第五章数字控制技术.ppt

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1、1,第五章 数字控制技术,5.1 数字控制基础 5.2 逐点比较法插补原理 5.3 直流电动机调速 5.4 步进电机的微机控制 5.5 伺服电机的控制,2,5.1 数字控制基础,5.1.1 数字控制的基本原理 1、计算机在绘图仪或加工装置上重现平面曲线图形的步骤 (1) 将曲线分割成若干点； 图形分割原则保证线段连接成的曲线与原图形的误差在允许范围内； (2) 确定各端点坐标值的中间值； 插值/插补求中间值的数值计算方法； 插补计算宗旨通过给定基点，以一定速度连续确定一系列中间点； 插补形式直线插补、二次曲线插补； 直线插补由中间点连接起来的折线近似直线； 二次曲线插补给定的两个基点间用近似曲

2、线逼近；,3,(3) 用脉冲信号形式控制x、y方向上的步进电机，绘制图形； 脉冲当量(步长)对应于每个脉冲移动的相对位置； (4) 插补计算实质如何分配脉冲数，使实际的中间点轨迹尽可能地逼近 理想轨迹； 2、插补方法 (1) 数字脉冲乘法器MIT (2) 数字积分法DDA (3) 逐点比较法,4,5.1 数字控制基础,5.1.2 数字控制方式 1、点位控制只要求控制刀具行程终点的坐标值； 2、直线切削控制控制行程的终点坐标值； 3、轮廓的切削控制控制刀具沿工件轮廓曲线不断运动； 5.1.3 数字控制系统结构 1、 闭环数字控制用于大型精密加工机床，很少使用； 2、 开环数字控制结构简单、可靠性

3、高、成本低、易于调整和维护； 应用广泛；,5,5.2 逐点比较法插补原理,准备知识： (1) 逐点比较法插补与给定轨迹上的坐标值进行比较，决定下一步的进 给方向； (2) 逐点比较法原理用阶梯折线逼近直线或圆弧； 5.2.1 逐点比较法直线插补 5.2.2 逐点比较法圆弧插补,6,5.2.1 逐点比较法直线插补,1、第一象限内的直线插补 (1) 直线插补计算原理 设原点O(0,0)，终点A(xe,ye)，刀具P(x,y)； P在直线OA上，OP与OA重合 y/x= ye/xe; P在直线OA上方 y/xye/xe; P在直线OA下方 y/x0时，P点位于直线OA上方； F0时，P点位于直线OA

4、下方；,7,F=0时，向+x或+y方向走一步； F0时，向+x方向走一步； F0； 进给方向； 偏差运算； 终点判别；,8,(2) 直线插补计算举例 已知：起点坐标为(0,0)，终点坐标为(5,4)，且F=0 则计算长度 即x方向走5步，y方向走4步。,9,5.2.1 逐点比较法直线插补,2、四个象限内的直线插补 (1) 插补原理 F0 向x方向进给； 一、四象限向+x方向进给； 二、三象限向-x方向进给； F0 向y方向进给； 一、二象限向+y方向进给； 三、四象限向-y方向进给；,10,5.2.1 逐点比较法直线插补,(2)四象限的直线插补举例 设直线OA的起点为坐标原点，终点坐标为xe=

5、-3，ye =-2； xe=-30，ye =-20 位于第三象限，进给方向为-x、-y方向； 计数长度为,11,5.2.2 逐点比较法圆弧插补,1、第一象限内的圆弧插补 (1) 圆弧插补计算原理 设起点坐标A(x0,y0)， 终点坐标B(xe,ye)，刀具P(x,y)； 偏差判别 P在圆弧上 P在圆弧外 P在圆弧内,12,进给 P在圆弧上 F=0，向圆内(-x)方向进给一步； P在圆弧外 F0，向圆内(-x)方向进给一步； P在圆弧内 F0，刀具向-x方向走一步，到达(x-1,y)； P在圆内，F0，刀具向+y方向走一步，到达(x,y+1)；,13,终点判别 长度计数器的初值 例：第一象限逆圆

6、弧AB，起点A(x0,y0)为(4,3)， 终点坐标B(xe,ye)为 (0,5)，则长度计算器初值为,14,2、四象限内的圆弧插补 (1) 四象限圆弧插补计算原理 SR1、SR2、SR3、SR4 代表一、二、三、四象限的顺圆弧； NR1、NR2、NR3、NR4代表一、二、三、四象限的逆圆弧； NR1、NR3、SR2、SR4 一组； F0，向x方向进给 NR1、SR4向-x方向进给， SR2、NR3向+x方向进给； F0，向y方向进给 NR1、SR2向+y方向进给， NR1、SR4向-y方向进给；,15,2、四象限内的圆弧插补 SR1、NR2、SR3、NR4 一组； F0，向y方向进给 SR1

7、、NR2向-y方向进给， SR3、NR4向+y方向进给； F0，向x方向进给 SR1、NR4向+x方向进给， SR3、NR4向-x方向进给； (2) 四象限圆弧插补的计算程序,16,5.3 步进电机的微机控制,5.3.1 步进电机的结构及工作原理 5.3.2 步进电机的工作方式 5.3.3 步进电机的功率放大电路 5.3.4 步进电机的主要性能指标和使用注意事项 5.3.5 步进电机微机控制系统,17,5.3.1 步进电机的结构及工作原理,1、直流电机原理和应用 (1) 优点 调速性能好：调速范围广，易于平滑调节； 起动、制动转矩大，易于快速起动、停车； 易于控制。 (2) 应用 轧钢机、电气

8、机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。 用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。 家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具。,18,(3)工作原理,电刷,换向片,19,注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。,20,由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。,21,(4)直流电动机的结构,极掌,极心,励磁绕组,机座,转子,直流电动机的磁极和磁路,直流电机由定 子(磁极)、转子 (电枢)和机座等 部分构成。,22,转子（又称电枢） 由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。,定子

9、,定子的分类：,励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电产生磁通， 称为励磁。,23,2、电枢电动势及电压平衡关系,电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用E表示）。,(1)电枢中的感应电动势,24,根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反，其大小为：,单位： （韦伯），n（转/每分），E（伏）,25,(2) 电枢绕组中电压的平衡关系,因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。,U：外加电压，Ra:绕组电阻,26,3、步进电机的结构及工作原理,(1)特点: 来一个脉冲，转一个步距角； 控制脉冲频率，可控制电机转速； 改变脉冲顺序，可改

10、变转动方向。,区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。,(2)种类：励磁式和反应式两种。,27,(3)结构(定、转子齿宽距必须相等) 在同相的几个磁极下，定、转子齿应同时对齐多同时错开，这样才能 使几个磁极的作用相加，产生最大转矩。 在不同相的磁极下，定、转子齿的相对位置应依次错开1/m齿距(m为相数），这样才能在连续改变通电状态下，获得连续不变的步进运动。否则，当任一相通电，转子齿都将处于磁极的磁导为最大位置上。 (4) 名词解释 拍一个工作周期定子绕组通电改变的次数； 单拍只有单个绕组通电为单拍； 双拍须且只须两个绕组通电为双拍； 步距角每拍转子转过的

11、角度。,28,定子绕组按一定的规律通电；转子铁心在磁场作用下每次转过一定的角度。,实际步进电动机的步距角通常较小，这就要求转子的齿数多。,(5) 反应式步进电动机工作原理,接线与结构,A相绕组通电,B相绕组通电,C相绕组通电,29,A,定子内圆周均匀 分布着六个磁极，磁 极上有励磁绕组，每 两个相对的绕组组成 一相。 转子有四个齿。,定子,转子,(5) 反应式步进电动机工作原理,30,反应式步进电机的齿距Z可以用下式表示： Z = 2/ N, N是转子齿数 例：典型的三相反应式步进电机，每相极性空间上相差 120，两相邻则相差60，如果转子有40个齿，那么，转 子的齿距角Z为：Z = 360/

12、 40=9,(5) 反应式步进电动机工作原理,31,1、三相单三拍,(1)A相绕组通电，B、C相不通 电。由于在磁场作用下，转子 总是力图旋转到磁阻最小的位 置，故在这种情况下，转子必然 转到左图所示位置： 1、3齿与A、A极对齐。,5.3.2 步进电机的工作方式,32,(3) 当C相通电时，转子 再转过30角，1、3齿和 C、C磁极轴线对齐。,(2) B相通电时，转子会转 过30角，2、4齿和B、B 磁极轴线对齐；,33,0 A相,0 B相,0 C相,0 A相,34,这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环 周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单 三拍工作方式。,按AB C

13、 A 的顺序给三相绕组轮流通 电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30(步距 角)，每个通电循环周期(3拍)转过90(一个齿距角)。,35,2、三相双三拍,按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通电。 每拍有两相绕组同时通电。,36,与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循环周期 也分为三拍。每拍转子转过30 (步距角)，一个通电循环周 期(3拍)转子转过90(齿距角)。,37,3、三相六拍,按AAB B BC C CA的顺序给三相绕组轮 流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。,38,A相通电，转子1、 3齿与A、A 对齐。,A、B相同时通电， A、A 磁极拉住1、3齿，B、B 磁极拉住

14、2、4齿，转子转过15，到达左图所示位置。,39,B 相通电，转子2、 4齿与B、B 对齐,又转 过15。,B、C相同时通电， C 、C 磁极拉住1、3 齿，B、B 磁极拉住 2、4齿，转子再转过 15。,40,0 A,15AB,30 B,45 BC,60 C,75 CA,90 A,41,三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下： AAB B BC C CA，每个循环周期分为六拍。 每拍转子转过15（步距角），一个通电循环周期(6拍)转 子转过90 (齿距角)。,与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适 用于需要精确定位的控制系统中。,42,从以上对步进电机三种驱动方式的分析可 得步距角

15、计算公式：s = 2/ (N*K) 其中：K是工作方式的拍数，N是转子齿数。 对于单三拍工作方式的三相反应式步进电机，它的相数， 亦既是磁极对数m=k，故步距角也可写为： s = 2/ (N*m) 其中：N是转子齿数，m是相数。,实用步进电机的步距角多为3和1.5 。,43,44,4、步进电机控制系统,典型的步进电机控制系统如图所示。,45,如果用软件代替脉冲发生器和脉冲分配器，就可以根 据系统需要通过编程的方法在一定的范围之内任意设定步 进电机的转速、旋转角度、转动次数和控制步进电机的运 行状态。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。,46,利用

16、微机现对步进电机的控制，必须解决以下两个问题： 脉冲序列的形成； 步进电机旋转方向控制。 在微机控制系统中，延时可通过 软件或定时器实现。利用软件形成 脉冲序列的程序流程图如图所示。,47,(1) 步进电机旋转方向控制,三相单三拍方式：正向旋转，通电顺序为 ABCA； 反向旋转，通电顺序为 ACBA。 三相双三拍方式：正向旋转，通电顺序为 ABBCCAAB； 反向旋转，通电顺序为 ABCABCAB。 三相六拍方式： 正向旋转，通电顺序为 AABBBCCCAA； 反向旋转，通电顺序为 ACACBCBABA。,48,(2) 步进电机的旋转方向控制方法,用单片机的一位输出口控制步进电机的一相绕组，例

17、如，可以用8255的A、B、C分别控制A相、B相和C相绕组。 根据步进电机的类型和控制方式找出相应的控制模型。 按照控制方式规定的顺序向步进电机发送脉冲序列，即可控制步进电机的旋转方向。 上述三种控制方式的数序模型如表所示。,49,50,三相六拍式控制模型,51,5.3.3 步进电机的功率放大电路,脉冲分配回路用于产生步进电机工作方式所需的各相脉冲信号， 功率放大电路对脉冲分配回路输出的弱信号进行放大，产生电机工 作所需的激磁电流。,52,1、步进电机的特性,主要性能指标频率特性曲线（起动速度力矩曲线）,转动力矩T 转动频率f,53,2、影响步进电机特性的因素,(1) 步进电机的转子直径、转子

18、铁心有效长、齿数、齿形、齿槽比； (2) 步进电机内部的磁路、绕组的绕线方式、定转子间的气隙； (3) 控制线路的电压； (4) 转动一个齿距所需的拍数等； 很明显，其中有的因素是步进电机在制造时已确定。,54,3、主要影响因素,(1) 工作方式对频率特性的影响 (2) 线路时间常数对频率特性的影响 (3) 开关回路电压对频率特性的影响,55,(1) 工作方式对频率特性的影响,不同工作方式时的频率特性曲线,从图中可以看出 单三拍的频率特性最差 六拍的频率特性最好。 这三种工作方式的功耗不同 单三拍的功耗最低， 双三拍的功耗约为单三拍的2倍； 六拍的功耗为单三拍的1.5倍。,56,(2) 线路时

19、间常数对频率特性的影响,步进电机的每相绕组供电都是由功率开关电路来执行的。 L为步进电机绕组电感； RL为绕组电阻； RC为晶体管T的集电极电阻； D是续流二极管； T 是大功率开关管。 RC也是个外接的功率电阻，它是一个消耗性 负载，一般为数欧姆。这时，线路的时间常数 Tj 为： Tj=L/(RL+RC),57,时间常数 Tj 表示开关回路在导通时允许步进电机绕组电流上升的速率。 Tj越小，则晶体管导通后步进电机绕组的电流上升越快，达到稳定电流值的时间就越短，则电机工作频率高； Tj越大，电流上升越慢，达稳定值时间就越长，电机工作频率低。 减少 Tj 的方法 增大 Rc，会使稳态电流值减小，

20、从而影响电机的力矩； 不使稳态电流减少，就在增大Rc同时，也采用提高供电电压U的办法。,58,总结： Tj 小时步进电机的频率 特性较好，在高频段仍能保持较大的力矩； Tj大时，频率特性较差，在高频段的力矩较小。 在高频应用中，要尽量减小 Tj以改善步进的特性，所以采用较大的 Rc , 同时应提高电源电压 U。 缺点： 会使效率降低； 在低频段工作时也会使步进电机的振荡加剧。,59,(3) 开关回路电压对频率的影响,步进电机绕组的开关回路电压，有时也称步进电机的电压； 开关回路电压控制绕组通电或断电的功率开关回路的供电电压；而不是指加在电机绕组两端的电压。 开关电路产生的控制电压是以矩形波方式

21、加在绕组上的。随着换相频率的提高，矩形脉冲电压波频率相应提高，这样，矩形脉冲电压的宽度和周期也就会变小，当矩形脉冲电压窄到一定程度，流入电机绕组的电流就无法达到稳定值IH，步进电机就难以步进工作。,60,为了保证频率足够高时，步进电机仍能正常步进工作，可以提高开关回 路的电压。 由于步进电机是感性负载，所以进入绕组的电流脉冲是以指数形式上升，即这时电流脉冲i 为： 其中，i是电流脉冲瞬时值，IH是在开关回路电压为U时的电流稳态值； Tj是开关回路的时间常数。,61,62,外接电阻 RC不变时，单纯提高开关回路电压，必定会使步进电机绕 组的电流加大，步进电机的力矩会随之提高； 开关回路电压的提高

22、，会使电流的上升率提高，故步进电机的工作频 率也会提高。 在外接电阻RC 改变时，提高开关回路电压同时保持绕组电流不变， 那么在电压高时，外接电阻RC的值就会较大；这时开关回路时间常数 Tj也 就较小。从而使步进电机绕组的电流上升率较快，则步进电机的工作力矩 和频率都较高。 电压较低时，Rc会较小，导致Tj较大，绕组电流上升率较慢，电机的 工作频率和力矩都较低。,63,4、单电压功率放大电路,L是电机绕组电感；RL是电机绕组 电阻；RC是外接电阻（限流）； Rd是续流二极管D回路串联电阻。 式中忽略了续流二极管D的内阻。,64,Rd越大，则Td越小；使绕组中电流脉冲的后沿变陡，电流下降时间 变

23、短，从而提高高频工作时的性能。但是Rd选得太大，会消耗太多的 能量，使步进电机的低频性能明显变坏，电磁阻尼作用变弱，共振加 剧，晶体管T击穿的可能性加大。 Rd越小，则Td越大。 RC是外接电阻，在RC上并联电容C可以改善注入步进电机绕组的电 流脉冲前沿。当功率放大电路输入控制信号功率晶体管T导通瞬间，电 流通过电容流过绕组，所以有一个瞬间的冲击电流流入绕组中；这样 就使注入电流的前沿明显变陡，从而提高了步进电机的高频性能。 不足低频工作振荡增加，性能变差；,65,5、双电压功率放大电路,U1是高压，大约为80-150V， U2为6-20V左右。 T1是高压电源的开关管， T2是功率驱动管，

24、D1是低压电源U2的钳位二极管， 它在T1导通时处于反向偏置而截止， 在T1截止时它则由于正向偏置而 向电机的绕组提供低压电源U2， D2是续流二极管，在T1、T2都截 止时向绕组提供放电回路。,66,双电压功率放大电路工作时，必须在高压电源开关管T1的 基极加上高压电源开关控制信号Vh，同时在功率管T2的基 极加上步进控制信号V1。而且要求Vh、V1的上升沿的上升 时刻一致，同时有： T h T1 其中，Th是高压电源U1的开关控制信号Vh的周期， T1是步进控制信号V1的周期,67,5、双电压功率放大电路的工作状态,(1) 高电压工作状态 当Vh 、V1同时为高电平时，见图5-29所示的t

25、1t2时间。 这时晶体管T1和T2都会导通，由于T1导通，高压电源U1加到 二极管D1的负极，D1反向偏置。,稳态电流IH：,瞬态电流i1：,68,(2) 低压工作状态 这时Vh 为低电平，V1 为高电平，晶体管T1截 止，T2导通。 见图5-29中的t2t3时刻， 低压电源U2通过二极管D1 对电机的绕组供电，故绕组 中保持一定的稳态电流。,69,(3) 关断状态 当Vh和V1都为低电平时，晶体管T1和T2都处于截止状态，显然这 时高压电源U1和低压电源U2都被关断，无法向电机绕组供电。但绕组也 会因电源关断而产生反电势，该电势力图保持电流的原有大小和方向。 在电路中二极管D1、D2向反电势

26、提供了泻放的回路。绕组的反电势通过 RL、RC、D2、U1、U2、D1回路而泻放。,70,(3) 关断状态,在这个回路中，U1和U2是反向连接的，其等效电路如图5-30所示。 如果仍以二极管D1的负极端看作电源端，则加在绕组L上的电压是U，并 且有U=U2-U10。由于U小于0，二极管D1、D2导通，说明在晶体管 T1、T2截止的瞬间开始，加在绕组L上的电压是负电压，和原来加在绕组上的正电压相反，加速了绕组内反电势的泻放过程，绕组中的电流的下 降率加剧，有较好的电流下降沿。,71,5.3.4 步进电机的主要性能指和使用注意事项,1、步进电机的主要性能指标 (1) 步距角 不同的应用场合，对步距

27、角大小的要求也不同。它的大小 直接影响步进电机的启动和运行频率。步距角应满足 imin 式中i传动比；min负载轴要求的最小相位增量（或称脉 冲当量，即每一个脉冲所对应的负载轴的位移增量）。,72,(2) 最大静转矩Tsmax 负载转矩与最大静转矩的关系为：Tst=（0.5-0.3）Tsmax；为保证 步进电机在系统中正常工作，还必须满足TstTLmax。 式中： Tst步进电机启动转矩；TLmax最大静负载转矩。 通常取Tst =TLmax /(0.5-0.3)以便有相当的力矩储备。 (3) 空载启动频率fost 指步进电机在空载情况下，不失步启动所能允许的最高频率。由于在 负载情况下，步进

28、电机不失步启动所允许的最高频率是随负载的增加而显 著下降的，因此在选用步进电机时应该注意到这一点。,73,(4) 精度 精度时用一周内最大的步距角误差表示的。对于所选用的 步进电机，其步距精度应满足以下要求： 即=i（L） 式中：L为负载轴上所允许的角度误差。 至于输入电压U、输入电流I、相数m这三项技术指标，反映 了步进电机对驱动电源所提供的要求。,74,2、使用步进电机时应注意的几个问题 (1) 驱动电源对步进电机控制系统的运行影响极大，使用使要特别注意，需 根据运行要求，尽量采用先进的驱动电源，以满足步进电机的运行性能。 (2) 若所带负载转动惯性较大，则应在低频下启动，然后再上升到工作

29、频 率，停车时也应从工作频率下降到适当频率再停车。 (3) 在工作过程中，应尽量避免由于负载突变而引起的误差。 (4) 若在工作中发生失步现象，首先应检查负载是否过大，电源电压是否正 常，再检查驱动电源输出波形是否正常，再处理问题时不应随意变换元 件。,75,5.3.5 步进电机微机控制系统,1、步进电机的接口 电压隔离功能。因为单片机 是工作在5V的低压的，而步进 电机是工作在几十伏，甚至是一百多伏的高压的，一旦步进电机的电压 窜到单片机部分，则会引起单片机损坏；或者步进电机部分的有关信号 干扰单片机，也会引起系统工作失误。 信息传递功能。接口部件应能够把控制信息传送给步进电机回路。 对应于

30、不同的工作方式，接口部件应能产生相应的工作控制电压波形。例如单三拍、双三拍、六拍或细分所需的波形。 产生工作所需的不同频率。为了使步进电机以不同的速度工作，以适应不同的目的，接口部件应能产生不同的工作频率。,76,(1)脉冲分配,实现脉冲分配（通电换相控制）的方法有两种：软件法和硬件法。 通过软件实现脉冲分配 软件法是完全用软件的方式，按照给定的通电换相顺序，通过单片机的 I/O 口向驱动电路发出控制脉冲。 通过硬件实现脉冲分配所谓硬件法实际上是使用脉冲分配器芯片，来进行通电换相控制。脉冲分配器有很多种，这里介绍一种 8713 集成电路芯片。 8713 有几种型号，如三洋公司生产的 PMM87

31、13 ，富士通公司生产的 MB8713 ，国产的 5G8713 等，它们的功能一样，可以互换。,77,图 8713 脉冲分配器与单片机接口,78,例：简易四相步进机驱动,79,各种工作方式控制模型表,80,81,;*根据CHECK配置信息修改下列符号值* IOY0 EQU 0d200H ;片选IOY0对应的端口始地址 ;* MY8255_A EQU IOY0+00H*4 ;8255的A口地址 MY8255_B EQU IOY0+01H*4 ;8255的B口地址 MY8255_C EQU IOY0+02H*4 ;8255的C口地址 MY8255_MODE EQU IOY0+03H*4;8255的

32、控制寄存器地址 STACK1 SEGMENT STACK DW 256 DUP(?) STACK1 ENDS,82,DATA SEGMENT CW_TABLE DB 01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H DATA ENDS CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE,DS:DATA START: MOV AX,DATA MOV DS,AX ;数据段初始化 MAIN: MOV DX,MY8255_MODE ;定义8255工作方式 0， MOV AL,80H ; A口和B口为输出 OUT DX,AL ;MOV BP,1 ;设置运行步数,83,A1: MOV B

33、X,OFFSET CW_TABLE MOV CX,0008H A2: MOV AL,BX MOV DX,MY8255_B OUT DX,AL CALL DELAY INC BX LOOP A2,84,;DEC BP ;JNZ A1 ；运行步数未到，继续 MOV AH,1 ;判断是否有按键按下 INT 16H JZ A1 ;无按键则跳回继续循环，有则退出 QUIT: MOV AX,4C00H ;返回到DOS INT 21H,MOV AH,0BH ;判断按键 INT 21H INC AL JNZ A1,85,DELAY PROC NEAR ;软件延时子程序 PUSH CX PUSH AX MOV

34、CX,0FFH D1: MOV AX,5000H D2: DEC AX JNZ D2 LOOP D1 POP AX POP CX RET DELAY ENDP CODE ENDS END START,注：步进机的速度和方向如何控制？如何实现加速、 减速控制？,86,正转控制模型 CW_TABLE DB 01H,03H,02H,06H,04H,0CH,08H,09H 反转控制模型 CCW_TABLE DB 01H,09H,08H,0CH,04H,06H,02H,03H,87,2、步进电动机的速度控制,(1)第一种是通过软件延时的方法。改变延时的时间长度就可以 改变输出脉冲的频率；但这种方法使 C

35、PU 长时间等待，占用 大量机时，因此没有实用价值。 (2)第二种是通过定时器中断的方法。在中断服务子程序中进行 脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可以实现调速。这种 方法占用 CPU 时间较少，是一种比较实用的调速方法。,88,3、步进电动机的位置控制,步进电动机的位置控制控制步进电动机带动执行机构从一个位置精 确地运行到另一个位置。可以不用借助位置传感器而只需简单的开环控制 就能达到足够的位置精度，因此应用很广。 (1) 第一个参数是步进电动机控制的执行机构当前的位置参数，称为绝对位 置。绝对位置是有极限的，其极限是执行机构运动的范围，超越了这个极 限就应报警。 (2) 第二个参数是从当

36、前位置移动到目标位置的距离，可以用折算的方式将 这个距离折算成步进电动机的步数。这个参数是外界通过键盘或可调电位 器旋钮输入的，所以折算的工作应在键盘程序或 A / D 转换程序中完成。,89,对步进电动机位置控制的一般作法是： 步进电动机每走一步，步数减 1 ；如果没有失步存在，当 执行机构到达目标位置时，步数正好减到0。 因此，用步数等于0来判断是否移动到目标位，作为 步进电动机停止运行的信号。,90,4、步进电动机的加、减速控制,步进电动机驱动执行机构从 A 点到 B 点移动时，要经历升速、恒速和 减速过程。 如果启动时一次将速度升到给定速度，由于启动频率超过极限启动频 率，步进电动机要

37、发生失步现象，因此会造成不能正常启动。 如果到终点时突然停下来，由于惯性作用，步进电动机会发生过冲现 象，会造成位置精度降低。 如果非常缓慢的升降速，步进电动机虽然不会产生失步和过冲现象，但 影响了执行机构的工作效率。 所以，对步进电动机的加减速要有严格的要求，那就是保证在不失步和 过冲的前提下，用最快的速度（或最短的时间）移动到指定位置。,91,92,例：控制步进电机以三相六拍式运行正转360步后，再反转400步。 其中：8255的PA0、PA1和PA2口分别控制步进电机的A、B、C相； 8255A芯片的地址为200H203H。 DEALY 1MS MACRO TIME ；延时宏命令 LOC

38、AL AA LOCAL BB PUSH CX MOV CX,TIME AA: PUSH CX MOV CX,1000 BB: NOP LOOP BB POP CX LOOP AA POP CX ENDM,93,DATA SEGMENT TABA DB 01H,03H,02H,06H,04H,05H ;正转模型 TABB DB 05H,04H,06H,02H,03H,01H ;反转模型 DATA ENDS CODE SEGMENT MAIN PROC FAR START: PUSH DS MOV AX,DATA MOV DS,AX MOV AX,0 PUSH AX,94,MOV DX,203H

39、MOV AL,80H ;A口设置为方式0，输出 OUT DX,AL ;设置8255A的方式控制字 MOV DX,200H MOV AL,0 OUT DX,AL ;先设置制动命令 MOV CX,360 ;设置正转步数 DD: MOV BL,6 ;六拍 MOV DX,200H LEA DI,TABA ;指针指向正转的数学模型 CC: MOV AL,DI OUT DX,AL,95,DELAY 1MS 10 INC DI ;指针增1，指向下一步的数学模型 DEC BL ;拍数减1 JNZ CC ;六拍未结束，则继续循环 LOOP DD ;360个周期的六拍为结束，则继续循环 MOV CX,400 ;设

40、定反转步数 FF: MOV BL,6 MOV DX,200H LEA DI,TABB ;指针指向反转的数学模型 EE: MOV AL,DI OUT DX,AL,96,DELAY 1MS 10 INC DI ;指针增1，指向反转下一步的数学模型 DEC BL JNZ EE LOOP FF MOV DX,200H MOV AL,0 OUT DX,AL ;结束后，输出制动命令 RET MAIN ENDP CODE ENDS END START,97,5.4 伺服电机的控制,5.4.1 伺服电机及其控制方法 5.4.2 伺服电机控制功率接口技术 5.4.3 伺服电机控制系统检测元件 5.4.4 直流伺

41、服电机系统设计,98,1、伺服电动机的定义 伺服 跟随(执行用)，输出信号跟随控制输入信号。 也叫执行电动机。 控制系统根据对系统的检测、比较后按照一定的控制规律 进行调节，输出所需进行的调节信号就是通过伺服电动机实现 的。,5.4.1 直流伺服电机及其控制方法,99,伺服电动机的作用是驱动控制对象。被控对象的 转距和转速受信号电压控制，信号电压的大小和 极性改变时，电动机的转动速度和方向也跟着变化。,2、伺服电动机的作用,100,4、直流伺服电动机,结构：与直流电动机基本相同。为减小转动惯量做得细长一些 工作原理：与直流电动机相同。 供电方式：他励。励磁绕组和电枢由两个独立电源供电：,101

42、,5.4.2 伺服电机控制功率接口技术 1、 脉宽调制PWM原理,102,(1) 比较器是一个工作在开环状态的运算放大器，一般情况下，比较器的负输入接地，UT + UI信号由比较器的正端输入。只要UT + UI 0，则比较器输出满幅度正电平；UT + UI 0，则比较器输出满幅度负电平。比较器输出的电平信号US再送给开关功率放大器。 (2) 开关功率放大器的任务则是把小功率信号US进行放大，变成可以驱动伺服电机工作的开关电平UP，从而驱动伺服电机转动。,103,104,2、 伺服电机的工作状态 (1)伺服电机在PWM功率放大器驱动下可以处于停止、正转和反转三种状态。 (2) 控制信号UI的特性

43、决定了伺服电机的工作状态。UI=0电机停止；UI0电机正转，|UI|越大正转越快；UI0，并且有|UI|UTPP/2时，输出正直流电压，故转速最快。 UI0，并且有|UI|UTPP/2时，输出负直流电压，故这时反向转速最快。,105,106,3、 伺服电机的工作原理 (1)T1、T4和T2、T3的切换由US决定，切换频率由三角波的频率FT决定，T=1/FT。因此当三角波确定后，脉宽调制的频率和周期与三角波一样。 (2)在忽略晶体管压降的情况下，可以认为开关功率放大器的输出电压UP和电源电压UC相等，即有UP=UC。 (3)T1、T4导通，T2、T3截止：UAB=UP=UCG； (4)T2、T3

44、导通，T1、T4截止：UAB=-UP=-UCG。,107,5.4.2 伺服电机控制的功率接口技术,1、伺服电机控制的主回路 典型伺服系统框图,108,2、PWM特点,(1) PWM功率放大器工作在开关状态，自身的功耗少，所以和线性放大器 相比它有效率高、节能等优点。 (2) PWM功率放大器是一个比例环节，线性度好，和晶闸管整流器相比它 有线性好、无需中频供电等优点。在实际上，PWM功率放大器的切换 频率范围可在几百赫兹到几十千赫兹之间选择，有十分宽的频带。 (3) 在输入控制信号为零时，PWM功率放大器控制的伺服电机会处于微震 状态。这是其它类型功率放大器所不具有的。这种微震状态可以克服伺

45、服电机静摩擦力矩，实现“动力润滑”，减少了电机死区，从而使伺服系 统有良好的静态精度和低速运行平稳性。 (4) 结构简单、体积小、可靠性高、维修方便。,109,3、标准PWM功率放大器,110,(1)当T1的输入为正电平时，T1导通T2截止。 晶体管T1导通使T3T4导通，引起T6导通以及T5T7截止。晶体管T2截 止使T12T11T8截止以及T9T10导通。这样电流过R23、T9、T10伺服电机 和T6从地流向-24V电源，这时伺服电机正转。 (2) 当T1的输入为负电平时，T1截止T2导通。 晶体管T截止使T3、T4、T6截止以及T5、T7导通。晶体管T2导通，令 T12、T11导通，最终

46、使T10、T9截止T8导通。这时电流从地流过R20、 T5、T7，伺服电机和T8到达-24V电源。故伺服电机反转。,111,112,电动机控制系统可分为开环系统和闭环系统两类。 (1)开环控制系统比较简单，能够满足一般的控制要求； (2)闭环控制系统则用于有精度要求的控制。 在电动机控制系统中，这些精度要求包括：电动机本身的精度要求， 如角度和转速；执行机构的精度要求，如线化移相角位移，要实现对这些 物理量的精确控制，就必须通过高精度的检测传感器对这些物理量进行检 测，将检测的结果转换成数字量反馈给计算机，对这些数据进行处理，处 理的结果作为控制量对电动机进行控制，从而实现闭环控制。 所以，检

47、测传感器加上反馈环节是开环控制系统和闭环控制系统的主 要区别，是电动机闭环控制系统的重要组成部分。,113,1、旋转变压器小型交流发电机,旋转变压器的特点是：副边绕组中的感应电热E2的大小和 定转子两者的偏转角的正弦或余弦值有关。即有： E2 = nE1sin (5-19) 其中：n是变压器的变比；E1是原边即定子绕组励磁电压 转子绕组磁轴与定子绕组磁轴垂直时，偏转角=0，E2=0； 在转子磁轴与定子磁轴平行时，偏转角=90,E2=nE1。,5.4.3 位置检测元件,114,旋转变压器在接上负载之后，其输出电热E2不再是转角 的余弦或正弦关系。为了克服这种问题，通常在定子原边加补 偿绕组，或在转子副边上加上补偿绕组，使得在加上负载时， 输出电势E2和励磁电压E1仍可保持式5-19的关系。在旋