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1、1.无带控制2.价格低廉3.编程简单4.功能简化5.数控装置体积小,第八章 经济型数控系统,8-1 经济型数控概述,价格低廉，功能简单的数控系统,一.特点：,二.经济型数控系统的种类,步进电机拖动的开环系统 系统简单、价格最便宜，可用于小型车床、铣床、钻床和线切割机床。电磁离合器切换的控制系统 用于直流电机或交流异步电机拖动，电磁离合器切换，以光栅盘、旋转变压器或感应同步器检测反馈，常用于中小型机床车削阶梯轴、铣削阶梯形零件、钻削坐标孔等加工。直流伺服电机拖动的控制系统 用直流伺服电机拖动，以编码盘、旋转变压器检测反馈。系统的性能范围较广，无噪音、精度高、过载能力强，是经济型数控中的高档产品。
2、,经济型微机数控系统原理图,8-2 步进电机的工作原理及特性,步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移的机电执行元件。,角位移,输入脉冲个数,运行速度,输入脉冲频率,步进电动机的结构,步进电动机的分类,按步进电动机的工作原理分：1.励磁式电机的定子转子均有绕组，靠电磁力矩使转子转动。2.反应式 转子无绕组，定子绕组励磁后产生反应力矩，使转子转动。这是我国步进电动机发展的主要类型，,3.混合式(即永磁感应子式)它与反应式的主要区别是转子上置有磁钢。永磁感应式电机具有驱动电流小、效率高、过载能力强等优点，是一种很有发展前途的步进电动机,步进电动机的工作原理,A,A,A,A,步进电动机的工作原理示
3、意,A-B-C-A,步进电机的通电方式,三相单三拍：其一通电顺序：A-B-C-A三相双三拍：其一通电顺序：AB-BC-CA-AB三相单/双六拍：其一通电顺序：A-AB-B-BC-C-CA-A 步距角比上两种小一倍,步进电动机单双拍运行,三相单/双6拍运行 A-AB-B-BC-C-CA-A,步距角（b）计算公式,z步进电机转子齿数,m步进电机相数,K通电方式：单拍、双拍 k1；单/双拍 k2,步进电机每输入一个脉冲信号，步进电机转动一定的角度，这个角度称为步距角。,步进电机转速计算公式,f：电脉冲的频率,例1一台三相反应式步进电动机，采用三相六拍分配方式，转子有40个齿，脉冲源频率为600Hz，
4、求：(1)写出一个循环的通电程序(2)求步进电动机步距角(3)求步进电动机转速 n,例1一台三相反应式步进电动机，采用三相六拍分配方式，转子有40个齿，脉冲源频率为600Hz，求：(1)写出一个循环的通电程序(2)求步进电动机步距角(3)求步进电动机转速 n,A-AB-B-BC-C-CA A-AC-C-CB-B-BA,解：(1)脉冲分配方式有两种：,(1)转子齿数为多少?(2)写出四相八拍运行方式的一个通电顺序。(3)如果是四相八拍运行，脉冲频率为400Hz，其每分钟的转速为多少?,例2 若一台 BF系列四相单四拍反应式步进电动机已知步距角为1.80，试问：,(3),解：,步进电动机的主要技术
5、指标与特性,精度步距误差是空载运行一步的实际转角的稳定值和理论值之差的最大值。累积误差是指从任意位置开始，经过任意步后在此之间，角位移误差的最大值。最大静转矩静转矩指步进电机处于定位状态下的电磁转矩，它是绕组内电流和失调角的函数。对应于某失调角时，静转矩最大，称为最大静转矩。,起动频率 空载时，转子从静止状态不失步地起动的最大控制频率称为起动频率或突跳频率。连续运行频率和矩频特性 运行频率连续上升时，电动机不失步运行的最高频率称为连续运行频率。在连续运行状态下，步进电机的电磁力矩将随频率的升高而急剧下降，这两者之间的关系称为矩频特性，它是步进电机十分重要的特性指标。,8-3 步进电机的驱动电源
6、,脉冲分配器+功率放大电路,步进电机的绕组是按一定通电方式工作的，为了实现这种轮流通电，需将控制脉冲按规定的通电方式分配到各组，这种分配可以用硬件也可以用软件来实现。经环分输出的脉冲未经放大故电流很小，而步进电机绕组需要的电流很大，所以由分配器出来的脉冲还需要进行功率放大才能驱动步进电机。步进电机的驱动电源一般应包括环形分配器和功率放大器两部分，由于环分可通过软件实现，通常又把功率放大部分称为驱动电源。,84 经济型数控系统的控制软件及接口逻辑,步进电机的运行速度控制,作 业,3.一台反应式步进电机，已知相数m6，单六拍运行，步距角为3度，单双十二拍运行时步距角为1.5度，求转子齿数？,一、步
7、进电动机的驱动,驱动电源的组成,脉冲分配器+功率放大电路,步进电机的驱动原理,1.脉冲分配器,当方向电平为低时，脉冲分配器的输出按A-B-C的顺序循环产生脉冲。,当方向电平为高时，脉冲分配器的输出按A-C-B的顺序循环产生脉冲。,2.功率放大器,将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给电动机的定子绕组供电，使电动机的转子产生输出转矩。,步进电动机的脉冲分配器,步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现。,硬件环形分配器：由计数器等数字电路组成的。有较好的响应速度，且具有直观、维护方便等优点。,软件环分：由计算机接口电路和相应的软件组成的。受到微型计算机运算速度的限制，有时难以满足高速实时控制
8、的要求。,1.硬件环形分配器 2.软件分配,二、步进电机的环形分配器,三相六拍环形分配器图,环形分配表,I/O接口图,2软件环形分配,软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状态，从而产生一定的脉冲分配输出。,1)输出接口,8031单片机本身包含4个8位I/O端口，分别为P0、P1、P2、P3。,输出接口是将计算机的输出端与步进电动机的每相绕组一一对应起来。,若要实现三相步进电动机的脉冲分配，需要三根输出口线，本例中选P1口的P1.0、P1.1、P1.2位作为脉冲分配的输出。,2)输出模型,如果三相步进电动机按单、双拍通电方式工作，即:,正转：A-AB-B-BC-C-CA,反转：A-A
9、C-C-CB-B-BC,根据8031单片机的基本原理，对P1.0、P1.1、P1.2位编程使其按表规定改变输出状态就实现了三相六拍分配任务。,P1输送的内容依次为：,01H A03H AB02H B06H BC04H C 05H CA,正转,反转,输出模型,3)控制程序,按正转和反转的要求将输出模型向P1口发送，并控制步进电动机的速度。,设输出模型存放在存储器中，首地址为2000H，地址指针为DPR,初始值为2000H。,三、对步进电机驱动电源的要求,驱动电源指功率放大部分。为保证步进电机又足够的输出转矩和快速性，驱动电源提供的电流波形应尽量接近矩形波。为保证步进电机有一定的输出转矩和快速性，
10、必须使用较高的驱动电压。此时为了减小过渡过程时间常数并限制励磁电流不超过额定值，往往要串联适当的电阻，这在电机每相电流不大时是允许的。对于功率步进电机，常采用功耗小、效率高，又能加快过渡过程的高低压供电方式、斩波恒流式或其他方式。,四、步进电机驱动电源的分类,按供电方式分类单电压供电双电压供电调频调压供电按功率驱动部分所用元件分类大功率晶体管驱动快速晶闸管驱动可关断晶闸管驱动（GTO)混合驱动,五、提高驱动电源性能的措施采用简单的功率放大线路,RO为限流电阻，C为加速电容，使电流上升加快。Rd、R为放电回路。,以恒流源代替限流电阻RO由于D1、D2稳压值小，R1值也小，在过渡过程中，T工作在放
11、大状态，等效电阻很大，可以减小 改善前沿。,双电压供电线路及有关波形,先接通高压使绕组中的电流有较陡的上升沿。,高压箝位放电线路及波形,在高低压切换供电方式中，采用高压箝位放电的方法，改善电流波形下降沿并保持低压功率管。,六、功率放大器线路介绍,几种典型的功率放大线路单电压供电方式双电压供电方式双电压恒流驱动电路斩波恒流功放电路,步进电动机的功率驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。,由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组，因此，功率放大电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。,1、单电压供电方式,Rc1、Rc2用来保证绕组稳态电流为额定值，同时起到减小电路时间常数
12、，改善电流波形前沿的作用。阻容吸收回路是利用电容两端电压不能突变的原理，防止在T3截至瞬间，感应电势全部加在T3上。,2.高低压切换型驱动电路,高低压驱动线路的优点是：功耗小，启动力矩大，突跳频率和工作频率高。缺点是：大功率管的数量要多用一倍，增加了驱动电源。,3、双电压恒流驱动电路,双电压恒流驱动电路又称波顶补偿电路。Re为电流检测电阻。,4、斩波恒流功放电路,t,也是波顶补偿电路。Vin=0时，获得较陡的电流后沿。,斩波平滑功放电路,主要影响电流波形上升沿的，是脉冲序列的频率。,步进电机小结,基本要求 掌握步进电动机步矩角和步进电动机转速的数学表达式及其物理意义；了解步进电动机环形分配器的基本原理及其硬、软件的实现方法，了解两种不同类型步进电动机的驱动电路及其优缺点；掌握步进电动机的结构、运行特性及影响因素。,步进电动机的重点与难点,1重点 分析和设计简单的步进电动机驱动电路：掌握步进电动机的主要性能指标。2难点 步进电动机的不同结构，不同脉冲分配方式及其运行性能:驱动电路对步进电动机运行性能的影响。,
