自动控制系统实习指导书.doc

目录第一章：自动控制系统实验概述2第二章：自动控制系统实验装置介绍31运动控制实验仪介绍32温度控制仪介绍53实验项目9第三章：控制原理113.1数控原理113.1.1数控原理概述113.1.2步进电机的驱动与控制123.1.3轮廓加工的数学基础133.1.4ISA运动控制卡原理283.1.5高级语言硬件编程313.2温控原理和算法333.2.1温度传感器333.2.1标度公式的计算343.2.3温度控制的算法（PID）35第四章：实习操作步骤和注意事项404.1运动控制部分：404.1.1实习步骤：404.1.2实习中注意事项424.2温度控制部分424.2.1实验步骤424.2.2实习中注意问题434.3实习要求：434.4成绩评定44第五章 实验指导455.1运动控制部分45实验一、硬件电路的熟悉和控制原理复习巩固45实验二、键盘显示综合实验46实验三、步进电机单片机控制实验（1）48实验四、步进电机单片机控制实验（2）49实验五、单片机控制位置检测实验50实验六、单片机运动控制系统总体实验51实验七、PC机运动控制系统实验525.2温度控制部分54实验一、硬件电路的掌握54实验二：信号采样转换显示以及在数码管上显示时钟（秒表）55实验三 炉温检测检测与控制系统57第一章：自动控制系统实验概述自动控制系统实验是综合应用控制理论、单片机原理及接口技术、电机拖动、微机接口技术、自动控制系统等课程知识的重要实践环节。其目的在于通过试验来验证和研究控制理论（运动检测控制和温度检测控制），增强感性认识, 以促进认识的深化，培养学生科学的分析能力，使学生掌握一般运动控制和温度控制的操作方法和基本技能；培养学生严肃认真和实事求是的科学作风，锻炼科学实验的能力。为了培养学生独立分析问题和解决问题的能力；培养学生的动手操作能力；为了更有效的完成每项实验，要求学生在实验前必须作充分预习。除复习与实验有关的理论，还要认真研究实验指导书，了解实验目的、内容、弄清实验原理、实验接线、操作方法和步骤、应测试记录的数据以及实验过程中要注意的问题，总而言之，要求学生试验前心中有数。本次实习的内容主要包含两部分：运动控制和温度控制，这是控制领域比较经典和最常见的两个控制类型。（1） 运动控制系统：这部分内容要求学生掌握一般的运动控制方法和原理，要求学生熟练掌握步进电机驱动技术、微机接口技术、单片机原理及接口技术，数控轮廓插补原理，计算机高级语言硬件编程，了解一般运动控制系统常用机械结构，熟练掌握步进电机控制方法，了解一般交流伺服电机控制方法，变频器使用方法等。（2） 温度控制系统：这部分内容要求学生掌握一般温度控制的方法和原理，要求学生熟练掌握自动控制原理，常用PID调节方法，单片机原理及接口技术，了解温度检测与控制系统的一般结构；光耦（AD698）和可控硅（MOC3401）的工作原理及其应用；了解温度传感器的工作原理及其应用；运用所学的PID控制算法，大林算法实现对温度的精确控制，并对所采用的算法进行分析比较。本指导书是根据自动控制系统实验教学大纲的要求以及结合我校自动控制实验室的现状编写的。第二章：自动控制系统实验装置介绍我校自动控制系统实验装置，采用自主研制的实验装置。该控制系统实验装置分为两大部分：一是运动控制实验仪，二是温度控制实验仪。下面分别加以介绍：1运动控制实验仪介绍运动控制实验仪是一个平面两轴驱动的运动装置，机械部分采用丝杆螺母的传动方式，脉冲当量为0.0125mm。它可以由单片机和PC机两套系统分别控制，控制系统共用一块步进电机驱动和检测电路板。驱动和检测电路板上分别有单片机和PC机的控制接口，使用十分方便。该运动控制实验仪配备了一只画笔，通过编制相应的控制程序，可以在图板上绘出不同的图形，使运动过程更加明了，便于观察。运动控制仪可采用单片机控制也可以采用计算机控制，其结构如下图所示：驱动检测电路板上留有单片机控制和计算机控制的接口。单片机控制系统和计算机控制系统分开来控制，当采用单片机控制系统时，不能同时采用计算机控制，这时应将计算机与驱动检测电路接线断开。反之亦然。 图2-1运动控制实验仪结构示意图（1）单片机控制系统单片机控制电路分为显示电路，键盘电路、脉冲锁存和光槽开关信号读取电路、光隔电路组成。五个数码管对应地址分别为：0000H,2000H,4000H,6000H,8000H,每个数码管显示数据“暗、0、1、2、3、4、5、6、7、8、9”的段选码值对应为00H,7EH,60H,57H,75H,69H,3DH,3FH,70H,7FH,79H。键盘为36行列示键盘，其中第一个键为复位键，其他键可以按设计自由编排。步进电机分配脉冲对应锁存器地址为A000H，其中高四位是Y轴信号，低四位是X轴信号。信号从高到低排列依次为：高压（+24V）信号(置0关断，置1开通)、A相信号（置0关断，置1开通）、B相信号（置0关断，置1开通）、C相信号（置0关断，置1开通）。光槽开关信号缓冲器74LS244读写地址为E000H。图2-2单片机控制系统原理结构图（2)计算机控制系统计算机控制系统由普通个人计算机加一块运动控制板卡组成，运动控制板卡是计算机控制系统的核心。运动控制板卡采用ISA接口卡，ISA运动接口卡控制原理如下：图2-3ISA运动接口卡的硬件原理图步进电机ISA运动接口卡的硬件的组成如下图所示,图中采用ISA总线实现主计算机与控制卡之间的信息传递。控制卡主要由译码电路、总线驱动和隔离电路组成。这里采用开环控制无外部信号输入，对电机的脉冲分配、加减速控制全部由软件实现。2温度控制仪介绍温度控制仪是一个用单片机控制温度系统，首先通过温度传感器AD590检测到电热杯的温度，然后通过AD0809 转换器转换为数字量，再把数字量送入单片机进行数据处理，与设定值进行比较，把采集到的温度送到数码显示管上显示，同时，通过调节可控硅导通角来控制电热杯的温度和升温速率，从而达到对电热杯的温度进行控制的目的。图2-4 温度检测与控制教学实验及系统方框图KWY-1实验装置：（1） 温度检测和放大单元主要由稳压电路TL431，温度传感器AD590，放大电路OP07组成。其中温度传感器将温度信号转换为电流信号，通过外部电路转换为电压信号，然后经过放大器把放大后的电压信号送到AD0809，进行A/D转换。信号采集放大电路图2-5信号采集放大电路AD590温度传感集成芯片将温度变化量转换成电压值变化量，经过OP07一级跟随后输入到电压放大电路，放大后的信号输入到A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，利用CPU采集并存储采集到的数据。（2） A/D转换单元主要由AD0809组成的A/D转换电路，它共有8路采集，我们在硬件电路上选择的是其中的第5个通道。图2-6 A/D转换电路如上图的A/D转换电路可知，通道5是作为数据采集通道，模拟信号通过该通道进入A/D转换器实现转换。对于该电路主要的不同在于利用P2.1口输出合适频率的脉冲以提供A/D转换器的时钟信号，对于AD0809，它的时钟信号频率fclk640khz。通过实现对相关控制信号的合理设置（P2.3，P3.6，P3.7），实现采样，转换。EOC连P3.2（INT0）口，利用中断的方式查询A/D转换是否结束，产生中断区处理相关的数据。（3） 温度控制单元利用合理的算法，对于不同的采集数据进行分析，处理。通过单片机的P1.4和P1.3口发脉冲经过一个或非门来控制可控硅BCR12AM的导通角（脉冲宽度的调节），进而对水加热，以达到预期的温度。考虑到强点的干扰，这里，可控硅BCR12AM控制的前级采用具有光电隔离且具有自同步功能的可控硅控制器件MOC3401来对可控硅进行控制。炉温控制电路接口电路图2-7 炉温控制电路接口电路光耦的接口电路 为了供电方便，本装置采用的是可控硅型光耦。其输出端有220V，380V的交流电压。由于有些光耦的导通电流较小，因此要适当的加上限流电阻以及起分流作用的电阻。有时为了防止高频干扰对于光耦输入端的影响，可以在输入两端加一个滤波电容（C1）。 图 2-8 光耦的接口电路可控硅是一种大功半导体器件，可以分为单相可控硅和双向可控硅。在微机控制中可以作为大功率驱动器件，具有用较小的功率控制大功率，开关无 图2-9 可控硅的接口电路触点等的特点，在交流，直流电机调速，随动系统中都有广泛的作用，本装置中使用的是双向可控硅。 （4） 显示电路单元由8位LED数码显示管，CD4051多路开关，74LS373数据锁存器组成。可用于显示被测量的温度值和升温时间等值，显示的内容可由软件设定。显示电路如下图所示，该电路属于动态显示，利用多路开关CD4051实现位选，P0口的输出通过锁存器实现段选。可以根据这硬件接口电路实现要求的数据的动态显示。图2-10显示电路(5)看门狗复位电路图2-11看门狗复位电路由图5可知，74LS123的输入端B和单片机的P1.0口接，通过74LS123的功能表可知道利用这种电路就可以实时的监测P0口的工作情况，而在硬件复位按钮按下的时候，对P0口的状态检测，没有脉冲信号输出的时候就允许复位。3实验项目1 运动控制实验（1） 步进电动机的特性参数与调速原理（验证性）（2） 步进电动机的频率特性测定实验（验证性）（3） 步进电动机及其驱动装置实验（综合性）（4） 步进电动机的特性及接线实验（设计性）（5） 步进电动机正反转实验（设计性）（6） 步进电动机整/半步实验（设计性）（7） 单片机控制系统键盘控制及显示实验（综合性）（8） 单片机控制系统直线插补实验（综合性）（9） 单片机控制系统位置检测实验（综合性）（10） 单片机控制系统X、Y轴点动实验（综合性）（11） 单片机控制系统圆弧插补实验（综合性）（12） PC机控制系统运动控制（验证性）（13） 板卡操作实验（验证性）（14） PC机控制系统四像限直线插补实验（综合性）（15） PC机控制系统四像限圆弧插补实验（综合性）（16） PC机控制系统X、Y点动实验（综合性） 2. 温度控制部分 （1）熟悉了解硬件电路（2）信号采样，转换显示以及在数码管上显示时钟（秒表）（3）炉温检测与控制第三章：控制原理3.1数控原理3.1.1数控原理概述a机床数控基本原理(参见相关书目)b机床数控分类(参见相关书目)c机床坐标系确定(参见相关书目)d伺服系统概述(参见相关书目)伺服驱动系统简称伺服系统(Servo system)，是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。对于CNC数控系统，如果说CNC系统中的CNC装置是数控机床的“大脑”，是发布命令的“指挥机构”，伺服系统便是数控机床的“四肢”，是一种“执行机构”。按伺服系统调节理论，机床伺服系统通常可分为开环、半闭环和闭环系统。开环系统没有测量反馈环节，其控制精度较差;半闭环和闭环系统有测量反馈环节，可检测与直线位移有关的物理量，因而可获得较高的位置控制精度。计算机闭环控制系统一般形式如下: 3.1.2步进电机的驱动与控制步进电机(Stepping motor)是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。每当对其输入一个控制脉冲时，便转过一个固定角度，称为一步，转过的角度称为步距角。当供给连续脉冲时，步进电机就能产生连续转动。一般说来，位移量与步进电机的输入脉冲数严格成正比，其转速与脉冲频率和步距角有关。控制输入脉冲数量、频率及脉冲的相序，就可以得到需要的运行特性，因此，它广泛应用于数字控制系统中。步进电机具有控制简单、价格低廉、容易维护等优点，以步进电机为驱动装置构成的位置控制系统(以下简称步进驱动系统)在经济型数控机床、机器人等领域得到了广泛应用。目前我国每年生产的数千套机床数控系统中，有三分之二以上采用步进驱动作为伺服驱动系统。国外一些大公司为争夺市场也重新推出了采用步进驱动的机床数控系统。运动控制实验装置的采用步进电机是步距角为1.5o/3o，采用三相三拍控制方式每个脉冲对应电机旋转一个步距角3o，采用三相六拍控制方式每个脉冲对应电机旋转一个步距角1.5o。脉冲频率不能太高，否则引起失步，频率太低行走震动较大，应通步进电动机的频率特性测定实验得到相关数据。步进电动机驱动方法在单片机原理及应用课程和单片机课程设计中已作过原理介绍和相关实验操作，这里不在赘述。对步进电机速度控制在这里强调一下：在CNC数控系统中，无论开环或是闭环控制，都要考虑伺服机构的启动、停止或者运动反向的加减速处理，以获得平稳的运动和较高的位置控带精度。在工作台运动的过程中，对它运动的速度和加速度都要进行一走的控制。现在使用最广泛的是梯形速度曲线，从零速度起按加速度运动直到设定的速度。好的速度曲线(如指数曲线)应使加速度逐渐达到定值。最好的速度曲线为S曲线，它使用平稳的加速度变化率。选用S速度曲线需要较长的时间才能达到预定的速度。它的抗冲击性强，但是系统的运动效率变低。梯形速度曲线的计算比较简单，在这里，我们采用梯形速度曲线。梯形速度曲线在时间上可以分为三个阶段:第一阶段为加速阶段，运动轴以最大加速度Ax加速到最大速度Vx;第二阶段为匀速运动阶段，运动轴以最大速度Vx匀速运动;第三阶段为减速阶段，运动轴以最小减速度-Ax减速到停止状态。假设运动轴由t0时刻的X0运动到tf时刻的Xf，轴的运动速度在运动前后都为零。图3-1表示了速度和加速度的时间曲线。通常我们设定在一个脉冲区间来判断是否进行加减速处理，譬如设定在前100个脉冲作加速处理，后100个脉冲作减速处理，中间段作匀速运动。纪录某轴当前位置来判断是否进行加减速处理，如果行走总脉冲步数不足200，则前1/2脉冲内加速，后1/2脉冲内减速。图3-1 速度、加速度时间曲线3.1.3轮廓加工的数学基础在CNC数控机床上，各种轮廓加工都是通过插补计算实现的，插补计算的任务就是对轮廓线的起点到终点之间再密集的计算出有限个坐标点，刀具沿着这些坐标点移动，来逼近理论轮廓。插补方法可分两大类：脉冲增量插补和数据采样插补。脉冲增量括补是控制单个脉冲输出现律的插扑方法。每输出一个脉冲，移动部件都要相应的移动一定距离，这个距离称为脉冲当量，因此，脉冲增量插补也叫做行程标量插补。如逐点比较法、数字积分法。根据加工精度的不同，脉冲当量可取0.01mm到0.001mm。移动部件的移动速度与脉冲当量和脉冲输出频率有关，由于脉冲输出频率最高为几万HZ即因此，当脉冲当量为0.001mm时，最高移动速度也只有2m/min左右。脉冲增量插补通常用于步进电机控制系统。数字增量插补法(也称数据采样插补法)是在规定的时间(称作插补时间)内，计算出各坐标方向的增量值(X，Y，Z)，刀具所在的坐标位置及其它一些需要的值。这些数据严格的限制在一个插补时间内(如8ms)计算完毕，送给伺服系统，再由伺服系统控制移动部件运动,移动部件也必须在下一个插补时间内走完插补计算给出的行程，因此数据采样插补也称作时间标量插补。由于数据采样活补法是用数值量控制机床运动，因此，机床各坐标方向的运动速度与插补运算给出的数值量和插补时间有关。根据计算机运行速度和加工精度不同，有些系统的插补时间选用，12ms、1024ms、8ms，对于运行速度较快的计算机有的已选2ms。现代数控机床的进给速度已超过15m/min，达到30m/min，有些已到60mmin.数据采样法适用于直流伺服电机和交流伺服电机的闭环或半闭环控制系统。A逐点比较法的直线和圆弧插补原理 一、直线插补原理加工如图11所示的平面斜线AB，以斜线起点A的坐标为x0，y0，斜线AB的终点坐标为(xe，ye)，则此直线方程为： 取判别函数F(YY0)(XeXo)(X-X0)(YeY0)用逐点比较法加工时，每一次只在一个坐标方向给出一个脉冲，使运动件在该坐标方向上进给一步，因此刀具的运动轨迹是折线，而不是斜线AB。折线拐点M与斜线AB之间的位置关系有如下三种情况：1)M点在AB线的上方判别函数F0;2)M点在AB线上，F=03)M点在AB线的下方，F0和F=0两种情况作为F=0一种方式判别。当判别函数F=0时，刀具一定处在AB线的上方，或在AB线上。例如图32中的M1(X1,Y1)点，这时刀具只有沿+X方向进给才更接近AB线，因此，根据这个判别结果，计算机在x铀方向输出一个脉冲，使刀具在+x方向前进一个脉冲当量的距离。到达M2 图3-2 直线插补点。刀具在M2点的判别式为：F2=(Y2Y0)(XeXo)(X2-X0)(YeY0)= (Y2Y0)(XeXo)(X1+1-X0)(YeY0)= (Y1Y0)(XeXo)(X1-X0)(YeY0)-(Ye-Y0)=F1-(Ye-Y0)F判别式中的(Xi,Yi)(il,n)值应是脉冲数量值而不是AB线的长度值。若F2000Ye-Y0000= |(Xe-X0)|且|(YiY0)|= |(YeY0)|是否成立，若成立则插补结束，否则继续。 2)把被加工线段的Xe-X0，YeY0的长度单位换算成脉冲数值(若长度单位为mm，则把上述的坐标增量值除以脉冲当量),然后求出各坐标方向所需的脉冲数总和n：即n|(XeX0)+(YeY0)|，计算机无论向哪个方向输出一个脉冲都作n1计算，直到n=0为止。用第二种方法进行终点判别的34 直线插补流程图 插补流图程图为图34。 二、圆弧插补原理 在图35中AB是被加工圆弧。加工程序中给出的已知条件通常是A点B点的坐标值，圆心O点相对圆弧起点A的增量坐标值。由图可知：圆心O点相对A点的增量坐标值为(Io，Jo)。改变符号后就成为A点相对O点的增量值Io，Jo。由此可求出圆弧的半径值R：R2=Io2+Jo2在以圆心O点为原点的I、J坐标系中，圆的方程可表示为：I2+J2=R2设刀具已位于M1点，则Mi点对圆弧AB的位置有三种情况：1) Mi在圆弧外侧，则0MiR，Ii2+Ji2R22) Mi在圆弧上，则0Mi=R，Ii2+Ji2=R23) Mi在圆弧内侧，0MiR，Ii2+Ji20从点在圆的外侧。这时计算机应送给X方向步进电机一个脉冲，对于图14中的AB且它是在第一象限逆时针方向加工，应使电机反向转一步，刀具相对工件沿X方向走一个脉冲当量的距离，到达Mi+1点。Mi+1点对圆心O点的坐标为Ii+1=Ii-1,Ji+1=Ji判别式为:Fi+1=Ii+12+Ji+12-R2=（Ii-1）2+Ji2-R2=Fi-2Ii+1若Fi+10，则说明Mi+2点在圆外这时计算机应送给-X向步进,Fi+20应送给+Y向步进 上述为在第一象限逆时针加工圆弧(称逆圆弧)的情况，而在第一象陨顺时针加工圆弧(顺圆弧)和第二、三、四象限加工顺圆弧和逆圆弧时，判别式都不相同。带符号运算时，无论在哪个象限工作，顺圆弧或逆圆弧，归纳起来有如下四种情1.+X方向走一步 Ii+1 Ii+1Fi+1 = Fi+2Ii+12.-X方向走一步 Ii+1 Ii-1Fi+1 = Fi-2Ii+13.+Y方向走一步Ji+1=Ji+1Fi+1 = Fi+2Ji+14.-Y方向走一步Ji+1=Ji+1Fi+1 = Fi+2Ji+1 图3-6 四个象限进给方向 图36是在四个象限内顺、逆圆加工时，判别式符号和进给方向关系。象限是以被加工圆弧圆心为原点的坐标系划分的。若编写零件加工程序时所用的坐标系不以圆心为原点，则象限的划分就不能用这个坐标系。以圆心为原点的坐标系是根据加工程序给出的已知条件自动建立的，圆弧加工完毕、坐标系自动取消。例如：在肝坐标平面内，给出的圆弧起点相对圆心的增量坐标值Io，Jo在插补计算过程中不断算出的Ii,Ji值，都是以圆心为原点坐标系中的坐标值。根据Ii,Ji的符号来判别圆弧所在的象限，如表32。过象限时的标志是Ii,Ji中的一个是零。根据图36给出的判别式与加工符号关系，和表32结出的，Ii,Ji的符号变化规律，利用正、负方向的判别式可对四个象限的顺、逆圆弧加工编写出插补程序. 表3-2 象限判断和电机转向第一象限第二象限第三象限第四象限Ii的符号+-+Ji的符号+-X向电机顺圆+-逆圆-+X向电机顺圆-+-逆圆+-+逐点比较法圆弧插补的终点，可根据圆弧终点对圆心坐标值判定。例如：在XY平面内，圆弧终点相对圆心的坐标为Ie,Je，在插补运算的过程中，Ii,Ji的值总是不断的作+1或l变化，当满足JeJi=0且Ie-Ii=0条件时，就到达了终点。由于Ie,Je,Ii,Ji是带符号的值，因此，不管终点在哪个象限都适用。由于零件的加工程序给出的值总是以毫米为单位，因此，必须在初始化时图3-7圆弧插补流程图 把以毫米为单位的长度校脉冲当量除后取整，化为脉冲的数字量。B.数字积分插补方法用数字积分括补方法可以实现一次、二次及高次曲线插补，脉冲分配均匀，容易实现多坐标联动控制，因此应用广泛。数字积分插补中用的数字积分器又称数字微分分析器(DDA)，是根据数字中的积分几何概念，将函数的积分运算变成变量的求和运算，求积分的过程是用数的累加近似，如果脉冲当员足够小，则用求和运算来代替积分运算所引起的误差可以控制在容许的范围内。 一、数字积分法的直线插补 图3-8 数字积分法直线插补框图 图3-8是数字积分直线插补器方框图，它由被积函数寄存器JX，JY，累加器JRX，JRY及全加器JZ组成。它们的作用可用加工因39中的直线AB来加以说明。首先把(XeX0)、(Ye-Y0)值初始化处理，即把以毫米为单位的数值，除以脉冲当量，变成脉冲数字量。然后把Xe-X0值输入JX寄存器，Ye-Y0o值输人JY寄存器。每出现一个时钟脉冲，JX中的内容要进入JRX累加器中累加，JY中的内容要进入JRY中累加，图3-9 数字积分法直线插补 在从A点到B点的加工过程中，要给出n个时钟脉冲，JRX，JRY累加器要作。次累加，在JRX攫出端要攫出(XeX0)个脉冲，在JRY送出端要溢出(Ye-Y0)个脉冲。对每一个时钟脉冲，全加器JZ都要做加一起算，当JZ=n时，加工结束。由于累加器的累加过程类似积分过程。因此称作数字积分法。从上述的数字积分器工作过程可以看出，数字积分器必须满足下述要求才能正确工作：1)输入的n个时钟脉冲必须使J端溢出(XeX0)个脉冲，JRY端隘出(YeY0)个脉冲。2)JRX端输出脉冲的速度与JRY端溢出脉冲的速度之比必须等于(XeX0)(Ye-Y0),才能保证加工轨迹与AB线吻合。上述的N值是累加器JRX、JRY，寄存器JX，JY有效位的最大容量值。若寄存器为16位，(XeX0)的数值(二进制)的字长为8位，它占用JX中的8位，(YeY0)的字长为6位，它的有效位也是8，则n28。有效位的位长是两个坐标方向的坐标值大者的二进制位长，且各寄存器都相同。寄存器JX，JY的位长通常与累加器的位长相等，它所用的用有效位也与累加器的有效位相等。由于被加工线段AB的长短不同，所以累加器的有效位长也随之变化。加工线段的最大长度，是它在各坐标方向投影值的大者等于寄存器的最大容量值。例如：对16位的累加器和寄存器，它的最大容量是216l，最多能输出65535个脉冲，若脉冲当量为0.001mm，则(Xe-X0)或(Ye-Y0)中的大者不能大于65.535mm.若(Xe-X0)101B，(Ye-Y0)l0B，则它们占用寄存器和累加累中的3位，有效位为3位，n238，当累加器作8次累加后，在JRX端必定隘出5个脉冲，在JRY端滋出2个脉冲。我们知道，若3位初始值都为零的二进制数，若每次都作加1计算，则加到第八次时，这个1必然进位到第四位，而前三位仍然是零，由于101B是1的5倍，010B是l的2倍，它们与初始值为零的数累加8次后必然从第四位分别溢出5个1和2个1，因此对于(Xe-X0)，(Ye-Y0)的任何数值，在经过n次累加后，从高位溢出1的数量必然等于它本身的数值.X向溢出的频率fx等于时钟脉冲频率fc与n(Xe-X0)之积 fxfc*n(XeX0)Y方向的溢出频率fy等于时钟脉冲频率fc与n(ye-y0)X,Y方向的溢出速度分别为Vx=1fx，Vy1fy，则 VxVy=(XeX0)(Ye-Y0) 由上式可以看出，累加器的溢出脉冲的速度与其中的数值成正比。在累加器累加之前，须把Jx，Jy中的被积函数(XeXo)，(YeYo)左移规格化处理，由于被积函数的位长常常小于Jx，J?寄存器的位长，只有有效位处于累加器的最左端(高位)时，才能及时的溢出脉冲，n次累加后才能完成插补工作，例如：若JRX,JRY,JX,JY是8位，(XeXo)=10lB，(YeYo)010B，有效位为3位，若没有左移规格化处理，则Jx、Jy中的数据情况如图18a，这样的数据格式，须进行2N(n=寄存器位数)累加才能溢出正确的脉冲数。若N8，须累加28256次。在这256次累加中，(2823)248次累加溢出为零，只有最后的23次累加才能溢出需要的脉冲，这显然是不行的。左移规格化处理，是把有效位移到被积函数寄存器的最左端，使它们占据高位。如图310，由于被积因数处在高位端，因而累加n次后就能完成积分插补计算。左移的位数m等于寄存器位数N减去被积函数有效位数N1，即：M=N-N1 JX JY0000010100000101 (a) JX JY0000010100000101 (b) 图3-10 左移规格化处理对其它象限的直线加工，可通过对电动机转向的控制来实现。 二、数字积分的圆弧插补假设，在xy平面内逆时针方向加工AB，如图311，圆心为O，A点对圆心的坐标为JX，JY .Pi点为圆上任意一点，相对O点的坐标为Ii，Ji，圆的方程为 参量方程为： 图3-11 数字积分圆弧插补在Pi点刀具沿各坐标方向的速度分量为 由上式可以看出，圆弧上任意一点在X方向的速度分量的绝对值|Vx|等于该点在y方向的瞬时坐标值Ji在y方向的速度分量等于该点在X方向瞬时坐标值Ii；Vx，Vy是随Pi点的位置变化而变化的。 dIiJi*dt dJiIi*dt用累加和代替积分m从A点到Pi点的累加次数 则图312是圆弧插补器简图，在插补运算开始前，在Jx寄存器中装入圆弧起点A对圆心O的Y向增量值JA，而在Jv寄存器中装入IA,JRX,JRY中清零。插补开始时，使时钟脉冲有效，对应每一个 图3-12 圆弧插补简图 时钟脉冲Jx，Jy中的被积函数都要对应进入JRX和JRY?中累加。当累加器JRX有脉冲溢出时，要在JY寄存器中减l，而当累加器JRY中有脉冲溢出时，需在Jx寄存器中加l。这是因为义向溢出脉冲使X向步进电机反转一步，在X方向减小一个脉冲当量值，使Ii比Ii-1少一个1，因而Jx中的值要相应减1;同理，当y向步进电机正向走一步时，应使Ji比Ji+1增加一个1.上述为第一象限逆圆插补情况，对于顺圆插补和其它象限的顺、逆圆插补，与上述讲述的原理基本相同，不同之处是溢出脉冲应使被积函数作加一，减一运算要由圆弧的顺逆加工和它所在的象限来决定。如表33 表33 被积函数加1或减1与电机转向象限第一象限第二象限第三象限第四象限方向顺逆顺逆顺逆顺逆JX寄存器-+-+-JY寄存器+-+-+X轴进给方向+-+-+-+Y轴进给方向-+-+-+- 圆弧插补时，插补器中被积函数Ii，Ji是坐标的绝对值，在对四个象限顺逆圆弧加工时，Ii，Ji的绝对值变小的要减1，变太的要加1. 与直线插补类似，JX，JY寄存器中的被积函数，也要左移规格化处理，也是左移时，有效位要占据寄存器的最高值。 两个被积函数中一定有一个是作减1运算，当它减到零时表明过象限，一定要变为加1运算，而另一个作加1运算的被积函数过象限后要做减l运算，因而减1的次数，最多等于有效位的容量，不能大于这个容量，有效位的容量要能容纳圆弧半径的值，加l运算后，寄存器中的最大值是圆弧半径值。初始值是圆弧起点到圆心在坐标轴方向的投影值，一定小于或等于半径值。 例如，若图313中圆的半径尺R=30mm，系统的脉当量为0.01mm，则R值就为3000它二进制效为：101110111000，字长12位，而有效位长度为12位。苦寄存器Jx，Jy，累加累Jrx，Jry为16值，则规格化时左移的位数为16124位。由图111可以看出，圆弧终点B相对圆心坐标IB，JB的绝对值与C点D点E点对圆心坐标的绝对值相等。因而用B点 图3-13 圆弧加工终点判别 坐标的绝对值作终点判别时，必须判别从起点到终点经过几个象限，图111中的圆弧，从A点经过三个象限到达B点因而被积函数有三次出现零值,三次改变加1减1运算。利用终点坐标的绝对值和被积函数出现零的次数来作终点判别是可行的。 在插补计算时，存取各插补点的有符号坐标值与。点有符号坐标值相比较，作终点判别也是可行的。C. 数据采样插补法数据采样插补法，采用每隔一个插补周期(例如1024ms)计算出各坐标方 图3-14 直线插补向上的一次增量值。它是在DDA积分法的基础上发展起来的，但它的精度较高，运行速度快，可用于多坐标控制。 一、直线插补原理 图314中的P0，Pe是一被加工的直线，设刀具已在起点P0处,加工程序中已给出是终点Pe的坐标值Xe、Ye和进给速度F(单位数mmmin)。则刀具的坐标位置为上式中Fx、Fz分别是F在X、Z坐标方向的分量。在插补过程中，计算机应在规定的插补时间t内给出各坐标方向的增量值Xi,Yi此，实际的刀具位置为式中 i从P。点开始记数的插补运算次数； n加工到Pe点的插补次数总合。由于编程者给定的进给速度F大小不同及直线的斜率不同，因此Xi,Yi值随之变化。由图115可知：fiFt，通常插补时间t，则有：F=0,x,y均进一步；F0,x进一步。其直线插补软件流程图见下图3-16所示：3-16比较积分法直线插补流程图3.1.4ISA运动控制卡原理ISA(Industry Standard Architecture,工业标准体系结构)总线也称AT总线，是由Intel公司、IEEE和EISA集团联合开发的与IBM-PC/AT原装机总线意义相近的系统总线，它具有16位数据宽度，最高工作频率为8MHz,数据传输率达到16MB/s,地址线24条，可寻访16M字节地址单元。它是在早期的62线PC总线基础上再扩展36线插槽形成的，分62线和36线两段，共计98线。其62线插槽引脚排列及定义与PC总线兼容。ISA总线98芯插槽引脚分为：（见图3-17引脚分布图）（1）总线基本信号: RESET：复位信号BCLK:总线基本时钟,BLCK=8MHzOSC:14.318MHz时钟（2）总线访问信号: SA19-SA0：存储器及I/O空间20位地址，带锁存。可以访问8位ISA的1MB空间. LA23-LA17：存储器及I/O空间20位地址，不带锁存。用于确定16MB地址空间的高位. BALE：总线地址锁存，外部锁存器的选通。 AEN：地址允许，表明CPU让出总线，DMA开始。SMEMR#、SMEMW#：8位ISA存储器读写控制。MEMR#、MEMW#：16位ISA存储器读写控制。 SD15-SD0：数据总线，访问8位ISA卡时高8位自动传送到SD7-SD0。SBHE#：高字节允许，打开SD15-SD8数据通路。 MEMCS16#、IOCS16#：ISA卡发出此信号确认可以进行16位传送。 I/OCHRDY：ISA卡准备好，可控制插入等待周期。NOWS#：不需等待状态，快速ISA发出不用插入等待。 I/OCHCK#：ISA卡奇偶校验错。 IRQ15、IRQ14、IRQ12-IRQ9、IRQ7-IRQ3： 中断请求。 DRQ7-DRQ5 、DRQ3-DRQ0： ISA卡DMA请求。 DACK7#-DACK5#、DACK3#-DACK0#：DMA请求响应。 MASTER#：ISA主模块确立信号，ISA发出此信号，与主机内DMAC配合使ISA卡成为主模块，全部控制总线。 图3-17 ISA总线92引脚分布示意图ISA运动接口卡控制原理步进电机控制器的硬件的组成如图3-18所示,图中采用ISA总线实现主计算机与控制卡之间的信息传递。控制卡主要由译码电路、总线驱动和隔离电路组成。这里采用开环控制无外部信号输入，对电机的脉冲分配、加减速控制全部由软件实现。由于雕刻加工对系统的精度要求不是很高，只要达到0.01mm就远远可以满足工作需要。普通工业计算机的运算速度完全可以达到要求。计算机将分配好的脉冲数据直接送出