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1、数字控制技术,3.1 数字控制基础3.2 逐点比较法插补原理3.3 多轴步进驱动控制技术 3.4 多轴伺服驱动控制技术,数控技术和数控机床是实现柔性制造（Flexible Manufacturing，FM）和计算机集成制造（Computer Integrated Manufacturing，CIM）的最重要的基础技术之一。,3.1 数字控制基础,3.1.1 数控技术发展概况 3.1.2 数字控制原理3.1.3 数字控制方式3.1.4 数字控制系统3.1.5 数控系统的分类,3.1.1 数控技术发展概况,所谓数字控制，就是计算机根据输入的指令和数据，控制生产机械(如各种加工机床)按规定的工作顺序
2、、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动地完成工作的自动控制。数字控制主要应用于机床控制,采用数字程序控制系统的机床叫做数控机床。,数字控制系统由数控装置、驱动装置、可编程控制器和检测装置等四大部分组成。其中,数控装置能接收零件图样加工要求的信息，进行插补运算，实时地向各坐标轴发出速度控制指令。驱动装置能快速响应数控装置发出的指令，驱动机床各坐标轴运动。,数字控制装置一般由输入装置、输出装置、控制器和插补器四部分组成，这些功能都由计算机来完成。,将所需加工的轮廓曲线，按照一定的原则进行分割，将各点坐标输入计算机。如图所示。,1.曲线分割,3.1.2 数字控制原理,根据给定的各曲线段的起点、终点
3、坐标，以一定的规律定出一系列中间点，要求这些中间点所连接的曲线必须以一定的精度逼近给定的线段。确定各坐标值之间的中间值的数值计算方法称为插值或插补。常用的插补形式有直线插补和二次曲线（圆弧、抛物线、双曲线等）插补两种。,2.插补计算,所谓直线插补是指在给定的两个基点之间用一条近似直线来逼近，也就是由此定出中间点连接起来的折线近似于一条直线，并不是真正的直线。,所谓二次曲线插补是指在给定的两个基点之间用一条近似曲线来逼近，也就是实际的中间点连线是一条近似于曲线的折线弧。常用的二次曲线有圆弧、抛物线和双曲线等。,x,y,a,b,c,d,当给定a、b、c、d各点坐标x和y值之后，如何确定各坐标值之间
4、的中间值?,求得这些中间值的数值计算方法称为插值或插补。插补计算的宗旨是通过给定的基点坐标，以一定的速度连续定出一系列中间点，而这些中间点的坐标值是以一定的精度逼近给定的线段。,3.脉冲分配,根据插补运算过程中给定的各中间点，对x、y方向分配脉冲信号，以控制步进电机的旋转方向、速度及转动的角度，步进电机带动刀具，从而加工出所需要的轮廓。对应于每个脉冲移动的相对位置称为步长或脉冲当量，用 表示，并且。,如图，设起点坐标为（x0，y0），终点坐标为（xe，ye），则在x，y方向移动的总步数Nx，Ny为：,插补运算就是如何分配x和y方向上的脉冲数，使实际的中间点的轨迹尽可能地逼近理想轨迹。,3.1.
5、3 数字控制方式,1.点位控制（定位）点位控制只要求控制机床的移动部件从一个点准确移动到另一个点。对中间运动轨迹不作要求，且在移动过程中也不作任何加工。如数控钻床、数控冲床等。,2.直线控制（单轴切削）直线切削控制除控制点到点的准确定位外，还要控制两点之间的移动速度和路线。运动路线只是相对某一直角坐标轴作平行运动，且在运动的过程中以一定的进给速度进行切削加工。如数控车床、数控铣床等。,3.轮廓控制（多轴切削）轮廓切削控制能对两个及两个以上的运动坐标的位移和速度同时进行控制。控制刀具沿工件轮廓曲线不断地运动。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向每一个坐标轴分配速度指令，以获得
6、给定坐标点之间的中间点。如数控车床、数控铣床等。,3.1.4 数字控制系统,1.开环数字控制2.闭环数字控制,1.开环数字控制,这种控制结构没有反馈检测元件，工作台由步进电机驱动。步进电机接收步进电机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，至于刀具是否到达了指令脉冲规定的位置，那是不受任何检查的，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。,2.闭环数字控制,这种结构的执行机构多采用直流电机（小惯量伺服电机和宽调速力矩电机）作为驱动元件，反馈测量元件采用光电编码器（码盘）、光栅、感应同步器等，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
7、整和维护，一些常规的数控系统很少采用。,增量式编码器,该产品广泛应用于自动控制、自动测量、遥控、计算机技术以及在数控机床作角度和横纵坐标的测量等,将位移转换成周期性电信号，再把这个电信号转换成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。,绝对式编码器,把机械位移量用二进制码或格雷码作为绝对位置而进行输出的方式,伺服编码器,是安装在伺服电机上用来测量 磁极位置和电机转角位置和转速的一种传感器。,此外，还有拉线式编码器，记米轮、光栅尺等光电编码器。,3.1.5 数控系统的分类,1.传统数控系统（硬件式数控）2.开放式数控系统（1）PC IN NC 结构式数控系统（2）NC IN PC 结构式数控系统3.
8、网络化数控系统,3.2 逐点比较法插补原理,3.2.1 逐点比较法直线插补3.2.2 逐点比较法圆弧插补,所谓逐点比较法插补，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方向。如果原来在给定轨迹的下方，下一步就向给定轨迹的上方走，如果原来在给定轨迹的里面，下一步就向给定轨迹的外面走，。如此，走一步、看一看，比较一次，决定下一步走向，以便逼近给定轨迹，即形成逐点比较插补。逐点比较法是以阶梯折线来逼近直线或圆弧等曲线的，它与规定的加工直线或圆弧之间的最大误差为一个脉冲当量，因此只要把脉冲当量（每走一步的距离即
9、步长）取得足够小，就可达到加工精度的要求。,设插补曲线为：Fm=F(x,y)（偏差函数）Fm=F(x,y)0 刀具在曲线的上方,3.2.1 逐点比较法直线插补,逐点比较法流程图,偏差判别：判断上一步进给后的偏差是Fm0还是Fm0；坐标进给：根据所在象限和偏差判别的结果，决定进给坐标轴及其方向；偏差计算：计算进给一步后新的偏差，作为下一步进给的偏差判别依据；终点判断：进给一步后，终点计数器减1，判断是否到达终点，到达终点则停止运算；若没有到达终点，返回。如此不断循环直到到达终点。,逐点比较法直线插补计算的四个步骤：,1.第一象限的直线插补,（1）建立偏差函数 设函数,（2）进给与偏差计算 若加工
10、点正处于m点时，当加工点在OA上或OA上方，应沿+x方向进一步，该点坐标为：,若加工点正处于m点时，当加工点在OA下方，应沿+y方向进一步，该点坐标为：,（3）终点判断方法 a）对x、y方向分别设置减法计数器Nx、Ny，分别用终点坐标对其初始化，从终点向始点移动，每进给一步计数器减1，直至计数器值为零。b）设一个终点计数器，初始值为x、y方向的进给总步数Nxy，进给一步计数器减1。若Nxy=0，则到达终点。,不同象限直线插补的偏差符号和进给方向如图,2.四个象限的直线插补,表3-2 直线插补的进给方向及偏差计算公式,记忆：2象限：1象限以y轴镜象；4象限：1象限以x轴镜象；3象限：1象限旋转1
11、80度,注意：表中坐标值为不带符号的数。,3.直线插补计算的程序流程,第一象限时,4象限内的直线插补流程图,+x,-x,+y,-y,6个内存单元数据：XE：终点X坐标 YE：终点Y坐标 NXY:总步数，Nxy Nx+Ny FM:加工点偏差，FM初值为0 XOY:象限值，1、2、3、4分别代表1、2、3、4象限 ZF：进给方向，1、2、3、4代表在+x、x、+y、-y方向进给。,例31设加工第一象限直线OA，起点为O(0，0)，终点坐标为A(6，4)，试进行插补计算并作出走步轨迹图。解 坐标进给的总步数Nxy=|6-0|+|4-0|=10,xe=6,ye=4,F0=0,xoy=1.,轨迹如图：,
12、练习：设加工第二象限直线OA，起点坐标为O（0，0），终点坐标为A（-6，4），试进行插补计算（填入表中），并作出走步轨迹图。,解：坐标进给的总步数Nxy=|-6-0|+|4-0|=10,xe=-6,ye=4,F0=0,xoy=1.,1.第一象限内顺圆弧插补,3.2.2 逐点比较法圆弧插补,1）建立偏差函数 设函数,2）进给与偏差计算 若加工点正处于m点时，当表明加工点在圆弧上或圆弧外，应沿-y方向进一步，该点坐标为：新偏差：,当加工点正处于m点时，当表明加工点在圆弧内，应沿+x方向进一步，该点坐标为：新偏差：,3）终点判断方法 设一个终点计数器，初始值为x、y方向的进给总步数Nxy，进给一步
13、计数器减1。若Nxy=0，则到达终点。,逐点比较法圆弧插补计算的五个步骤：,偏差判别，坐标进给，偏差计算，坐标计算，终点判断。,注意：在偏差计算的同时，要进行动点瞬时坐标值的计算，以便为下一点的偏差计算做好准备。,2.第一象限内逆圆弧插补,2）进给与偏差计算 若加工点正处于m点时，当表明加工点在圆弧上或圆弧外，应沿-x方向进一步，该点坐标为：新偏差：,1）建立偏差函数 设函数,若加工点正处于m点时，当表明加工点在圆弧内，应沿+y方向进一步，该点坐标为：新偏差：,3.四个象限的圆弧插补,圆弧插补中，沿对称轴的进给的方向相同，沿非对称轴的进给的方向相反。所有对称圆弧的偏差计算公式，只要取起点坐标的
14、绝对值，均与第一象限中的逆圆弧或顺圆弧的偏差计算公式相同。,注意：,记忆：2象限：1象限以y轴镜象；4象限：1象限以x轴镜象；3象限：1象限旋转180度,表3-4 圆弧插补的进给方向及偏差计算公式,注意：表中坐标值为不带符号的数，如第四象限中的点（-4,-3)应用 xm=4,ym=3查表计算。,4.圆弧插补计算的程序实现,（1）数据的输入及存放 在计算机的内存中开辟八个单元XO、YO、NXY、FM、RNS、XM、YM和ZF，分别存放起点的横坐标x0、起点的纵坐标y0、总步数Nxy、加工点偏差Fm、圆弧种类值RNS、xm、ym和走步方向标志。这里Nxy=|xe-x0|+|ye-y0|；RNS等于
15、1、2、3、4和5、6、7、8分别代表SR1、SR2、SR3、SR4和NR1、NR2、NR3、NR4，RNS的值可由起点和终点的坐标的正、负符号来确定；Fm的初值为F0，xm和ym的初值为x0和y0；ZF=1、2、3、4分别表示+x、-x、+y、-y走步方向。,（2）圆弧插补计算的程序流程 按照插补计算的五个步骤来实现插补计算程序。即：偏差判别 坐标进给 偏差计算 坐标计算 终点判断,y轴,指明RNS，可以选择同样的偏差计算公式,判断Fm的值,判断Fm的值,x轴,其中内存单元数据：X0：起点X坐标 Y0：起点Y坐标 NXY:总步数，Nxy Nx+Ny FM：加工点偏差；XM：xm YM：ym
16、RNS：圆弧种类，1、2、3、4和5、6、7、8分别代表SR1、SR2、SR3、SR4和NR1、NR2、NR3、NR4。ZF：进给方向，1、2、3、4代表在+x、x、+y、-y方向进给。,例3-2：设加工第一象限逆圆弧AB，已知起点的坐标为A(4，0)，终点的坐标为B(0，4)，试进行插补计算并作出走步轨迹图。,解：坐标进给总步数Nxy=|xe-x0|+|ye-y0|=8，x0=4，y0=0，F0=0插补过程如表所示。,插补计算过程,走步轨迹,练习：设加工第二象限逆圆弧AB，已知圆弧的起点坐标为A（-4，0），终点坐标为B（0，4），试进行插补计算，并作出走步轨迹图。,解：坐标进给总步数Nxy
17、=|xe-x0|+|ye-y0|=8，x0=4，y0=0，F0=0插补过程如表所示。,3.3 多轴步进电机控制技术,3.3.1 步进电机的工作原理3.3.2 步进电机的工作方式3.3.3 步进电机控制接口及输出字表3.3.4 步进电机控制程序3.3.5 数控系统设计举例三轴步进电机控制,数控机床的驱动元件常常是步进电机。步进电机是电机类中比较特殊的一种，它是靠脉冲来驱动的。步进电机：脉冲电机，给一个脉冲电机转一下。它是一种将电脉冲信号转换为角位移的机电式数模（DA）转换器。步进电机不是连续的变化，而是跳跃的，离散的。靠步进电机来驱动的数控系统的工作站或刀具总移动步数决定于指令脉冲的总数，而刀具
18、移动的速度则取决于指令脉冲的频率。,3.3.1 步进电机的工作原理,1.步进电机的结构：由内转子和定子构成。定子：定子上有绕组，图示电机是三相电机，有3对磁极，实际上步进电机不仅有三相，还有四相、五相等等。三对磁极分别为A、B、C，通过开关轮流通电。转子：上面带齿。为了说明问题，这里只画了4个齿。（一般有几十个齿）,2.步进电机的工作过程：A相通电：A相磁极与0、2号齿对齐；B相通电：由于磁力线作用，B相磁极与1、3号齿对齐；C相通电：由于磁力线作用，C相磁极与0、2号齿对齐；A相通电：由于磁力线作用，A相磁极与1、3号齿对齐；,结论：定子按A-B-C-A相轮流通电，则磁场沿A、B、C方向转动
19、360度角，转子沿ABC方向转动了一个齿距的位置。齿数为4，齿距角为90度，即1个齿距转动了90度。,3.步进电机的“相”和“拍”“相”绕组的个数“拍”绕组的通电状态。如：三拍表示一个周期共有3种通电状态，六拍表示一个周期有6种通电状态，每个周期步进电机转动一个齿距。4.步进电机的步距角的计算 步距角：步进电机每拍步进的角度。,对于一个步进电机，如果它的转子的齿数为Z，它的齿距角Z为 Z=2Z=360/Z 而步进电机运行N拍可使转子转动一个齿距位置。步进电机的步距角可以表示如下=ZN=360/(NZ)其中：N是步进电机工作拍数，Z是转子的齿数。对于4个齿的三相步进电机，若采用三拍方式，则它的步
20、距角是=360/(34)=30对于转子有40个齿且采用三拍方式的步进电机而言，其步距角是=360/(340)=3,3.3.2 步进电机的工作方式,1步进电机单三拍工作方式2步进电机的双三拍工作方式 3步进电机的三相六拍工作方式,1.单三拍工作方式：单三拍就是每次只给一个线组通电，其余的绕组断开。绕组的通电顺序：ABCA 电压波形,在这里，步进电机是由脉冲控制的。而脉冲的输出受计算机的控制。,3步进电机的三相六拍工作方式 绕组的通电顺序：A AB B BC C CA A 电压波形,3.3.3 步进电机控制接口及输出字表,步进电机的控制中，要关心下列问题：步进电机的精度问题：步进电机的工作精度问题
21、；速度调节问题：步进电机运动速度的快慢的调节；计算机接口问题：和计算机接口应该注意的问题。,常规的步进电机控制电路如图所示。,补充：步进电机的控制原理,变频信号源：是一个频率可调的脉冲信号发生器，它根据步进电机速度变化的需要把不同频率的脉冲送到脉冲分配器。,脉冲分配器：把脉冲串按一定规律分配给功率放大器的各相输入端，又称环形分配器。输入：步进脉冲，1个脉冲为1拍，走一步；方向选择，正转或反转。输出：各相绕组的驱动脉冲。功率放大器：脉冲分配器的输出电路不足以驱动步进电机，需要进行功率放大。,采用微机控制主要取代变频信号源和脉冲分配器，而给步进电机提供驱动电源的驱动电路是必不可少的。,1步进电机控
22、制接口,研华板卡控制两台三相步进电机接口示意图,8255控制两台三相步进电机接口示意图,步进电机控制的输出字表(三相六拍工作方式)如表3-6所示。若要控制电机正转，则按照ADx1 ADx2 ADx3 ADx4 ADx5 ADx6 ADx1和ADy1 ADy2 ADy3 ADy4 ADyX5 ADy6 ADy1顺序分别向PA和PB口送控制字即可。若要反转，则按相反的顺序。,2.步进电机控制的输出字表,3.3.4 步进电机控制程序,1.步进电机走步控制程序 2.步进电机速度控制程序 硬件电路；电机类型（三相、四相等）、步踞角、最高通电频率、最低通电频率等等。频率对应的是速度。选择工作方式；电机控制
23、的调速问题。,1步进电机走步控制程序 什么是走步程序？用ADX和ADY分别表示x轴和y轴步进电机输出字表的取数地址指针。且用ZF=1、2、3、4分别表示+x、-x、+y、-y走步方向。在流程图的第一个判断中，ZF通过对Fm的判断来赋值。因此，这个程序还要和插补计算程序结合起来看。,+x,-x,+y,-y,x轴,y轴,若将步进控制程序和插补计算程序结合起来，并修改程序的初始化和循环控制判断的内容，便可以很好地实现xOy坐标平面的数字程序控制，为机床电器的自动控制提供了有力的手段。,步进电机的输出字更换得越快，步进电机的转速越高。因此，控制延时时间常数，即可达到调速的目的。一般采用查表法来可控制步
24、进电机的进给速度。即离线计算出各步的延时时间放入延时时间表中，然后按地址表一次取出下一步进给的延时值，通过延时程序或定时器产生给定的时间间隔，发出相应的走步命令。,2.步进电机速度控制程序,设Ti为相邻两个进给脉冲之间的时间间隔（s），Vi 为进给一步后的末速度（步s），a为进给一步的加速度（步s2），则得,则：,注意：按正序或反序取输出字可控制步进电机正转或反转；速度往往和输出字的输送的频率有关，输出字更换得越快，步进电机的转速越高；调速过程总是有加速问题；控制延时的时间常数，即可达到调速的目的；Ti为相邻两次走步的时间间隔，Vi为进给一步后速度，a为加速度。,3.3.5 数控系统设计举例-
25、三轴步进电机控制,1.数控系统的硬件系统结构及主要部件（1）工业控制机（IPC）（2）运动控制卡,2.数控系统的软件结构及主要功能模块 该软件为多任务操作系统，系统主要模块的功能如下:（1）多任务操作模块（2）人机接口模块（3）轨迹插补模块（4）运动学算法模块（5）位置控制模块（6）方式控制模块（7）程序控制模块（8）参数管理模块（9）运动仿真模块、动态显示模块等,3.4 多轴伺服驱动控制技术,3.4.1 伺服系统3.4.2 现代运动控制技术3.4.3 数控系统设计举例-基于PC的多轴运动控制,在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。例如，数控
26、机床的伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。1.伺服系统及其组成伺服系统由伺服驱动装置和驱动元件(即伺服电机)组成。高性能的伺服系统还有检测装置，反馈实际的输出状态。,3.4.1 伺服系统,补充：伺服电机与步进电机的区别,伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。,伺服电机主要靠脉冲来定位，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个
27、角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。,步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着
28、较大的差异。,一、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为3.6、1.8，五相混合式步进电机步距角一般为0.72、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为9.89秒。是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。,一、控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为3.6、1.8，五相混合式步进电机步距角一般为0.72、0.36。也有一些高性能的步进电机步距角更小。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。对于带17位编码器的电机而言，
29、驱动器每接收=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为9.89秒。是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。,二、低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。,三、矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速
30、时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。,四、过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。,五、运行性能不同 步进电机的控制为开环控制，启动频率
31、过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。,六、速度响应性能不同 步进电机从静止加速到工作转速需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。,七、外形不同 从外形上看：步进电机前后外形基本都是方形的；伺服电机前面外形基本也是方形的，但是最后有一个比较小
32、一点的接近圆形的有点象盖子一样的东西（里面装旋转编码器）步进电机的外观比伺服电机粗超一些！步进电机一般都是一个引出线端，伺服电机都是带编码器的所以有2个引线输出端！,综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。,2.伺服系统的基本要求和特点（1）伺服系统的基本要求稳定性好；精度高；快速响应性好。（2）伺服系统的主要特点精确的检测装置；高性能的伺服电动机；宽调速范围的速度调节系统。,3.4.2 现代运动控制技术,1.伺服电动机控制（1）伺服电动机及
33、其分类 直流伺服电动机、交流伺服电动机（2）控制系统对伺服电机的基本要求 调速范围宽、机械特性和调节特性均为线性、无自传现象、快速响应、体积小、重量轻等。（3）直流伺服电机的控制方式 电枢控制、磁场控制（4）交流伺服电机的控制方式 幅值控制、相位控制、幅相控制,2.现代运动控制现代运动控制技术是在数字信号处理器DSP和大规模集成逻辑器件FPGA的基础上发展而来的。,运动控制技术示意图,3.4.3 数控系统设计举例-基于PC的多轴运动控制,1.多轴运动控制卡-PMAC美国DELTA TAU公司生产的可编程多轴控制器PMAC(Programmable Multi-Axis Controller)，
34、是目前世界上功能最强的运动控制器之一，是完全开放体系结构、PC机平台上的运动控制卡。该产品使用高速DSP，提供全新的高性能技术和Windows平台，其最新产品TURBO PMAC可以控制32个轴，CPU速度为150MHz，具有光纤通讯、MACRO 链等功能。（1）PMAC的结构和工作原理（2）PMAC的硬件开放性（3）PMAC的软件开放性,2.基于PMAC开放式数控系统的硬件设计,数控系统的主机为研华工业控制机，操作系统为Windows NT，运动控制器采用的是PMAC四轴运动控制卡PMAC Lite，板卡配置有双端口RAM；以ACC-34A作为I/O扩展接口板，共有62个带光隔的I0结点；A
35、CC-8P为普通接线器，便于PMAC与各个伺服驱动器的连接伺服驱动电机选用的是松下永磁同步交流伺服电机，电机自身配有2500线光电编码器作为速度和位置反馈元件，主轴电机采用变频器实现主轴的无级调速。PMAC与IPC之间的通信可以通过PC总线和双端口RAM 两种方式进行。双端口RAM 主要用于与PMAC的快速数据通讯和命令通讯，当IPC 向PMAC写数据时，双端口RAM 能够在实时状态下快速地将位置指令数据或程序信息进行下载；当从PMAC中读取数据时，IPC通过双端口RAM可以快速地获取系统的状态、电机的位置、速度、跟随误差等各种数据。因而，利用双端口RAM 大大提高了数控系统的响应能力和加工精
36、度，同时也方便了用户的编程和开发。,3.基于PMAC开放式数控系统的软件设计,主控模块是为用户提供一个友好的系统操作界面，在此界面下，系统的各功能模块以菜单的形式被调用。系统的功能模块可分为实时控制类功能模块和非实时管理类模块两大类。实时控制类功能模块是控制机床当前运动和动作的软件模块，具有毫秒级甚至更高要求的时间响应；非实时管理类模块没有具体的时间响应要求。,思考题与习题3-1 什么叫数字程序控制？3-2 简述逐点比较插补法的计算过程？3-3 简述逐点比较插补法的终点判别方法？3-4 若加工第一象限直线OA，起点O(0,0)，终点A(5,3)，用逐点比较法进行插补计算并画出轨迹图。3-5 若
37、加工第一象限圆弧OA，起点O(5,0)，终点A(0,5)，用逐点比较法进行插补计算并画出轨迹图。,思考题与习题3-6 采用8255作为x轴步进电机和y轴步进电机的控制接口，画出接口电路原理图，并分别列出x轴和y轴步进电机在三相单三拍、三相双三拍和三相六拍工作方式下的输出字表。,步进电机的控制实例,#include#define uchar unsigned char sbit P1_0=P10;sbit P1_1=P11;sbit P1_2=P12;sbit P1_3=P13;sbit P1_4=P14;sbit P1_5=P15;sbit P1_6=P16;sbit P1_7=P17;sbi
38、t shut=P37;uchar RRR,flg,KKK;/*RRR用于调速控制；flg=0正转；flg=1反转;flg=2不转；KKK为P1的状态寄存*/uchar loop24=0 x0c,0 x06,0 x03,0 x09,0 x09,0 x03,0 x06,0 x0c;/低四位1100，0110，0011，1001 四相双四拍void loop1(void);void loop2(void);void step(void);,main()uchar i,j;TMOD=0 x10;/T1方式1（16位定时器）TL1=0 xf0;TH1=0 xd8;/延时10ms，置初值 EA=0;/开总
39、中断 ET1=0;/开定时器T1 while(1)while(shut);/启动开关 if(KKK!=P1)/当P1的值发生变化，触发采集信号 loop1();/控制正反转 if(flg!=2)for(i=0;i=3;i+)P0=loopflgi;for(j=0;jRRR;j+)step();/产生10MS单位步距时间,void step(void)/产生10MS的单位步时间 TF1=0;TR1=1;while(TF1=0);TR1=0;TL1=0 xf0;TH1=0 xd8;,void loop1(void)/采集顺时针或逆时针信号，P1.6=1，顺时针，P1.7=1，逆时针 KKK=P1;
40、/暂存P1的状态 if(P1_6=1)flg=0;/正转loop2();/设置不同转速 else if(P1_7=1)flg=1;/反转loop2();else flg=2;/不转,void loop2(void)if(P1_0=0)RRR=5;/5转每秒 else if(P1_1=0)RRR=10;/2.5转每秒 else if(P1_2=0)RRR=20;/1.25转每秒 else if(P1_3=0)RRR=25;/1转每秒 else if(P1_4=0)RRR=50;/0.5转每秒 else if(P1_5=0)RRR=100;/0.25转每秒,思考如何用ULN2003A驱动步进电机；如何用L297和L298驱动步进电机,
