檢測裝置等。

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算機(jī)承擔(dān)。數(shù)控裝置能接收零件圖樣加工要求的信息，進(jìn)行插補(bǔ)運算，適時地向各坐標(biāo)軸發(fā)出速度控制指令。驅(qū)動裝置能快速響應(yīng)數(shù)控裝置發(fā)出的指令，驅(qū)動機(jī)床的各坐標(biāo)軸運動，同時提供足夠的功率和扭矩。檢測裝置將坐標(biāo)的實際值檢測出來，反饋給數(shù)控裝置的調(diào)節(jié)電路中的比較器。xyabcd2.插補(bǔ)計算：確定各坐標(biāo)值之間的中間值。3.1.2數(shù)字程序控制的基本原理如何用計算機(jī)在繪圖儀或數(shù)控加工機(jī)床上重現(xiàn)平面圖形？1.曲線分割直線ab、直線bc、弧cd，確定a、b、c、d各點坐標(biāo)x和y值。所謂直線插補(bǔ)是指在給定的兩個基點之間用一條近似直線來逼近，也就是由此定出中間點連接起來的折線近似于一條直線，并不是真正的直線。所謂二次曲線插補(bǔ)是指在給定的兩個基點之間用一條近似曲線來逼近，也就是實際的中間點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。插補(bǔ)計算的宗旨是通過給定的基點坐標(biāo)，以一定的速度連續(xù)定出一系列中間點，而這些中間點的坐標(biāo)值是以一定的精度逼近給定的線段。從理論上講，插補(bǔ)的形式可用任意函數(shù)形式，但為了簡化插補(bǔ)運算過程和加快插補(bǔ)速度，常用的是直線插補(bǔ)和二次曲線插補(bǔ)兩種形式。（1）脈沖：每一個脈沖信號代表步進(jìn)電機(jī)走一步；代表的是加工過程中最小的加工單位，就是步長。（2）步長：對應(yīng)于每個脈沖移動的相對位置稱為脈沖當(dāng)量，又稱為步長，常用Δx和Δy來表示，并且總是取Δx＝Δy。（3）脈沖個數(shù)：線段在x軸和y軸的投影長度。3.中間點的輸出控制問題插補(bǔ)運算過程中定出的各中間點，以脈沖信號形式去控制x、y方向上的步進(jìn)電機(jī)。（6，4）3.1.3數(shù)字控制方式1.點位控制只要求控制刀具行程終點的坐標(biāo)值，即工件加工點準(zhǔn)確定位，至于刀具從一個加工點移到下一個加工點走什么路徑、移動的速度、沿哪個方向趨近都無需規(guī)定，并且在移動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。2.直線控制這種控制也主要是控制行程的終點坐標(biāo)值，不過還要求刀具相對于工件平行某一直角坐標(biāo)軸作直線運動，且在運動過程中進(jìn)行切削加工。3.輪廓控制這類控制的特點是能夠控制刀具沿工件輪廓曲線不斷地運動，并在運動過程中將工件加工成某一形狀。

這種方式是借助于插補(bǔ)器進(jìn)行的，插補(bǔ)器根據(jù)加工的工件輪廓向每一坐標(biāo)軸分配速度指令，以獲得圖紙坐標(biāo)點之間的中間點。3.1.4數(shù)字控制系統(tǒng)1.開環(huán)數(shù)字控制2.閉環(huán)數(shù)字控制1.

開環(huán)數(shù)字控制

這種控制結(jié)構(gòu)沒有反饋檢測元件，工作臺由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。步進(jìn)電機(jī)接收步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路發(fā)來的指令脈沖作相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，把刀具移動到與指令脈沖相當(dāng)?shù)奈恢?，至于刀具是否到達(dá)了指令脈沖規(guī)定的位置，那是不受任何檢查的，因此這種控制的可靠性和精度基本上由步進(jìn)電機(jī)和傳動裝置來決定。由于采用了步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動元件，使得系統(tǒng)的可控性變得更加靈活，更易于實現(xiàn)各種插補(bǔ)運算和運動軌跡控制。本章主要是討論開環(huán)數(shù)字程序控制技術(shù)。2.閉環(huán)數(shù)字控制這種結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)多采用直流電機(jī)（小慣量伺服電機(jī)和寬調(diào)速力矩電機(jī)）作為驅(qū)動元件，反饋測量元件采用光電編碼器（碼盤）、光柵、感應(yīng)同步器等，該控制方式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。3.1.5數(shù)控系統(tǒng)的分類1.傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)NC由專用硬件來完成。2.開放式數(shù)控系統(tǒng)（1）PCINNC結(jié)構(gòu)式數(shù)控系統(tǒng)既具有原數(shù)控系統(tǒng)工作的特點，同時它的界面又比原來的數(shù)控系統(tǒng)開放，大大提高了人機(jī)界面的功能。（2）NCINPC結(jié)構(gòu)式數(shù)控系統(tǒng)由PC機(jī)和開放式的運動控制卡（可以單獨使用的數(shù)控系統(tǒng)，有很強(qiáng)的運動控制能力和運動軌跡控制能力，有開放的數(shù)據(jù)庫）構(gòu)成?？煽啃愿?、性能好、開發(fā)周期短。3.網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床具有聯(lián)網(wǎng)通訊功能3.2逐點比較法插補(bǔ)原理

所謂逐點比較法插補(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。

逐點比較法是以階梯折線來逼近直線或圓弧等曲線的，它與規(guī)定的加工直線或圓弧之間的最大誤差為一個脈沖當(dāng)量，因此只要把脈沖當(dāng)量（每走一步的距離即步長）取得足夠小，就可達(dá)到加工精度的要求。3.2.1逐點比較法直線插補(bǔ)1．第一象限內(nèi)的直線插補(bǔ)（1）偏差計算公式：偏差計算是逐點比較法關(guān)鍵的一步。在第一象限想加工出直線段OA，取直線段的起點為坐標(biāo)原點，直線段終點坐標(biāo)(xe，ye)是已知的。點m(xm,ym)為加工點（動點），若點m在直線段OA上，則有xm/ym＝xe/ye即ymxe-xmye＝0現(xiàn)定義直線插補(bǔ)的偏差判別式為Fm＝y(tǒng)mxe-xmye

若Fm＝0，表明點m在OA直線段上；若Fm＞0，表明點m在OA直線段的上方，即點mˊ處；若Fm＜0，表明點m在OA直線段的下方，即點m＂處。

第一象限直線逐點比較法插補(bǔ)的原理：從直線的起點（即坐標(biāo)原點）出發(fā)，當(dāng)Fm≥0時，沿＋x軸方向走一步；當(dāng)Fm＜0時，沿＋y方向走一步；當(dāng)兩方向所走的步數(shù)與終點坐標(biāo)(xe,ye)相等時，發(fā)出終點到信號，停止插補(bǔ)。Fm＝y(tǒng)mxe-xmye下面推導(dǎo)簡化的偏差計算公式：①設(shè)加工點正處于m點，當(dāng)Fm≥0時，表明m點在OA上或OA上方，應(yīng)沿＋x方向進(jìn)一步至(m＋1)點，該點的坐標(biāo)值為xm+1=xm+1ym+1=ym該點的偏差為Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=ymxe-(xm+1)ye=Fm-ye

②設(shè)加工點正處于m點，當(dāng)Fm＜0時，表明m點在OA下方，應(yīng)向＋y方向進(jìn)給一步至(m+1)點，該點的坐標(biāo)值為xm+1=xmym+1=ym+1該點的偏差為Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=(ym+1)xe-xmye=Fm+xe簡化后偏差計算公式中只有一次加法或減法運算，新的加工點的偏差Fm+1都可以由前一點偏差Fm和終點坐標(biāo)相加或相減得到。特別要注意，加工的起點是坐標(biāo)原點，起點的偏差是已知的，即F0＝0。（2）終點判斷方法①設(shè)置Nx和Ny兩個減法計數(shù)器，在加工開始前，在Nx和Ny計數(shù)器中分別存入終點坐標(biāo)值xe和ye，在x坐標(biāo)（或y坐標(biāo)）進(jìn)給一步時，就在Nx計數(shù)器（或Ny計數(shù)器）中減去1，直到這兩個計數(shù)器中的數(shù)都減到零時，到達(dá)終點。②用一個終點計數(shù)器，寄存x和y兩個坐標(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，則就達(dá)到終點。（3）插補(bǔ)計算過程插補(bǔ)計算時，每走一步，都要進(jìn)行以下四個步驟的插補(bǔ)計算過程，即①偏差判別②坐標(biāo)進(jìn)給③偏差計算④終點判斷2.四個象限的直線插補(bǔ)

偏差

1象限

2象限

3象限

4象限

偏差公式

Fm≥0

+x

-x

-x

+x

Fm+1=Fm-ye

Fm＜0

+y

+y

-y

-y

Fm+1=Fm+xe3.直線插補(bǔ)運算的程序?qū)崿F(xiàn)（1）數(shù)據(jù)的輸入及存放在計算機(jī)的內(nèi)存中開辟六個單元XE、YE、NXY、FM、XOY和ZF，分別存放終點橫坐標(biāo)xe、終點縱坐標(biāo)ye、總步數(shù)Nxy、加工點偏差Fm、直線所在象限值xoy和走步方向標(biāo)志。NXY=Nx+Ny。XOY等于1、2、3、4分別代表第一、第二、第三、第四象限，XOY的值可由終點坐標(biāo)(xe,ye)的正、負(fù)符號來確定。FM的初值為FM＝0ZF＝1、2、3、4分別代表+x、-x、+y、-y走步方向。（2）直線插補(bǔ)計算的程序流程〔例3．1〕設(shè)加工第一象限直線OA，起點為O(0，0)，終點坐標(biāo)為A(6，4)，試進(jìn)行插補(bǔ)計算并作出走步軌跡圖?！步狻匙鴺?biāo)進(jìn)給的總步數(shù)Nxy=|6-0|+|4-0|=10,xe=6,ye=4,F0=0,xoy=1。Nxy=0F10=F9-ye=0+xF9>010Nxy=1F9=F8+xe=4+yF8<09Nxy=2F8=F7-ye=-2+xF7>08Nxy=3F7=F6+xe=2+yF6<07Nxy=4F6=F5-ye=-4+xF5=06Nxy=5F5=F4-ye=0+xF4>05Nxy=6F4=F3+xe=4+yF3<04Nxy=7F3=F2-ye=-2+xF2>03Nxy=8F2=F1+xe=2+yF1<02Nxy=9F1=F0-ye=-4+xF0=01Nxy=10F0=0起點終點判斷偏差計算坐標(biāo)進(jìn)給偏差判別步數(shù)軌跡如圖：3.2.2逐點比較法圓弧插補(bǔ)1．第一象限內(nèi)的圓弧插補(bǔ)（1）偏差計算公式設(shè)要加工逆圓弧AB，圓弧的圓心在坐標(biāo)原點，并已知圓弧的起點為A(x0,y0)，終點B(xe,ye)，圓弧半徑為R。由圖所示的第一象限逆圓弧AB可知，Rm２=xm2+ym2R2=x02+y02可定義偏差判別式為Fm＝Rm２-R2=xm２+ym2-R2

若Fm=0，表明加工點m在圓弧上；Fm＞0，表明加工點在圓弧外；Fm＜0，表明加工點在圓弧內(nèi)。

第一象限逆圓弧逐點比較插補(bǔ)的原理：從圓弧的起點出發(fā)，當(dāng)Fm≥0，為了逼近圓弧，下一步向-x方向進(jìn)給一步，并計算新的偏差；若Fm＜0，為了逼近圓弧，下一步向+y方向進(jìn)給一步，并計算新的偏差。如此一步步計算和一步步進(jìn)給，并在到達(dá)終點后停止計算，就可插補(bǔ)出圖所示的第一象限逆圓弧AB。下面推導(dǎo)簡化的偏差計算的遞推公式：①設(shè)加工點正處于m(xm,ym)點，當(dāng)Fm≥0時，應(yīng)沿-x方向進(jìn)給一步至(m+1)點，其坐標(biāo)值為：xm+1=xm-1ym+1=ym新的加工點的偏差為Fm+1=xm+12+ym+12-R2=(xm-1)2+ym2-R2=Fm-2xm+1②設(shè)加工點正處于m(xm,ym)點，當(dāng)Fm＜0時，應(yīng)沿+y方向進(jìn)給一步至(m+1)點，其坐標(biāo)值為：xm+1=xmym+1=ym+1新的加工點偏差為Fm+1=xm+12+ym+12-R2=xm２+(ym+1)2-R2=Fm＋2ym+1只要知道前一點的偏差和坐標(biāo)值，就可求出新的一點的偏差。因為加工點是從圓弧的起點開始，故起點的偏差F0＝0。（2）終點判斷方法圓弧插補(bǔ)的終點判斷方法和直線插補(bǔ)相同?？蓪方向的走步步數(shù)Nx=|xe-x0|和y方向的走步步數(shù)Ny=|ye-y0|的總和Nxy作為一個計數(shù)器，每走一步，從Nxy中減1，當(dāng)Nxy=0時發(fā)出終點到信號。（3）插補(bǔ)計算過程圓弧插補(bǔ)計算過程比直線插補(bǔ)計算過程多一個環(huán)節(jié)，即要計算加工點瞬時坐標(biāo)（動點坐標(biāo)）值。因此圓弧插補(bǔ)計算過程分為五個步驟即偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、偏差計算、坐標(biāo)計算、終點判斷。2.四個象限的圓弧插補(bǔ)（1）第一象限順圓弧的插補(bǔ)計算第一象限順圓弧CD，圓弧的圓心在坐標(biāo)原點，并已知起點C(x0,y0)，終點D(xe,ye),如圖所示。設(shè)加工點現(xiàn)處于m(xm,ym)點，若Fm≥0,則沿-y方向進(jìn)給一步，到(m+1)點，新加工點坐標(biāo)將是(xm,ym-1)，可求出新的偏差為Fm+1=Fm-2ym+1若Fm＜0，則沿+x方向進(jìn)給一步至(m+1)點，新加工點的坐標(biāo)將是(xm+1,ym)，同樣可求出新的偏差為Fm+1=Fm+2xm+1（2）四個象限的圓弧插補(bǔ)其它象限的圓弧插補(bǔ)可與第一象限的情況相比較而得出，因為其它象限的所有圓弧總是與第一象限中的逆圓弧或順圓弧互為對稱。而且，對于圓弧插補(bǔ)，我們也是要先首先清楚第一步的走步方向，后面的就很容易了。（總是趨近于原點的趨勢）當(dāng)Fm>=0,Fm+1=Fm-2ym+1（第一、三象限）Fm+1=Fm-2xm+1（第二、四象限）當(dāng)Fm<0,Fm+1=Fm+2xm+1（第一、三象限）Fm+1=Fm+2ym+1（第二、四象限）掌握偏差計算式子Fm最原始的算式的意義，是最重要的。3．圓弧插補(bǔ)計算的程序?qū)崿F(xiàn)

（1）數(shù)據(jù)的輸入及存放在內(nèi)存中開辟八個單元XO、YO、NXY、FM、RNS、XM、YM和ZF，分別存放起點的橫坐標(biāo)x0、起點的縱坐標(biāo)y0、總步數(shù)Nxy、加工點偏差Fm、圓弧種類值RNS、xm、ym和走步方向標(biāo)志。NXY=|xe-x0|+|ye-y0|；RNS等于1、2、3、4和5、6、7、8分別代表SR1、SR2、SR3、SR4和NR1、NR2、NR3、NR4，RNS的值可由起點和終點的坐標(biāo)的正、負(fù)符號來確定；Fm的初值為F0＝０，xm和ym的初值為x0和y0；ZF=1、2、3、4分別表示+x、-x、+y、-y走步方向。（2）圓弧插補(bǔ)計算的程序流程按照插補(bǔ)計算的五個步驟來實現(xiàn)插補(bǔ)計算程序。即：偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計算坐標(biāo)計算終點判斷y軸指明RNS，可以選擇同樣的偏差計算公式判斷Fm的值判斷Fm的值x軸舉例：設(shè)加工第一象限逆圓弧AB，已知起點的坐標(biāo)為A(4，0)，終點的坐標(biāo)為B(0，4)，試進(jìn)行插補(bǔ)計算并作出走步軌跡圖。Nxy=0x8=x7-1=0,y8=4F8=7-2x7+1=0-xF7>08Nxy=1x7=x6-1=1,y7=4F7=F6-2x6+1=1-xF6<07Nxy=2x6=2,y6=y5+1=4F6=F5+2y5+1=4+yF5=06Nxy=3x5=x4-1=2,y5=3F5=F4-2x4+1=-3-xF4>05Nxy=4x4=3,y4=y3+1=3F4=F3+2y3+1=2+yF3<04Nxy=5x3=3,y3=y2+1=2F3=F2+2y2+1=-3+yF2<03Nxy=6x2=3,y2=y1+1=1F2=F1+2y1+1=-6+yF1<02Nxy=7x1=x0-1=3,y1=0F1=F0-2x0+1=-7-xF0=01Nxy=8x0=0,y0=0F0=0起點終點判斷坐標(biāo)計算偏差計算坐標(biāo)進(jìn)給偏差判別步數(shù)3.3多軸步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動元件常常是步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是電機(jī)類中比較特殊的一種，它是靠脈沖來驅(qū)動的。靠步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動的數(shù)控系統(tǒng)的工作站或刀具總移動步數(shù)決定于指令脈沖的總數(shù)，而刀具移動的速度則取決于指令脈沖的頻率。步進(jìn)電機(jī)不是連續(xù)的變化，而是跳躍的，離散的。步進(jìn)電機(jī)：脈沖電機(jī)，給一個脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一下。它是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移的機(jī)電式數(shù)模（D／A）轉(zhuǎn)換器。3.3.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理3.3.2步進(jìn)電機(jī)的工作方式3.3.3步進(jìn)電機(jī)控制接口及輸出字表3.3.4步進(jìn)電機(jī)控制程序3.3.5數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計舉例——三軸步進(jìn)電機(jī)控制3.3.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理（1）步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)：內(nèi)轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成。定子：定子上有繞組，教材上這個電機(jī)是三相電機(jī)，有3對磁極，實際上步進(jìn)電機(jī)不僅有三相，還有四相、五相等等。三對磁極分別為A、B、C，通過開關(guān)輪流通電。轉(zhuǎn)子：上面帶齒。為了說明問題，這里只畫了4個齒。（其實一般有幾十個齒）（2）工作原理：對于三相步進(jìn)電機(jī)的A、B、C這三個開關(guān)，每個開關(guān)閉合，就會產(chǎn)生一個脈沖。①初始狀態(tài)時，開關(guān)A接通，則A相磁極和轉(zhuǎn)子的0、2號齒對齊，同時轉(zhuǎn)子的1、3號齒和B、C相磁極形成錯齒狀態(tài)。這就相當(dāng)于初始化。②當(dāng)開關(guān)A斷開，B接通，由于B相繞組和轉(zhuǎn)子的1、3號齒之間的磁力線作用，產(chǎn)生一個扭矩，使得轉(zhuǎn)子的1、3號齒和B相磁極對齊，則轉(zhuǎn)子的0、2號齒就和A、C相繞組磁極形成錯齒狀態(tài)。③開關(guān)B斷開，C接通，由于C相繞組和轉(zhuǎn)子0、2號之間的磁力線的作用，使得轉(zhuǎn)子0、2號齒和C相磁極對齊，這時轉(zhuǎn)子的1、3號齒和A、B相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。

④當(dāng)開關(guān)C斷開，A接通后，由于A相繞組磁極和轉(zhuǎn)子1、3號齒之間的磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子1、3號齒和A相繞組磁極對齊，這時轉(zhuǎn)子的0、2號齒和B、C相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。很明顯，這時轉(zhuǎn)子移動了一個齒距角。如果對一相繞組通電的操作稱為一拍，那對A、B、C三相繞組輪流通電需要三拍,稱為一個周期。從上面分析看出，該三相步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距，需要三拍操作。在圖中，轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為4，故齒距角90°，轉(zhuǎn)動了一個齒距也即轉(zhuǎn)動了90°。同樣的，如果轉(zhuǎn)自由40個齒，則轉(zhuǎn)完一個周期是9°。

齒踞角和步踞角：對于一個步進(jìn)電機(jī)，如果它的轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為Z，它的齒距角θZ為θZ=2π／Z=360°/Z而步進(jìn)電機(jī)運行N拍可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距位置。步進(jìn)電機(jī)的步距角θ可以表示如下θ=θZ／N=360°/(NZ)其中：N是步進(jìn)電機(jī)工作拍數(shù)，Z是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。對于三相步進(jìn)電機(jī)，若采用三拍方式，則它的步距角是θ=360°/(3×4)=30°對于轉(zhuǎn)子有40個齒且采用三拍方式的步進(jìn)電機(jī)而言，其步距角是θ=360°/(3×40)=3°3.3.2步進(jìn)電機(jī)的工作方式1．步進(jìn)電機(jī)單三拍工作方式2．步進(jìn)電機(jī)的雙三拍工作方式3．步進(jìn)電機(jī)的三相六拍工作方式1.單三拍工作方式：單三拍就是每次只給一個線組通電，其余的繞組斷開。①繞組的通電順序：A→B→C→A→…②電壓波形在這里，步進(jìn)電機(jī)是由脈沖控制的。而脈沖的輸出受計算機(jī)的控制。2．步進(jìn)電機(jī)的雙三拍工作方式①繞組的通電順序：ABBCCA②電壓波形3．步進(jìn)電機(jī)的三相六拍工作方式①繞組的通電順序：AABBBCCCAA②電壓波形3.3.3步進(jìn)電機(jī)控制接口及輸出字表步進(jìn)電機(jī)的控制中，要關(guān)心下列問題：①步進(jìn)電機(jī)的精度問題：步進(jìn)電機(jī)的工作精度問題；②速度調(diào)節(jié)問題：步進(jìn)電機(jī)運動速度的快慢的調(diào)節(jié)；③計算機(jī)接口問題：和計算機(jī)接口應(yīng)該注意的問題。1．步進(jìn)電機(jī)控制接口2．步進(jìn)電機(jī)控制的輸出字表1．步進(jìn)電機(jī)控制接口2.步進(jìn)電機(jī)控制的輸出字表x軸步進(jìn)電機(jī)輸出字表y軸步進(jìn)電機(jī)輸出字表存儲地址標(biāo)號低八位輸出字存儲地址標(biāo)號高八位輸出字ADX100000001=01HADY100000001=01HADX200000011=03HADY200000011=03HADX300000010=02HADY300000010=02HADX400000110=06HADY400000110=06HADX500000100=04HADY500000100=04HADX600000101=05HADY600000101=05H3.3.4步進(jìn)電機(jī)控制程序1.步進(jìn)電機(jī)走步控制程序2.步進(jìn)電機(jī)速度控制程序①硬件電路；②電機(jī)類型（三相、四相等）、步踞角、最高通電頻率、最低通電頻率等等。頻率對應(yīng)的是速度。③選擇工作方式；④電機(jī)控制的調(diào)速問題。1．步進(jìn)電機(jī)走步控制程序什么是走步程序？用ADX和ADY分別表示x軸和y軸步進(jìn)電機(jī)輸出字表的取數(shù)地址指針。且用ZF=1、2、3、4分別表示+x、-x、+y、-y走步方向。在流程圖的第一個判斷中，ZF通過對Fm的判斷來賦值。因此，這個程序還要和插補(bǔ)計算程序結(jié)合起來看。2．步進(jìn)電機(jī)速度控制程序注意兩點：①速度往往和輸出字的輸送的頻率有關(guān)；②調(diào)速過程總是有加速問題。內(nèi)容：①按正序或反序取輸出字可控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，輸出字更換得越快，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速越高；②控制延時的時間常數(shù)，即可達(dá)到調(diào)速的目的；Ti為相鄰兩次走步的時間間隔，Vi為進(jìn)給一步后速度，a為加速度。3.3.5數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計舉例-三軸步進(jìn)電機(jī)控制1.數(shù)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要部件（1）工業(yè)控制機(jī)（IPC）（2）運動控制卡2.數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)及主要功能模塊該軟件為多任務(wù)操作系統(tǒng)，系統(tǒng)主要模塊的功能如下:（1）多任務(wù)操作模塊（2）人機(jī)接口模塊（3）軌跡插補(bǔ)模塊

（4）運動學(xué)算法模塊（5）位置控制模塊（6）方式控制模塊（7）程序控制模塊（8）參數(shù)管理模塊（9）運動仿真模塊、動態(tài)顯示模塊等3.4多軸伺服驅(qū)動控制技術(shù)3.4.1伺服系統(tǒng)在自動控制系統(tǒng)中，把輸出量能夠以一定準(zhǔn)確度跟隨輸入量變化的系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng)，亦稱伺服系統(tǒng)。例如，數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，又稱為隨動系統(tǒng)。1.伺服系統(tǒng)及其組成伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動裝置和驅(qū)動元件(或稱執(zhí)行元件，即伺服電機(jī))組成。高性能的伺服系統(tǒng)還有檢測裝置，反饋實際的輸出狀態(tài)。2.伺服系統(tǒng)的基本要求和特點（1）伺服系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性好：能在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后到達(dá)新的或者恢復(fù)到原有的平衡狀態(tài)。精度高：輸出量能跟隨輸入量的精確程度?？焖夙憫?yīng)好：要求跟蹤指令的響應(yīng)要快。過渡過程時間短200ms以內(nèi)，還要滿足超調(diào)要求。

（2）伺服系統(tǒng)的主要特點精確的檢測裝置：組成速度和位置閉環(huán)控制。有多種反饋比較原理與方法：脈沖比較、相位比較和幅值比較三種。高性能的伺服電機(jī)：伺服系統(tǒng)經(jīng)常處于頻繁啟動和制動過程中。要求輸出力矩與轉(zhuǎn)動慣量的比值大。在低速時要求有足夠大的輸出力矩且運動平穩(wěn)。寬調(diào)速范圍的速度調(diào)節(jié)：數(shù)控機(jī)床的主運動要求調(diào)速性能比較高。位置調(diào)節(jié)為外環(huán)，速度調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。3.4.2現(xiàn)代運動控制技術(shù)1.伺服電機(jī)控制（1）伺服電機(jī)及其分類又稱執(zhí)行電機(jī)。把輸入的電壓信號變換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出。直流伺服電動機(jī)調(diào)速性能好，有較大的起動轉(zhuǎn)矩。交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠維護(hù)方便。（2）控制系統(tǒng)對伺服電機(jī)的基本要求寬調(diào)速范圍：機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性均為線性：調(diào)節(jié)特性指電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩一定時，轉(zhuǎn)速隨控制電壓的變化關(guān)系。無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象：控制電壓降到零時能立即自行停轉(zhuǎn)?？焖夙憫?yīng)：電動機(jī)要有較大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和較小的轉(zhuǎn)動慣量。（3）直流伺服電機(jī)的工作原理和控制方式實質(zhì)上是它勵式的直流電機(jī)。有兩種控制方式：電樞控制（控制電樞電壓）和磁場控制（控制勵磁繞組產(chǎn)生的磁通）。（4）交流伺服電機(jī)的工作原理和控制方式實質(zhì)上是兩相感應(yīng)電動機(jī)。定子上裝有兩相對稱繞組，作為勵磁繞組和控制繞組，分別連勵磁交流電源和控制電壓源?？刂品椒ǎ悍悼刂?，加恒定的額定勵磁電壓，保持勵磁電壓與控制電壓之間的相位差位90°，改變控制電壓幅值控制轉(zhuǎn)速。相位控制，保持控制電壓和勵磁電壓的幅值為額定值，改變它們之間的相角在0°～90°變化。幅相控制，勵磁繞組和控制繞組連接在同一電源上，在勵磁相電路中串聯(lián)或并聯(lián)上一定的電容，兩繞組電壓形成相位差。電壓改變時，相位差也隨之改變。2.現(xiàn)代運動控制廣義上的數(shù)控裝置。PC+運動控制器模式。開放式結(jié)構(gòu)控制（OAC）技術(shù)：利用DSP高速高精度特性，配以特有的通信內(nèi)核模塊