順序控制與數(shù)字控制.ppt

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第三章順序控制與數(shù)字控制,3.1順序控制3.2數(shù)字程序控制習題,3.1順序控制,3.1.1順序控制系統(tǒng)的類型1.按被控對象的特性分類順序控制包括時間順序控制系統(tǒng)、邏輯順序控制系統(tǒng)和條件順序控制系統(tǒng)等。,時間順序控制系統(tǒng)是固定時間程序的控制系統(tǒng)。它以執(zhí)行時間為依據(jù)，每個設備的運行或停止與時間有關。例如，在物料的輸送過程中，為了防止各輸送帶電動機同時啟動造成負荷的突然增大，并且為了防止物料的堵塞，通常先啟動后級的輸送帶電動機，經(jīng)一定時間延時后，再啟動前級的輸送帶電動機。在停止輸送時，先停止前級輸送帶的電動機，延時后再停止后級輸送帶的電動機，使在輸送帶上的物料能輸送完畢。又例如，在交通控制系統(tǒng)中，東西南北方向各色信號燈的點亮和熄滅是在時間上已經(jīng)確定的，所以，它將按照一定的時間來點亮或熄滅信號燈。這類順序控制系統(tǒng)的特點是各設備運行時間是事先已確定的，一旦順序執(zhí)行，將按預定的時間執(zhí)行操作指令。,邏輯順序控制系統(tǒng)按照邏輯先后順序執(zhí)行操作指令，它與時間無嚴格的關系。例如，在批量控制的反應釜中，反應初期，首先打開基料閥，基料流入反應釜中，達到一定液位時，啟動攪拌機。在攪拌開始后，液位因基料在繼續(xù)流入而升高，當達到某一液位時，反應基料停止加入，其它物料開始加入，當液位達到另一設定液位時，物料停止加入，開始加入蒸汽升溫，并開始反應。圖31為反應釜工作流程圖。,圖3-1反應釜工作流程圖,在實際中基料與物料分別存放在各自的儲液罐內，在這個過程中，進料的流量大小受到進料儲罐液位的影響，液位高，則進料壓力大，流量也大，達到啟動攪拌機的液位所需時間也短。同樣，在加入其它物料時，因受物料流量的影響，液位達到所需液位的時間也不同。但是，在這類控制系統(tǒng)中，執(zhí)行操作指令的邏輯順序關系不變，因此，稱這類控制系統(tǒng)是邏輯順序控制系統(tǒng)。這類控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程的控制中應用較多。,條件順序控制系統(tǒng)是以執(zhí)行操作指令的條件是否滿足為依據(jù)，當條件滿足時，相應的操作就被執(zhí)行，不滿足時，將執(zhí)行另外的操作。典型的例子是電梯控制系統(tǒng)。當某一層有乘客按了向上按鈕后，如電梯空閑，則電梯自動向該層運行。當乘客進入電梯轎廂，并按了所需去的樓層按鈕后，在一定的時間延時和關閉電梯門后，電梯將運行，一直等到電梯到達了所需的樓層，自動打開轎廂門。這里，電梯的運行根據(jù)條件確定，可向上運行也可向下運行，所停的樓層也根據(jù)乘客所需確定。這類順序控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中也有較多的應用。,2.按控制技術手段分類順序控制系統(tǒng)在工業(yè)控制領域的應用很廣，順序控制系統(tǒng)實現(xiàn)的方案有采用繼電器組成的邏輯控制系統(tǒng)、采用晶體管的無觸點邏輯控制系統(tǒng)、采用可編程序控制器的邏輯控制系統(tǒng)和采用計算機的邏輯控制系統(tǒng)等。繼電器組成的順序邏輯控制系統(tǒng)是歷史最久的一種實現(xiàn)方法。它的控制功能全部由硬件完成，即采用繼電器的常開常閉觸點、延時斷開延時閉合觸點等可動觸點和普通繼電器、時間繼電器、接觸器等執(zhí)行裝置完成所需的順序邏輯功能。例如，電動機的開?？刂频取Ｊ芾^電器觸點可靠性的影響和使用壽命的限制，這類控制系統(tǒng)的使用故障較多，使用壽命較短，加上因采用硬件完成順序邏輯功能，因此更改不便，維修困難。,晶體管組成的無觸點順序邏輯控制因減少了連接點的可動部件，可靠性大大提高。晶體管、晶閘管等半導體元器件的使用壽命也較繼電器的觸點使用壽命長，因此，在20世紀70年代得到了較大的發(fā)展。它也是用硬件組成順序邏輯功能，更改也不很方便,但因采用功能模塊的結構，部件的更換和維修較繼電器順序邏輯控制系統(tǒng)要方便。,可編程序控制器是在計算機技術的促進下得以發(fā)展起來的新一代順序邏輯控制裝置。與上述的組成方法不同，它用軟件完成順序邏輯功能，用計算機來執(zhí)行操作指令，實施操作，因此，順序邏輯功能的更改十分方便。加上得益于計算機的高可靠性和高運算速度，使得可編程序控制器一出現(xiàn)就得到了廣泛的應用。,計算機組成的順序邏輯控制系統(tǒng)指在集散控制系統(tǒng)或工控機中實現(xiàn)順序邏輯控制功能的控制系統(tǒng)。在大型的順序邏輯控制和連續(xù)控制相結合的工程應用中，這類控制系統(tǒng)大有用武之地。在這類控制系統(tǒng)中，有連續(xù)量的控制和開關量的控制。采用計算機對它們進行操作和管理，必要時，把信息傳送到上位機或下送到現(xiàn)場控制器和執(zhí)行機構。由于計算機技術、半導體技術、通信和網(wǎng)絡技術、控制技術、軟件技術等高新科學技術的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過程的控制也出現(xiàn)了飛速的發(fā)展，可編程序控制器將與其他計算機控制裝置一起成為21世紀工業(yè)控制領域的主流控制裝置。,3.1.2順序控制系統(tǒng)的組成順序控制系統(tǒng)的組成見圖3-2，它由五部分組成：(1)輸入接口：實現(xiàn)輸入信號的電平轉換。(2)控制器：接受控制輸入信號，按一定的控制算法運算后，輸出控制信號到執(zhí)行機構，控制器具有記憶功能，能實現(xiàn)所需的控制運算功能。(3)輸出接口：實現(xiàn)輸出信號的功率轉換。(4)檢測機構：檢測被控對象的狀態(tài)信息。(5)顯示報警裝置：顯示系統(tǒng)的輸入、輸出狀態(tài)，報警等信息，便于了解過程運行狀態(tài)和對過程的操作、調試、事故處理等。,圖3-2順序控制系統(tǒng)的組成,3.1.3順序控制系統(tǒng)的應用領域1.工業(yè)生產(chǎn)流水線在機械、電子等制造工業(yè)中，產(chǎn)品采用流水線的工作方式按先后次序進行。在這類工業(yè)生產(chǎn)過程中，部分控制操作是按時間的次序進行的，大部分控制操作是按邏輯順序進行的。這類順序控制系統(tǒng)的應用十分廣泛，例如數(shù)控機床、柔性制造系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、生產(chǎn)流水線等。另外，在批量控制系統(tǒng)中，對不同批號的產(chǎn)品有不同的生產(chǎn)順序、不同的配方和控制條件，這類控制系統(tǒng)對程序更改有較多的要求，在繼電器順序控制時期，這類控制系統(tǒng)實現(xiàn)較困難，采用可編程序控制器可較方便地實現(xiàn)，因此，這類控制系統(tǒng)的應用也得到了較大的發(fā)展。,2.安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)在石油化工、核電、冶金等工業(yè)領域，由于工作環(huán)境具有高溫、高壓、易燃、易爆、核輻射等特點，工作過程參數(shù)一旦偏離規(guī)定的范圍，就會發(fā)生事故，造成設備損壞或人員傷亡，因此，必須對操作的過程參數(shù)進行控制。在這些工業(yè)生產(chǎn)過程中，要設置控制系統(tǒng)，以防止事故的發(fā)生，這是順序控制系統(tǒng)的另一個很重要的應用場合。,3.家電產(chǎn)品在家電產(chǎn)品中，順序控制系統(tǒng)也有較廣泛的應用。洗衣機的順序控制、冰箱的溫度控制、空調系統(tǒng)等順序邏輯控制系統(tǒng)是較常見的應用例子。家用電器的一些模糊控制系統(tǒng)、自動烹調系統(tǒng)等也得到應用?？傊?，在家電領域，順序控制系統(tǒng)還剛開始進入應用，有很大的發(fā)展前途。,3.1.4順序控制的應用實例下面以冷加工自動線中鉆孔動力頭的自動控制順序作為實際例子。其加工過程分為以下幾步：(1)動力頭在原位(原位行程開關x0受壓)并按啟動按鈕A，電磁閥DT1通電，動力頭快進。(2)碰上行程開關x1電磁閥DT2通電(DT1保持通電)，由快進轉工進。(3)碰上行程開關x2開始延時(繼續(xù)工進)。,(4)延時時間到DT1、DT2斷電，DT3通電，動力頭快退。(5)動力頭退回到原位(x0又受壓)DT3斷電，動力頭停止。完成一個周期的循環(huán)動作之后，又返回到第一步，開始下一個循環(huán)的動作。鉆孔動力頭控制邏輯功能圖如圖3-3所示。,圖3-3鉆孔動力頭控制邏輯功能圖,在加工過程中，鉆孔動力頭有快進、工進、工進延時、快退、停止等五個工作狀態(tài)，各工作狀態(tài)的順序轉換是根據(jù)現(xiàn)場輸入信號(由按鈕、行程開關、延時繼電器發(fā)出的)而定的。顯然，鉆孔動力頭的自動控制就是順序控制。,前已述，鉆孔動力頭在一個工作循環(huán)中有快進、工進、工進延時、快退和停止等五個工作狀態(tài)。從前一個工作狀態(tài)轉入下一個工作狀態(tài)，是根據(jù)來自現(xiàn)場的輸入信號的邏輯判斷?，F(xiàn)場輸入信號有啟動按鈕A、原位開關x0、行程開關x1和x2以及延時信號。這些電器觸點的通斷，通過輸入電路變成電位信號引到微型計算機的輸入接口的輸入端上，CPU按一定邏輯順序讀取這些信號，并逐一判斷是否滿足各工作狀態(tài)轉換條件。若滿足，則發(fā)出相應的轉換工作狀態(tài)的控制信號?？刂菩盘枏奈⑿陀嬎銠C的輸出接口引出，經(jīng)過隔離放大電路驅動相應的電磁閥吸合或釋放，從而改變液壓油路的狀態(tài)，使動力頭進入新的工作狀態(tài)。,若不滿足，則等待(當CPU只控制一臺動力頭時)或跳過，轉向詢問另一臺動力頭(當CPU控制多臺動力頭時)。整個工作過程是以一定的硬件為基礎，通過CPU執(zhí)行一段控制程序來實現(xiàn)的。下面介紹采用AT89C51單片微型計算機實現(xiàn)動力頭的順序控制。1.輸入輸出接口設置采用AT89C51單片微型計算機通過接口電路直接與外部連接，控制各執(zhí)行機構完成生產(chǎn)過程。輸入輸出信號安排如表3-1所示。,表3-1輸入輸出信號安排,單片機AT89C51的P1口設置為輸入，P3口設置為輸出。表3-1中所標現(xiàn)場輸入信號A、x0、x1、x2是經(jīng)過輸入電路處理后送來的電位信號。當開關受壓時，送來“1”信號，不受壓時，送來“0”信號。計算機送出的控制信號使DT1、DT2或DT3吸合或釋放，完成相應執(zhí)行機構的控制動作(實際上應經(jīng)過驅動電路)。,2.控制程序流程圖控制程序流程圖如圖3-4所示。,圖3-4控制程序流程圖,3.控制程序從圖3-4程序流程圖可以看到，控制程序所要完成的任務是，按一定的邏輯順序讀取現(xiàn)場工作狀態(tài)信號；按預先規(guī)定的邏輯算式進行與、或、非等邏輯運算；按運算結果判斷是否發(fā)出某種控制信號。根據(jù)圖3-4所給出的流程圖及表3-1所示輸入輸出信號排列，按程序實現(xiàn)數(shù)字邏輯功能的方法，可編出控制程序如下：,STAGE1:MOVA,P1；讀P1口輸入信號ANLA,03H；取出A信號和原位信號CJNEA，03HSTAGE1；沒有A信號和原位信號，繼續(xù)等待STAGE2:MOVP3,01H；發(fā)快進命令STAGE20:MOVA,P1；讀P1口輸入信號ANLA,04H；取出x1信號CJNEA，04HSTAGE20；沒有x1信號，繼續(xù)快進STAGE3:MOVP3,02H；發(fā)工進命令STAGE30:MOVA,P1；讀P1口輸入信號ANLA,08H；取出x2信號CJNEA,08HSTAGE30；沒有x2信號，繼續(xù)工進,STAGE4:LCALLDELAY；調延時子程序MOVP3,04H；發(fā)快退命令STAGE40:MOVA,P1；讀P1口輸入信號ANLA,02H；取出原位信號CJNEA，02HSTAGE40；沒有回到原位，繼續(xù)快退STAGE5:LJMPSTAGE1；返回，轉下次循環(huán),延時子程序DELAY此處從略。,3.2數(shù)字程序控制,3.2.1數(shù)值插補計算方法能根據(jù)輸入的指令和數(shù)據(jù)，控制生產(chǎn)機械按規(guī)定的工作順序、運動軌跡、運動距離和運動速度等規(guī)律而自動完成工作的自動控制稱為數(shù)字程序控制。數(shù)字程序控制主要應用于機床自動控制，如用于銑床、車床、加工中心、線切割機以及焊接機、氣割機等的自動控制系統(tǒng)中。采用數(shù)字程序控制系統(tǒng)的機床叫做數(shù)字程序控制機床。數(shù)字程序控制機床具有能加工形狀復雜的零件，加工精度高，生產(chǎn)效率高，便于改變加工零件品種等許多特點，它是實現(xiàn)機床自動化的一個重要發(fā)展方向。,數(shù)字程序控制系統(tǒng)一般由輸入裝置、輸出裝置、控制器和插補器等四大部分組成。目前硬件數(shù)控系統(tǒng)已很少采用，多數(shù)采用計算機數(shù)控系統(tǒng)，控制器和插補器功能以及部分輸入輸出功能都由計算機承擔。數(shù)字程序控制系統(tǒng)的插補器用于完成插補計算。插補計算就是按給定的基本數(shù)據(jù)(如直線的終點坐標，圓弧的起、終點坐標等)，插補(插值)中間坐標數(shù)據(jù)，從而把曲線形狀描述出來的一種計算。插補器實際上是一個函數(shù)發(fā)生器，能按給定的基本數(shù)據(jù)，產(chǎn)生一定的函數(shù)曲線，并以增量形式(例如為脈沖)向各坐標連續(xù)輸出，以控制機床刀具按給定的圖形運動。,多年來，在數(shù)字程序控制機床中最常采用的插補計算方法是逐點比較插補計算法(簡稱逐點比較法)和數(shù)字積分器插補計算法(簡稱數(shù)字積分法)。近幾年又采用了一些新的插補計算法，如時間分割插補計算法(簡稱時間分割法)和樣條插補計算法等。按插補器的功能可以分為平面的直線插補器、圓弧插補器和非圓二次曲線插補器及空間直線和圓弧插補器。因為大部分加工零件圖形都可由直線和圓弧兩種插補器得到，所以，在數(shù)字程序控制系統(tǒng)中直線插補器和圓弧插補器應用最多。,所謂逐點比較插補法，就是它每走一步都要和給定軌跡上的坐標值進行一次比較，看這點在給定軌跡的上方或下方，或是在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“逐點比較法”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)取得足夠小，就可達到加工精度的要求。下面分別介紹逐點比較法直線和圓弧插補原理及其插補計算的程序實現(xiàn)方法。,圖3-5第一象限直線,3.2.2逐點比較法直線插補1直線插補計算原理(1)偏差計算公式:按逐點比較法的原理，必須把每一插值點(動點)的實際位置與給定軌跡的理想位置間的誤差，即“偏差”計算出來，根據(jù)偏差的正、負決定下一步的定向，逼近給定軌跡。因此，偏差計算是逐點比較法關鍵的一步。下面以第一象限平面直線為例來推導其偏差計算公式。,假定加工如圖3-5所示的直線OA。取直線起點O為坐標原點，(xe、ye)是已知的直線終點坐標。m(xm、ym)為加工點(動點)，若m在OA直線上，則根據(jù)相似三角形的關系可得,即,取直線插補的偏差判別式Fm為,(3-1),若Fm=0，表明m點在OA直線上；若Fm0，說明xe=Xm時，ymye,表明m點在OA直線上方；若Fm0，說明xe=Xm時，ymye,表明m點在OA直線下方。逐點比較法直線插補的原理是：從第一象限直線的起點(即坐標原點)出發(fā)，當Fm0時，沿+x軸方向走一步，當Fm0時，沿+y方向走一步，當兩方向所走的步數(shù)與終點坐標(xe、ye)相等時，發(fā)出終點到信號，停止插補。如果直線按式(3-1)計算偏差，要做兩次乘法，一次減法，比較麻煩，因此需要進一步簡化。,對于第一象限而言，設加工點正處于m點，當Fm0時，表明m點在OA上或在OA的上方，應沿+x方向進給一步，走一步后新的坐標值為,xm+1=xm+1ym+1=ym,該點的偏差為,Fm+1=ym+1xe-xm+1ye=ymxe-(xm+1)ye=ymxe-xmye-ye=Fm-ye,(3-2),若Fm0時，表明m點在OA的下方，應向+y方向進給一步，走一步后新的坐標值為,xm+1=xmym+1=ym+1,該點的偏差為,式(3-2)和式(3-3)是簡化后的偏差計算公式，在公式中只有加、減運算，只要將前一點的偏差值與等于常數(shù)的終點坐標值xe、ye相加或相減，即可得到新的坐標點的偏差值。加工的起點是坐標原點，起點的偏差是已知的，即F0=0，這樣，隨著加工點前進，新加工點的偏差Fm+1都可以由前一點偏差Fm和終點坐標相加或相減得到。這樣就省去了乘法運算。,(2)終點判斷方法:逐點比較法的終點判斷有多種方法，下面介紹兩種：第一種方法是，設置x、y兩個減法計數(shù)器，在加工開始前，在x、y計數(shù)器中分別存入終點坐標值xe、ye，在x坐標(或y坐標)進給一步時，就在x計數(shù)器(或y計數(shù)器)中減去1，直到這兩個計數(shù)器中的數(shù)都減到零時，到達終點。第二種方法是，用一個終點計數(shù)器，寄存x和y兩個坐標進給的總步數(shù)，x或y坐標進給一步-1，若-1=0就到達終點。,(3)插補計算過程:插補計算時，每走一步，都要進行以下四個步驟(又稱四個節(jié)拍)的邏輯運算和算術運算：偏差判別即判別偏差F0或F0，表明加工點m在圓弧外；Fm0，表明加工點m在圓弧內。若Fm0，為了逼近圓弧，下一步向-x軸向進給一步并算出新的偏差。若Fm0，為了逼近圓弧，下一步向+y軸向進給一步并算出新的偏差。那么，如此一步步計算和一步步進給，并在到達終點后停止運算，就可插補出如圖39所示的第一象限逆圓弧AB。,圖39第一象限逆圓弧,為避免計算平方值而簡化計算，下面推導偏差計算的遞推公式。設加工點正處于m(xm、ym)點，其判別式為,若Fm0，應沿-x軸向進給一步，到m+1點，其坐標值為xm+1=xm-1,ym+1=ym。,新加工點的偏差為,(3-4),若Fm0，應沿+y軸向進給一步，到m+1點，其坐標值為xm+1=xm,ym+1=ym+1。,新加工點的偏差為,(3-5),由式(3-4)和式(3-5)可知，只要知道前一點的偏差，就可求出新的一點的偏差。公式中只有乘2運算，避免了平方計算，計算大大簡化了。因為加工是從圓弧的起點開始，起點的偏差F0=0，所以新加工點的偏差總可以根據(jù)前一點的數(shù)據(jù)計算出來。,(2)終點判斷方法：圓弧插補的終點判斷方法和直線插補相同?？蓪、y軸走步步數(shù)的總和存入一個計數(shù)器，每走一步，從中減1，當-1=0時發(fā)出終點到信號。(3)插補計算過程：圓弧插補計算過程和直線插補計算過程相同，也是分偏差判別、坐標進給、偏差計算和終點判斷四個節(jié)拍。但是偏差計算公式不同，而且在偏差計算的同時還要進行加工點瞬時坐標(動點坐標)值的計算，以便為下一點的偏差計算作好準備。如對于第一象限逆圓來說，坐標值計算公式為,xm+1=xm-1;ym+1=ym+1,2圓弧插補計算舉例設加工第一象限逆圓弧AB，已知起點A的坐標為x0=4、y0=0，終點B的坐標為xe=0、ye=4。試進行插補計算并作出走步軌跡圖。計算過程如表3-4所示。根據(jù)表3-4可作出走步軌跡如圖3-10所示。,表3-4圓弧插補過程,圖3-10圓弧插補走步軌跡圖,3四個象限圓弧插補計算公式前面以第一象限逆圓為例推導出偏差計算公式，并指出了根據(jù)偏差符號來確定進給方向。其它三個象限的逆、順圓的偏差計算公式可通過與第一象限的逆圓、順圓相比較而得到。下面先推導第一象限順圓的偏差計算公式。設加工點現(xiàn)處于m(xm，ym)點。若偏差Fm0，則沿-y軸向進給一步，到m+1點，新加工點坐標將是(xm，ym-1)，可求出新的偏差為,(3-6),若偏差Fm0，則沿+x軸向進給一步，到m+1點，新加工點的坐標將是(xm+1，ym)，同樣可求出新的偏差為,(3-7),這樣便可以第一象限的逆圓、順圓為基準來推導其它三個象限的逆、順圓插補計算公式。在下面敘述過程中，分別以符號SR1、SR2、SR3、SR4表示第一至第四象限的順圓，以符號NR1、NR2、NR3、NR4表示第一至第四象限的逆圓。,圖3-11四個象限圓弧,以第二象限順圓為例，與SR2相對應的是第一象限逆圓NR1。這兩個圓弧對y軸對稱，起點坐標相對應，見圖3-11。從圖中可知，從各自起點插補出來的軌跡對于x坐標對稱，即y方向的進給相同，x方向進給反向。機器完全按第一象限逆圓偏差計算公式進行運算，所不同的是將x軸的進給方向變?yōu)檎?，則走出SR2。這時圓弧的起點坐標要取其數(shù)字的絕對值。在現(xiàn)在情況下，圖3-11中起點坐標(-x0、y0)送入機器時，起點坐標應取為(x0、y0)，而-x0的“-”號則應去控制x軸的正向進給。,從圖3-11還可以看出，當我們按第一象限逆圓NR1插補時，若將y坐標反向，則走出的就是第四象限順圓SR4，若將x坐標和y坐標的進給方向同時反向，走出的就是第三象限逆圓NR3。由上述分析可知：NR1、SR2、NR3和SR4的偏差計算公式相同，而只要改變進給方向便可歸結到NR1的插補計算。按上述方法可知，NR2、SR3、NR4的偏差計算公式與SR1相同，所不同的也只是改變進給方向。,所有四個象限，8種圓弧插補時的偏差計算公式和坐標進給方向列于表3-5。,表3-5圓弧插補計算公式和進給方向,4圓弧插補計算的程序實現(xiàn)以插補第一象限順圓(SR1)為例來設計軟件插補器。按逐點比較法圓弧插補的偏差計算公式及終點判斷公式，應知道圓弧的起點坐標和終點坐標，根據(jù)起、終點坐標計算出兩坐標走步的總步數(shù)=|xe-x0|+|ye-y0|。先輸入起點坐標值x0、y0、總步數(shù)，并應保存偏差值Fm。因此，與直線插補一樣，應開辟四個內存單元來存放。設定XX為x軸坐標值存放單元(初始存x0);YY為y軸坐標值存放單元(初始存y0);JJ為總步數(shù)存放單元;MM為加工點瞬時偏差值存放單元XX、YY單元初始存放x0、y0，加工過程中依據(jù)坐標計算結果而變化。JJ單元的內容在加工過程中作減1修改，直至(JJ)=0表示加工結束。MM的內容初始清除為零，在加工過程中依據(jù)偏差計算結果而變化。,第一象限順圓插補計算程序流程圖如圖3-12所示。,圖3-12第一象限順圓插補計算程序流程圖,第一象限順圓插補計算程序如下：,MMEQU30HXXEQU31HYYEQU32HJJEQU33HORG0000HJMPMAINORG0080HMAIN:MOVA,00H;置偏差初值為零MOVMM,A,L1:MOVA,MM;取原偏差值到ACLRCSUBBA,80HJNCL11;偏差0;不，轉算L11MOVA,YY;取Y到ADECAMOVYY,ARLAMOVR1,A;2(Y-1)存在R1MOVA,MM;取原偏差值到ADECACLRCSUBBA,R1;F-2Y+1MOVMM,A;保存新偏差值CALLSTEP1;+X走步JMPL12;至終點判斷,L11:MOVA,XX;是，X=X+1INCAMOVXX,ARLAMOVR1,A;2(X+1)保存在R1MOVA,MM;取原偏差值到ADECACLRCADDA,R1;F+2X+1MOVMM,A;保存新偏差值CALLSTEP4;-Y走步,L12:MOVA,JJ;取總步數(shù)JJ到ADECA;JJ-1MOVJJ,A;JJ=JJ-1JNZL1;終點?不，繼續(xù)RET;是，結束STEP1:RETSTEP4:RET,3.2.4步進電機工作原理步進電機是工業(yè)過程控制及儀表中的主要控制元件之一。例如，在機械結構中，可以用絲杠把角度變成直線位移，也可以用它帶動螺旋電位器，調節(jié)電壓和電流，從而實現(xiàn)對執(zhí)行機構的控制。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，由于它可以直接接收計算機輸出的數(shù)字信號，而不需要進行數(shù)模轉換，因此用起來非常方便。步進電機角位移與控制脈沖間精確同步，若將角位移的改變轉變?yōu)榫€性位移、位置、體積、流量等物理量的變化，便可實現(xiàn)對它們的控制。,步進電機作為執(zhí)行元件的一個顯著特點就是具有快速啟停能力。如果負荷不超過步進電機所提供的動態(tài)轉矩值，就能夠在“一剎那”間使步進電機啟動或停轉。一般步進電機的步進速率為每秒2001000步，如果步進電機是以逐漸加速到最高轉速，然后再逐漸減速到零的方式工作，那么其步進速率增加12倍，也仍然不會失掉一步。,步進電機的另一顯著特點是精度高。在沒有齒輪傳動的情況下，步距角(即每步所轉過的角度)可以由每步90到每步0.36。另一方面，無論是變磁阻式步進電機還是永磁式步進電機，它們都能精確地返回到原來的位置。如一個24步(每步為15)的步進電機，當其向正方向步進48步時，剛好轉兩轉。如果再反方向轉48步，電動機將精確地回到原始的位置。,正因為步進電機具有快速啟停、精確步進以及能直接接收數(shù)字量的特點，所以使其在定位場合中得到了廣泛的應用。如在繪圖機、打印機及光學儀器中，都采用步進電機來定位繪圖筆、印字頭或光學鏡頭。特別是在工業(yè)過程控制的位置控制系統(tǒng)中，由于步進電機精度高以及不用位移傳感器即可達到精確的定位，應用越來越廣泛。步進電機實際上是一個數(shù)字角度轉換器，也是一個串行的數(shù)模轉換器。其結構原理如圖3-13所示。,圖3-13步進電機原理圖,從圖3-13可以看出，電動機的定子上有6個等份的磁極，A、A，B、B，C、C，相鄰兩個磁極間的夾角為60。相對的兩個磁極組成一相，如圖3-13所示的結構為三相步進電機(A-A相，B-B相，C-C相)。當某一繞組有電流通過時，該繞組相應的兩個磁極立即形成N極和S極，每個磁極上各有5個均勻分布的矩形小齒。步進電機的轉子上沒有繞組，而是由40個矩形小齒均勻分布在圓周上，相鄰兩齒之間的夾角為9。,當某相繞組通電時，對應的磁極就會產(chǎn)生磁場，并與轉子形成磁路。若此時定子的小齒與轉子的小齒沒有對齊，則在磁場的作用下，轉子轉動一定的角度，使轉子齒和定子齒對齊。由此可見，錯齒是促使步進電機旋轉的根本原因。,例如，在單三拍控制方式中，假如A相通電，B、C兩相都不通電，在磁場的作用下，使轉子齒和A相的定子齒對齊。若以此作為初始狀態(tài)，設與A相磁極中心對齊的轉子齒為0號齒，因為B相磁極與A相磁極相差120，且不為整數(shù)，所以，此時轉子齒不能與B相定子齒對齊，只是13號小齒靠近B相磁極的中心線，與中心線相差3，見表3-6。如果此時突然變?yōu)锽相通電，而A、C兩相都不通電，則B相磁極迫使13號轉子齒與之對齊，整個轉子就轉動3，此時，稱電機走了一步。如果按照ABCA順序通電一周，則轉子轉動9。同理，如果按照ACBA順序通電則轉子反方向轉動9。,表3-6A相通電時轉子上各齒的位置,磁阻式步進電動機的步距角可由下邊的公式求得：,式中：N=MC為運行拍數(shù)，其中M為控制繞組相數(shù)；C為狀態(tài)系數(shù)，采用單三拍或雙三拍時C=1，采用單六拍或雙六拍時C=2。Zr為轉子齒數(shù)。,3.2.5步進電機控制系統(tǒng)原理典型的步進電機控制系統(tǒng)如圖3-14所示。,圖3-14步進電機控制系統(tǒng)的組成,步進電機控制系統(tǒng)主要是由步進控制器、功率放大器及步進電機組成。步進控制器是由緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯及正、反轉控制門等組成。它的作用就是能把輸入的脈沖轉換成環(huán)型脈沖，以便控制步進電機，并能進行正、反向控制。功率放大器的作用是把控制器輸出的環(huán)型脈沖加以放大，以驅動步進電機轉動。在這種控制方式中，由于步進控制器線路復雜、成本高，因而限制了它的應用。但是，如果采用計算機控制系統(tǒng)，由軟件代替上述步進控制器，則問題將大大簡化。這不僅簡化了線路，降低了成本，而且可靠性也大為提高。特別是采用微型機控制，更可以根據(jù)系統(tǒng)的需要靈活改變步進電機的控制方案，使用起來很方便。典型的微型機控制步進電機系統(tǒng)原理圖如圖3-15所示。,圖3-15用單片微型機控制步進電機原理系統(tǒng)圖,圖3-15與圖3-14相比，主要區(qū)別在于用微型機代替了步進控制器。因此，微型機的主要作用就是把并行二進制碼轉換成串行脈沖序列，并實現(xiàn)方向控制。每當步進電機脈沖輸入線上得到一個脈沖，它便沿著轉向控制線信號所確定的方向走一步。只要負載是在步進電機允許的范圍之內，那么，每個脈沖將使電動機轉動一個固定的步距角度，根據(jù)步距角的大小及實際走的步數(shù)，只要知道初始位置，便可預知步進電機的最終位置。,由于步進電機的原理在自動裝置及電動機方面的書籍中均有詳細介紹，這里就不再贅述。本書主要解決如下幾個問題：(1)用軟件的方法產(chǎn)生脈沖序列；(2)步進電機的方向控制；(3)步進電機控制程序的設計。,1脈沖序列的生成在步進電機控制軟件中必須解決的一個重要問題就是產(chǎn)生一個如圖3-16所示的周期性脈沖序列。,圖3-16脈沖序列,從圖3-16中可以看出，脈沖是用周期、脈沖高度、接通與斷開電源的時間來表示的。脈沖高度是由使用的數(shù)字元件電平來決定的，如一般TTL電平為05V，CMOS電平為010V等。在常用的接口電路中，多為05V。接通和斷開時間可用延時的辦法來控制。例如，當向步進電機相應的數(shù)字線送高電平(表示接通)時，步進電機便開始步進。但由于步進電機的“步進”是需要一定的時間的，因此在送一高脈沖后需延長一段時間，以使步進電機達到指定的位置。由此可見，用計算機控制步進電機實際上是由計算機產(chǎn)生一系列脈沖波。,用軟件實現(xiàn)脈沖波的方法是先輸出一高電平，然后再利用軟件延時一段時間，而后輸出低電平，再延時。延時時間的長短由步進電機的工作頻率和我們希望達到的電機轉速共同來決定。,2方向控制常用的步進電機有三相、四相、五相、六相四種，其旋轉方向與內部繞組的通電順序有關。下邊以三相步進電機為例進行講述。三相步進電機有三種工作方式：(1)單三拍，通電順序為ABCA；(2)雙三拍，通電順序為ABBCCAAB；(3)三相六拍，通電順序為AABBBCCCAA。,如果按上述三種通電方式和通電順序進行通電，則步進電機正向轉動。反之，如果通電方向與上述順序相反，則步進電機反向轉動。例如在單三拍中反相的通電順序為ACBA，其他兩種方式可以此類推。關于四相、五相、六相的步進電機，其通電方式和通電順序與三相步進電機相似，讀者可自行分析。本書主要以三相步進電機為例進行講述。,步進電機的方向控制方法是：(1)用微型機輸出接口的每一位控制一相繞組。例如，用8255控制三相步進電機時，可用PC0、PC1、PC2分別接至步進電機的A、B、C三相繞組。(2)根據(jù)所選定的步進電機及控制方式，寫出相應控制方式的控制模型，如上面講的三種控制方式的控制模型分別如表3-7、3-8、3-9所示。,表3-7三相單三拍控制模型,表3-8三相雙三拍控制模型,表3-9三相六拍控制模型,以上為步進電機正轉時的控制順序及控制模型，如果按上述逆順序進行控制，則步進電機將向相反方向轉動。由此可知，所謂步進電機的方向控制，實際上就是按照某一控制方式(根據(jù)需要進行選定)所規(guī)定的順序發(fā)送脈沖序列，即可達到控制步進電機方向的目的。,3.2.6步進電機與微型機的接口及程序設計1步進電機與微型機的接口電路由于步進電機的驅動電流比較大，因此微型機與步進電機的連接需要專門的接口電路及驅動電路。接口電路可以是鎖存器，也可以是可編程接口芯片，如8255、8155等。驅動器可用大功率復合管，也可以是專門的驅動器。有時為了抗干擾，或避免一旦驅動電路發(fā)生故障，造成功率放大器中的高電平信號進入微型機而燒毀器件，通常在驅動器與微型機之間加一級光電隔離器，其原理接口電路如圖3-17和3-18所示。,圖3-17步進電機與微型機接口電路之一,圖3-18步進電機與微型機接口電路之二,在圖3-17中，當P1口的某一位（如P1.0）輸出為0時，經(jīng)反向驅動器變?yōu)楦唠娖?，使達林頓管導通，A相繞組通電。反之，當P1.0=1時，A相不通電。由P1.1和P1.2控制的B相和C相亦然?？傊?，只要按一定的順序改變P1.0P1.2三位通電的順序，則可控制步進電機按一定的方向步進。,圖3-18與圖3-17的區(qū)別是在微型機與驅動器之間增加一級光電隔離。當P1.0輸出為1，發(fā)光二極管不發(fā)光，因此光敏三極管截止，從而使達林頓管導通，A相繞組通電。反之，當P1.0=0時，經(jīng)反相后，使發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導通，從而使達林頓管截止，A相繞組不通電?，F(xiàn)在，已經(jīng)生產(chǎn)出許多專門用于步進電機或交流電動機的接口器件(或接口板)，用戶可根據(jù)需要選用。,2步進電機程序設計步進電機程序設計的主要任務是：(1)判斷旋轉方向；(2)按順序傳送控制脈沖；(3)判斷所要求的控制步數(shù)是否傳送完畢。,因此，步進電機控制程序就是完成環(huán)型分配器的任務，從而控制步進電機轉動，以達到控制轉動角度和位移之目的。首先要進行旋轉方向的判別，然后轉到相應的控制程序。正反向控制程序分別按要求的控制順序輸出相應的控制模型，再加上脈寬延時程序即可。脈沖序列的個數(shù)可以用寄存器CL進行計數(shù)?？刂颇Ｐ涂梢砸粤⒓磾?shù)的形式一一給出。下面以三相雙三拍為例說明這類程序的設計，設所要求的步數(shù)放在NUM單元?？刂茦酥締卧狥LAG為00H時，表示正轉；為01H時，表示反轉。各項控制模型放在以POINT為首地址的內存單元中。其程序流程圖如圖3-19所示。,圖3-19三相雙三拍步進電機控制程序流程圖,根據(jù)圖3-19，可寫出如下三相雙三拍步進電機控制程序。,ORG0100HROUTN1：MOVA，N；步進電機的步數(shù)AJNB00H，LOOP2；如果00H位為0，則為反向，轉LOOP2LOOP1：MOVP1，03H；正向，輸出第一拍ACAI1DELAY；延時DECA；A=0，轉DONEJZDONEMOVP1，05H；輸出第二拍ACALLDELAY；延時DECA；A=0，轉DONEJZDONE,MOVP1，06H；輸出第三拍ACALLDELAY；延時DECA；A0，轉LOOP1JNZLOOP1AJMPDONE；A0，轉DONELOOP2：MOVP1，03H；反向，輸出第一拍ACALLDELAY；延時DECAJZDONEMOVP1，06H；輸出第二拍ACALLDELAY；延時,DECAJZDONEMOVP1，06H；輸出第三拍ACALLDELAY；延時JNZLOOP2DONE：RET；返回DELAY：延時程序(略),以上程序設計方法對于節(jié)拍比較少的程序是可行的，但是，當步進電機的節(jié)拍數(shù)比較多(如三相六拍、六相十二拍等)時，用這種立即數(shù)傳送法將會使程序很長，因而占用很多個存儲器單元。所以，對于節(jié)拍比較多的控制程序，通常采用循環(huán)程序進行設計。所謂循環(huán)程序，就是把環(huán)型節(jié)拍的控制模型按順序存放在內存單元中，然后逐一從單元中取出控制模型并輸出。如此可大大簡化程序，節(jié)拍越多，優(yōu)越性越顯著。下面以三相六拍為例進行設計，其流程圖如圖3-20所示。,圖3-20三相六拍步進電機控制程序框圖,圖3-20所示三相六拍步進電機控制程序如下：,ORG0400HROUTN2：MOVR2，COUNT；步數(shù)送R2寄存器LOOP0：MOVR3，00HMOVDPTR，POINT；送控制模型指針JNB00H,LOOP2；00H位=0為反轉LOOP1：MOVA，R3；取控制模型MOVCA，A+DPTRJZLOOP0；判控制模型是否為00HMOVP1，A；輸出控制模型ACALLDELAY；延時INCR3；控制步數(shù)加1DJNZR2，LOOP1；判步數(shù)是否走完RET,LOOP2：MOVA，R3；求反向控制模型的偏移量ADDA，07HMOVR3，AAJMPLOOP1DELAY：延時程序(略)POINT：DB01HDB03HDB02HDB06HDB04HDB05HDB00H,DB01HDB05HDB04HDB06HDB02HDB03HDB00HCOUNTEQU30HPOINTEQU0150H,3.2.7步進電機步數(shù)及速度的計算方法要想使步進電機按一定的速率精確地到達指定的位置(角度或線位移)，在前邊講的子程序ROUTN1和ROUTN2中，步進電機的步數(shù)N和延時時間DELAY是兩個重要的參數(shù)。前者用來控制步進電機的精度，后者則控制其步進的速率。那么，如何確定這兩個參數(shù)，將是步進電機控制程序設計中十分重要的問題。,1步進電機步數(shù)的確定步進電機常被用來控制角度和位移，例如，用步進電機控制旋轉變壓器或多圈電位器的轉角。此外，穿孔機的進給機構、軟盤驅動系統(tǒng)、光電閱讀機、打印機、數(shù)控機床等也都用步進電機精確定位。例如，用步進電機帶動一個10圈的多圈電位器來調整電壓。假定其調節(jié)范圍為010V，現(xiàn)在需要把電壓從2V升到2.1V，設步進電機的行程角度為x，則：,如果用三相三拍控制方式，由公式可定出步距角為3，由此可計算出步進電機的步數(shù)N=363=12(步)。如果用三相六拍的控制方式,則步距角為1.5，其步數(shù)為N=361.5=24(步)。由此可見，改變步進電機的控制方式，可以提高精度，但在同樣的脈沖周期下，步進電機的速率將減慢。同理，也可以求出位移量與步數(shù)之間的關系。,2步進電機控制速度的確定步進電機的步數(shù)是精確定位的重要參數(shù)之一。在某些場合，不但要求能精確定位，而且還要求在一定的時間內到達預定的位置，這就要求控制步進電機的速率。步進電機速率控制的方法就是改變每個脈沖的時間間隔，亦即改變程序ROUTN1和ROUTN2中的延時時間。例如，在ROUTN2程序中，步進電機轉動10圈需要2秒鐘，則每進一步需要的時間為,所以，只要在輸出一個脈沖后，延時833s，即可達到上述之目的。,3.2.8步進電機的變速控制在前面講的兩種步進電機程序設計中，步進電機是以恒定的轉速進行工作的，即在整個控制過程中步進電機的速度不變。然而，對于大多數(shù)任務而言，總是希望能盡快地達到控制終點，因此，要求步進電機的速率盡可能快一些，但如果速度太快，則可能產(chǎn)生失步。此外，一般步進電機對空載最高啟動頻率都有所限制。所謂空載最高啟動頻率是指電動機空載時，轉子從靜止狀態(tài)不失步地步入同步(即電動機每秒鐘轉過的角度和控制脈沖頻率相對應的工作狀態(tài))的最大控制脈沖頻率。,當步進電機帶有負載時，它的啟動頻率要低于最高空載啟動頻率。根據(jù)步進電機的頻率特性可知，啟動頻率越高，啟動轉矩越小，帶負載的能力越差；當步進電機啟動后，進入穩(wěn)態(tài)時的工作頻率又遠大于啟動頻率。由此可見，一個靜止的步進電機不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率，必須在啟動的瞬間采取加速的措施。一般來說，升頻的時間約為0.11s之間。反之，從高速運行到停止也應該有減速的措施。減速時的加速度絕對值常比加速時的加速度大。,為此，引進一種變速控制程序，該程序的基本思想是，在啟動時，以低于響應頻率的速度運行；然后慢慢加速，加速到一定速率后，就以此速率恒速運行。當快要到達終點時，又使其慢慢減速，在低于響應頻率的速率下運行，直到走完規(guī)定的步數(shù)后停機。這樣，步進電機便可以最快的速度走完所規(guī)定的步數(shù)，而又不出現(xiàn)失步。上述變速控制的過程，如圖321所示。,圖3-21變速控制中頻率與步長之間的關系,1.改變控制方式的變速控制最簡單的變速控制可利用改變步進電機的控制方式實現(xiàn)。例如，在三相步進電機中，啟動或停止時，用三相六拍，大約在0.1s以后，改用三相三拍，在快達到終點時，再度采用三相六拍控制，以達到減速控制的目的。,2均勻地改變脈沖時間間隔的變速控制步進電機的加速(或減速)控制，可以用均勻地改變脈沖時間間隔來實現(xiàn)。例如，在加速控制中，可以均勻地減少延時時間間隔；在減速控制時，則可均勻地增加延時時間間隔。具體地說，就是均勻地減少(或增加)延時程序中的延時時間常數(shù)。由此可見，所謂步進電機控制程序，實際上就是按一定的時間間隔輸出不同的控制字。所以，改變傳送控制字的時間間隔(亦即改變延時時間)，即可改變步進電機的控制頻率。這種控制方法的優(yōu)點是，由于延時的長短不受限制，因此，使步進電機的工作頻率變化范圍較寬。,3采用定時器的變速控制在單片機控制系統(tǒng)中，也可以用單片機內部的定時器來提供延時時間，其方法是將定時器初始化后，每隔一定的時間，由定時器向CPU申請一次中斷，CPU響應中斷后，便發(fā)出一次控制脈沖。此時，只要均勻地改變定時器時間常數(shù)，即可達到均勻加速(或減速)的目的。這種方法可以提高控制系統(tǒng)的效率。,習題,1何謂順序控制?2順序控制分為哪三類控制系統(tǒng)?分別列舉各類控制系統(tǒng)的實例。3數(shù)字控制的基本原理是什么?4試述步進電機工作原理?5根據(jù)三相步進電機的控制原理，試編寫四相單四拍、四相八拍步進電機控制程序。,6逐點比較直線插補計算過程分幾個步驟?并說明每個步驟要完成的工作及作用。7某控制系統(tǒng)開關的接線如圖3-22所示。試編寫程序實現(xiàn)以下功能：(1)開關A、B打開，C、D閉合時，電機1啟動；(2)開關C、D打開，A、B閉合時，電機2啟動：(3)開關全部閉合時，兩臺電機均啟動；(4)其他情況，兩臺電機均停止。(啟動信號為“1”，停止信號為“0”),圖3-22控制系統(tǒng)接線圖,8試用微型機匯編語言編寫下列程序，并畫走步軌跡圖：(1)四方向逐點比較法第1象限中的直線插補程序，（0，0）至（7，5）；(2)四方向逐點比較法第1象限中的順圓插補程序：（1，7）至（7，1）。,