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第三章 顺序控制与数字控制 第三章 顺序控制与数字控制 3.1 顺序控制 3.2 数字程序控制 习题 第三章 顺序控制与数字控制 3.1 顺序控制 3.1.1 顺序控制系统的类型 1. 按被控对象的特性分类 顺序控制包括时间顺序控制系统、逻辑顺序控制系统和条 件顺序控制系统等。 第三章 顺序控制与数字控制 时间顺序控制系统是固定时间程序的控制系统。它以执行 时间为依据，每个设备的运行或停止与时间有关。例如，在物 料的输送过程中， 为了防止各输送带电动机同时启动造成负荷 的突然增大，并且为了防止物料的堵塞，通常先启动后级的输 送带电动机，经一定时间延时后，再启动前级的输送带电动机 。 在停止输送时，先停止前级输送带的电动机，延时后再停止 后级输送带的电动机，使在输送带上的物料能输送完毕。 又例 如， 在交通控制系统中，东西南北方向各色信号灯的点亮和熄 灭是在时间上已经确定的，所以，它将按照一定的时间来点亮 或熄灭信号灯。这类顺序控制系统的特点是各设备运行时间是 事先已确定的，一旦顺序执行， 将按预定的时间执行操作指令 。 第三章 顺序控制与数字控制 逻辑顺序控制系统按照逻辑先后顺序执行操作指令，它与 时间无严格的关系。例如，在批量控制的反应釜中，反应初期 ， 首先打开基料阀，基料流入反应釜中，达到一定液位时， 启动搅拌机。在搅拌开始后，液位因基料在继续流入而升高， 当达到某一液位时，反应基料停止加入，其它物料开始加入， 当液位达到另一设定液位时， 物料停止加入，开始加入蒸汽 升温， 并开始反应。 图31为反应釜工作流程图。 第三章 顺序控制与数字控制 图3-1 反应釜工作流程图 第三章 顺序控制与数字控制 在实际中基料与物料分别存放在各自的储液罐内，在这 个过程中，进料的流量大小受到进料储罐液位的影响， 液位 高， 则进料压力大，流量也大，达到启动搅拌机的液位所需 时间也短。同样，在加入其它物料时，因受物料流量的影响 ，液位达到所需液位的时间也不同。但是，在这类控制系统 中， 执行操作指令的逻辑顺序关系不变，因此，称这类控制 系统是逻辑顺序控制系统。这类控制系统在工业生产过程的 控制中应用较多。 第三章 顺序控制与数字控制 条件顺序控制系统是以执行操作指令的条件是否满足为依 据，当条件满足时，相应的操作就被执行，不满足时，将执行 另外的操作。 典型的例子是电梯控制系统。当某一层有乘客 按了向上按钮后，如电梯空闲，则电梯自动向该层运行。 当 乘客进入电梯轿厢，并按了所需去的楼层按钮后， 在一定的 时间延时和关闭电梯门后，电梯将运行，一直等到电梯到达了 所需的楼层， 自动打开轿厢门。这里，电梯的运行根据条件 确定，可向上运行也可向下运行，所停的楼层也根据乘客所需 确定。这类顺序控制系统在工业生产过程控制中也有较多的应 用。 第三章 顺序控制与数字控制 2. 按控制技术手段分类 顺序控制系统在工业控制领域的应用很广，顺序控制系统 实现的方案有采用继电器组成的逻辑控制系统、采用晶体管的 无触点逻辑控制系统、采用可编程序控制器的逻辑控制系统和 采用计算机的逻辑控制系统等。 继电器组成的顺序逻辑控制系统是历史最久的一种实现方 法。它的控制功能全部由硬件完成，即采用继电器的常开常闭 触点、延时断开延时闭合触点等可动触点和普通继电器、时间 继电器、 接触器等执行装置完成所需的顺序逻辑功能。例如， 电动机的开停控制等。受继电器触点可靠性的影响和使用寿命 的限制， 这类控制系统的使用故障较多，使用寿命较短， 加 上因采用硬件完成顺序逻辑功能， 因此更改不便， 维修困难。 第三章 顺序控制与数字控制 晶体管组成的无触点顺序逻辑控制因减少了连接点的可动 部件，可靠性大大提高。晶体管、 晶闸管等半导体元器件的使 用寿命也较继电器的触点使用寿命长，因此，在20世纪70年代 得到了较大的发展。它也是用硬件组成顺序逻辑功能， 更改也 不很方便,但因采用功能模块的结构，部件的更换和维修较继电 器顺序逻辑控制系统要方便。 第三章 顺序控制与数字控制 可编程序控制器是在计算机技术的促进下得以发展起来的 新一代顺序逻辑控制装置。与上述的组成方法不同，它用软件 完成顺序逻辑功能， 用计算机来执行操作指令，实施操作，因 此， 顺序逻辑功能的更改十分方便。加上得益于计算机的高可 靠性和高运算速度，使得可编程序控制器一出现就得到了广泛 的应用。 第三章 顺序控制与数字控制 计算机组成的顺序逻辑控制系统指在集散控制系统或工 控机中实现顺序逻辑控制功能的控制系统。在大型的顺序逻辑 控制和连续控制相结合的工程应用中，这类控制系统大有用武 之地。在这类控制系统中，有连续量的控制和开关量的控制。 采用计算机对它们进行操作和管理，必要时，把信息传送到上 位机或下送到现场控制器和执行机构。 由于计算机技术、半导体技术、通信和网络技术、控制技 术、软件技术等高新科学技术的发展，工业生产过程的控制也 出现了飞速的发展，可编程序控制器将与其他计算机控制装置 一起成为21世纪工业控制领域的主流控制装置。 第三章 顺序控制与数字控制 3.1.2 顺序控制系统的组成 顺序控制系统的组成见图3-2， 它由五部分组成： (1) 输入接口：实现输入信号的电平转换。 (2) 控制器：接受控制输入信号，按一定的控制算法运算 后，输出控制信号到执行机构，控制器具有记忆功能，能实现 所需的控制运算功能。 (3) 输出接口：实现输出信号的功率转换。 (4) 检测机构：检测被控对象的状态信息。 (5) 显示报警装置：显示系统的输入、输出状态，报警等 信息，便于了解过程运行状态和对过程的操作、调试、事故处 理等。 第三章 顺序控制与数字控制 图3-2 顺序控制系统的组成 第三章 顺序控制与数字控制 3.1.3 顺序控制系统的应用领域 1. 工业生产流水线 在机械、电子等制造工业中， 产品采用流水线的工作方 式按先后次序进行。在这类工业生产过程中，部分控制操作是 按时间的次序进行的，大部分控制操作是按逻辑顺序进行的。 这类顺序控制系统的应用十分广泛，例如数控机床、柔性制造 系统、物料输送系统、生产流水线等。另外，在批量控制系统 中，对不同批号的产品有不同的生产顺序、不同的配方和控制 条件，这类控制系统对程序更改有较多的要求，在继电器顺序 控制时期，这类控制系统实现较困难，采用可编程序控制器可 较方便地实现，因此，这类控制系统的应用也得到了较大的发 展。 第三章 顺序控制与数字控制 2. 安全生产监控系统 在石油化工、核电、冶金等工业领域，由于工作环境具 有高温、高压、易燃、易爆、核辐射等特点，工作过程参数 一旦偏离规定的范围， 就会发生事故， 造成设备损坏或人 员伤亡，因此，必须对操作的过程参数进行控制。在这些工 业生产过程中，要设置控制系统， 以防止事故的发生，这是 顺序控制系统的另一个很重要的应用场合。 第三章 顺序控制与数字控制 3. 家电产品 在家电产品中，顺序控制系统也有较广泛的应用。 洗衣 机的顺序控制、冰箱的温度控制、空调系统等顺序逻辑控制系 统是较常见的应用例子。家用电器的一些模糊控制系统、 自 动烹调系统等也得到应用。总之，在家电领域，顺序控制系统 还刚开始进入应用， 有很大的发展前途。 第三章 顺序控制与数字控制 3.1.4 顺序控制的应用实例 下面以冷加工自动线中钻孔动力头的自动控制顺序作为实 际例子。 其加工过程分为以下几步： (1) 动力头在原位(原位行程开关x0受压)并按启动按钮a， 电磁阀dt1通电，动力头快进。 (2) 碰上行程开关x1电磁阀dt2通电(dt1保持通电)， 由快进转工进。 (3) 碰上行程开关x2开始延时(继续工进)。 第三章 顺序控制与数字控制 (4) 延时时间到dt1、 dt2断电，dt3通电，动力头快 退。 (5) 动力头退回到原位(x0又受压)dt3断电，动力头停 止。 完成一个周期的循环动作之后，又返回到第一步， 开始 下一个循环的动作。钻孔动力头控制逻辑功能图如图3-3所示。 第三章 顺序控制与数字控制 图3-3 钻孔动力头控制逻辑功能图 第三章 顺序控制与数字控制 在加工过程中，钻孔动力头有快进、工进、工进延时、 快退、停止等五个工作状态，各工作状态的顺序转换是根据 现场输入信号(由按钮、行程开关、延时继电器发出的)而定 的。 显然， 钻孔动力头的自动控制就是顺序控制。 第三章 顺序控制与数字控制 前已述，钻孔动力头在一个工作循环中有快进、工进、工进 延时、快退和停止等五个工作状态。 从前一个工作状态转入下 一个工作状态，是根据来自现场的输入信号的逻辑判断。 现场 输入信号有启动按钮a、原位开关x0、行程开关x1和x2以及延时信 号。 这些电器触点的通断，通过输入电路变成电位信号引到微 型计算机的输入接口的输入端上，cpu按一定逻辑顺序读取这些 信号，并逐一判断是否满足各工作状态转换条件。若满足，则发 出相应的转换工作状态的控制信号。控制信号从微型计算机的输 出接口引出，经过隔离放大电路驱动相应的电磁阀吸合或释放， 从而改变液压油路的状态，使动力头进入新的工作状态。 第三章 顺序控制与数字控制 若不满足，则等待(当cpu只控制一台动力头时)或跳过， 转向询问另一台动力头(当cpu控制多台动力头时)。 整个工作 过程是以一定的硬件为基础， 通过cpu执行一段控制程序来实 现的。 下面介绍采用at89c51单片微型计算机实现动力头的顺序 控制。 1. 输入输出接口设置 采用at89c51单片微型计算机通过接口电路直接与外部连 接，控制各执行机构完成生产过程。输入输出信号安排如表3-1 所示。 第三章 顺序控制与数字控制 表3-1 输入输出信号安排 输入信 号 启动按 钮a 原位开关 x0 行程开关 x1 行程开关 x2 p1.0 p1.1p1.2p1.3 输出信 号 快进dt1 工进dt2快退dt3 p3.0 p3.1 p3.2 第三章 顺序控制与数字控制 单片机at89c51的p1口设置为输入，p3口设置为输出。表3- 1中所标现场输入信号a、x0、x1、x2是经过输入电路处理后送来 的电位信号。当开关受压时， 送来“1”信号，不受压时，送 来“0”信号。计算机送出的控制信号使dt1、dt2或dt3吸合或释 放，完成相应执行机构的控制动作(实际上应经过驱动电路)。 第三章 顺序控制与数字控制 2. 控制程序流程图 控制程序流程图如图3-4所示。 第三章 顺序控制与数字控制 图3-4 控制程序流程图 第三章 顺序控制与数字控制 3. 控制程序 从图3-4程序流程图可以看到，控制程序所要完成的任务 是， 按一定的逻辑顺序读取现场工作状态信号；按预先规定 的逻辑算式进行与、或、非等逻辑运算；按运算结果判断是 否发出某种控制信号。根据图3-4所给出的流程图及表3-1所 示输入输出信号排列，按程序实现数字逻辑功能的方法， 可 编出控制程序如下： 第三章 顺序控制与数字控制 stage1: mov a,p1 ；读p1口输入信号 anl a,03h ； 取出a信号和原位信号 cjne a，03h stage1 ； 没有a信号和原位信号， 继续等待 stage2: mov p3,01h ； 发快进命令 stage20: mov a,p1 ； 读p1口输入信号 anl a,04h ； 取出x1信号 cjne a，04h stage20 ； 没有x1信号， 继续快进 stage3: mov p3,02h ； 发工进命令 stage30: mov a,p1 ； 读p1口输入信号 anl a,08h ； 取出x2信号 cjne a,08h stage30 ； 没有x2信号，继续工进 第三章 顺序控制与数字控制 stage4: lcall delay ； 调延时子程序 mov p3,04h ； 发快退命令 stage40: mov a,p1 ； 读p1口输入信号 anl a,02h ； 取出原位信号 cjne a，02h stage40 ； 没有回到原位， 继续快退 stage5: ljmp stage1 ； 返回，转下次循环 延时子程序delay此处从略。 第三章 顺序控制与数字控制 3.2 数字程序控制 3.2.1 数值插补计算方法 能根据输入的指令和数据，控制生产机械按规定的工作顺 序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律而自动完成工作的 自动控制称为数字程序控制。 数字程序控制主要应用于机床自动控制，如用于铣床、 车 床、加工中心、线切割机以及焊接机、气割机等的自动控制系 统中。采用数字程序控制系统的机床叫做数字程序控制机床。 数字程序控制机床具有能加工形状复杂的零件，加工精度高， 生产效率高，便于改变加工零件品种等许多特点，它是实现机 床自动化的一个重要发展方向。 第三章 顺序控制与数字控制 数字程序控制系统一般由输入装置、输出装置、控制器和 插补器等四大部分组成。目前硬件数控系统已很少采用，多数 采用计算机数控系统，控制器和插补器功能以及部分输入输出 功能都由计算机承担。 数字程序控制系统的插补器用于完成插补计算。插补计算 就是按给定的基本数据(如直线的终点坐标，圆弧的起、终点 坐标等)，插补(插值)中间坐标数据，从而把曲线形状描述出 来的一种计算。插补器实际上是一个函数发生器，能按给定的 基本数据，产生一定的函数曲线，并以增量形式(例如为脉冲) 向各坐标连续输出， 以控制机床刀具按给定的图形运动。 第三章 顺序控制与数字控制 多年来，在数字程序控制机床中最常采用的插补计算方法 是逐点比较插补计算法(简称逐点比较法)和数字积分器插补计 算法(简称数字积分法)。近几年又采用了一些新的插补计算法 ， 如时间分割插补计算法(简称时间分割法)和样条插补计算 法等。 按插补器的功能可以分为平面的直线插补器、圆弧插补器 和非圆二次曲线插补器及空间直线和圆弧插补器。因为大部分 加工零件图形都可由直线和圆弧两种插补器得到，所以，在数 字程序控制系统中直线插补器和圆弧插补器应用最多。 第三章 顺序控制与数字控制 所谓逐点比较插补法，就是它每走一步都要和给定轨迹上 的坐标值进行一次比较，看这点在给定轨迹的上方或下方， 或 是在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“逐点比较法”插补。 第三章 顺序控制与数字控制 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)取得足够小， 就 可达到加工精度的要求。 下面分别介绍逐点比较法直线和圆弧插补原理及其插补 计算的程序实现方法。 第三章 顺序控制与数字控制 图3-5 第一象限直线 第三章 顺序控制与数字控制 3.2.2 逐点比较法直线插补 1 直线插补计算原理 (1) 偏差计算公式: 按逐点比较法的原理，必须把每一 插值点(动点)的实际位置与给定轨迹的理想位置间的误差， 即“偏差”计算出来，根据偏差的正、负决定下一步的定向， 逼近给定轨迹。因此，偏差计算是逐点比较法关键的一步。 下面以第一象限平面直线为例来推导其偏差计算公式。 第三章 顺序控制与数字控制 假定加工如图3-5所示的直线oa。取直线起点o为坐标原点 ， (xe、ye)是已知的直线终点坐标。m(xm、ym)为加工点(动点)， 若m在oa直线上，则根据相似三角形的关系可得 即 取直线插补的偏差判别式fm为 (3-1) 第三章 顺序控制与数字控制 若fm=0，表明m点在oa直线上；若fm 0，说明xe=xm时， ymye, 表明m点在oa直线上方； 若fm 0，表明加工点m在圆 弧外；fm n处理程序；无借位，则 mn，执行big处理程序 equ:m=n处理程序 less:mn 理程序 第三章 顺序控制与数字控制 hequ:clr cy；标志位清零 mov a,ml；aml mov r2,nl；r2nl subba,r2 ；低8位比较 jzequ ；a=0，则m=n，转equ jcless ；有借位，则mn处理程序；无借位，执行 mn 理程序 euq:m=n 处理程序 less:m0，n0, 即两数均为正数。 （2）m0，n0, 即m为负数，n为正数 。 （4）mn flow:jbacc.7,big；有溢出，且a的最高位为1， 则mn less:mn处理程序 euq:m=n处理程序 返回本节 第三章 顺序控制与数字控制 逻辑判断程序 逻辑判断程序的设计步骤： （1）读入数据（开关状态或阀门的位 置）； （2）屏蔽不需要的状态位； （3）与所要求的状态比较； （4）判断比较结果，选择程序入口。 第三章 顺序控制与数字控制 例 图3-5中a 、b、c、d表示4 个开关，当四个 开关均闭合时， 顺序执行相应的 程序，否则，继 续检测。 逻辑判断程序 流程框图如图示 。 图 开关位置检测图 第三章 顺序控制与数字控制 图 开关状态检测流程图 第三章 顺序控制与数字控制 逻辑判断程序清单： check: mov a,p1；读入开关状态 anl a,#55h；屏蔽无用位 xrl a,#00h；判断a、b、c、d是否全 部闭合 jnzcheck；a、b、c、d没全部闭合 ，继续检测 ；否则顺序执行相应程序 返回本节 第三章 顺序控制与数字控制 标志判断程序 标志判断的设计 思想是：根据某一 设定的标志单元（ 或标志位）的状态 ，决定程序的执行 方向。电机旋转方 向控制程序流程图 如图所示。图电机旋转方向控制程序流程图 第三章 顺序控制与数字控制 电机旋转方向控制程序清单 ： flagbit 00h；设定00h为电机旋转方向控 制位 jbflag right；flag=1，转right left:；flag=0，顺时针旋转控制程序 right:；逆时针旋转控制程序 返回本节 第三章 顺序控制与数字控制 上下限报警处理程序设计 报警程序主要有以下几个步骤组成 ： （1）采样被测参数。 （2）比较采样值和给定的上下限 。 （3）根据比较结果执行相应的处 理程序。 返回本章首页 第三章 顺序控制与数字控制 例 设计一简单的单字节上下限报警程 序，当采样值超出上、下限时，分别执行 相应的报警处理程序。 设上限报警值存放在amax单元，下限报 警值存放在amin单元，采样值存放在 samp单元。 简单上下限报警程序程序清单如下： 第三章 顺序控制与数字控制 . clr c；清进位标志位 mov a,amax；读上限报警值 subba,samp；判断是否超过上 限报警值 jcupper；超过上限，转报警处理 程序 mov a,amin；读下限报警值 subba,samp；判断是否超过下 限报警值 jnc lower；超过下限，转报警处理 程序 upper: 超上限处理程序。 lower: 超下限处理程序。 第三章 顺序控制与数字控制 例设计一报警处理程序。只有采样值 连续3次异常时，系统才进行报警处理。 报警程序流程框图如图所示。 第三章 顺序控制与数字控制 图 报警程序流程框图 第三章 顺序控制与数字控制 报警程序清单： mov num,#03h check:clrc；清进位标志位 mov a,amax；读上限报警值 subb a,samp；判断是否超过上限报警值 jcabnormal ；超过上限，转abnormal mov a,amin；读下限报警值 subb a,samp；判断是否超过下限报警值 jncabnormal ；超过下限，转abnormal 第三章 顺序控制与数字控制 clr flag；采样正常，清采样异常标志位 ajmpretu abnormal:jbflag,abnor_l；上次采样 异常，转abnor_l movnum,#03h；上次采样正常，重置允许连续异常 次数 setbflag；置位采样异常标志位 ajmpretu abnor_l:mova,num ；读允许连续采样异常次数 jzalarm；允许采样异常次数=0，执行报警处 理程序 decnum；允许采样异常次数0，允许采样异常次数 减1 setbflag；置位采样异常标志位 ajmpretu alarm1:.；报警处理程序 返回本节 第三章 顺序控制与数字控制 3.2.4 步进电机工作原理 步进电机是工业过程控制及仪表中的主要控制元件之一。 例如， 在机械结构中，可以用丝杠把角度变成直线位移，也 可以用它带动螺旋电位器，调节电压和电流，从而实现对执行 机构的控制。 在数字控制系统中，由于它可以直接接收计算 机输出的数字信号，而不需要进行数模转换，因此用起来非 常方便。步进电机角位移与控制脉冲间精确同步，若将角位移 的改变转变为线性位移、位置、体积、流量等物理量的变化， 便可实现对它们的控制。 第三章 顺序控制与数字控制 步进电机作为执行元件的一个显著特点就是具有快速启停 能力。如果负荷不超过步进电机所提供的动态转矩值， 就能 够在“一刹那”间使步进电机启动或停转。一般步进电机的步 进速率为每秒2001000步，如果步进电机是以逐渐加速到最 高转速，然后再逐渐减速到零的方式工作，那么其步进速率增 加12倍， 也仍然不会失掉一步。 第三章 顺序控制与数字控制 步进电机的另一显著特点是精度高。在没有齿轮传动的情 况下，步距角(即每步所转过的角度)可以由每步90到每步 0.36。另一方面， 无论是变磁阻式步进电机还是永磁式步 进电机，它们都能精确地返回到原来的位置。如一个24步(每 步为15)的步进电机，当其向正方向步进48步时，刚好转两 转。如果再反方向转48步，电动机将精确地回到原始的位置。 第三章 顺序控制与数字控制 正因为步进电机具有快速启停、精确步进以及能直接接收 数字量的特点，所以使其在定位场合中得到了广泛的应用。 如在绘图机、打印机及光学仪器中，都采用步进电机来定位绘 图笔、 印字头或光学镜头。特别是在工业过程控制的位置控 制系统中，由于步进电机精度高以及不用位移传感器即可达到 精确的定位，应用越来越广泛。 步进电机实际上是一个数字角度转换器，也是一个串行 的数模转换器。其结构原理如图3-13所示。 第三章 顺序控制与数字控制 图3-13 步进电机原理图 第三章 顺序控制与数字控制 从图3-13可以看出，电动机的定子上有6个等份的磁极， a、a，b、 b， c、c，相邻两个磁极间的夹角为60。 相对的两个磁极组成一相，如图3-13所示的结构为三相步进电 机(a-a相，b-b相，c-c相)。当某一绕组有电流通过时 ， 该绕组相应的两个磁极立即形成n极和s极， 每个磁极上各 有5个均匀分布的矩形小齿。 步进电机的转子上没有绕组，而是由40个矩形小齿均匀分 布在圆周上，相邻两齿之间的夹角为9。 第三章 顺序控制与数字控制 当某相绕组通电时，对应的磁极就会产生磁场，并与转子 形成磁路。若此时定子的小齿与转子的小齿没有对齐，则在磁 场的作用下，转子转动一定的角度，使转子齿和定子齿对齐。 由此可见，错齿是促使步进电机旋转的根本原因。 第三章 顺序控制与数字控制 例如，在单三拍控制方式中，假如a相通电，b、c两相都 不通电，在磁场的作用下，使转子齿和a相的定子齿对齐。若 以此作为初始状态，设与a相磁极中心对齐的转子齿为0号齿， 因为b相磁极与a相磁极相差120，且不为整数，所 以，此时转子齿不能与b相定子齿对齐，只是13号小齿靠近b相 磁极的中心线，与中心线相差3，见表3-6。如果此时突然变 为b相通电，而a、c两相都不通电，则b相磁极迫使13号转子齿 与之对齐，整个转子就转动3，此时，称电机走了一步。 如 果按照abca顺序通电一周，则转子转动9。 同理，如果按照acba顺序通电则转子反方向转动 9。 第三章 顺序控制与数字控制 表3-6 a相通电时转子上各齿的位置 第三章 顺序控制与数字控制 磁阻式步进电动机的步距角可由下边的公式求得： 式中：n=mc为运行拍数，其中m为控制绕组相数；c为状态系数 ，采用单三拍或双三拍时c=1，采用单六拍或双六拍时c=2。 zr为转子齿数。 第三章 顺序控制与数字控制 3.2.5 步进电机控制系统原理 典型的步进电机控制系统如图3-14所示。 图3-14 步进电机控制系统的组成 第三章 顺序控制与数字控制 步进电机控制系统主要是由步进控制器、功率放大器及步 进电机组成。步进控制器是由缓冲寄存器、环形分配器、控制 逻辑及正、反转控制门等组成。 它的作用就是能把输入的脉 冲转换成环型脉冲，以便控制步进电机，并能进行正、反向控 制。功率放大器的作用是把控制器输出的环型脉冲加以放大， 以驱动步进电机转动。在这种控制方式中，由于步进控制器线 路复杂、成本高，因而限制了它的应用。但是，如果采用计算 机控制系统， 由软件代替上述步进控制器，则问题将大大简 化。这不仅简化了线路，降低了成本，而且可靠性也大为提高 。特别是采用微型机控制，更可以根据系统的需要灵活改变步 进电机的控制方案，使用起来很方便。典型的微型机控制步进 电机系统原理图如图3-15所示。 第三章 顺序控制与数字控制 图3-15 用单片微型机控制步进电机原理系统图 第三章 顺序控制与数字控制 图3-15与图3-14相比，主要区别在于用微型机代替了步进 控制器。因此，微型机的主要作用就是把并行二进制码转换成 串行脉冲序列，并实现方向控制。 每当步进电机脉冲输入线 上得到一个脉冲，它便沿着转向控制线信号所确定的方向走一 步。只要负载是在步进电机允许的范围之内，那么，每个脉冲 将使电动机转动一个固定的步距角度，根据步距角的大小及实 际走的步数，只要知道初始位置，便可预知步进电机的最终位 置。 第三章 顺序控制与数字控制 由于步进电机的原理在自动装置及电动机方面的书籍中均 有详细介绍，这里就不再赘述。 本书主要解决如下几个问题 ： (1) 用软件的方法产生脉冲序列； (2) 步进电机的方向控制； (3) 步进电机控制程序的设计。 第三章 顺序控制与数字控制 1 脉冲序列的生成 在步进电机控制软件中必须解决的一个重要问题就是产生 一个如图3-16所示的周期性脉冲序列。 图3-16 脉冲序列 第三章 顺序控制与数字控制 从图3-16中可以看出，脉冲是用周期、脉冲高度、接通与 断开电源的时间来表示的。脉冲高度是由使用的数字元件电平 来决定的，如一般ttl电平为05 v，cmos电平为010 v等。 在常用的接口电路中，多为05 v。接通和断开时间可用延时 的办法来控制。例如，当向步进电机相应的数字线送高电平(表 示接通)时，步进电机便开始步进。但由于步进电机的“步进” 是需要一定的时间的，因此在送一高脉冲后需延长一段时间， 以使步进电机达到指定的位置。由此可见， 用计算机控制步进 电机实际上是由计算机产生一系列脉冲波。 第三章 顺序控制与数字控制 用软件实现脉冲波的方法是先输出一高电平，然后再利 用软件延时一段时间，而后输出低电平， 再延时。延时时间 的长短由步进电机的工作频率和我们希望达到的电机转速共 同来决定。 第三章 顺序控制与数字控制 2 方向控制 常用的步进电机有三相、四相、五相、六相四种，其旋转 方向与内部绕组的通电顺序有关。 下边以三相步进电机为例 进行讲述。 三相步进电机有三种工作方式： (1) 单三拍， 通电顺序为abca； (2) 双三拍， 通电顺序为abbccaab； (3) 三相六拍， 通电顺序为aabbbcccaa 。 第三章 顺序控制与数字控制 如果按上述三种通电方式和通电顺序进行通电， 则步进电 机正向转动。反之，如果通电方向与上述顺序相反， 则步进电 机反向转动。 例如在单三拍中反相的通电顺序为acba， 其他两种方式可以此类推。 关于四相、五相、六相的步进电机，其通电方式和通电顺 序与三相步进电机相似，读者可自行分析。本书主要以三相步 进电机为例进行讲述。 第三章 顺序控制与数字控制 步进电机的方向控制方法是： (1) 用微型机输出接口的每一位控制一相绕组。 例如， 用8255控制三相步进电机时，可用pc0、pc1、 pc2分别接至步 进电机的a、b、c三相绕组。 (2) 根据所选定的步进电机及控制方式，写出相应控制方 式的控制模型， 如上面讲的三种控制方式的控制模型分别如 表3-7、 3-8、 3-9所示。 第三章 顺序控制与数字控制 表3-7 三相单三拍控制模型 第三章 顺序控制与数字控制 表3-8 三相双三拍控制模型 第三章 顺序控制与数字控制 表3-9 三相六拍控制模型 第三章 顺序控制与数字控制 以上为步进电机正转时的控制顺序及控制模型，如果按 上述逆顺序进行控制， 则步进电机将向相反方向转动。由此 可知， 所谓步进电机的方向控制，实际上就是按照某一控制 方式(根据需要进行选定)所规定的顺序发送脉冲序列， 即可 达到控制步进电机方向的目的。 第三章 顺序控制与数字控制 3.2.6 步进电机与微型机的接口及程序设计 1 步进电机与微型机的接口电路 由于步进电机的驱动电流比较大，因此微型机与步进电机 的连接需要专门的接口电路及驱动电路。接口电路可以是锁存 器，也可以是可编程接口芯片，如8255、8155等。驱动器可用 大功率复合管，也可以是专门的驱动器。有时为了抗干扰， 或 避免一旦驱动电路发生故障，造成功率放大器中的高电平信号 进入微型机而烧毁器件， 通常在驱动器与微型机之间加一级光 电隔离器， 其原理接口电路如图3-17和3-18所示。 第三章 顺序控制与数字控制 图3-17 步进电机与微型机接口电路之一 第三章 顺序控制与数字控制 图3-18 步进电机与微型机接口电路之二 第三章 顺序控制与数字控制 在图3-17中，当p1口的某一位（如p1.0）输出为0时，经 反向驱动器变为高电平，使达林顿管导通，a相绕组通电。反 之，当p1.0=1时，a相不通电。由p1.1和p1.2控制的b相和c相 亦然。 总之，只要按一定的顺序改变p1.0p1.2三位通电的 顺序， 则可控制步进电机按一定的方向步进。 第三章 顺序控制与数字控制 图3-18与图3-17的区别是在微型机与驱动器之间增加一级 光电隔离。当p1.0输出为1，发光二极管不发光，因此光敏三 极管截止， 从而使达林顿管导通，a相绕组通电。反之，当 p1.0=0时，经反相后，使发光二极管发光， 光敏三极管导通 ， 从而使达林顿管截止，a相绕组不通电。 现在，已经生产出许多专门用于步进电机或交流电动机的 接口器件(或接口板)，用户可根据需要选用。 第三章 顺序控制与数字控制 2 步进电机程序设计 步进电机程序设计的主要任务是： (1) 判断旋转方向； (2) 按顺序传送控制脉冲； (3) 判断所要求的控制步数是否传送完毕。 第三章 顺序控制与数字控制 因此，步进电机控制程序就是完成环型分配器的任务，从 而控制步进电机转动，以达到控制转动角度和位移之目的。首 先要进行旋转方向的判别，然后转到相应的控制程序。正反向 控制程序分别按要求的控制顺序输出相应的控制模型， 再加上 脉宽延时程序即可。脉冲序列的个数可以用寄存器cl进行计数 。 控制模型可以以立即数的形式一一给出。下面以三相双三拍 为例说明这类程序的设计，设所要求的步数放在num单元。控制 标志单元flag为00h时，表示正转；为01h时，表示反转。各项 控制模型放在以point为首地址的内存单元中。其程序流程图如 图3-19所示。 第三章 顺序控制与数字控制 图3-19 三相双三拍步进电机控制程序流程图 第三章 顺序控制与数字控制 根据图3-19， 可写出如下三相双三拍步进电机控制程序。 org 0100h routn1： mov a，n ； 步进电机的步数a jnb 00h，loop2 ； 如果00h位为0， 则为反 向， 转loop2 loop1： mov p1，03h ； 正向， 输出第一拍 acai1 delay ； 延时 dec a ； a=0， 转done jz done mov p1， 05h ； 输出第二拍 acall delay ； 延时 dec a ； a=0， 转done jz done 第三章 顺序控制与数字控制 mov p1， 06h ； 输出第三拍 acall delay ； 延时 dec a ； a0， 转loop1 jnz loop1 ajmp done ； a0， 转done loop2： mov p1， 03h ； 反向， 输出第一拍 acall delay ； 延时 dec a jz done mov p1， 06h ； 输出第二拍 acall delay ； 延时 第三章 顺序控制与数字控制 dec a jz done mov p1， 06h ； 输出第三拍 acall delay ； 延时 jnz loop2 done： ret ； 返回 delay： 延时程序(略) 第三章 顺序控制与数字控制 以上程序设计方法对于节拍比较少的程序是可行的， 但 是，当步进电机的节拍数比较多(如三相六拍、六相十二拍等) 时，用这种立即数传送法将会使程序很长，因而占用很多个存 储器单元。所以，对于节拍比较多的控制程序，通常采用循环 程序进行设计。 所谓循环程序，就是把环型节拍的控制模型按顺序存放在 内存单元中，然后逐一从单元中取出控制模型并输出。如此可 大大简化程序，节拍越多，优越性越显著。下面以三相六拍为 例进行设计， 其流程图如图3-20所示。 第三章 顺序控制与数字控制 图3-20 三相六拍步进电机控制程序框图 第三章 顺序控制与数字控制 图3-20所示三相六拍步进电机控制程序如下： org 0400h routn2： mov r2， count ； 步数送r2寄存器 loop0： mov r3， 00h mov dptr， point ； 送控制模型指针 jnb 00h,loop2 ； 00h位=0为反转 loop1： mov a， r3 ； 取控制模型 movc a， a+dptr jz loop0 ； 判控制模型是否为00h mov p1， a ； 输出控制模型 acall delay ； 延时 inc r3 ； 控制步数加1 djnz r2， loop1 ； 判步数是否走完 ret 第三章 顺序控制与数字控制 loop2： mov a， r3 ； 求反向控制模型的偏移量 add a， 07h mov r3， a ajmp loop1 delay： 延时程序(略) point： db 01h db 03h db 02h db 06h db 04h db 05h db 00h 第三章 顺序控制与数字控制 db 01h db 05h db 04h db 06h db 02h db 03h db 00h count equ 30h point equ 0150h 第三章 顺序控制与数字控制 3.2.7 步进电机步数及速度的计算方法 要想使步进电机按一定的速率精确地到达指定的位置(角 度或线位移)，在前边讲的子程序routn1和routn2中，步进电 机的步数n和延时时间delay是两个重要的参数。前者用来控制 步进电机的精度，后者则控制其步进的速率。那么，如何确定 这两个参数，将是步进电机控制程序设计中十分重要的问题。 第三章 顺序控制与数字控制 1 步进电机步数的确定 步进电机常被用来控制角度和位移，例如，用步进电机控 制旋转变压器或多圈电位器的转角。此外，穿孔机的进给机构 、 软盘驱动系统、光电阅读机、打印机、数控机床等也都用步 进电机精确定位。 例如，用步进电机带动一个10圈的多圈电位器来调整电压 。 假定其调节范围为010 v，现在需要把电压从2 v升到2.1 v ， 设步进电机的行程角度为x，则： 第三章 顺序控制与数字控制 如果用三相三拍控制方式，由公式可定出步距角为3， 由此可计算出步进电机的步数n=363=12(步)。如果用三 相六拍的控制方式, 则步距角为1.5，其步数为n=36 1.5=24(步)。由此可见，改变步进电机的控制方式， 可以 提高精度，但在同样的脉冲周期下，步进电机的速率将减慢。 同理，也可以求出位移量与步数之间的关系。 第三章 顺序控制与数字控制 2 步进电机控制速度的确定 步进电机的步数是精确定位的重要参数之一。在某些场合 ， 不但要求能精确定位，而且还要求在一定的时间内到达预 定的位置， 这就要求控制步进电机的速率。 步进电机速率控制的方法就是改变每个脉冲的时间间隔， 亦即改变程序routn1和routn2中的延时时间。例如，在routn2 程序中，步进电机转动10圈需要2秒钟，则每进一步需要的时 间为 所以，只要在输出一个脉冲后， 延时833 s，即可达到上 述之目的。 第三章 顺序控制与数字控制 3.2.8 步进电机的变速控制 在前面讲的两种步进电机程序设计中，步进电机是以恒定 的转速进行工作的，即在整个