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數(shù)字控制技術 3 1數(shù)字控制基礎3 2逐點比較法插補原理3 3多軸步進驅動控制技術3 4多軸伺服驅動控制技術 數(shù)控技術和數(shù)控機床是實現(xiàn)柔性制造 FlexibleManufacturing FM 和計算機集成制造 ComputerIntegratedManufacturing CIM 的最重要的基礎技術之一 3 1數(shù)字控制基礎 3 1 1數(shù)控技術發(fā)展概況3 1 2數(shù)字控制原理3 1 3數(shù)字控制方式3 1 4數(shù)字控制系統(tǒng)3 1 5數(shù)控系統(tǒng)的分類 3 1 1數(shù)控技術發(fā)展概況 所謂數(shù)字控制 就是計算機根據輸入的指令和數(shù)據 控制生產機械 如各種加工機床 按規(guī)定的工作順序 運動軌跡 運動距離和運動速度等規(guī)律自動地完成工作的自動控制 數(shù)字控制主要應用于機床控制 采用數(shù)字程序控制系統(tǒng)的機床叫做數(shù)控機床 數(shù)字控制系統(tǒng)由數(shù)控裝置 驅動裝置 可編程控制器和檢測裝置等四大部分組成 其中 數(shù)控裝置能接收零件圖樣加工要求的信息 進行插補運算 實時地向各坐標軸發(fā)出速度控制指令 驅動裝置能快速響應數(shù)控裝置發(fā)出的指令 驅動機床各坐標軸運動 數(shù)字控制裝置一般由輸入裝置 輸出裝置 控制器和插補器四部分組成 這些功能都由計算機來完成 將所需加工的輪廓曲線 按照一定的原則進行分割 將各點坐標輸入計算機 如圖所示 1 曲線分割 3 1 2數(shù)字控制原理 根據給定的各曲線段的起點 終點坐標 以一定的規(guī)律定出一系列中間點 要求這些中間點所連接的曲線必須以一定的精度逼近給定的線段 確定各坐標值之間的中間值的數(shù)值計算方法稱為插值或插補 常用的插補形式有直線插補和二次曲線 圓弧 拋物線 雙曲線等 插補兩種 2 插補計算 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 也就是由此定出中間點連接起來的折線近似于一條直線 并不是真正的直線 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 拋物線和雙曲線等 x y a b c d 當給定a b c d各點坐標x和y值之后 如何確定各坐標值之間的中間值 求得這些中間值的數(shù)值計算方法稱為插值或插補 插補計算的宗旨是通過給定的基點坐標 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值是以一定的精度逼近給定的線段 3 脈沖分配 根據插補運算過程中給定的各中間點 對x y方向分配脈沖信號 以控制步進電機的旋轉方向 速度及轉動的角度 步進電機帶動刀具 從而加工出所需要的輪廓 對應于每個脈沖移動的相對位置稱為步長或脈沖當量 用表示 并且 如圖 設起點坐標為 x0 y0 終點坐標為 xe ye 則在x y方向移動的總步數(shù)Nx Ny為 插補運算就是如何分配x和y方向上的脈沖數(shù) 使實際的中間點的軌跡盡可能地逼近理想軌跡 3 1 3數(shù)字控制方式 1 點位控制 定位 點位控制只要求控制機床的移動部件從一個點準確移動到另一個點 對中間運動軌跡不作要求 且在移動過程中也不作任何加工 如數(shù)控鉆床 數(shù)控沖床等 2 直線控制 單軸切削 直線切削控制除控制點到點的準確定位外 還要控制兩點之間的移動速度和路線 運動路線只是相對某一直角坐標軸作平行運動 且在運動的過程中以一定的進給速度進行切削加工 如數(shù)控車床 數(shù)控銑床等 3 輪廓控制 多軸切削 輪廓切削控制能對兩個及兩個以上的運動坐標的位移和速度同時進行控制 控制刀具沿工件輪廓曲線不斷地運動 這種方式是借助于插補器進行的 插補器根據加工的工件輪廓向每一個坐標軸分配速度指令 以獲得給定坐標點之間的中間點 如數(shù)控車床 數(shù)控銑床等 3 1 4數(shù)字控制系統(tǒng) 1 開環(huán)數(shù)字控制2 閉環(huán)數(shù)字控制 1 開環(huán)數(shù)字控制 這種控制結構沒有反饋檢測元件 工作臺由步進電機驅動 步進電機接收步進電機驅動電路發(fā)來的指令脈沖作相應的旋轉 把刀具移動到與指令脈沖相當?shù)奈恢?至于刀具是否到達了指令脈沖規(guī)定的位置 那是不受任何檢查的 因此這種控制的可靠性和精度基本上由步進電機和傳動裝置來決定 2 閉環(huán)數(shù)字控制 這種結構的執(zhí)行機構多采用直流電機 小慣量伺服電機和寬調速力矩電機 作為驅動元件 反饋測量元件采用光電編碼器 碼盤 光柵 感應同步器等 該控制方式主要用于大型精密加工機床 但其結構復雜 難于調整和維護 一些常規(guī)的數(shù)控系統(tǒng)很少采用 增量式編碼器 該產品廣泛應用于自動控制 自動測量 遙控 計算機技術以及在數(shù)控機床作角度和橫縱坐標的測量等 將位移轉換成周期性電信號 再把這個電信號轉換成計數(shù)脈沖 用脈沖的個數(shù)表示位移的大小 絕對式編碼器 把機械位移量用二進制碼或格雷碼作為絕對位置而進行輸出的方式 伺服編碼器 是安裝在伺服電機上用來測量磁極位置和電機轉角位置和轉速的一種傳感器 此外 還有拉線式編碼器 記米輪 光柵尺等光電編碼器 3 1 5數(shù)控系統(tǒng)的分類 1 傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng) 硬件式數(shù)控 2 開放式數(shù)控系統(tǒng) 1 PCINNC結構式數(shù)控系統(tǒng) 2 NCINPC結構式數(shù)控系統(tǒng)3 網絡化數(shù)控系統(tǒng) 3 2逐點比較法插補原理 3 2 1逐點比較法直線插補3 2 2逐點比較法圓弧插補 所謂逐點比較法插補 就是刀具或繪圖筆每走一步都要和給定軌跡上的坐標值進行比較 看這點在給定軌跡的上方或下方 或是給定軌跡的里面或外面 從而決定下一步的進給方向 如果原來在給定軌跡的下方 下一步就向給定軌跡的上方走 如果原來在給定軌跡的里面 下一步就向給定軌跡的外面走 如此 走一步 看一看 比較一次 決定下一步走向 以便逼近給定軌跡 即形成逐點比較插補 逐點比較法是以階梯折線來逼近直線或圓弧等曲線的 它與規(guī)定的加工直線或圓弧之間的最大誤差為一個脈沖當量 因此只要把脈沖當量 每走一步的距離即步長 取得足夠小 就可達到加工精度的要求 設插補曲線為 Fm F x y 偏差函數(shù) Fm F x y 0刀具在曲線的上方 3 2 1逐點比較法直線插補 逐點比較法流程圖 偏差判別 判斷上一步進給后的偏差是Fm 0還是Fm 0 坐標進給 根據所在象限和偏差判別的結果 決定進給坐標軸及其方向 偏差計算 計算進給一步后新的偏差 作為下一步進給的偏差判別依據 終點判斷 進給一步后 終點計數(shù)器減1 判斷是否到達終點 到達終點則停止運算 若沒有到達終點 返回 如此不斷循環(huán)直到到達終點 逐點比較法直線插補計算的四個步驟 1 第一象限的直線插補 1 建立偏差函數(shù)設函數(shù) 2 進給與偏差計算若加工點正處于m點時 當加工點在OA上或OA上方 應沿 x方向進一步 該點坐標為 若加工點正處于m點時 當加工點在OA下方 應沿 y方向進一步 該點坐標為 3 終點判斷方法a 對x y方向分別設置減法計數(shù)器Nx Ny 分別用終點坐標對其初始化 從終點向始點移動 每進給一步計數(shù)器減1 直至計數(shù)器值為零 b 設一個終點計數(shù)器 初始值為x y方向的進給總步數(shù)Nxy 進給一步計數(shù)器減1 若Nxy 0 則到達終點 不同象限直線插補的偏差符號和進給方向如圖 2 四個象限的直線插補 表3 2直線插補的進給方向及偏差計算公式 記憶 2象限 1象限以y軸鏡象 4象限 1象限以x軸鏡象 3象限 1象限旋轉180度 注意 表中坐標值為不帶符號的數(shù) 3 直線插補計算的程序流程 第一象限時 4象限內的直線插補流程圖 x x y y 6個內存單元數(shù)據 XE 終點X坐標YE 終點Y坐標NXY 總步數(shù) Nxy Nx NyFM 加工點偏差 FM初值為0XOY 象限值 1 2 3 4分別代表1 2 3 4象限ZF 進給方向 1 2 3 4代表在 x x y y方向進給 例3 1 設加工第一象限直線OA 起點為O 0 0 終點坐標為A 6 4 試進行插補計算并作出走步軌跡圖 解 坐標進給的總步數(shù)Nxy 6 0 4 0 10 xe 6 ye 4 F0 0 xoy 1 軌跡如圖 練習 設加工第二象限直線OA 起點坐標為O 0 0 終點坐標為A 6 4 試進行插補計算 填入表中 并作出走步軌跡圖 解 坐標進給的總步數(shù)Nxy 6 0 4 0 10 xe 6 ye 4 F0 0 xoy 1 1 第一象限內順圓弧插補 3 2 2逐點比較法圓弧插補 1 建立偏差函數(shù)設函數(shù) 2 進給與偏差計算若加工點正處于m點時 當表明加工點在圓弧上或圓弧外 應沿 y方向進一步 該點坐標為 新偏差 當加工點正處于m點時 當表明加工點在圓弧內 應沿 x方向進一步 該點坐標為 新偏差 3 終點判斷方法設一個終點計數(shù)器 初始值為x y方向的進給總步數(shù)Nxy 進給一步計數(shù)器減1 若Nxy 0 則到達終點 逐點比較法圓弧插補計算的五個步驟 偏差判別 坐標進給 偏差計算 坐標計算 終點判斷 注意 在偏差計算的同時 要進行動點瞬時坐標值的計算 以便為下一點的偏差計算做好準備 2 第一象限內逆圓弧插補 2 進給與偏差計算若加工點正處于m點時 當表明加工點在圓弧上或圓弧外 應沿 x方向進一步 該點坐標為 新偏差 1 建立偏差函數(shù)設函數(shù) 若加工點正處于m點時 當表明加工點在圓弧內 應沿 y方向進一步 該點坐標為 新偏差 3 四個象限的圓弧插補 圓弧插補中 沿對稱軸的進給的方向相同 沿非對稱軸的進給的方向相反 所有對稱圓弧的偏差計算公式 只要取起點坐標的絕對值 均與第一象限中的逆圓弧或順圓弧的偏差計算公式相同 注意 記憶 2象限 1象限以y軸鏡象 4象限 1象限以x軸鏡象 3象限 1象限旋轉180度 表3 4圓弧插補的進給方向及偏差計算公式 注意 表中坐標值為不帶符號的數(shù) 如第四象限中的點 4 3 應用xm 4 ym 3查表計算 4 圓弧插補計算的程序實現(xiàn) 1 數(shù)據的輸入及存放在計算機的內存中開辟八個單元XO YO NXY FM RNS XM YM和ZF 分別存放起點的橫坐標x0 起點的縱坐標y0 總步數(shù)Nxy 加工點偏差Fm 圓弧種類值RNS xm ym和走步方向標志 這里Nxy xe x0 ye y0 RNS等于1 2 3 4和5 6 7 8分別代表SR1 SR2 SR3 SR4和NR1 NR2 NR3 NR4 RNS的值可由起點和終點的坐標的正 負符號來確定 Fm的初值為F0 xm和ym的初值為x0和y0 ZF 1 2 3 4分別表示 x x y y走步方向 2 圓弧插補計算的程序流程按照插補計算的五個步驟來實現(xiàn)插補計算程序 即 偏差判別坐標進給偏差計算坐標計算終點判斷 y軸 指明RNS 可以選擇同樣的偏差計算公式 判斷Fm的值 判斷Fm的值 x軸 其中內存單元數(shù)據 X0 起點X坐標Y0 起點Y坐標NXY 總步數(shù) Nxy Nx NyFM 加工點偏差 XM xmYM ymRNS 圓弧種類 1 2 3 4和5 6 7 8分別代表SR1 SR2 SR3 SR4和NR1 NR2 NR3 NR4 ZF 進給方向 1 2 3 4代表在 x x y y方向進給 例3 2 設加工第一象限逆圓弧AB 已知起點的坐標為A 4 0 終點的坐標為B 0 4 試進行插補計算并作出走步軌跡圖 解 坐標進給總步數(shù)Nxy xe x0 ye y0 8 x0 4 y0 0 F0 0插補過程如表所示 插補計算過程 走步軌跡 練習 設加工第二象限逆圓弧AB 已知圓弧的起點坐標為A 4 0 終點坐標為B 0 4 試進行插補計算 并作出走步軌跡圖 解 坐標進給總步數(shù)Nxy xe x0 ye y0 8 x0 4 y0 0 F0 0插補過程如表所示 3 3多軸步進電機控制技術 3 3 1步進電機的工作原理3 3 2步進電機的工作方式3 3 3步進電機控制接口及輸出字表3 3 4步進電機控制程序3 3 5數(shù)控系統(tǒng)設計舉例 三軸步進電機控制 數(shù)控機床的驅動元件常常是步進電機 步進電機是電機類中比較特殊的一種 它是靠脈沖來驅動的 步進電機 脈沖電機 給一個脈沖電機轉一下 它是一種將電脈沖信號轉換為角位移的機電式數(shù)模 D A 轉換器 步進電機不是連續(xù)的變化 而是跳躍的 離散的 靠步進電機來驅動的數(shù)控系統(tǒng)的工作站或刀具總移動步數(shù)決定于指令脈沖的總數(shù) 而刀具移動的速度則取決于指令脈沖的頻率 3 3 1步進電機的工作原理 1 步進電機的結構 由內轉子和定子構成 定子 定子上有繞組 圖示電機是三相電機 有3對磁極 實際上步進電機不僅有三相 還有四相 五相等等 三對磁極分別為A B C 通過開關輪流通電 轉子 上面帶齒 為了說明問題 這里只畫了4個齒 一般有幾十個齒 2 步進電機的工作過程 A相通電 A相磁極與0 2號齒對齊 B相通電 由于磁力線作用 B相磁極與1 3號齒對齊 C相通電 由于磁力線作用 C相磁極與0 2號齒對齊 A相通電 由于磁力線作用 A相磁極與1 3號齒對齊 結論 定子按A B C A相輪流通電 則磁場沿A B C方向轉動360度角 轉子沿ABC方向轉動了一個齒距的位置 齒數(shù)為4 齒距角為90度 即1個齒距轉動了90度 3 步進電機的 相 和 拍 相 繞組的個數(shù) 拍 繞組的通電狀態(tài) 如 三拍表示一個周期共有3種通電狀態(tài) 六拍表示一個周期有6種通電狀態(tài) 每個周期步進電機轉動一個齒距 4 步進電機的步距角的計算步距角 步進電機每拍步進的角度 對于一個步進電機 如果它的轉子的齒數(shù)為Z 它的齒距角 Z為 Z 2 Z 360 Z而步進電機運行N拍可使轉子轉動一個齒距位置 步進電機的步距角 可以表示如下 Z N 360 NZ 其中 N是步進電機工作拍數(shù) Z是轉子的齒數(shù) 對于4個齒的三相步進電機 若采用三拍方式 則它的步距角是 360 3 4 30 對于轉子有40個齒且采用三拍方式的步進電機而言 其步距角是 360 3 40 3 3 3 2步進電機的工作方式 1 步進電機單三拍工作方式2 步進電機的雙三拍工作方式3 步進電機的三相六拍工作方式 1 單三拍工作方式 單三拍就是每次只給一個線組通電 其余的繞組斷開 繞組的通電順序 A B C A 電壓波形 在這里 步進電機是由脈沖控制的 而脈沖的輸出受計算機的控制 3 步進電機的三相六拍工作方式 繞組的通電順序 AABBBCCCAA 電壓波形 3 3 3步進電機控制接口及輸出字表 步進電機的控制中 要關心下列問題 步進電機的精度問題 步進電機的工作精度問題 速度調節(jié)問題 步進電機運動速度的快慢的調節(jié) 計算機接口問題 和計算機接口應該注意的問題 常規(guī)的步進電機控制電路如圖所示 補充 步進電機的控制原理 變頻信號源 是一個頻率可調的脈沖信號發(fā)生器 它根據步進電機速度變化的需要把不同頻率的脈沖送到脈沖分配器 脈沖分配器 把脈沖串按一定規(guī)律分配給功率放大器的各相輸入端 又稱環(huán)形分配器 輸入 步進脈沖 1個脈沖為1拍 走一步 方向選擇 正轉或反轉 輸出 各相繞組的驅動脈沖 功率放大器 脈沖分配器的輸出電路不足以驅動步進電機 需要進行功率放大 采用微機控制主要取代變頻信號源和脈沖分配器 而給步進電機提供驅動電源的驅動電路是必不可少的 1 步進電機控制接口 研華板卡控制兩臺三相步進電機接口示意圖 8255控制兩臺三相步進電機接口示意圖 步進電機控制的輸出字表 三相六拍工作方式 如表3 6所示 若要控制電機正轉 則按照ADx1 ADx2 ADx3 ADx4 ADx5 ADx6 ADx1 和ADy1 ADy2 ADy3 ADy4 ADyX5 ADy6 ADy1 順序分別向PA和PB口送控制字即可 若要反轉 則按相反的順序 2 步進電機控制的輸出字表 3 3 4步進電機控制程序 1 步進電機走步控制程序2 步進電機速度控制程序 硬件電路 電機類型 三相 四相等 步踞角 最高通電頻率 最低通電頻率等等 頻率對應的是速度 選擇工作方式 電機控制的調速問題 1 步進電機走步控制程序什么是走步程序 用ADX和ADY分別表示x軸和y軸步進電機輸出字表的取數(shù)地址指針 且用ZF 1 2 3 4分別表示 x x y y走步方向 在流程圖的第一個判斷中 ZF通過對Fm的判斷來賦值 因此 這個程序還要和插補計算程序結合起來看 x x y y x軸 y軸 若將步進控制程序和插補計算程序結合起來 并修改程序的初始化和循環(huán)控制判斷的內容 便可以很好地實現(xiàn)xOy坐標平面的數(shù)字程序控制 為機床電器的自動控制提供了有力的手段 步進電機的輸出字更換得越快 步進電機的轉速越高 因此 控制延時時間常數(shù) 即可達到調速的目的 一般采用查表法來可控制步進電機的進給速度 即離線計算出各步的延時時間放入延時時間表中 然后按地址表一次取出下一步進給的延時值 通過延時程序或定時器產生給定的時間間隔 發(fā)出相應的走步命令 2 步進電機速度控制程序 設Ti為相鄰兩個進給脈沖之間的時間間隔 s Vi為進給一步后的末速度 步 s a為進給一步的加速度 步 s2 則得 則 注意 按正序或反序取輸出字可控制步進電機正轉或反轉 速度往往和輸出字的輸送的頻率有關 輸出字更換得越快 步進電機的轉速越高 調速過程總是有加速問題 控制延時的時間常數(shù) 即可達到調速的目的 Ti為相鄰兩次走步的時間間隔 Vi為進給一步后速度 a為加速度 3 3 5數(shù)控系統(tǒng)設計舉例 三軸步進電機控制 1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結構及主要部件 1 工業(yè)控制機 IPC 2 運動控制卡 2 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結構及主要功能模塊該軟件為多任務操作系統(tǒng) 系統(tǒng)主要模塊的功能如下 1 多任務操作模塊 2 人機接口模塊 3 軌跡插補模塊 4 運動學算法模塊 5 位置控制模塊 6 方式控制模塊 7 程序控制模塊 8 參數(shù)管理模塊 9 運動仿真模塊 動態(tài)顯示模塊等 3 4多軸伺服驅動控制技術 3 4 1伺服系統(tǒng)3 4 2現(xiàn)代運動控制技術3 4 3數(shù)控系統(tǒng)設計舉例 基于PC的多軸運動控制 在自動控制系統(tǒng)中 把輸出量能夠以一定準確度跟隨輸入量變化的系統(tǒng)稱為隨動系統(tǒng) 亦稱伺服系統(tǒng) 例如 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是指以機床移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng) 又稱為隨動系統(tǒng) 1 伺服系統(tǒng)及其組成伺服系統(tǒng)由伺服驅動裝置和驅動元件 即伺服電機 組成 高性能的伺服系統(tǒng)還有檢測裝置 反饋實際的輸出狀態(tài) 3 4 1伺服系統(tǒng) 補充 伺服電機與步進電機的區(qū)別 伺服電動機又稱執(zhí)行電動機 在自動控制系統(tǒng)中 用作執(zhí)行元件 把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出 其主要特點是 當信號電壓為零時無自轉現(xiàn)象 轉速隨著轉矩的增加而勻速下降 伺服電機主要靠脈沖來定位 伺服電機接收到1個脈沖 就會旋轉1個脈沖對應的角度 從而實現(xiàn)位移 因為伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能 所以伺服電機每旋轉一個角度 都會發(fā)出對應數(shù)量的脈沖 這樣 和伺服電機接受的脈沖形成了呼應 或者叫閉環(huán) 如此一來 系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機 同時又收了多少脈沖回來 這樣 就能夠很精確的控制電機的轉動 從而實現(xiàn)精確的定位 可以達到0 001mm 步進電機是一種離散運動的裝置 它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術有著本質的聯(lián)系 在目前國內的數(shù)字控制系統(tǒng)中 步進電機的應用十分廣泛 隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn) 交流伺服電機也越來越多地應用于數(shù)字控制系統(tǒng)中 為了適應數(shù)字控制的發(fā)展趨勢 運動控制系統(tǒng)中大多采用步進電機或全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機 雖然兩者在控制方式上相似 脈沖串和方向信號 但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異 一 控制精度不同兩相混合式步進電機步距角一般為3 6 1 8 五相混合式步進電機步距角一般為0 72 0 36 也有一些高性能的步進電機步距角更小 交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證 對于帶17位編碼器的電機而言 驅動器每接收 131072個脈沖電機轉一圈 即其脈沖當量為9 89秒 是步距角為1 8 的步進電機的脈沖當量的1 655 一 控制精度不同兩相混合式步進電機步距角一般為3 6 1 8 五相混合式步進電機步距角一般為0 72 0 36 也有一些高性能的步進電機步距角更小 交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證 對于帶17位編碼器的電機而言 驅動器每接收 131072個脈沖電機轉一圈 即其脈沖當量為9 89秒 是步距角為1 8 的步進電機的脈沖當量的1 655 二 低頻特性不同步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象 振動頻率與負載情況和驅動器性能有關 這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉非常不利 當步進電機工作在低速時 一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現(xiàn)象 交流伺服電機運轉非常平穩(wěn) 即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象 交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能 可涵蓋機械的剛性不足 并且系統(tǒng)內部具有頻率解析機能 FFT 可檢測出機械的共振點 便于系統(tǒng)調整 三 矩頻特性不同步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降 且在較高轉速時會急劇下降 所以其最高工作轉速一般在300 600RPM 交流伺服電機為恒力矩輸出 即在其額定轉速 一般為2000RPM或3000RPM 以內 都能輸出額定轉矩 在額定轉速以上為恒功率輸出 四 過載能力不同步進電機一般不具有過載能力 交流伺服電機具有較強的過載能力 以松下交流伺服系統(tǒng)為例 它具有速度過載和轉矩過載能力 其最大轉矩為額定轉矩的三倍 可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩 步進電機因為沒有這種過載能力 在選型時為了克服這種慣性力矩 往往需要選取較大轉矩的電機 而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩 便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象 五 運行性能不同步進電機的控制為開環(huán)控制 啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉的現(xiàn)象 停止時轉速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象 所以為保證其控制精度 應處理好升 降速問題 交流伺服驅動系統(tǒng)為閉環(huán)控制 驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣 內部構成位置環(huán)和速度環(huán) 一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象 控制性能更為可靠 六 速度響應性能不同步進電機從靜止加速到工作轉速需要200 400毫秒 交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好 以松下MSMA400W交流伺服電機為例 從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒 可用于要求快速啟停的控制場合 七 外形不同從外形上看 步進電機前后外形基本都是方形的 伺服電機前面外形基本也是方形的 但是最后有一個比較小一點的接近圓形的有點象蓋子一樣的東西 里面裝旋轉編碼器 步進電機的外觀比伺服電機粗超一些 步進電機一般都是一個引出線端 伺服電機都是帶編碼器的所以有2個引線輸出端 綜上所述 交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機 但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執(zhí)行電動機 所以 在控制系統(tǒng)的設計過程中要綜合考慮控制要求 成本等多方面的因素 選用適當?shù)目刂齐姍C 2 伺服系統(tǒng)的基本要求和特點 1 伺服系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性好 精度高 快速響應性好 2 伺服系統(tǒng)的主要特點精確的檢測裝置 高性能的伺服電動機 寬調速范圍的速度調節(jié)系統(tǒng) 3 4 2現(xiàn)代運動控制技術 1 伺服電動機控制 1 伺服電動機及其分類直流伺服電動機 交流伺服電動機 2 控制系統(tǒng)對伺服電機的基本要求調速范圍寬 機械特性和調節(jié)特性均為線性 無自傳現(xiàn)象 快速響應 體積小 重量輕等 3 直流伺服電機的控制方式電樞控制 磁場控制 4 交流伺服電機的控制方式幅值控制 相位控制 幅相控制 2 現(xiàn)代運動控制現(xiàn)代運動控制技術是在數(shù)字信號處理器DSP和大規(guī)模集成邏輯器件FPGA的基礎上發(fā)展而來的 運動控制技術示意圖 3 4 3數(shù)控系統(tǒng)設計舉例 基于PC的多軸運動控制 1 多軸運動控制卡 PMAC美國DELTATAU公司生產的可編程多軸控制器PMAC ProgrammableMulti AxisController 是目前世界上功能最強的運動控制器之一 是完全開放體系結構 PC機平臺上的運動控制卡 該產品使用高速DSP 提供全新的高性能技術和Windows平臺 其最新產品TURBOPMAC可以控制32個軸 CPU速度為150MHz 具有光纖通訊 MACRO鏈等功能 1 PMAC的結構和工作原理 2 PMAC的硬件開放性 3 PMAC的軟件開放性 2 基于PMAC開放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件設計 數(shù)控系統(tǒng)的主機為研華工業(yè)控制機 操作系統(tǒng)為WindowsNT 運動控制器采用的是PMAC四軸運動控制卡PMACLite 板卡配置有雙端口RAM 以ACC 34A作為I O擴展接口板 共有62個帶光隔的I 0結點 ACC 8P為普通接線器 便于PMAC與各個伺服驅動器的連接 伺服驅動電機選用的是松下永磁同步交流伺服電機 電機自身配有2500線光電編碼器作為速度和位置反饋元件 主軸電機采用變頻器實現(xiàn)主軸的無級調速 PMAC與IPC之間的通信可以通過PC總線和雙端口RAM兩種方式進行 雙端口RAM主要用于與PMAC的快速數(shù)據通訊和命令通訊 當IPC向PMAC寫數(shù)據時 雙端口RAM能夠在實時狀態(tài)下快速地將位置指令數(shù)據或程序信息進行下載 當從PMAC中讀取數(shù)據時 IPC通過雙端口RAM可以快速地獲取系統(tǒng)的狀態(tài) 電機的位置 速度 跟隨誤差等各種數(shù)據 因而 利用雙端口RAM大大提高了數(shù)控系統(tǒng)的響應能力和加工精度 同時也方便了用戶的編程和開發(fā) 3 基于PMAC開放式數(shù)控系統(tǒng)的軟件設計 主控模塊是為用戶提供一個友好的系統(tǒng)操作界面 在此界面下 系統(tǒng)的各功能模塊以菜單的形式被調用 系統(tǒng)的功能模塊可分為實時控制類功能模塊和非實時管理類模塊兩大類 實時控制類功能模塊是控制機床當前運動和動作的軟件模塊 具有毫秒級甚至更高要求的時間響應 非實時管理類模塊沒有具體的時間響應要求 思考題與習題3 1什么叫數(shù)字程序控制 3 2簡述逐點比較插補法的計算過程 3 3簡述逐點比較插補法的終點判別方法 3 4若加工第一象限直線OA 起點O 0 0 終點A 5 3 用逐點比較法進行插補計算并畫出軌跡圖 3 5若加工第一象限圓弧OA 起點O 5 0 終點A 0 5 用逐點比較法進行插補計算并畫出軌跡圖 思考題與習題3 6采用8255作為x軸步進電機和y軸步進電機的控制接口 畫出接口電路原理圖 并分別列出x軸和y軸步進電機在三相單三拍 三相雙三拍和三相六拍工作方式下的輸出字表 步進電機的控制實例 include defineucharunsignedcharsbitP1 0 P1 0 sbitP1 1 P1 1 sbitP1 2 P1 2 sbitP1 3 P1 3 sbitP1 4 P1 4 sbitP1 5 P1 5 sbitP1 6 P1 6 sbitP1 7 P1 7 sbitshut P3 7 ucharRRR flg KKK RRR用于調速控制 flg 0正轉 flg 1反轉 flg 2不轉 KKK為P1的狀態(tài)寄存 ucharloop 2 4 0 x0c 0 x06 0 x03 0 x09 0 x09 0 x03 0 x06 0 x0c 低四位1100 0110 0011 1001四相雙四拍voidloop1 void voidloop2 void voidstep void main uchari j TMOD 0 x10 T1方式1 16位定時器 TL1 0 xf0 TH1 0 xd8 延時10ms 置初值EA 0 開總中斷ET1 0 開定時器T1while 1 while shut 啟動開關if KKK P1 當P1的值發(fā)生變化 觸發(fā)采集信號loop1 控制正反轉if flg 2 for i 0 i 3 i P0 loop flg i for j 0 j RRR j step 產生10MS單位步距時間 voidstep void 產生10MS的單位步時間 TF1 0 TR1 1 while TF1 0 TR1 0 TL1 0 xf0 TH1 0 xd8 voidloop1 void 采集順時針或逆時針信號 P1 6 1 順時針 P1 7 1 逆時針 KKK P1 暫存P1的狀態(tài)if P1 6 1 flg 0 正轉loop2 設置不同轉速 elseif P1 7 1 flg 1 反轉loop2 else flg 2 不轉 voidloop2 void if P1 0 0 RRR 5 5轉每秒 elseif P1 1 0 RRR 10 2 5轉每秒 elseif P1 2 0 RRR 20 1 25轉每秒 elseif P1 3 0 RRR 25 1轉每秒 elseif P1 4 0 RRR 50 0 5轉每秒 elseif P1 5 0 RRR 100 0 25轉每秒 思考如何用ULN2003A驅動步進電機 如何用L297和L298驅動步進電機