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1、第4章 程序控制和数值控制4.1 顺序控制器4.2 开环数值控制4.3 步进电机的控制4.1 顺序控制器计算机开环数值控制应用方式有多种，其中顺序控制顺序控制和数值控制数值控制是最常见的应用方式。v顺序控制：指控制系统根据生产工艺按预先规顺序控制：指控制系统根据生产工艺按预先规定的工艺要求，按照各个输入信号的条件，使定的工艺要求，按照各个输入信号的条件，使生产过程的各个执行机构自动的按预先规定的生产过程的各个执行机构自动的按预先规定的顺序动作。顺序动作。v数值控制：就是利用电子计算机的高速运算和数值控制：就是利用电子计算机的高速运算和逻辑判断功能，在执行机构机械动作的响应时逻辑判断功能，在执行
2、机构机械动作的响应时间内，按预定的运动轨迹运算出间内，按预定的运动轨迹运算出“动点动点”的位的位置，控制机械装置作出相对运动，以获得预定置，控制机械装置作出相对运动，以获得预定的加工轨迹。的加工轨迹。1、顺序控制器一般具有以下功能：根据生产过程要求预先确定程序，使系统在输入信号作用下，按顺序进行工序转换。根据各工序要求，控制相应的执行机构动作，保证过程正常进行。2、顺序控制器的种类继电器控制装置半导体逻辑元件控制装置存储式顺序控制装置3 专用计算机顺序控制器它是它是针对某一类被控对象的结构特点和加工工艺流程而设计针对某一类被控对象的结构特点和加工工艺流程而设计的微型计算机系统的硬件和软件。其基
3、本设计过程为：的微型计算机系统的硬件和软件。其基本设计过程为：1）确定专用计算机顺序控制器的逻辑设计工艺背景）确定专用计算机顺序控制器的逻辑设计工艺背景2）确定计算机顺序控制器的硬件逻辑框图）确定计算机顺序控制器的硬件逻辑框图3）进行软件设计）进行软件设计包括复位等待程序和控制程序的设计。具体设计时应从以下包括复位等待程序和控制程序的设计。具体设计时应从以下几个方面分别进行考虑：几个方面分别进行考虑：根据工艺流程的要求确定每道工序的动作继电器和时间根据工艺流程的要求确定每道工序的动作继电器和时间设定值。设定值。结合功能要求、成本等确定显示器的不同形式。结合功能要求、成本等确定显示器的不同形式。
4、在在RAM区中开辟一专门的数据区来存放程序参数。区中开辟一专门的数据区来存放程序参数。确定是条件控制还是时间控制。确定是条件控制还是时间控制。确定整个生产过程的顺序控制周期，一个周期的结确定整个生产过程的顺序控制周期，一个周期的结束就代表下一个周期的开始，此时数据区的内容均束就代表下一个周期的开始，此时数据区的内容均应从头开始。应从头开始。4 可编程控制器可编程控制器就是利用计算机原理为顺序控制器专门可编程控制器就是利用计算机原理为顺序控制器专门设计的通用的使用方便的装置。它采用专用设计的硬设计的通用的使用方便的装置。它采用专用设计的硬件，而专用功能可通过改变件，而专用功能可通过改变MEM中的
5、程序来实现。中的程序来实现。1）它有以下特点：）它有以下特点：可靠性高、抗干扰能力强可靠性高、抗干扰能力强控制程序可变，具有良好的可变性。控制程序可变，具有良好的可变性。2）主要用途有：）主要用途有：顺序控制顺序控制运动控制运动控制过程控制过程控制数据处理数据处理通信通信返回本章首页4.2开环数值控制开环数值控制开环数字程序控制装置随着微型机和开环数字程序控制装置随着微型机和PLCPLC的大量普及得到广泛应用。对不同设备，的大量普及得到广泛应用。对不同设备，虽然其控制系统有所不同，但基本数值控虽然其控制系统有所不同，但基本数值控制原理是一样的。制原理是一样的。1 1、数值控制基本原理（参看图、
6、数值控制基本原理（参看图4-264-26）第一步第一步 降此曲线分割成若干线段。降此曲线分割成若干线段。第二步第二步 当给定当给定a,b,c,da,b,c,d各点坐标和各点坐标和x,yx,y值值之后，利用插补（插值）的方法确定之后，利用插补（插值）的方法确定各坐标之间的中间值。各坐标之间的中间值。常用的插补形式有：常用的插补形式有：v直线插补直线插补v二次曲线插补二次曲线插补第三步第三步 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x,y方向上的步进电机，带动画笔、刀具或线电极运动，从而绘出方向上的步进电机，带动画笔、刀具或线电极运动
7、，从而绘出图形或加工出符合要求的轮廓。图形或加工出符合要求的轮廓。q对应于每个脉冲移动的相对位置称为脉冲当量，又称为步长，常对应于每个脉冲移动的相对位置称为脉冲当量，又称为步长，常用用 和和 并且总是取并且总是取 。图图4-27是一段用折线逼近直线的直线插补线段是一段用折线逼近直线的直线插补线段,其中其中(x0,y0)代表起点代表起点坐坐标，标，(xe,ye)代表终点坐标，则代表终点坐标，则x，y方向应移动的总步数为方向应移动的总步数为Nx,Ny2 2、逐点比较法插补原理、逐点比较法插补原理由上由上分析，可将分析，可将4个象限中直线插补公式及进给方向列于个象限中直线插补公式及进给方向列于表表4
8、-2，而偏差与进给方向的关系可由图，而偏差与进给方向的关系可由图4-31表示。图中箭表示。图中箭头表示进给方向，头表示进给方向，F为偏差值。为偏差值。（3）终点判断）终点判断画笔到达终点（画笔到达终点（xe,ye)时时必须自动停止进给，一般有以下必须自动停止进给，一般有以下两种判法：两种判法：利用画笔所走过的总步数是否等于终点坐标之和来判利用画笔所走过的总步数是否等于终点坐标之和来判断。断。即比较每个插值点的坐标值之和即比较每个插值点的坐标值之和( (x xi i+ +y yi i) )是否与是否与( (x xe e+y+ye e) )相等，相等，若相等则停止插补。若相等则停止插补。取终点坐标
9、取终点坐标x xe e和和y ye e中较大者作为终判计数器的初值，中较大者作为终判计数器的初值，（称此较大者为长轴，另一为短轴），插补中只要沿（称此较大者为长轴，另一为短轴），插补中只要沿长轴方向上有进给脉冲，终判计数器就减一，而短轴长轴方向上有进给脉冲，终判计数器就减一，而短轴方向的进给脉冲不影响终判计数器。终判计数器减为方向的进给脉冲不影响终判计数器。终判计数器减为零时就停止插补。零时就停止插补。（4）直线插补程序的流程图）直线插补程序的流程图可归纳为如下四步：可归纳为如下四步：v偏差判别，即偏差判别，即 判别上一步进给后的偏差值是判别上一步进给后的偏差值是F=0。v进给，根据偏差结果和
10、所在象限，决定在什么方进给，根据偏差结果和所在象限，决定在什么方向上进给一步。向上进给一步。v偏差运算，即计算出进给一步后的新偏差值，作偏差运算，即计算出进给一步后的新偏差值，作为下一步进给的判别依据。为下一步进给的判别依据。v终点判别。终点判别。因此直线插补的流程图如图因此直线插补的流程图如图4-322）4方向逐点比较法圆弧插补原理方向逐点比较法圆弧插补原理当圆心作为笛卡儿坐标系的原点时，知道圆弧的起点坐标当圆心作为笛卡儿坐标系的原点时，知道圆弧的起点坐标(x0,y0)就就可可算出半径，即可画出圆弧，直到终点为止。要画圆弧可在算出半径，即可画出圆弧，直到终点为止。要画圆弧可在4个不同象个不同
11、象限按顺（或逆）时针来绘制，用限按顺（或逆）时针来绘制，用SR1,SR2,SR3,SR4表示顺圆弧，表示顺圆弧，NR1, NR2, NR3,NR4表示逆圆弧。表示逆圆弧。判别式的化简判别式的化简根据右图可得以下偏差判别式根据右图可得以下偏差判别式有上分析可知：在画NR1圆弧时，我们可用老偏差F来求新偏差，从而简化运算。但在中间运算时还应及时修正中间点的坐标值，以供下次计算使用。即(4) 圆弧插补程序的流程图 根据逐点比较法的特点和圆弧插补规律，可得到圆弧插补流程图如右q实际程序常用的处理方法：实际程序常用的处理方法：因起点坐标和终点坐标在以圆心为原点的坐标系中可以有正有负。因起点坐标和终点坐标
12、在以圆心为原点的坐标系中可以有正有负。故可用号来确定所在象限，并可利用起点和终点坐标值的相故可用号来确定所在象限，并可利用起点和终点坐标值的相对大小来确定是顺圆弧还是逆圆弧。对大小来确定是顺圆弧还是逆圆弧。 可用图可用图4-38所示标志字来表所示标志字来表示将要进行什么样的圆弧插补。示将要进行什么样的圆弧插补。图图 4-38 圆弧插补标志字的两种形式圆弧插补标志字的两种形式标志字各标志位可按表标志字各标志位可按表4-4设置，当标志位为设置，当标志位为1时，表示时，表示将进行对应该位的圆弧插补，实际插补过程中标志字将进行对应该位的圆弧插补，实际插补过程中标志字只有只有1位为位为1，其它为，其它为
13、0。实际的进给信号是根据偏差值F=0还是F0及圆弧的类型决定。为了简化处理，常用“进给指令码”来代表实际进给方向。如图4-39，并可建立起如表4-5所示进给指令码表格。如果h1h0,则选择双指令。根据h0, h1和NTOT可定义偏差判别式F=(h1-h0)NTOT式中NTOT0,故F的正负取决于h1,h0的大小。显然，偏差值的大小与前一步走的是单指令还是双指令有关。故故 ：F=F+NDBL （ *）（ * ）(5)终点判别：终点判别：(6) 终点计数器取终点计数器取NX，NY中较大者作为中较大者作为NTOT初值，凡发一初值，凡发一条进给指令，终判计数器就减条进给指令，终判计数器就减1，当终判计
14、数器减为零时停止。，当终判计数器减为零时停止。(7)关于流程图的两点说明：关于流程图的两点说明：(6)线性插值的流程图线性插值的流程图(7) 如图如图4-46线性插补实例：返回本章首页4.3 步进电机的控制步进电机的控制 步进电机又称脉冲电机，它接受脉冲数步进电机又称脉冲电机，它接受脉冲数字信号控制字信号控制 ，每来一个脉冲，步进电机，每来一个脉冲，步进电机就走一步。就走一步。分类：旋转式和直线式。分类：旋转式和直线式。用途：步进电机是计算机应用项目中的主要用途：步进电机是计算机应用项目中的主要执行元件之一，尤其在精确定位场合中得到执行元件之一，尤其在精确定位场合中得到了广泛的应用；了广泛的应
15、用；步进电机原理步进电机原理 步步进进电电机机的的转转子子上上均均匀匀地地分分布布着着4040个个齿齿，齿齿间间（齿齿距距）夹夹角角为为9 9（360360/40/40）, ,定定子子上上有有6 6个个大大齿齿，囸囸巎巎0 0的的两两个个大大齿齿组组成成一一相相，共共有有A A、三三相相。每每个个大大齿齿上上有有若若干干个个与与转转子子上上一一样样的的小小齿齿。定定子子的的每每一一相都有励磁绕组。相都有励磁绕组。一、步进电机的运行方式一、步进电机的运行方式1 1三相三拍运行方式三相三拍运行方式(1)(1)当当A A相通电时，相通电时，B B相、相不通电：相、相不通电： A A相相定定子子上上的
16、的齿齿与与转转子子上上的的齿齿对对齐齐（通通电电后后磁磁场场力力作作用用的结果），迫使电机旋转的结果），迫使电机旋转3 3 (2)(2)当当B B相接通电时，相接通电时，A A相、相、C C相不通电：相不通电： B B相齿对齐，电机旋转相齿对齐，电机旋转3 3；(3)(3)当当C C相通电时，相通电时，B B相、相、A A相不通电。相不通电。 C C相齿对齐，电机旋转相齿对齐，电机旋转3 3 因此，如果定子因此，如果定子A A、B B、C C三相按三相按 ABCAABCA 的的顺顺序序依依次次通通电电，则则步步进进电电机机将将不不断断地地按按顺顺时时针针方方向向转转动动。每每一一次次通通电电转
17、转，每每三三次次通通电电才才走走完完一一个个齿距，因此叫三相三拍。齿距，因此叫三相三拍。 每一次通电转动的固定角叫每一次通电转动的固定角叫步距角步距角 。公式为。公式为: :期中期中Z Zr r为步进电机齿数为步进电机齿数, ,N N为拍数为拍数. .显然，显然，4040齿步进电机三相三拍运行时，步距角齿步进电机三相三拍运行时，步距角 。假如某次通电后，控制脉冲不再来，则电机转子齿和某相假如某次通电后，控制脉冲不再来，则电机转子齿和某相对齐后就停止转动，叫做位状态。对齐后就停止转动，叫做位状态。 如果把顺时针叫正转，那么当通电顺序按如果把顺时针叫正转，那么当通电顺序按 ACBAACBA 进行时
18、，则电机反时针旋转，叫反转。进行时，则电机反时针旋转，叫反转。 可可见见控控制制步步进进电电机机正正转转反反转转只只是是三三相相绕绕组组通通电电顺顺序序不同而已不同而已2 2三相六拍运行方式三相六拍运行方式 当当A A相相通通电时，A A相相定定子子齿与与转子子齿对齐，此此后后，如如果果让A A、B B两两相相同同时通通电，可可以以发现转子子转动1 15 5。再再让A A相相断断电、B B相相通通电，又又可可发现转子子再再转1.51.5。 所以按照所以按照 AABBBCCCAAAABBBCCCAA 的的顺序序控控制制，电机机将将按按顺时针方方向向旋旋转，每每步步转动1 15 5，即即步步距距角
19、角 =1=15 5， 由由 于于 要要 经 过 6 6步步 才才 走走 完完 一一 个个 齿 距距（6 61 15 5=9=9），所以叫三相六拍。），所以叫三相六拍。如果要使步如果要使步进电机反机反转，只要按，只要按 AACCCBBBAAACCCBBBA顺序通序通电就行了。就行了。结结论论：从从上上面面两两种种运运行行方方式式可可看看出出，错错齿齿是是促促使使步步进进电电机机旋旋转转的的根根本本原原因因，当当某某相相通通电电，相相应应的的齿齿对对齐齐，迫迫使使电电机机旋旋转转一一个个步步距距角角，未未通通电电的的各各相相的的齿齿出出现现了了新新的的错错位位。改改变变通通电电的的顺顺序序和和通通
20、电电的的相相数数，可可组组合合出出其其它它的运行方式。的运行方式。讨论讨论：三项三拍和三项六拍运行方式，哪种定位更精确三项三拍和三项六拍运行方式，哪种定位更精确注：为了更精确的定位，可以采用微步控制。注：为了更精确的定位，可以采用微步控制。P P129129二、二、步步进电机有如下特点机有如下特点：给步步进脉冲脉冲电机就机就转，不，不给步步进脉冲脉冲电机就不机就不转；步步进脉脉冲冲频率率高高，步步进电机机转得得快快；步步进脉脉冲冲频率率低低，步步进电机机转得就慢；得就慢；改改变各各相相的的通通电方方式式（叫叫脉脉冲冲分分配配）可可以以改改变步步进电机的运行方式；机的运行方式；改改变通通电顺序，
21、可以控制步序，可以控制步进电机的正、反机的正、反转。因因此此对对步步进进电电机机的的控控制制可可以以分分为为：按按预预定定的的方方式式分分配配各各绕绕组组的的通通电电脉脉冲冲和和步步进进电电机机速速度度控控制制，使使其其始始终终遵遵循加速匀速减速的规律工作。循加速匀速减速的规律工作。三、步进电机三、步进电机与与MCS-51MCS-51单片机的接口单片机的接口步进电机与单片机的连接一般有两种形式步进电机与单片机的连接一般有两种形式 即：硬件完成脉冲分配和软件完成脉冲分配即：硬件完成脉冲分配和软件完成脉冲分配 （一）由硬件完成脉冲分配的功能（一）由硬件完成脉冲分配的功能 在这种形式里，脉冲分配器（
22、在这种形式里，脉冲分配器（CH250CH250）、）、驱动电路由硬件完成。驱动电路由硬件完成。单片机只提供步进脉冲和正、反转控制信号，步进脉冲的产生与单片机只提供步进脉冲和正、反转控制信号，步进脉冲的产生与停止、步进脉冲的频率和个数都可用软件控制停止、步进脉冲的频率和个数都可用软件控制。 单单片片机机输输出出步步进进脉脉冲冲后后，再再由由脉脉冲冲分分配配电电路路按按事事先先确确定定的的顺顺序序控控制制各各相相的的通通断断。一一般般来来说说，硬硬件件一一旦旦确确定定下下来来，不不易更改，这种方案，硬设备成本高，它的应用受到了限制。易更改，这种方案，硬设备成本高，它的应用受到了限制。 思考：思考：
23、怎样用软件产生步进脉冲呢？怎样用软件产生步进脉冲呢？ 所所谓谓软软件件产产生生就就是是用用软软件件控控制制P3.0P3.0为为1 1或或为为0 0的的次次序序和和长长短短。如如果果先先令令P3.0=1P3.0=1，延延时时一一段段时时间间，再再令令P3.0P3.00 0，再再延延时时一一段段时时间间后后，又又令令P3.0=1P3.0=1，如如此此循循环环，就就可可构构成成脉脉冲冲序序列列。延延时时时时间间的的长长短短决决定定了了脉脉冲冲序序列列的的周周期期，而而脉脉冲冲序序列列的的周周期期又又与与步步进进电电机机的的转转速速有有关关。下下面面提提供供了了一一个个产产生生步步进进脉脉冲的子程序。
24、冲的子程序。SUBSUB： SETB P3 SETB P30 0 SETB P3 SETB P30 0 ；保证输出高电平的时间保证输出高电平的时间55ss SETB P3 SETB P30 0 CLR P3 CLR P30 0 ；变为低电平变为低电平 MOV R7MOV R7，30H30H LOOP LOOP： NOP NOP ；软件延时程序：软件延时程序： NOP NOP ；基本延时（基本延时（1010ss时间常数）时间常数） NOP NOP DJNZ R7,LOOP DJNZ R7,LOOP RET RET时间常数事先可时间常数事先可装入装入3030H H单元，改变单元，改变3030H H
25、单元的内容就可单元的内容就可改变延时长短改变延时长短P3.0P3.0输出脉冲波形输出脉冲波形（二）由软件完成脉冲分配工作（二）由软件完成脉冲分配工作 特特点点：由软件完成脉冲分配工作，不仅使线路简化，成本下降，而且可根据应用系统的需要，灵活地改变步进电机的控制方案。 硬硬件件的的主主要要任任务务是是完完成成驱驱动动功功能能。如图单片机直接带动步进电机的一种接口方案，接口并不复杂，单片机P1的低三位被设成输出位，P10控制A相绕组通断，P11控制B相，P12控制C相。 以以A A相控制为例相控制为例： 当当P1P10 0输输出出为为1 1，发发光光管管不不发发光光，因因此此光光敏敏二二极极管管截
26、截止止，使使担担负负驱驱动动任任务务的的达达林林顿顿管管导导通通。A A相相绕绕组组通电。通电。 相相反反，当当P100发发光光管管发发光光光光敏敏管管导导通通达达林林顿顿管管截截止止A相相绕绕组组不不通电。通电。v为什么步进电机功率驱动电路采用光电隔离？为什么步进电机功率驱动电路采用光电隔离？ 步步进进电电机机功功率率驱驱动动电电路路工工作作在在较较大大脉脉冲冲电电流流状状态态，采采用用光光电电耦耦合合器器将将单单片片机机与与步步机机电电机机隔隔离离可可以以避避免免单单片片机机与与步步进进电电机机功功率率回回路路的的共共地地干干扰扰，此此外外，万万一一驱驱动动电电路路发发生生故故障障。也也不
27、不致致让让功功放放中中较较高高的的电电压压串串入入单单片片机机而而使其损坏。使其损坏。v怎样用软件完成脉冲分配呢？怎样用软件完成脉冲分配呢？ 所所谓谓脉脉冲冲分分配配就就是是用用软软件件改改变变P1P1口口低低三三位位的的输输出出值值，进而达到控制三相绕组的通电顺序和通电方式之目的。进而达到控制三相绕组的通电顺序和通电方式之目的。1 1、软件件选择单三拍的工作方式三拍的工作方式 单三三拍拍的的通通电方方式式为ABCAABCA，要要想想达达到到这个个目的，只需依次向目的，只需依次向P1P1口口输出如下控制字：出如下控制字： P1.2 P1P1.2 P11 P11 P10 0 编码编码 （C C相
28、）（相）（B B相）相） （A A相）相） 0 0 1 0 0 1 （0101H H） A A相通，相通，B B、C C相断相断 0 1 0 0 1 0 （0202H H） B B相通，相通，A A、C C相断相断 1 0 0 1 0 0 （0404H H） C C相通，相通，A A、B B相断相断在控制字间也应加入软件延时来保证一定的时间间隔。在控制字间也应加入软件延时来保证一定的时间间隔。假定要求时间间隔为假定要求时间间隔为1ms，控制电机按三相三拍正转的程序是：控制电机按三相三拍正转的程序是：ZHEN: MOV P1， 01H ；A相通电相通电 ACALL D1MS MOV P1， 02
29、H ；B相通电相通电 ACALL D1MS MOV P1， 04H ；C相通电相通电 ACALL D1MS RET D1MS: MOV R7， 64H ；延时延时1ms子程序子程序D1MS1: NOP ；2s NOP ；2s NOP ；2s DJNZ R7，D1MSl ；4s RET要想控制步进电机反转，只需把输出的控制字的次序按：要想控制步进电机反转，只需把输出的控制字的次序按： 01H（A）04H（C）02H（B）01H（A）组合即可。合即可。 反反转程序如下：程序如下：FAN：MOV P1， 01H ；A相通相通电 ACALL D1MS MOV P1， 04H ；C相通相通电 ACALL
30、 D1MS MOV P1， 02H ；B相通相通电 ACALL D1MS 2 2、软件件选择三相六拍的工作方式三相六拍的工作方式 不不难推出与三相六拍相推出与三相六拍相对应的控制字的控制字为 P1P12 P12 P11 P11 P10 0（C C相）相） （B B相）相） （A A相）相）控制编码控制编码 导通情况导通情况 0 0 1 0 0 1 （0101H H） A A相通相通电 0 1 1 0 1 1 （0303H H） AB AB相通相通电 0 1 0 0 1 0 （0202H H） B B相通相通电 1 1 0 1 1 0 （0606H H） BC BC相通相通电 1 0 0 1 0
31、 0 （0404H H） C C相通相通电 1 0 1 1 0 1 （0505H H） CA CA相通相通电如果按：如果按： 001101100110010011001001101100110010011001 A CA C CB B BA AA CA C CB B BA A的次序的次序输出，就可达到反出，就可达到反转的目的。的目的。 练习练习1仿照三相三拍的办法编出仿照三相三拍的办法编出反反转控制子程序。控制子程序。 FAN: MOV P1， 01H ；A相通电相通电 ACALL D1MS MOV P1，05H ；CA相通电相通电 ACALL D1MS MOV P1，04H ；C相通电相通电 ACALL D1MS MOV P1，06H ；CB相通电相通电 ACALL D1MS MOV P1，02H ；B相通电相通电 ACALL D1MS MOV P1，03H ；BA相通电相通电 ACALL D1MS RET四、步进电机的速度控制所谓步进电机的速度控制就是控制步进电机产生步进动作时间，使其按照给定的速度规律工作。图4-51描述了一个步进电机加速过程及其进给脉冲序列。步进电机的转速步进电机的转速n为为其中,Zr为齿数,N为拍数从上式中可看出,步进电机的转速取决于进给脉冲频率、步进电机齿数及拍数，而与温度、负载、电压等无关。返回本章首页本章到此结束！本章到此结束！结束放映返回本章首页
