第 3 章数字程序控制系统

第3章数字程序控制系统 3.1 数字控制系统的概述 3.2 逐点比较插补原理 3.3 步进电机控制技术 3.4 小结

3.1 数字控制系统的概述 • 3.1.1 数字控制系统的基本概念 • 对图所示的平面图形，如何用计算机在绘图仪或加工装置上重现? 第一步：将该图分割成了三段。第二步：当给定a,b,c,d各点坐标和值之后，还要确定各坐标值之间的中间值。第三步：把插补运算过程中定出的各中间点，以脉冲信号形式去控制，方向上的步进马达，带动画笔、刀具或线电极运动，从而绘出图形或加工出符合要求的轮廓来。

3.1.2 数控系统的组成 • 1. 闭环数字控制 • 该控制方式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。

2. 开环数字控制 • 开环数字控制结构简单，并且可靠性高、成本低、易于调整和维护等，应用最为广泛。 • 由于采用了步进电动机作为驱动元件，使得系统的可靠性变得更加灵活

3.2 逐点比较插补原理 • “逐点比较法”插补原理 • “一点一比较，步步来逼近” • 3.2.1 逐点比较直线插补原理 • 1. 在第一象限内的直线插补

当前点的位置在直线中还是在直线之上，直线之下？如何判断？当前点的位置在直线中还是在直线之上，直线之下？如何判断？ • 定义 • 则当Fi=0时，表示M点在直线上；当Fi＞0时，表示M点在A+区域内；当Fi＜0时，表示M点在A-区域内。 • 式称为直线插补的偏差判别式，或原始判别式。以后为了方便起见，将Fi记为F。

(a) F＞0 时进给 (b) F＜0时进给 F>0时，计算F’ F<0时，计算F’

2. 其它象限中的偏差判别及进给方向 • 如果需要在其它三个象限内画直线，只要将它们化作第一象限的插补处理即可。 • 进给方向对于不同的象限作某些改变即可。

3. 终点判断 ① 利用画笔所走过的总步数是否等于终点坐标的与之和。 ② 取终点坐标和中较大者作为终点判别计数器的初值。

4.直线插补程度的流程图 • 第一步为偏差判别，F≥0还是F＜0？ • 第二步进给，根据偏差和插补所在象限决定在什么方向上进给一步； • 第三步为偏差运算，计算进给一步后的新偏差值； • 第四步为终点判别，若未到达终点，则重复一至四步工作。

3.2.2 逐点比较圆弧插补原理 • 1．第一象限圆弧插补原理如何判断当前点的位置？

如M1点在A+内，故 ，因此进给－△X一步，到达新的一点M1’，其坐标值为(Xi-1,Yi)，所以在点M1’处的新偏差值F’为同样有

2．其它象限中逐点比较法圆弧插补的偏差公式和进给方向2．其它象限中逐点比较法圆弧插补的偏差公式和进给方向

3．终点判断 4．圆弧插补程序流程图 ① 利用起点坐标值和终点坐标值相对大小来确定是顺圆插补还是逆圆插补。 ② 根据偏差值是≥0还是＜0以及圆弧插补的类型来决定实际的进给信号 ③ 确定终判计数器的初值

3.3 步进电机控制技术 • 步进电机是一种将脉冲信号转换成相应的角位移的特种电机。 • 角位移变成直线位移； • 带动螺旋电位器，调节电压和电流， • 一个显著特点是快速的启停能力。 • 另一特点是精度高。 • 正因为步进电机具有快速启停，精确步进以及直接接收数字量的特点，因而使得步进电机在定位场合得到了广泛的应用。

3.3.1 步进电机的工作原理 • 步进电机实际上是一个数字/角度转换器 • 也是一个串行的数/模转换器。

1 反应式步进电动 反应式步进电动机定子相数m为2、3、4、5、6，定子磁极个数为2m，每个磁极上套着该相控制绕组。假设三相六极反应式步进电动机转子有四个齿。工作时，以电脉冲向A，B，C三相控制绕组轮流通入直流电流I，转子就会向一个方向一步一步转动。步进电动机不改变通电情况的运行状态叫静态运行。

2 矩角特性及稳定平衡点 规定转子每一个齿距所占空间角度为2π电角度。

3 三相矩角特性及稳定平衡点

4 步进运行状态

5 负载步进运行状态

6 连续运行状态 • 当脉冲频率f增高，其周期比转子振荡的过渡过程时间还短时，虽然仍旧是一个脉冲前进一步，步矩角也不变，但转子连续转动不停，这叫做连续运行状态。 • 连续运行状态是步进电动机经常的运行状态，频率比较高，转速与频率成正比。电动机不丢步连续运行的最高频率叫运行频率，其值越高电机转速越高。步进电动机一般要采用机械阻尼，使振荡很快衰减。同时，还要加大的范围，即减小步距角，增加电机的稳定性。

7双三拍通电方式

8 步距角与电机转速 步距角转子转速

3.3.2 步进电机的工作方式 • 步进电机的方向控制方法是： • ① 用计算机输出接口的每一位控制一相绕组，例如用计算机数据线的D0、D1、D2分别接到步进电动机的A、B、C三相。 • ② 根据所选定的步进电机及控制方式写出相应的控制方式的数学模型。

步进电机旋转方向控制 • （1）三相单三拍方式： • 正向旋转，通电顺序为 A→B→C→A； • 反向旋转，通电顺序为 A→C→B→A。 • （2）三相双三拍方式： • 正向旋转，通电顺序为 AB→BC→CA→AB； • 反向旋转，通电顺序为 AB→CA→BC→AB。 • （3）三相六拍方式： • 正向旋转，通电顺序为 →AB→B→BC→C→CA→A； • 反向旋转，通电顺序为 →CA→C→BC→B→AB→A。

步进电机的旋转方向控制方法： • （1）用单片机的一位输出口控制步进电机的一相绕组。 • （2）根据步进电机的类型和控制方式找出相应的控制模型。 • （3）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。

三相单三拍控制模型 三相双三拍控制模型

　三相六拍控制模型

3.3.3 步进电机的控制系统 • 典型的步进电机控制系统，如图所示 • 计算机控制步进电机原理图

步进电机控制程序的设计 • 三相单三拍控制程序流程图如图所示。

三相单三拍控制程序清单： • T_CON: PUSH A ；保护现场 • PUSH PSW • MOV R7,#N ；设定控制步数 • JNB FLAG,LEFT ；判断旋转方向 • RIGHT: MOV R0,RM ；正转模型起始地址 • AJMP ROTATE • LEFT: MOV R0,LM • ROTATE: MOV A,@R0 ；取第一拍控制模型 • MOV P1,A ；输出第一拍控制模型 • ACALL DELAY1 ；延时

INC R0 • MOV A,@R0 ；取第二拍控制模型 • MOV P1,A ；输出第二拍控制模型 • ACALL DELAY1 ；延时 • INC R0 • MOV A,@R0 ；取第三拍控制模型 • MOV P1,A ；输出第三拍控制模型 • ACALL DELAY1 ；延时 • DJNZ R7,ROTATE ；未走完要求的步数，继续 • POP PSW ；恢复现场 • POP A • RET ；返回

三相六拍控制程序流程图如图所示。 （b）定时器中断服务程序（a）主程序流程图

三相六拍控制程序中断服务程序清单: • INTT0: PUSH A ；保护现场 • PUSH PSW • MOV A,@R0 ；取控制模型 • MOV P1,A ；输出控制模型 • INC R0 ；指向下一控制模型 • MOV A,#00H ；判断是否控制模型结束标志 • XRL A,@R0 • JNZ NEXT ；不是，继续 • MOV A,R0 ；是，恢复控制模型起始地址 • CLR C • SUBB A,#06H

MOV R0,A • NEXT: DJNZ R7,RETU；未走完规定步数，继续 • CLR ET1；走完规定步数，禁止T1中断 • CLR EA ；关中断 • RETU: POP PSW ；恢复现场 • POP A • RETI ；中断返回

3.4 小结 • 数字程序控制的概念及其组成形式， • 逐点比较插补原理 • 直线插补和圆弧插补 • 阶梯线来逼近直线（逐点比较直线插补）或圆弧（逐点比较圆弧插补） • 数字控制系统主要分为开环数字控制和闭环数字控制两种形式。 • 步进电机的工作原理及工作方式控制。

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