计算机控制技术 .pptx

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1、 什么是数字控制？什么是数字控制？数字控制，就是生产机械数字控制，就是生产机械(如各种加工机床如各种加工机床)根据计算机输出的数字信号，按规定的工作顺序、根据计算机输出的数字信号，按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的控制方式。工作的控制方式。第1页/共94页 数字控制主要用于机床的自动控制。数字控制主要用于机床的自动控制。如用于铣如用于铣床、车床、加工中心、线切割机以及焊接机、气床、车床、加工中心、线切割机以及焊接机、气割机等的自动控制系统中。割机等的自动控制系统中。采用数字程序控制的机床叫做数控机床。采用数字程序控制

2、的机床叫做数控机床。数控机床特点：数控机床特点：能加工形状复杂的零件、加工能加工形状复杂的零件、加工精度高、生产效率高、便于改变加工零件品种等，精度高、生产效率高、便于改变加工零件品种等，它是实现机床自动化的一个重要发展方向。它是实现机床自动化的一个重要发展方向。第2页/共94页数控机床例数控机床例1 1第3页/共94页数控机床例数控机床例2 2第4页/共94页数控机床例数控机床例3 3第5页/共94页普通机床例普通机床例1 1第6页/共94页普通机床例普通机床例2 2第7页/共94页5.15.1数字控制系统数字控制系统5.1.15.1.1数字控制系统的组成数字控制系统的组成 数控系统一般由数

3、控系统一般由数控装置数控装置、控制介质、伺服系、控制介质、伺服系统和测量反馈系统等构成。统和测量反馈系统等构成。数控装置数控装置由输入装置由输入装置,输出装置输出装置,控制器和插补控制器和插补器等四大部分组成。其中器等四大部分组成。其中,控制器和插补器功能以控制器和插补器功能以及部分输入输出功能由计算机承担。及部分输入输出功能由计算机承担。第8页/共94页特征阶段特征阶段年代年代典型应用典型应用工艺方法工艺方法数控功能数控功能驱动特点驱动特点研究开发研究开发19521952l969l969数控车床、铣床钻、数控车床、铣床钻、铣床铣床简单工艺简单工艺NCNC控制控制3 3轴以下步轴以下步进、液压

4、电进、液压电机机推广应用推广应用l970l970l985l985加工中心、电加工、加工中心、电加工、锻压锻压多种工艺多种工艺方法方法CNCCNC控制、刀具控制、刀具自动交换、五自动交换、五轴联动、较好轴联动、较好的人机界面的人机界面直流伺服直流伺服电机电机系统化系统化l982l982柔性制造单元柔性制造单元(FMU)(FMU)、柔性制造系统、柔性制造系统(FMS)(FMS)复合设计复合设计加工加工友好的友好的人机界面人机界面交流伺服电交流伺服电机机高性能高性能集成化集成化l990l990至至今今计算机集成制造系计算机集成制造系统统(CIMS)(CIMS)、无人化工厂无人化工厂复合设计复合设计加

5、工加工多过程、多任多过程、多任务调度、模板务调度、模板化和复合化、化和复合化、数字智能化数字智能化直线驱动直线驱动数字控制系统发展概况如下图所示数字控制系统发展概况如下图所示 。第9页/共94页5.1.25.1.2数字控制原理数字控制原理 如图所示的平面曲形图形，如何用计算机如图所示的平面曲形图形，如何用计算机在绘图仪或数控加工机床上重现，以此来说明在绘图仪或数控加工机床上重现，以此来说明数字控制的基本原理。数字控制的基本原理。图5.1 曲线分段第10页/共94页基本思路：基本思路：逐点输入加工轨迹的坐标不现实。数控加工轮廓一般由直线、圆弧组成，也可能有一些非圆曲线轮廓，因此可以用分段曲线（曲

6、线基点和曲线属性曲线基点和曲线属性）拟合加工轮廓。拟合加工轮廓。输出装置为步进电机，驱动每个轴以一定输出装置为步进电机，驱动每个轴以一定距离的步长运动，实际加工轮廓是以折线轨迹拟距离的步长运动，实际加工轮廓是以折线轨迹拟合光滑曲线。合光滑曲线。第11页/共94页步骤：步骤：1.1.曲曲线分段分段 图中曲中曲线分分为三段，分三段，分别为abab、bcbc、cdcd，a a、b b、c c、d d四点坐四点坐标送送计算机。算机。分割原分割原则：应保保证线段所段所连的曲的曲线与原与原图形的形的误差在允差在允许范范围之内。之内。2.2.插插补计算算 插插补计算原算原则：通：通过给定的基点坐定的基点坐标

7、，以一定，以一定的速度的速度连续定出一系列中定出一系列中间点，点，这些中些中间点的坐点的坐标值以以一定的精度逼近一定的精度逼近给定的定的线段。段。插补运算的实质是插补运算的实质是折线逼近。折线逼近。第12页/共94页插补形式：插补形式：直线插补、二次曲线插补两种。直线插补、二次曲线插补两种。直线插补直线插补：在给定的两个基点之间用一条：在给定的两个基点之间用一条近似直线近似直线来来逼近。逼近。二次曲线插补二次曲线插补：在给定的两个基点之间用一条：在给定的两个基点之间用一条近似曲近似曲线线来逼近。常用二次曲线：圆弧、抛物线和双曲线来逼近。常用二次曲线：圆弧、抛物线和双曲线 3.3.折折线逼近（脉

8、冲分配）逼近（脉冲分配）根据插根据插补计算出的中算出的中间点、点、产生脉冲信号生脉冲信号驱动x x、y y方向上的步方向上的步进电机，机，带动绘图笔、刀具等，从而笔、刀具等，从而绘出出图形或加工所要求的形或加工所要求的轮廓。廓。我我们把把对应于每个脉冲移于每个脉冲移动的相的相对位置称位置称为脉冲脉冲当量，又称当量，又称为步步长，常用用，常用用 x,yx,y来表示，并且来表示，并且总是取是取 x x y y。插补运算的实质是插补运算的实质是折线逼近。折线逼近。第13页/共94页n下图是一段用折线逼近直线的直线插补线段 x方向步数：Nx(xe-x0)/x y方向步数：Ny(ye-y0)/y。图5.

9、2 用折线逼近直线段第14页/共94页 因此，插补计算就是如何分配因此，插补计算就是如何分配x x和和y y方向上的方向上的脉冲数，使实际的中间点轨迹尽可能地逼近理想脉冲数，使实际的中间点轨迹尽可能地逼近理想轨迹。轨迹。实现直线插补和二次曲线插补的方法很多，实现直线插补和二次曲线插补的方法很多，常见的有逐点比较法、数字积分法、数字脉冲乘常见的有逐点比较法、数字积分法、数字脉冲乘法器等，其中又以逐点比较法使用最广。法器等，其中又以逐点比较法使用最广。第15页/共94页 数字程序控制的数字程序控制的3 3种方式：种方式：点位控制点位控制、直线直线切削控制切削控制、轮廓切削控制轮廓切削控制。5.1.

10、35.1.3数字控制系统的分类数字控制系统的分类按照控制对象的运动轨迹按照控制对象的运动轨迹1第16页/共94页 点位控制点位控制：点位控制系统中，点位控制系统中，只要求只要求控制刀具行程终点的坐标值控制刀具行程终点的坐标值，即工件加工点准确定位。即工件加工点准确定位。刀具从一个加工点移到下一个加刀具从一个加工点移到下一个加工点走什么路径、移动的速度、沿哪工点走什么路径、移动的速度、沿哪个方向趋近都无需规定，并且在个方向趋近都无需规定，并且在移动移动过程中不做任何加工过程中不做任何加工，只是在准确到，只是在准确到达指定位置后才开始加工。达指定位置后才开始加工。在机床加工业中，采用这类控制在机床

11、加工业中，采用这类控制的有的有钻床、镗床、冲床钻床、镗床、冲床等。等。经济型数控立钻第17页/共94页 直线切削控制直线切削控制：（：（1 1）控制行程的终点坐标控制行程的终点坐标值值，（，（2 2）刀具相对于工件平行某一坐标轴作直线）刀具相对于工件平行某一坐标轴作直线运动（控制两点之间的移动速度和路径），（运动（控制两点之间的移动速度和路径），（3 3）运动过程中进行切削加工运动过程中进行切削加工。需要这类控制的有。需要这类控制的有铣铣床、车床、镗床、加工中心床、车床、镗床、加工中心等。等。立式铣镗加工中心 五轴联动龙门加工中心第18页/共94页19 轮廓切削控制轮廓切削控制：轮廓切削控制的

12、特点：轮廓切削控制的特点：控制刀具沿控制刀具沿工件轮廓曲线不断地运动工件轮廓曲线不断地运动，并在，并在运动过程中将工件加工成运动过程中将工件加工成某一形状某一形状，能够对两个或者两个以上的运动坐标的位移和，能够对两个或者两个以上的运动坐标的位移和速度同时进行控制。速度同时进行控制。这种方式是借助于插补器进行的，插补器根据加工的这种方式是借助于插补器进行的，插补器根据加工的工件轮廓，计算图纸坐标点之间的中间点，向每一坐标轴工件轮廓，计算图纸坐标点之间的中间点，向每一坐标轴发出运动指令。发出运动指令。这类控制用于这类控制用于铣床、车床、磨床、齿轮加工机床铣床、车床、磨床、齿轮加工机床等。等。数控立

13、轴圆台平面磨床 数控高速滚齿机 第19页/共94页三种控制方式比较：三种控制方式比较：点位控制点位控制：最简单。运动轨迹无特别要求，运动：最简单。运动轨迹无特别要求，运动时又不作加工，时又不作加工，不需要插补计算不需要插补计算。直线切削控制直线切削控制：进行直线加工（平行坐标轴直线进行直线加工（平行坐标轴直线运动），其控制电路要复杂一些，运动），其控制电路要复杂一些，不需要插补计不需要插补计算算。轮廓切削控制轮廓切削控制：要控制刀具准确地完成复杂的曲：要控制刀具准确地完成复杂的曲线运动，所以控制电路复杂，且线运动，所以控制电路复杂，且需要进行一系列需要进行一系列的插补计算和判断的插补计算和判断

14、。第20页/共94页计算机数控系统按照伺服控制方式主要分计算机数控系统按照伺服控制方式主要分为为开环数字程序控制开环数字程序控制和和闭环数字程序控制闭环数字程序控制两大类两大类。根据有无检测反馈元件分类根据有无检测反馈元件分类2第21页/共94页.闭环数字程序控制闭环数字程序控制 执行机构执行机构多采用直流伺服电机作为驱动元件多采用直流伺服电机作为驱动元件，反馈测，反馈测量元件采用光电编码器量元件采用光电编码器(码盘码盘)，光栅、感应同步器等。，光栅、感应同步器等。主要用于大型精密加工机床，但其结构复杂，难于调主要用于大型精密加工机床，但其结构复杂，难于调整和维护，一些常规的数控系统很少采用。

15、整和维护，一些常规的数控系统很少采用。闭环数字程序控制闭环数字程序控制 第22页/共94页.开环数字程序控制开环数字程序控制 没有反馈检测元件，工作台由步进电机驱动，没有反馈检测元件，工作台由步进电机驱动，驱动装置采用步进驱动装置采用步进电机电机，步进电机接收驱动电路发来的指令脉冲作相应的旋转，把刀具，步进电机接收驱动电路发来的指令脉冲作相应的旋转，把刀具移动到与指令脉冲相当的位置。移动到与指令脉冲相当的位置。刀具是否到达了指令脉冲规定的位置，是没有任何检查的，因此刀具是否到达了指令脉冲规定的位置，是没有任何检查的，因此这种控制的可靠性和精度基本上由步进电机和传动装置来决定。这种控制的可靠性和

16、精度基本上由步进电机和传动装置来决定。开环数字程序控制特点：开环数字程序控制特点：结构简单；可靠性高；成本低；易于调整和维护等。结构简单；可靠性高；成本低；易于调整和维护等。由于采用了步进电机作为驱动元件，使得系统的可控性变得更加灵由于采用了步进电机作为驱动元件，使得系统的可控性变得更加灵活，更易于实现各种插补运算和运动轨迹控制。活，更易于实现各种插补运算和运动轨迹控制。开环数字程序控制本章主要讨论开环数字程序控制技术。本章主要讨论开环数字程序控制技术。第23页/共94页5.1.45.1.4伺服控制系统（了解）伺服控制系统（了解）1.伺服控制系统在计算机控制系统中，把输出量能以一定准确度跟随输

17、入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服控制系统。第24页/共94页2.伺服控制系统的构成 伺服控制系统一般包括控制器、驱动器、执行机构、被控对象、测量/反馈环节等五部分组成。驱动器控制器执行机构被控对象测量、反馈环节给定输出测量-+第25页/共94页3.伺服控制系统的分类1）按执行机构分类 步进伺服系统（使用步进电机）直流伺服系统（使用直流电机）交流伺服系统（使用交流电机）2）按控制形式分类 开环伺服系统 半闭环伺服系统 闭环伺服系统第26页/共94页4.伺服控制系统的基本要求1）.稳定性 当系统给定输入或外界干扰的作用下，能在暂短的调节过程后达到新的平衡态或恢复到原来的稳定状态。2）.

18、系统精度 伺服系统精度是指输出量复现输入量的 程度，一般以误差的形式表现，包括动态误差和静态误差。第27页/共94页5.25.2逐点比较法差值原理逐点比较法差值原理 什么是逐点比较法插补？什么是逐点比较法插补？逐点比较法插补，就是刀具或绘图笔每走一步都要和给逐点比较法插补，就是刀具或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看这点是在给定轨迹的上方或定轨迹上的坐标值进行比较，看这点是在给定轨迹的上方或下方，或是给定轨迹的里面或外面，从而决定下一步的进给下方，或是给定轨迹的里面或外面，从而决定下一步的进给方向。方向。如果原来在给定轨迹的如果原来在给定轨迹的下方下方，下一步就，下一步就向给定

19、轨迹的上向给定轨迹的上方方走，如果原来在给定轨迹的走，如果原来在给定轨迹的里面里面，下一步就，下一步就向给定轨迹的向给定轨迹的外面走外面走，。如此，。如此，走一步、看一看，比较一次，决定下走一步、看一看，比较一次，决定下一步走向一步走向，不断逼近给定轨迹，即形成逐点比较插补。，不断逼近给定轨迹，即形成逐点比较插补。第28页/共94页29 逐点比较法特点：逐点比较法特点：逐点比较法是以阶梯折线来逼近直线或圆弧逐点比较法是以阶梯折线来逼近直线或圆弧等曲线。等曲线。最大误差：一个脉冲当量。通过减小脉冲当最大误差：一个脉冲当量。通过减小脉冲当量就能达到加工精度要求。量就能达到加工精度要求。第29页/共

20、94页 1 1第一象限内的直线插补第一象限内的直线插补 (1)(1)偏差计算公式偏差计算公式 根据逐点比较法插补原理，每走一步后要把每根据逐点比较法插补原理，每走一步后要把每一插值点一插值点(动点动点)的实际位置与给定轨迹的理想位置的实际位置与给定轨迹的理想位置间的误差，即间的误差，即“偏差偏差”计算出来，根据偏差的正、计算出来，根据偏差的正、负去决定下一步的走向，来逼近给定轨迹。负去决定下一步的走向，来逼近给定轨迹。偏差计算是逐点比较法关键的一步。偏差计算是逐点比较法关键的一步。5.2.15.2.1逐点比较法直线插补逐点比较法直线插补第30页/共94页 如图所示，动点如图所示，动点m(xm(

21、xm m,y,ym m)为加工点，若点为加工点，若点m m落在直线落在直线段段OAOA上，上，则有则有 即即 若动点若动点m m不在直线不在直线OAOA上，上，上式将不等于零，因而可用上式将不等于零，因而可用该式判别该式判别m m与直线与直线OAOA的关系的关系偏差判别式偏差判别式 ：第31页/共94页偏差计算公式偏差计算公式 可以看出：可以看出：若若Fm=0Fm=0，表明点，表明点m m在在OAOA直线段直线段 上；上；若若Fm0Fm0，表表明明点点m m在在OAOA直直线线段段 的上方，即点的上方，即点m m处；处；若若Fm0Fm0，表明点，表明点m m在在OAOA直线段直线段 的下方，即

22、点的下方，即点m m”处。处。第32页/共94页 第一象限直线逐点比较法插补的原理第一象限直线逐点比较法插补的原理 从直线的起点从直线的起点O出发，计算出发，计算Fm,Fm,当当Fm0Fm0时，沿时，沿+x+x轴轴方向走一步；方向走一步；当当Fm 0Fm 0时，沿时，沿+y+y轴轴方向走一步，方向走一步，重复计算重复计算FmFm并插补，直到并插补，直到两方向所走的步数与终点坐标两方向所走的步数与终点坐标(x(xe e,y,ye e)相等时，发出终点到信相等时，发出终点到信号，停止插补。号，停止插补。计算量大，要改进。计算量大，要改进。第33页/共94页 (2)(2)简化偏差计算公式简化偏差计算

23、公式 设加工点正处于设加工点正处于m(xm(xm m,y,ym m)点，当点，当Fm0Fm0时，表明时，表明m m点在点在OAOA上或上或OAOA上方，应沿上方，应沿+x+x方向进一步至方向进一步至(m+1)(m+1)点，点，(m+1)(m+1)点的坐标值为点的坐标值为:(m+1)(m+1)点处的偏差为点处的偏差为:第34页/共94页 设设加加工工点点正正处处于于m(xm(xm m,y,ym m)点点，当当F Fm m00时时，表表明明m m点点在在OAOA下下方方，应应向向+y+y方方向向进进给给一一步步至至(m+1)(m+1)点点，该该点点的坐标值为：的坐标值为：(m+1)(m+1)点处的

24、偏差为点处的偏差为:第35页/共94页实用偏差计算公式：实用偏差计算公式：当当FmFm 0 0时：时：Fm+1=Fm-yFm+1=Fm-ye e当当Fm0Fm0Fm 0，加工点，加工点m m在圆弧外在圆弧外;Fm 0Fm 0，加工点，加工点m m在圆弧内。在圆弧内。第43页/共94页 从圆弧的起点从圆弧的起点 A A 出发，出发，当当Fm0Fm0，下下一一步步向向-x-x方方向向进进给给一一步，计算新的偏差；步，计算新的偏差；若若Fm Fm 00,下下一一步步向向+y+y方方向向进进给给一一步，计算新的偏差。步，计算新的偏差。如此一步步计算和一步步进给，如此一步步计算和一步步进给，到达终点后停

25、止计算，就可插补出图到达终点后停止计算，就可插补出图所示的第一象限逆圆弧所示的第一象限逆圆弧ABAB。第一象限逆圆弧逐点比较插补原理：第一象限逆圆弧逐点比较插补原理：第44页/共94页(2)(2)简化偏差计算公式简化偏差计算公式 设加工点正处于设加工点正处于m(xm(xm m,y,ym m)点，当点，当FmoFmo时，应沿时，应沿-x-x方向走方向走 一步至一步至(m+1)(m+1)点，其坐标值为点，其坐标值为 (m+1)(m+1)点处的偏差为点处的偏差为:公式的计算量大，不适合在线计算公式的计算量大，不适合在线计算第45页/共94页 设设加加工工点点正正处处于于m(xm(xm m,y,ym

26、m)点点，当当F Fm moo时时，应应沿沿+y+y方方向走一步至向走一步至(m+1)(m+1)点，其坐标值为点，其坐标值为 (m+1)(m+1)点处的偏差为点处的偏差为:由由上上面面两两式式可可知知，只只要要知知道道前前一一点点的的偏偏差差和和坐坐标标值值，就就可可求求出出新新的的一一点点的的偏偏差差。因为加工点是从圆弧的起点开始，故起点的偏差因为加工点是从圆弧的起点开始，故起点的偏差F F0 00 0。第46页/共94页(3)(3)终点判断方法终点判断方法 圆弧插补的终点判断方法和直线插补相同。圆弧插补的终点判断方法和直线插补相同。x x方向的走步步数方向的走步步数NxNx|x|xe ex

27、 x0 0|，y y方向的走步步数方向的走步步数NyNy|y|ye ey y0 0|。总和。总和NxyNxyNx+NyNx+Ny。每走一步，从每走一步，从NxyNxy中减中减1 1，当，当NxyNxy0 0时发出终点到信号。时发出终点到信号。第47页/共94页（1 1）第一象限顺圆弧的插补计算）第一象限顺圆弧的插补计算 设设第第一一象象限限顺顺圆圆弧弧CDCD，圆圆心心在在坐坐标标原点原点O，起点，起点C(xC(x0 0，y y0 0)，终点，终点D(xD(xe e,y,ye e)。若若Fm0Fm0，则则沿沿+x+x方方向向进进给给一一步步至至(m-1)(m-1)点，新点坐标点，新点坐标(x(

28、xm m+1+1，y ym m)，新的偏差为，新的偏差为 2四个象限的圆弧插补 设加工点处于设加工点处于m(xm(xm m,y,ym m)点，点，若若Fm0Fm0，则沿，则沿-y-y方向进给一步方向进给一步到到(m+1)(m+1)点，新点坐标点，新点坐标(x(xm m,y,ym m-1)-1)，新的偏，新的偏差为差为 第48页/共94页 右图，用右图，用SRSR和和NRNR分别表示分别表示顺圆弧和逆圆弧顺圆弧和逆圆弧 一一 二二 三三 四四顺顺 SR1 SR2 SR3 SR4SR1 SR2 SR3 SR4逆逆 NR1 NR2 NR3 NR4NR1 NR2 NR3 NR4 一一 二二 三三 四四

29、对称于对称于y y轴轴:SR1,NR2;SR3,NR4:SR1,NR2;SR3,NR4对称于对称于x x轴轴:NR1,SR4;SR2,NR3:NR1,SR4;SR2,NR3 已知第一象限逆、顺圆弧的插补计算公式，利用其它象限圆弧与第一象限中的逆圆弧或顺圆弧的对称性，即可得其它象限的圆弧插补计算公式。四个象限，8 8种圆弧插补时的坐标进给方向如图所示。偏差计算公式见下页表。第49页/共94页注意：在使用上述公式时，各象限的动点坐标都用其绝对值代入。注意：在使用上述公式时，各象限的动点坐标都用其绝对值代入。向圆弧内移动向圆弧外移动总结总结：当：当F Fm m00时，动点在圆弧外，下一步应走向圆弧内

30、，坐标绝对值减时，动点在圆弧外，下一步应走向圆弧内，坐标绝对值减小。小。当当F Fm m00时时，动动点点在在圆圆弧弧内内，下下一一步步应应走走向向圆圆弧弧外外，坐坐标标绝绝对对值值增增大。大。第50页/共94页例2：加工第1象限逆圆弧AB，起点为A(4，0)，终点为B(0，4)，试进行插补计算并作走步轨迹图。解：进给总步数 Nxy|0-4|+|4-0|=8 插补计算过程圆弧插补走步轨迹图第51页/共94页步数步数偏差判别偏差判别坐标进给坐标进给偏差计算偏差计算坐标计算坐标计算终点判断终点判断起点起点F F0 0=0=0 x x0 0=4,y=4,y0 0=0=0N Nxyxy=8=81 1F

31、 F0 0=0=0-x-xF F1 1=F=F0 0-2x-2x0 0+1=-7+1=-7x x1 1=x=x0 0-1=3,y-1=3,y1 1=0=0N Nxyxy=7=72 2F F1 100+y+yF F2 2=F=F1 1+2y+2y1 1+1=-6+1=-6x x2 2=3,y=3,y2 2=y=y1 1+1=1+1=1N Nxyxy=6=63 3F F2 200+y+yF F3 3=F=F2 2+2y+2y2 2+1=-3+1=-3x x3 3=3,y=3,y3 3=y=y2 2+1=2+1=2N Nxyxy=5=54 4F F3 3000-x-xF F5 5=F=F4 4-2x

32、-2x4 4+1=-3+1=-3x x5 5=x=x4 4-1=2,y-1=2,y5 5=3=3N Nxyxy=3=36 6F F5 5=0=0+y+yF F6 6=F=F5 5+2y+2y5 5+1=4+1=4x x6 6=2,y=2,y6 6=y=y5 5+1=4+1=4N Nxyxy=2=27 7F F6 6000-x-xF F8 8=7 7-2x-2x7 7+1=0+1=0 x x8 8=x=x7 7-1=0,y-1=0,y8 8=4=4N Nxyxy=0=0第52页/共94页5.5.3 3步进电机伺服控制技术步进电机伺服控制技术 步进电机：利用电磁铁的作用原理，将电脉冲信号转换为线位

33、移或角位移的机电式数摸(D/A)(D/A)转换器。输入：脉冲 输出：位移 脉冲数：决定位移量 脉冲频率：决定位移的速度 脉冲顺序：决定电机运行的方向5.5.3 3.1.1步进伺服系统的构成步进伺服系统的构成第53页/共94页分类：分类：有永磁式、反应式和混合式三种。反应式步进电机性价比高，应用最广泛。应用：步进机的应用非常广泛。如：在数控机床、自动 绘图仪等设备中都得到应用。下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。第54页/共94页5.5.3 3.2 2步进电机的工作原理步进电机的工作原理图5.13步进电机的工作原理分析图第55页/共94页结构结构 步进机主要由两部分构成：定子和

34、转子。它们均由磁性材料构成，其上分别有六个、四个磁极。定子转子定子绕组第56页/共94页 定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。注意：这里的相和三相交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。ABC定子转子IAIBIC第57页/共94页n 工作过程转子，转子的位置转动使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A 相通电，A 方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化，吸引A A 相通电使转子1 1、3 3齿和 AA 对齐。CABBCA3412第58页/共94页CABBCA3412

35、同理，B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；C相通电再转30。1C342CABBA第59页/共94页n 这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过）每来一个电脉冲，转子转过 30。此角称。此角称为步距角，用为步距角，用 表示。表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。改变通电顺序即可改变转向。第60页/共94页实际采用的步进电机的步距角多为3度和1.5度，步距角越小，机加工的精度越高。为产生小

36、步距角，定、转子都做成多齿的，图中转子40个齿，定子仍是 6个磁极，但每个磁极上也有五个齿。第61页/共94页n 对于一个步进电机，如果它的转子的齿数为Z，则它的齿距角为：Z：转子齿数齿距角第62页/共94页n 步进电机通过一个电脉冲,转子转过的角度,称为步距角。步进电机运行N拍可使转子转一个齿距位置。步进电机每一拍执行一次步进，因此步距角为：N:一个周期的运行拍数Z：转子齿数如：Z=40,N=3 时步距角第63页/共94页5.5.3 3.3 3步进电机的工作方式步进电机的工作方式 三相步进电机可工作于三相三拍（单三拍）、双相三拍（双三拍）、三相六拍工作方式。1.单三拍工作方式 正向旋转，通电

37、顺序为 ABCA 反向旋转，通电顺序为 ACBA第64页/共94页2.2.三相六拍三相绕组的通电顺序为：AABBBCCCAA 共六拍。第65页/共94页工作过程：A相通电，转子1 1、3 3齿和A相对齐。CABBCA3412第66页/共94页所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了15。（1）BB 磁场对 2、4 齿有磁拉力，该拉力使 转子顺时针方向转动。A、B相同时通电（2）AA 磁场继续对1、3齿有拉力。CABBCA3412第67页/共94页总之，每个循环周期，有六种通电状态，所以称为三相六拍，步距角为15。CABBCA3412B相通电，转子2、4齿和B相对齐，又转了15

38、。第68页/共94页3.3.双相三拍双相绕组的通电顺序为：AB BC CA AB 共三拍。第69页/共94页AB通电CABBCA3412CABBCA3412BC通电第70页/共94页以上三种工作方式，双相三拍和三相六拍较单三拍稳定，因此较常采用。工作方式为双相三拍时，每通入一个电脉冲，转子也是转30，即 =30。CA通电CABBCA3412第71页/共94页5.5.3 3.4 4步进电机步进电机IPCIPC控制技术控制技术（1）.计算机取代脉冲分配器控制步进电机（2）.由于步进电机驱动电流比较大，需要计算机与步进电机的连接用专门的接口电路和驱动电路第72页/共94页1 1步进电机控制接口步进电

39、机控制接口 用用微微机机同同时时控控制制x x轴轴和和y y轴轴两两台台三三相相步步进进电电机机，控控制制接接口口如如图图3.183.18所示。此接口电路选用可编程并行接口芯片所示。此接口电路选用可编程并行接口芯片82558255。8255 8255 PAPA口口的的PAPA0 0、PAPA1 1、PAPA2 2控控制制x x轴轴三三相相步步进进电电机机，8255 8255 PBPB口的口的PBPB0 0、PBPB1 1、PBPB2 2控制控制y y轴三相步进电机。轴三相步进电机。第73页/共94页2.2.步进电机控制的输出字表步进电机控制的输出字表 CACABC第74页/共94页2.2.步进

40、电机控制的输出字表步进电机控制的输出字表 三相六拍控制模型第75页/共94页2.2.步进电机控制的输出字表步进电机控制的输出字表X,Y轴电机控制轴电机控制 第76页/共94页3 3步进电机走步控制程序步进电机走步控制程序 ADX:x ADX:x轴输出字表的取数地址指针，轴输出字表的取数地址指针，ADY:yADY:y轴输出字表的取数地址指针。轴输出字表的取数地址指针。ZFZFl l、2 2、3 3、4 4分分别别表表示示+x+x、-x-x、+y+y、-y-y走走步步方方向向，图图表表示示步步进进电电机机走走步步控控制程序流程。制程序流程。第77页/共94页输出字更换得越输出字更换得越快快，步进电

41、机的转速越，步进电机的转速越高高。输出字更换得越输出字更换得越慢慢，步进电机的转速越，步进电机的转速越低低。输出字更换时间间隔输出字更换时间间隔不变不变,匀速匀速转动转动;输出字更换时间间隔输出字更换时间间隔变小变小,加速加速转动转动;输出字更换时间间隔输出字更换时间间隔增大增大,减速减速转动转动;第78页/共94页5.5.3 3.5 5步进电机单片机控制技术步进电机单片机控制技术利用单片机控制步进电机可以大大简化控制电路，降低成本，提高系统的可靠性和灵活性。典型的微机控制步进电机的系统原理框图如图所示。第79页/共94页5.5.4 4直流伺服电机伺服控制技术直流伺服电机伺服控制技术伺服电机的

42、定子和转子由永磁体或铁芯线圈构成。永磁体产生磁场，而铁芯线圈通电后也会产生磁场。定子磁场和转子磁场相互作用产生力矩，使电机带动负载运动，从而通过磁的形式将电能转换为机械能。第80页/共94页5.5.4.14.1直流电动机的基本结构直流电动机的基本结构由定子磁极、转子电枢和换向机构组成；定子磁极一般为瓦状永磁体，可为两极或多极结构；转子的结构有多种形式，最常见的是在有槽铁心内铺设绕组的结构。铁芯由冲压成的硅钢片一类材料迭压而成；换向机构由换向环和电刷构成。绕组导线连接到换向片上，电流通过电刷及换向片引入到绕组中。第81页/共94页原理：结构上保证在相同极性磁极下，电流方向相同。因此就能产生恒定转

43、矩。电磁力计算式：F=Bli方向判断：左手定则与发电机比较：采用同个模型下分析；发电机和电动机可逆。物理现象本质上一致。第82页/共94页1.直流电机启动要求：启动时电磁转矩要大，以利于克服启动时阻转矩，包括总阻转矩和惯性转矩。启动时电枢电流不要太大，一般把启动电流限制在允许电流值的 1.52 倍以内。要求电动机有较小的转动惯量和加速过程中保持足够大的电磁转矩，以利于缩短启动时间。第83页/共94页(1)改变电机端电压Ua,即改变电枢电源电压；(2)改变电枢回路的调节电阻Rtj。(3)(3)改变磁通2.直流电机调速方法：第84页/共94页3.改变电动机转向的方法电动机转向的方法：要改变电动机的

44、转向，必须改变电磁转矩的方向。根据左手定则可知，改变电磁转矩的方向有两种方法：(1)改变磁通的方向;(2)改变电枢电流的方向。请注意：如果磁通、电枢电流方向均变，则电磁转矩方向不变。所以要改变电动机的转向，必须单独改变电枢电流的方向或单独改变励磁电流的方向。第85页/共94页改变磁通的方向改变电枢电流的方向磁通、电枢电流方向均变原始状态第86页/共94页4.使用时注意的问题：1 1）.启动时要使励磁磁通最大。启动时要使励磁磁通最大。为为了了获获得得大大的的启启动动转转矩矩，启启动动时时，励励磁磁磁磁通通应应为为最最大大。因因此此启启动动时时，励励磁磁回回路路的的调调节节电电阻阻必必须须短短接接

45、，并并在在励励磁磁绕组两端加上额定励磁电压。绕组两端加上额定励磁电压。2 2）.切勿使励磁回路断开。切勿使励磁回路断开。如如果果启启动动前前励励磁磁回回路路已已断断开开，则则电电机机不不能能启启动动。如如果果在在运运行行中中断断开开，则则将将发发生生危危险险地地事事故故（a a.当当电电机机加加负负载载时时“堵堵转转”b.b.当电机未加负载时当电机未加负载时 飞车飞车）。）。第87页/共94页5.5.4.24.2调节特性调节特性 在在自自动动控控制制系系统统中中，为为了了控控制制伺伺服服电电动动机机的的转转速速，就就需需要要知知道道电电动动机机在在带带了了负负载载以以后后，转转速速随随控控制制

46、信信号号变变化化的的情情况况。也也就就是是要要知知道道，电电动动机机在在带带了了负负载载以以后后，加加多多大大的的控控制制信信号号，电电动动机机能能转转动动起起来来；加加上上某某一一大大小小的的控控制制信信号号时时，电电动动机机的的转转速速为为多多少少。电电动动机机在在一一定定的的负负载载转转矩矩下下，稳稳态态转转速速随随控控制制电压变变化化的的关系称为电动机的关系称为电动机的调节特性调节特性。第88页/共94页 1)1)1)1)负载为常数时的调节特性负载为常数时的调节特性负载为常数时的调节特性负载为常数时的调节特性负载为常数时直流伺服电动机的调节特性 对于天线系统，在不刮风或风力很小时，电动

47、机的负载转矩主要是动摩擦转矩TL加上电机本身的阻转矩T0，所以电动机的总阻转矩Ts=TL+T0。在转速比较低的条件下，可以认为动摩擦转矩和转速无关，是不变的。因此，总阻转矩Ts是一个常数。第89页/共94页 在在自自动动控控制制系系统统中中，电电动动机机的的负负载载多多数数情情况况下下是是不不变变的的，但但有有时时也也遇遇到到可可变变负负载载。例例如如当当负负载载转转矩矩是是由由空空气气摩摩擦擦造造成成的的阻阻转转矩矩时时，则则转转矩矩随随转转速速增增加加而而增增加加，并并且且转转速速越越高高，转转矩矩增增加加得得越越快快。转转矩矩随随转转速速变变化化的的大大致致情况如图所示。情况如图所示。2

48、)2)2)2)可变负载时的调节特性可变负载时的调节特性可变负载时的调节特性可变负载时的调节特性 空气阻转矩与转速的关系 第90页/共94页 从从直直流流伺伺服服电电动动机机理理想想的的调调节节特特性性来来看看，只只要要控控制制电电压压U Ua a足足够够小小，电电机机便便可可以以在在很很低低的的转转速速下下运运行行。但但是是实实际际上上，当当电电动动机机工工作作在在几几转转每每分分到到几几十十转转每每分分的的范范围围内内时时，其其转转速速就就不不均均匀匀，就就会会出出现现一一周周内内时时快快、时时慢慢，甚甚至至暂暂停停一一下下的的现现象象，这这种种现现象象称称为为直直流流伺伺服服电电动动机机低

49、低速运转的不稳定性。产生这种现象的原因是：速运转的不稳定性。产生这种现象的原因是：3)3)3)3)直流伺服电动机低速运转的不稳定性直流伺服电动机低速运转的不稳定性直流伺服电动机低速运转的不稳定性直流伺服电动机低速运转的不稳定性第91页/共94页 (1)(1)低低速速时时，反反电电势势平平均均值值不不大大，因因而而齿齿槽槽效效应应等等原原因因造造成成的的电电势势脉脉动动的的影影响响将将增增大大，导致电磁转矩波动比较明显。导致电磁转矩波动比较明显。(2)(2)低低速速时时，控控制制电电压压数数值值很很小小，电电刷刷和和换换向向器器之之间间的的接接触触压压降降不不稳稳定定性性的的影影响响将将增增大大

50、，故导致电磁转矩不稳定性增加。故导致电磁转矩不稳定性增加。(3)(3)低低速速时时，电电刷刷和和换换向向器器之之间间的的摩摩擦擦转转矩矩的的不不稳稳定定性性，造造成成电电机机本本身身阻阻转转矩矩T T0 0的的不不稳稳定，因而导致输出转矩不稳定。定，因而导致输出转矩不稳定。第92页/共94页 直直流流伺伺服服电电动动机机低低速速运运转转的的不不稳稳定定性性将将在在控控制制系系统统中中造造成成误误差差。当当系系统统要要求求电电动动机机在在这这样样低低的的转转速速下下运运行行时时，就就必必须须在在系系统统的的控控制制线线路路中中采采取取措措施施，使使其其转转速速平平衡衡；或或者者选选用用低低速速稳