微机顺序控制器是针对某一类被控对象的结构特点和加工工

1、第五章 开 环 控 制 本章主要介绍微机开环控制，包括顺序控制与数值控制两大部分： 微机顺序控制器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的，包括微机硬件电路和程序控制软件； 数值控制器是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方式。 15.1 微机顺序控制器一、原理 使生产机械或生产过程按规定的时序顺序动作，或在现场输入信号作用下按预定规律顺序动作的自动控制称为顺序控制。简言之，按时序或事序规定工作的自动控制称为顺序控制。 在现代化的工厂里，如运输、加工、检验、装备、包装等许多工序都要求顺序控制。就是一个复杂的大

2、型计算机控制系统中，通常在某些环节也少不了要采用顺序控制。如某些生产机械要求在现场输入信号(行程开关、按钮、光电开关、各种继电器等等)作用下，按一定的转换条件，实现有顺序的开关动作；某些生产机械则要求按一定的时间先后次序，实现有顺序的开关动作。 2二、顺序控制系统的组成 首先，顺序控制系统的输入和输出信号都是二状态的开关信号，如动力头控制中，行程开关受压或释放；电磁阀通电或断电等。因此顺序控制系统应具有方便接收和输出信号的能力，应设立相应的输入输出电路和接口。 其次，顺序控制系统控制生产机械依次顺序动作，动作的转换是根据现场输入信号的逻辑判断或时序的判断来决定的。顺序控制系统必须具有逻辑运算和

3、逻辑记忆以及时序产生和时序判断的功能，完成这些功能的部件称为系统控制器，它是系统的核心部件。 除此之外，为了保证系统工作可靠，有的系统中，需对执行机构或控制对象的实际状态进行检测或测量，将结果及时地反馈回控制器，这就需要增加检测机构。为了调整方便、并实现工作时的监视以及发生故障时的报警，一般要有显示与报警电路。 因此，一个典型的顺序控制系统由系统控制器、输入电路、输入接口、输出接口、输出电路、检测机构、显示与报警电路等七大部分组成，其结构框图如图所示。 3图5.1 顺序控制系统组成结构框图4 采用微机来组成顺序控制系统是很容易的，一般在单片机或单板机的基础上，适当扩充一些内存、并行接口或计数定

4、时器等芯片即可构成一个顺序控制系统。对于按顺序工作的系统，CPU通过并行输入接口，从现场接收输入信号，然后按工艺要求对有关的输入信号进行“与”、“或”、“非”等基本逻辑运算与判断，最后将结果通过并行输出接口向执行机构发出开关控制信号，即可实现顺序控制。 对于按时序工作的系统，由CPU、计数定时器等产生必要的时序信号，由CPU判断按工艺要求规定的时间间隔是否已到，判断结果也是通过并行输出接口输出到执行机构，以实现顺序控制。 顺序控制系统的输入和输出接口电路有些特殊的要求：如输入接口电路需包括电平转换、滤波、隔离等电路；而输出接口则需包括输出隔离、放大驱动等电路。 5三、顺序控制系统应用举例 在顺

5、序控制中经常用到组合逻辑来完成“与”、“或”、“非等逻辑运算和记忆、判断、定时、延时等功能。而单片机则具有很丰富的位指令和灵活可编程的计数定时器，因而很容易实现组合逻辑的控制。组合逻辑控制是指对应于不同的输入开关状态组合，要求有相应的开关状态输出。 如图所示的应用系统中有8个开关量输入和8个开关量输出。图中开关输入状态为低电平时，表示有效电平；输出状态用LED指示，为有效的低电平时，LED指示灯亮。任何8位开关的任何组合状态都可以用一个状态字表示。同样，对于所要求的任何8位输出状态也可以用一个状态字表示。例如，要求开关1，3，5，7闭合(开关接通为1，断开为0)，输出LED的0，4，7亮时(L

6、ED亮为l，暗为O)，开关输入状态为0AAH，即P1口输入状态字为55H；P0口输出状态字为6EH，LED指示状态则为91H。 6图5.2 8输入8输出组合逻辑控制系统7现假设有8组组合控制状态，如表5-1所示。表5-18其控制程序清单如下：ZHLOG： MOV R2，#TBN ；TBN为状态组数，在本例中TBN 8 MOV R1，#OOH ；查表偏移量一Rl MOV A，#0FFH ；关断LED(输出状态无效) MOV DPTR，#7FFFH MOVX DPTR，A MOV A，#0FFH ；P1口置输入状态 MOV P1，A ；先对Pl口写“1” MOV AP1 ；读开关的输入状态 CJN

7、E A，#0FFH，MH ；有输入，则转 AJMP ZHLOG ；开关无输入，则返回 MH： MOV 60H，A ；开关输入状态存60H单元 TA： MOV DPTR，#TAB ；查输入状态字 LOOP：MOV AR1 MOVC A，A+DPTR ；状态字送A CJNE A，60H，LOOPl ；与输入开关状态不符，则转查下一组9 LOOP2：INC R1 ；相符，指向相应的输出状态字 L00P3：MOV A，Rl MOVC A，A+DPTR MOV DPTR，#7FFFH MOVX DPTR，A ；查找相应输出状态字，并输出 AJMP ZHLOG LOOPl：INC R1 ；查找下一组输入状

8、态字 INC R1 DJNZ R2，LOOP AJMP ZHLOG TAB：DB 55H 0FEH 0AAH 80H 0BBH 40H 05H 85H 08H 0FDH 10H 55H 20H 0AAH 40H 0BBH四、控制多台装置的应用 实际控制系统中，由于装置的机械动作相对于微机的高速处理能力来说是十分缓慢的，因此，一台微机完全可以同时控制多台装置运行。一台微机究竟能同时控制多少台装置，这取决于装置移动的速度、距离、定位精度以及控制程序的执行时间等因素。 105.2 开环数值控制器 车床是机械加工中应用最广泛的一种机床。控制刀具作给定终点坐标值的直线运动，以及给定起点和终点坐标值的圆弧

9、运动，是微机车床控制系统的基本任务，微机可利用插补原理和步进电机来实现这种控制。 实现直线或圆弧逼近的方法称为插补运算。所谓插补运算，就是指车床控制程序根据输入的加工参数，如直线(或圆弧)的起点(和终点)坐标，把直线(或圆弧)描述出来的运算。这种程序要求一边计算，一边根据计算的结果向各坐标(即x或y方向)发出进给脉冲，步进电机接收到此脉冲信号后，即产生一定的角位移，从而使x(或y)方向的刀架运动，带动刀具把零件加工成所需要的形状。实现这种插补运算的方法是很多的，常见的有脉冲数字乘法、逐点比较法、数字积分法等等。其中逐点比较法用得最广。 11一、直线逐点比较法插补原理 所谓“逐点比较法”就是刀具

10、每移动一步，就进行一次偏差计算和偏差判别，判断刀具的实际位置与所要求的位置是否相符，从而决定出下一步的前进方向。由于这种方法每走一步就需比较一次，所以称之为逐点比较法，亦即“走一步看一步”。在笛卡尔坐标中，x、y轴把一个平面分成四个象限，所以对整个平面来说，插补所得到的中间点位置可以向四个坐标轴方向(即+x、-x、+y、-y)移动，也就是说，插补运算是按这四个方向中的任何一个来逼近理想线型的。（一） 第一象限的插补及偏差判别 设直线段OP的起点坐标为原点(O，O)，终点坐标为P点(xe，ye)，如图所示: 12图5.3 第一象限直线插补原理图13各夹角之间的关系为: 根据三角函数关系，角的大小

11、可用正切值来表示，所以有 由于直线OP的斜率为 代入各斜率得 14由此可得 点在0P的下方 点在OP的上方 设任一点的坐标为M(xi,yi)，用Fi代替M点的偏差值，并定义为： 则 Fi=0时，M点在OP直线上； FiO时，M点在OP直线的上方； FiO时，刀具在OP的上方，为了逼近OP，必须沿+x方向走一步。若穿过OP，则进入A一区，此时Fi 0，所以刀具应继续沿+x方向走一步，直到穿过OP，进入A一区后(此时Fi 0)，再按(2)进行调整。 (2) 当Fi O，再返回到(1)进行调整；若沿+y方向走一步，并未超过OP，刀具仍在A一区，此时判别式仍是Fi O)，又返回到(1)进行调整。(3)

12、 如果Fi=0，则说明刀具正好在OP上。但由于此时未到终点P(xe，ye)，刀具又不能沿OP运动，所以规定此时按FiO处理。 16 完成上述计算中，需要进行两次乘法运算和一次减法运算后才能判断，这样将影响插补速度。为了简化运算，我们把上式作一些变换，如图所示。 图5.4 第一象限直线插补进给方向(a)Fi O时的进给 (b)Fi 0，刀具应向+x方向移动一步到达 (xi+l,yi)点。若令 点的新偏差值为 ，则 同理，当M点在A-区内，即FiO时，刀具应向+x方向移动一步到达 (xi,yi+l)点。则 点的新偏差值为 ， 18对于新偏差的判断仍然遵循下列原则： 当 时，刀具沿+x方向前进一步；

13、 当 0 时，刀具沿+y方向前进一步。（二） 其它象限的插补原理及偏差判别。 根据第一象限的补原理及偏差判别式，可求出其它三个象限的进给方向及偏差判别式，它们分别如图5.5和表52所示。说明：为了把其它象限的插补作为第一象限的直线来处理，总是根据终点坐标的绝对值来进行插补运算，求得偏差，并根据偏差的大小而决定进给。所不同的是某些进给方向与第一象限的直线插补的进给方向相反。 19图5.5 加工直线各象限进给运动20表52 21（三） 终点判断 当刀具到达终点(xe，ye)时，必须自动停止进给。因此，在插补过程中，每走一步，便与终点坐标比较一次，如果尚未到达终点，就继续进行插补运算；若已达到终点，

14、则自动停止进给。判断终点的办法： 1. 可以取终点坐标xe和ye的较大者作为终点判断计数器的初值； 2. 可以取终点坐标xe和ye之和作为终点判断计数器的初值； 3. 可以分别取终点坐标xe和ye作为各自终点判断计数器的初值；（四）直线插补程序设计 根据上述分析，可知直线插补的步骤如下： 1.偏差判别，即判别上一次进给后的偏差值是FiO还是FiO时，表示该点在理想的圆弧之外(即A+区)； 当Fi0时，刀具应从A+区向-x方向移动一步，穿过圆弧到达A-区；当FiO处理。 30 但是，偏差判别式 计算起来比较麻烦，要逐点进行平方和加减运算。因此，和直线插补法一样，也需要进行简化，如图5.8所示。

15、图5.8 逆弧插补的进给方向31 在图中，设M1(xi，yi)点在A+区内，当其向-x方向移动一步，达到新的一点 (xi-1，yi)时，写出点的新偏差值 为：同理，若设M2(xi，yi)点在A-区内，当其向+y方向移动一步，达到新的一点 (xi，yi+1)，所以点 的新偏差值 为： 32综上所述，可以得出逆弧插补的方法如下：(1)A+区内的点应向-x方向移动，新的调整点的偏差值 ； (2) A-区内的点应向+y方向移动，新的调整点的偏差值。注意:在进行计算时，一定要及时修正中间点的坐标值 ，和 。同理，我们可以得出第一象限顺弧插补的进给方向，如图5.9所示。图5.9 顺弧插补的进给方向33 第

16、一象限顺弧插补的方法如下： A+区内的点应向-y方向移动，新点的偏差值为； A-区内的点应向+x方向移动，新点的偏差值为。此时，也需要注意坐标点的修正， 和 。（二）其它象限圆弧插补原理。 其它象限中圆弧顺向、逆向的插补方法可以仿照第一象限插补方法进行，各象限的插补方向，如图所示。 34图5.10 各象限圆弧插补进给方向35各象限8种圆弧的进给方向及插补公式，如表5-3所示。表5-336（三）终点判断 圆弧插补方法的终点判断和直线插补的终点判断原理类似，取x方向总参数和y方向总参数中的最大数作为终点判断的依据。其中，x方向和y方向的总参数为圆弧终点坐标与圆弧起点坐标值之差的绝对值。在插补过程中

17、，只要进行长轴方向插补时，其计数器就减1，若减l后结果不为0，则继续插补；当减1后结果为0时,圆弧插补过程则停止。（四）圆弧插补计算程序的设计例题：设加工第二象限圆弧OM，起点坐标为 (0，4)，终点坐标为P点(-4，0)，试用逐点比较法进行插补运算，作出走步轨迹图。解：加工第二象限逆弧，当刀具在圆弧上及A+区时，刀具沿-y方向前进一步，此时 ， ；当刀具在A-区时，刀具沿-x方向前进一步，此时 ， ；且F0=0。终点判别采用 作为终点判断计数器的初值。 37插补运算过程如下： 38走步轨迹图如下： （四）圆弧插补计算程序的设计 以插补第一象限顺弧(SRl)为例说明插补程序的设计方法。 39我

18、们设定： R7为x轴坐标值存放寄存器（初始值存放x。）； R6为y轴坐标值存放寄存器（初始值存放y。）； R5为总步数 存放寄存器；（ ） R4则为加工点瞬时偏差值暂存寄存器。 R7、R6初始值分别为x。、y。的值，但在加工过程中则要随计算结果而变化。R5中的值在加工过程中则作减1修改，直至其值为0，表示加工结束。R4的初始值为0，但在加工过程中也要随计算结果而发生变化。第一象限顺圆插补计算程序流程图，如图所示： 40 第一象限顺圆插补程序清单如下：YINSERT： MOV R4，#00H ；置偏差初始值Fi为0 LOOP： MOV A，R4 ；取偏差值送A RLC A JC YYl ；偏差值

19、Fi为负跳转 DEC R6 ：y轴坐标值减l，即yiyi-1 MOV A，R6 CLR C RLC A MOV B，A ；2(yi-1)的值暂存寄存器B MOV A，R4 ；瞬时偏差值Fi送A DEC A ；瞬时偏差值减1 CLR C SUBB A，B ；新的瞬时偏差值FiFi-2(yi-1)-1 MOV R4，A ；回存新的瞬时偏差值Fi ACALL STEP4 ；调用-y方向步进子程序 41 AJMP YY2YYl：INC R7 ；修改x坐标值为xixi+1 MOV AR7 CLR C RLC A MOV B，A ；2(xi+1)暂存寄存器B MOV A，R4 ；瞬时偏差值Fi送寄存器A

20、DEC A ；瞬时偏差值FiFi-l ADD A，B ；新的瞬时偏差值FiFi+2(xi+1)-1 MOV R4，A ；回存新的瞬时偏差值Fi到R4 ACALL STEPl ；调用+x方向步进子程序YY2：DJNZ R5，LOOP ；计数值减l后不为0，则循环 RET 说明：STEPl、STEP4分别是+x、-y走步子程序。 425.3 步进电机控制 一、步进电机的特点 步进电机是工业过程控制及仪表中的主要控制元件，主要有以下特点： 1. 它可以直接接收微机送来的数字控制信号，而不需要进行DA转换； 2. 具有快速起停能力； 3. 精度高。 二、工作原理 步进电机实际上是起一个数字角度转换器，

21、或是一个串行的数模转换器的作用。其结构原理，如图所示。 43图5.12 步进电机剖面示意图44 从图可以看出，电机的定子上有6个等分的磁极：A， ，B， ，C， ，相邻两个磁极间的夹角为60。相对的两个磁极组成一相，图中所示的结构为三相步进电机(A ，B , C )。当某一绕组有电流流过时，该绕组相应的两个磁极立即形成N极和S极，每个磁极上备有5个均匀分布的矩形小齿。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，相邻两个齿之间的夹角为9。 当某相绕组通电时，对应的磁极就产生磁场，并与转子形成磁路。如果这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

22、某小齿与定子某小齿对齐，其余齿可不对齐。由此可见，错齿是促使步进电机旋转的根本原因。 45 例如，在单相三拍控制方式中，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相的定子齿列对齐。我们以此作为初始状态，设与A相磁极中心对齐的转子齿为0号齿，由于B相磁极与A相磁极相差120。，且120。9。=403不为整数，所以，此时转子齿不可能与B相定子齿对齐，只是第13号小齿靠近B相磁极的中心线与中心线相差3。，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，一般用步长来表示。步长即某相通电一次(加一个脉冲)转子所

23、转的角度。同理，我们按照ABCA为顺序轮流通电一周，则转子才转9。 46三、步进电机控制系统典型的步进电机控制系统，如图所示。变频信号源是一个脉冲频率由几Hz到几十kHz可连续变化的信号发生器，它为脉冲分配器提供脉冲序列。脉冲分配器则根据方向控制信号把脉冲信号按一定的逻辑关系加到脉冲放大器上进行放大，以驱动步进电机的转动。在这种控制方式中，控制步进电机运转的时序脉冲完全由硬件产生，对于不同相数的步进电机及同一型号电机的不同控制方式需要不同的逻辑部件。所以其通用性差，成本高. 图5.13 步进电机控制系统框图47 如果用微机来控制步进电机，则可以很方便地使不同相数的步进电机按任意一种可行的通电方

24、式进行控制。典型的微机控制步进电机的系统原理框图，如图所示。 在该控制系统中，微机的主要作用是提供步进电机的时序脉冲串。每当步进电机从脉冲输入线上得到一个脉冲，便沿时序脉冲所确定的方向进一步。 图5.13 微机控制步进电机原理图48 从步进电机的工作原理可知，步进电机要转动，必须要有电脉冲，而且必须按一定的顺序加到电机绕组上才能使步进电机按预定的规律运转。因此，微机控制步进电机的软件程序要能够产生所需要的脉冲串，并能按规定的顺序送出相应的脉冲信号(即时序脉冲)。 1脉冲信号的形成 用软件产生脉冲信号的方法是先输出一个高电平，然后进行延时，再输出一个低电平，再进行延时。延时时间的长短，即分别保持

25、高、低电平的时间长短，由步进电机的工作频率决定。根据单片机的结构特点，可以采用程序延时或者定时器延时的办法。 (1)程序延时。 根据延时时间的长短，可采用单循环延时和双重计数循环延时 程序。 单循环延时子程序如下：DELAY1： MOV A，#data ；1 LOOP： DEC A ；1 JNZ LOOP ；2 RET ；2 49 该程序的延时时间为 t1=3+(1+2)data T =3+3dataT式中T为单片机的机器周期，当晶振频率为6MHz时，T=2 us。该程序的最大延时时间为1.54ms。 双重计数循环延时子程序如下：DELAY2： MOV R2，#datal ；1DELAYl：

26、MOV A，#data2 ；1 LOOP： DEC： A ； 1 JNZ LOOP ； 2 DJNZ R2，DELAYl ；2 RET ；2 t2=1+(1+2)data2+2data1+1+2T 50(2) 利用定时器进行延时 利用定时器TO的方式l进行定时，设机器周期T=2 us，计数初值为X，延时时间为N，因T0、T1为加1计数器，要用补码运算，则 (256-X)210-6= N10-6256-X = O.5N X = 256-O.5N用XH表示初值X的高字节，XL表示X的低字节，编写程序如下：T0一DELY：MOV TMOD，#01H ；T0定时器方式1定时 MOV TLO，#XL ；

27、赋初值 MOV THO，#XH SETB TRO ；起动T0计时 L00P：JBC TFO，REP AJMP L00P REP： 当改变初值X时，就能改变延时时间，X值越小，延时时间则越长。通过单片机的某个输出口轮流送出高、低电平就可得到相应的脉冲串，高、低电平保持的时间长短决定了脉冲串的周期或频率。51脉冲串生成程序流程图如图：程序延时方式脉冲串程序清单如下：PULSEl： MOV R3，#N ；计数器赋初值，即脉冲个数LOOP0： PUSH A ；保存A MOV P1，#0FFH ；送高电平 ACALL DELAYl ；延时 MOV P1，#00H ；送低电平 ACALL DELAYl ；

28、延时 DJNZ R3，LOOP0 ；R3不为0转移 POP A ；恢复A RETDELAYl： MOV A，#dataLOOP： DEC A JNZ LOOP RET52 利用定时器延时方式的脉冲串程序清单如下：PULSE2： MOV R3，#N ；计数器赋初值，即脉冲个数 MOV TMOD，#01H ；定时器TO方式1定时 MOV TL0，#XL ；赋初值 MOV TH0，#XH SETB TR0 ；启动T0计时 SETB P10 ；送脉冲输出为高电平 LOOPl： JBC TF0，REP ；查TO是否溢出 AJMP LOOPl REP： MOV TL0，#XL ；重新赋计时初值 MOV T

29、H0#XH CPL P1.0 ；输出信号倒相 DJNZ R3，LOOPl ；不为0转移 RET532时序脉冲信号的形成 步进电机自旋转方向与内部绕组的通电顺序和通电方式有关。以常用的三相步进电机为例，通常有三种通电方式： (1)三相单三拍方式 ABCA (2)三相双三拍方式 ABBCCAAB (3)三相六拍方式 AABBBCCCAA按以上顺序通电，步进电机正转；若按相反方向通电，则步进电机反转。这三种通电方式下表所示： 545556 产生时序脉冲的方法是： （1） 用单片机的P1.0、P1.1和P1.2分别控制三相步进电机的A相、B相和C相绕组； （2） 根据控制方式，找出控制模型； （3）

30、按控制模型的顺序向步进电机输入控制脉冲。 由三相单三拍通电方式的二进制数可以看出，步进电机每进一步，高电平就左移或右移一位。因此，可以考虑在A累加器中放一个时序字节，在每个采样时刻累加器就左移或右移一位，并把经移位后的累加器A中的值通过输出口输出。8031单片机的字长为8位，8不能被3整除。但若把进位标志位cy也考虑在内，则可以看成是第9位，这时就能实现三相单三拍和三相双三拍的通电方式。 实现三相单三拍通电方式时，需在累加器A中放时序字节49H。其示意图如图5.16(a)所示。 57图5.16 三相单三拍示意图(a) 正转 (b) 反转58 而实现三相双三拍通电方式时，则应在累加器A中放时序字

31、节0DBH。其示意图如图5.17所示。 图5.17 三相双三拍示意图(a) 正转 (b) 反转59三相三拍时序脉冲输出程序流程图如图5.18所示。 根据图518(a)编写的时序脉冲程序如下：PULOUTl： MOV R3，#N ；设置步数计数器 CLR C ；O(C) PUSH A ；保存累加器A中原值 MOV A，#49H(或#0DBH) ；时序字节A MOV P1，A ；输出时序脉冲 PUSH A ；保存时序字节 ACALL DELAY ；延时 POP A ；恢复时序字节 LOOP： RLC A或RRC A) ；循环移位时序字节 MOV P1，A ；输出时序脉冲 PUSH A ；保存时序字节 ACALL DELAY ；延时 60 POP A ；恢复时序字节 DJNZ R