第三章 步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)

第三章步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)

(一、數(shù)字程序控制基礎(chǔ)二、逐點比較法插補原理三、步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)2/5/20231計算機(jī)控制技術(shù)一、數(shù)字程序控制基礎(chǔ)

(fundamentalofnumericprogramcontrol)數(shù)字程序控制主要用于機(jī)床的自動控制，如加工中心、線切割機(jī)等的自動控制系統(tǒng)中，采用數(shù)字程序控制的機(jī)床稱為數(shù)控機(jī)床。所謂數(shù)字程序控制，就是計算機(jī)根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù)，控制機(jī)床按規(guī)定的工作順序、運動軌跡、運動距離和運動速度等自動地完成工作地自動控制。1、數(shù)字程序控制原理(principle)2、數(shù)字程序控制方式(manner)2/5/20232計算機(jī)控制技術(shù)1、數(shù)字程序控制原理(P64)圖中abcd為繪圖儀繪圖曲線或零件的加工曲線。將圖中的曲線分成若干段：

當(dāng)給定a、b、c、d各點的x和y坐標(biāo)，如何確定各坐標(biāo)值之間的中間值？求得這些中間值的數(shù)值計算方法稱為插補或插值。

插補計算就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。，，基點基點基點基點2/5/20233計算機(jī)控制技術(shù)所謂直線插補是指在給定的兩個基點之間用一條近似直線來逼近，也就是由此方法定出的中間點連接起來的若干折線近似于一條直線，而并不是一條真正的直線。所謂二次曲線插補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(arc)、拋物線(parabola)和雙曲線(hyperbola)等理論上來講，插補的形式可以是任意函數(shù)，但常用的是直線插補和二次曲線插補。直線插補(beeline)二次曲線(conic)2/5/20234計算機(jī)控制技術(shù)最后，把插補運算過程中定出的各中間點，以脈沖形式去控制x、y方向上的步進(jìn)電機(jī)（繪圖筆、或加工刀具），從而繪出圖形或加工出所要求的輪廓。每一個脈沖信號步進(jìn)電機(jī)走一步，即繪圖筆或刀具在x或y方向移動一步。把對應(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，Δy來表示，且取Δx＝Δy。2/5/20235計算機(jī)控制技術(shù)圖示是一段用折線逼近直線的直線插補線段，記x方向和y方向移動的總步數(shù)為Nx和Ny。則x方向移動的總步數(shù)

則y方向移動的總步數(shù)將Δx和Δy定義為坐標(biāo)增量值（即Δx＝Δy＝

1），則插補運算就是如何分配x和y方向上的脈沖數(shù)，使實際的中間點軌跡盡可能地逼近理想軌跡。

實際的中間點連接線是一條由Δx和Δy的增量組成的折線，只是由于Δx和Δy的值很小，看起來和直線一樣。2/5/20236計算機(jī)控制技術(shù)2、數(shù)字程序控制方式從運動軌跡劃分：*點位控制(PointToPoint-PTP)點位控制系統(tǒng)中，只要求控制加工刀具行程的終點坐標(biāo)值即可。（鉆床、沖床等）*路徑控制（ContinuousPath-CP)路徑控制系統(tǒng)中，要求在運動過程中將工件加工成某一形狀，因此不但要控制終點坐標(biāo)，還要控制其軌跡，保證其插補值滿足精度要求。包括直線切削控制和輪廓切削控制。2/5/20237計算機(jī)控制技術(shù)從控制原理劃分：*閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，這種控制結(jié)構(gòu)大都采用直流電機(jī)作為驅(qū)動元件，反饋測量元件采用光電編碼器（碼盤）、光柵或感應(yīng)同步器。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度高。*開環(huán)數(shù)字程序控制系統(tǒng)，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。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖工作臺由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，步進(jìn)電機(jī)接受驅(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)奈恢谩Ｖ劣诘毒呤欠竦竭_(dá)脈沖所規(guī)定的位置，則不受檢查。所以，控制的可靠性和精度由步進(jìn)電機(jī)或傳動裝置決定。2/5/20238計算機(jī)控制技術(shù)二、逐點比較法插補原理所謂逐點比較法插補，就是繪圖筆或刀具每走一步都要和給定軌跡上的坐標(biāo)值進(jìn)行比較，然后再決定下一步怎么走。如果這點在給定軌跡的下方，則下一步就往給定軌跡的上方走；如果原來在給定軌跡的的外面，則下一步就往給定軌跡的里面走；如此，走一步，比較一步，決定下一步的走向，以便逼近給定軌跡。逐點比較法是以階梯折線來逼近直線或圓弧等曲線的；最大誤差就是一個脈沖當(dāng)量。 （1）逐點比較直線插補 （2）逐點比較圓弧插補2/5/20239計算機(jī)控制技術(shù)1、逐點比較直線插補偏差計算公式假設(shè)在第一象限加工直線段OA，起點是坐標(biāo)原點，終點A(xe,ye

)點m(xm,ym

)是加工點，若點m在直線段OA上，則有：即定義直線插補的偏差判別式為：2/5/202310計算機(jī)控制技術(shù)*若Fm＝0，點m在OA上；*若Fm>0，點m在OA上方，即為點m’；*若Fm<0，點m在OA下方，即為點m’’。第一象限直線逐點比較法插補原理：從直線的起點（坐標(biāo)原點）出發(fā)，*當(dāng)Fm≥0，沿＋x方向走一步；*當(dāng)Fm<0，沿＋y方向走一步；*當(dāng)兩方向所走得步數(shù)與終點坐標(biāo)(xe,ye

)相等時，發(fā)出終點到信號，停止插補。2/5/202311計算機(jī)控制技術(shù)為了編程方便，進(jìn)一步推導(dǎo)簡化的偏差計算公式。設(shè)加工點正處于m點，①當(dāng)Fm≥0，標(biāo)明m點在OA上或OA的上方，應(yīng)沿＋x方向走一步至(m+1)點，所以，點(m+1)的坐標(biāo)值：點(m+1)的偏差為：2/5/202312計算機(jī)控制技術(shù)設(shè)加工點正處于m點，②當(dāng)Fm<0，標(biāo)明m點在OA的下方，應(yīng)沿＋y方向走一步至(m+1)點，所以，點(m+1)的坐標(biāo)值：點(m+1)的偏差為：2/5/202313計算機(jī)控制技術(shù)簡化的偏差計算公式：新的加工點的偏差Fm＋1

都可以由前一點的偏差Fm

和終點坐標(biāo)相加減得到。當(dāng)Fm≥0，沿＋x方向走一步，當(dāng)Fm<0，沿＋y方向走一步，注意：加工的起點是坐標(biāo)原點，起點的偏差是已知的，即：F0＝02/5/202314計算機(jī)控制技術(shù)終點判斷方法①設(shè)置一個終點計數(shù)器，寄存x和y兩個坐標(biāo)進(jìn)給的總步數(shù)Nxy；

x和y坐標(biāo)走一步，Nxy就減1；若Nxy＝0，則表明到達(dá)終點。②設(shè)置Nx和Ny兩個減法計數(shù)器，在加工開始前，Nx和Ny分別存入終點坐標(biāo)值xe

和ye

；在x坐標(biāo)（或y坐標(biāo)）走一步，Nx就減1（或Ny就減1）；當(dāng)Nx和Ny兩都減到0時，到達(dá)終點。插補計算過程插補計算時，每走一步，都要進(jìn)行以下4個步驟的插補計算過程：偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、偏差計算、終點判斷。2/5/202315計算機(jī)控制技術(shù)例題設(shè)加工第一象限直線OA，起點坐標(biāo)O(0,0)，終點坐標(biāo)A(6,4)，試進(jìn)行插補計算并作出走步軌跡圖。解：終點坐標(biāo)：Nxy＝|6－0|+|4－0|=10坐標(biāo)進(jìn)給的總步數(shù)：xe＝6，ye

＝4起點偏差：F0＝0逐點比較直線插補舉例插補計算過程如下表：2/5/202316計算機(jī)控制技術(shù)起點F0＝0Nxy＝1012345678910F0＝0＋x＋xF1＝F0－ye＝－4Nxy＝9F1<0＋yF2＝F1＋xe＝＋2Nxy＝8F2>0＋xF3＝F2－ye＝－2xe,＝6，ye

＝4Nxy＝7Nxy＝6Nxy＝5Nxy＝4Nxy＝3Nxy＝2Nxy＝1Nxy＝0F3<0＋yF4＝F3＋xe＝＋4F4>0＋xF5＝F4－ye＝0F5=0＋xF6＝F5－ye＝－4F6<0＋yF7＝F5＋xe＝＋2F7>0＋xF8＝F7－ye＝－2F8<0＋yF9＝F8＋xe＝＋4F9>0F10＝F9－ye＝02/5/202317計算機(jī)控制技術(shù)直線插補的走步軌跡圖：123456789102/5/202318計算機(jī)控制技術(shù)2、逐點比較圓弧插補偏差計算公式設(shè)在第一象限加工逆圓弧AB，其半徑為R，圓弧的圓心在坐標(biāo)原點，圓弧起點是A(x0,y0

)，終點B(xe,ye

)，點m(xm,ym

)是加工點，它與圓心的距離為Rm，比較Rm和R

：定義偏差判別式：得圓弧插補的偏差判別式為：，2/5/202319計算機(jī)控制技術(shù)*若Fm＝0，點m在圓弧上；*若Fm>0，點m在圓弧外；*若Fm<0，點m在圓弧內(nèi)。第一象限逆圓弧逐點比較法插補原理：從圓弧的起點出發(fā)，*當(dāng)Fm≥0，為了逼近圓弧，沿－x方向走一步；*當(dāng)Fm<0，為了逼近圓弧，沿＋y方向走一步；*到達(dá)終點后，停止插補。2/5/202320計算機(jī)控制技術(shù)為了編程方便，進(jìn)一步推導(dǎo)簡化的偏差計算公式。設(shè)加工點正處于m點，①當(dāng)Fm≥0，應(yīng)沿－x方向走一步至(m+1)點，所以，點(m+1)的坐標(biāo)值：點(m+1)的偏差為：2/5/202321計算機(jī)控制技術(shù)②當(dāng)Fm<0，應(yīng)沿+y方向走一步至(m+1)點，所以，點(m+1)的坐標(biāo)值：點(m+1)的偏差為：2/5/202322計算機(jī)控制技術(shù)簡化的偏差計算公式：只要知道前一點的偏差Fm

和坐標(biāo)值，就可求出新加工點的偏差Fm＋1

。當(dāng)Fm≥0，沿－x方向走一步，當(dāng)Fm<0，沿＋y方向走一步，注意：加工的起點是從圓弧起點開始的，所以，起點的偏差是已知的，即：

F0＝02/5/202323計算機(jī)控制技術(shù)終點判斷方法圓弧插補的終點判斷方法和直線插補相同：可將x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；x和y坐標(biāo)走一步，Nxy就減1；若Nxy＝0，則表明到達(dá)終點。插補計算過程圓弧插補計算過程比直線插補計算過程多一個環(huán)節(jié)，即要計算加工點的坐標(biāo)值。因此，圓弧插補計算過程要進(jìn)行5個步驟：偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、偏差計算、坐標(biāo)計算、終點判斷。2/5/202324計算機(jī)控制技術(shù)逐點比較圓弧插補舉例例題設(shè)加工第一象限逆圓弧AB，起點坐標(biāo)A(4,0)，終點坐標(biāo)B(0,4)，試進(jìn)行插補計算并作出走步軌跡圖。解：起、終點坐標(biāo)：Nxy＝|4－0|+|4－0|=8坐標(biāo)進(jìn)給的總步數(shù)：xe＝0，ye

＝4起點偏差：F0＝0x0＝4，y0

＝0；2/5/202325計算機(jī)控制技術(shù)圓弧插補計算過程：起點（4,0），終點（0,4）起點F0＝0Nxy＝812345678F0＝0－xF1＝F0－2x0+1＝－7Nxy＝7F1<0＋yF2＝F1＋2y1+1＝－6Nxy＝6F2<0＋yF3＝F2＋2y2＋1＝－3Nxy＝4Nxy＝3Nxy＝2Nxy＝0F3<0＋yF4＝F3＋2y3＋1＝＋2F4>0－xF5＝F4－2x4＋1＝－3F5<0＋yF6＝F5＋2y5＋1＝＋4F6>0－xF7＝F6－2x6＋1＝＋1F7>0－xF8＝F7－2x7＋1＝0Nxy＝5Nxy＝1x0＝4，y0

＝0x1＝x0－1＝3，y1

＝0x2＝3，y2

＝y(tǒng)1＋1＝1x3＝3，y3

＝y(tǒng)2＋1＝2x4＝3，y4

＝y(tǒng)3＋1＝3x5＝x5－1＝2，y5＝3x6＝2，y6＝y(tǒng)5＋1＝4x7＝x6－1＝1，y7＝4x8＝x7－1＝0，y7＝42/5/202326計算機(jī)控制技術(shù)圓弧插補的走步軌跡圖：123456782/5/202327計算機(jī)控制技術(shù)作業(yè)1、加工第一象限直線OA，起點O(0,0)，終點A(11,7)。要求：（1）按逐點比較法插補進(jìn)行列表計算；（2）作出走步軌跡圖，并標(biāo)明走步方向和步數(shù)。2、加工第一象限逆圓弧AB，起點A（6，0），終點（0，6），要求（1）按逐點比較法插補進(jìn)行列表運算；（2）作出走步軌跡圖，并標(biāo)明走步方向和步數(shù)。2/5/202328計算機(jī)控制技術(shù)步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電機(jī)，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。特點：（1）作為執(zhí)行元件，具有快速啟停能力，一般其步進(jìn)速率為200～1000步/秒；（2）精度高，步距角可以由0.36~90o/步，而且復(fù)位準(zhǔn)確。應(yīng)用廣泛：（1）打印機(jī)、繪圖機(jī)一般都采用步進(jìn)電機(jī)來定位繪圖筆、或光學(xué)鏡頭；（2）工業(yè)過程控制的位置控制系統(tǒng)。三、步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)2/5/202329計算機(jī)控制技術(shù)轉(zhuǎn)子定子2/5/202330計算機(jī)控制技術(shù)1、步進(jìn)電機(jī)工作原理：電機(jī)的定子上有6個等分的磁極（6個齒），即A、A’、B、B’、C、C’，相鄰兩個磁極間的夾角是60o。相對的磁極組成一相，形成如圖三相步進(jìn)電機(jī)A－A’相，B－B’相，C－C’相。當(dāng)某一繞組有電流通過時，該繞組相應(yīng)的兩個磁極立即形成N極和S極。電機(jī)的轉(zhuǎn)子有四個齒，0、1、2、3齒。直流電源u分別對步進(jìn)電機(jī)A－A’、B－B’、C－C’相繞組輪流通電。2/5/202331計算機(jī)控制技術(shù)初始狀態(tài)，開關(guān)A接通，則A相齒極和轉(zhuǎn)子的0、2號齒對齊。同時，1、3齒和B、C齒極形成錯齒狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)A關(guān)閉，開關(guān)B接通，由于B相繞組和轉(zhuǎn)子的1、3齒之間的磁力線作用，使得轉(zhuǎn)子1、3號齒和B相磁極對齊。同時，0、2號齒就和A、C相繞組磁極線形成錯齒狀態(tài)。此后，當(dāng)開關(guān)B關(guān)閉，開關(guān)C接通，由于C相繞組和轉(zhuǎn)子的0、2齒之間的磁力線作用，使得轉(zhuǎn)子0、2號齒和C相磁極對齊。同時，1、3號齒就和A、B相繞組磁極線形成錯齒狀態(tài)。此時轉(zhuǎn)子移動了一個齒距角?？梢?，錯齒是電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因2/5/202332計算機(jī)控制技術(shù)將一相繞組通電的操作稱為一拍，那么，對A、B、C三相繞組輪流通電需要三拍。顯然，三相步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距，需要三拍操作，它的轉(zhuǎn)子有四個齒，一個齒距角為90°。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，則，θz＝2π/Z=360°/Z步進(jìn)電機(jī)每一拍就執(zhí)行一次步進(jìn)，稱為步距角θ，運行工作拍數(shù)N拍可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距角，則假設(shè)三相步進(jìn)電機(jī)采用三拍方式，它的步距角θ＝360°/3×4＝30°；*轉(zhuǎn)子有40個齒，它的步距角θ＝360°/3×40＝3°。*轉(zhuǎn)子有4個齒，2/5/202333計算機(jī)控制技術(shù)2、步進(jìn)電機(jī)工作方式：步進(jìn)電機(jī)有三相、四相、五相、六相等多種；可工作于單相通電方式，也可工作于雙相通電方式，或者單相、雙相交叉通電方式。選用不同的工作方式，使步進(jìn)電機(jī)具有不同的工作性能，如減小步距，提高定位精度和工作穩(wěn)定性等。對于三相步進(jìn)電機(jī)：（1）單相三拍工作方式（單三拍）（2）雙三拍工作方式（雙三拍）（3）三相六拍工作方式2/5/202334計算機(jī)控制技術(shù)（1）單相三拍工作方式（單三拍）單：每次對單相通電；三拍：指電流切換3次，即換相3次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距。為了使步進(jìn)電機(jī)能正向旋轉(zhuǎn)，對各相的通電順序為A→B→C→A→…各相通電的波形2/5/202335計算機(jī)控制技術(shù)該工作方式下：每相周期為三拍，每個周期內(nèi)通電1拍；且每拍都是單相通電，若轉(zhuǎn)子為40齒，則齒距角θz＝360°/40=9°,則步距角θ＝9°/3=3°2/5/202336計算機(jī)控制技術(shù)（2）雙三拍工作方式雙：每次兩相同時通電，三拍：控制電流切換3次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距。雙三拍工作方式下，各相的通電順序為AB→BC→CA→AB→…各相通電的波形2/5/202337計算機(jī)控制技術(shù)此種工作方式下：每相周期為三拍，每個周期內(nèi)連續(xù)通電2拍；且每拍都有兩相通電。若轉(zhuǎn)子為40齒，則齒距角θz＝360°/40=9°,則步距角θ＝9°/3=3°2/5/202338計算機(jī)控制技術(shù)（3）三相六拍工作方式三相六拍工作方式就是把單三拍和雙三拍結(jié)合起來的工作方式。三相六拍各相的通電順序為A→AB→B→BC→C→CA→A→…控制電壓切換6次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距2/5/202339計算機(jī)控制技術(shù)此種工作方式下：每相周期為6拍，其中6拍中有3拍是單相通電，3拍是雙相通電，其通電波形是方波，即3拍連續(xù)通電，3拍連續(xù)斷電。若轉(zhuǎn)子為40齒，則齒距角θz＝360°/40=9°,則步距角θ＝9°/6=1.5°所以六6拍工作方式比單三拍和雙三拍的步進(jìn)精度高一倍2/5/202340計算機(jī)控制技術(shù)3、步進(jìn)電機(jī)的控制接口及輸出表常規(guī)的步進(jìn)電機(jī)控制電路主要由脈沖分配器和驅(qū)動電路組成；采用微機(jī)控制，主要取代脈沖分配器，驅(qū)動電路是不可省的，同時用微機(jī)實現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的走步數(shù)、轉(zhuǎn)向以及速度控制等。（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（3）步進(jìn)電機(jī)控制程序2/5/202341計算機(jī)控制技術(shù)（1）步進(jìn)