第5章 数字程序控制技术

第五章

数字程序控制技术1内容简介5.1概述5.2步进电机的控制25.1概述

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的自动控制，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什么是数字程序控制？数字程序控制的应用3图2闭环数字程序控制

图1开环数字程序控制

数字程序控制系统分类（按伺服控制方式分类）

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步进电机是一种将电脉冲信号转换为线位移或角位移的电磁装置。其转子的转角与输入的电脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，运动的方向由步进电机各相的通电顺序决定。步进电机具有控制简单、运行可靠、惯性小等优点，主要用于开环数字程序控制系统中。5.2步进电机的控制5步进电机是工业生产过程控制、数字程序控制、计算机外部设备、控制仪表等常用的控制部件。具体应用:工业生产过程控制：执行元件(增量PID)数字程序控制：各座标方向的驱动电机(数控车床、数控铣床、数控加工中心)计算机外部设备：磁盘驱动器寻道电机，打印机打印头驱动电机6定子：3对磁极，6个齿转子：4个齿5.2.1步进电机的结构73相旋转式步进电机的结构定子、转子两大部分均由铁磁材料构成定子上有激磁绕组(线圈)定子上有3对磁极A一A’，B一B’，C一C’，它们各自的激磁绕组分别称为A相绕组、B相绕组、C相绕组8

◆工作过程：—A相通电：A相磁极与0、2号齿对齐；—B相通电：由于磁力线作用，B相磁极与1、3号齿对齐；—C相通电：由于磁力线作用，C相磁极与0、2号齿对齐；—A相通电：由于磁力线作用，A相磁极与1、3号齿对齐；结论：定子按A->B->C->A相轮流通电，则磁场沿A、B、C方向转动360度角，转子沿ABC方向转动了一个齿距的位置。（齿数为4，齿距角为90度，即转动1个齿距为转动了90度）5.2.2步进电机的工作原理9

◆

步进电机的“相”和“拍”—相：绕组的个数—拍：绕组的通电状态，三拍表示一个周期共有3种通电状态，六拍表示一个周期有6种通电状态，每个周期步进电机转动一个齿距

◆

步进电机的步距角：步进电机每拍步进的角度

θ＝360/(NZ)(齿距角=360/Z)

—N：步进电机的拍数—Z：转子的齿数10◆单相三拍（单三拍）方式—正向旋转，通电顺序为A→B→C→A—反向旋转，通电顺序为A→C→B→A5.2.3步进电机的工作方式11◆双相三拍（双三拍）方式—正向旋转，通电顺序为AB→BC→CA→AB—反向旋转，通电顺序为AB→AC→CB→AB12

◆三相六拍方式—正向旋转，通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A—反向旋转，通电顺序为A→AC→C→CB→B→BA→A13控制步进电机，就是要按一定的工作方式按一定的顺序改变通电状态控制步进电机的转速，就是控制两个相邻通电状态之间的时间间隔要步进电机走多少步，就是要改变多少次通电状态掌握以上几点，对于如何实现对步进电机的控制是至关重要5.2.4步进电机的控制要点14步进电机常规控制系统步进电机微机控制系统5.2.5步进电机控制系统15ABC单片机步进电机控制系统16微机的运动控制功能

◆

改变输出脉冲数，控制步进电机的走步数

◆改变各相绕组的通电顺序，控制步进电机的转向，正转、反转

◆改变输出脉冲的频率，控制步进电机的转速171.脉冲信号的形成软件产生脉冲信号：先输出高电平，然后延时。再输出低电平，然后延时。以上过程循环，脉冲频率由步进电机的工作频率决定18例:PULSE1:MOVR3,#NDELAY1:MOVA,#data1TPUSHALOOP:DECA1TLOOP0:MOVP1,#0FFHJNZLOOP2TACALLDELAY1RET2TMOVP1,#00H延时时间:ACALLDELAY1ts=[3+(2+1)*data]*TDJNZR3LOOP0T:机器周期POPARET19

2.时序脉冲信号的形成(通电状态字的实现)例:(1)用单片机的P1.0;P1.1;P1.2分别控制步进电机的A;B;C相绕组(2)根据步进电机的工作方式，确定控制模型(通电状态字)(3)按控制模型顺序(通电状态字的顺序)向步进电机发控制脉冲三相单三拍方式：ABCA三相双三拍方式：ABBCCAAB三相六拍方式：A

ABBBCCCAA20步序控制位通电状态控制数据P1.2/C相P1.1/B相P1.0/A相1001A01H2010B02H3100C04H步序控制位通电状态控制数据P1.2/C相P1.1/B相P1.0/A相1011AB03H2110BC06H3101CA05H

—单相三拍方式—双相三拍方式21—三相六拍方式步序控制位通电状态控制数据P1.2/C相P1.1/B相P1.0/A相1001A01H2011AB03H3010B02H4110BC06H5100C04H6101CA05H22*用寄存器移位方式实现控制模型(通电状态字)001001001CBACYD7RLCA(正)D0A寄存器RRCA(反)单相三拍方式23双相三拍方式011011011CYD7RLCA(正)D0RRCA(反)无论是单三拍，还是双三拍，在初始状态时CY要清零。且A寄存器内容必须置成49H(单三拍)或DBH(双三拍)，并将其输出至P1口。以后又必须执行RLCA或RRCA指令之后再将A的内容输出至P1口从而控制步进电机的正转或反转。步进电机的步进速度(工作频率)则由改变P1口通电模型的速度(改变通电状态的速度)决定24

转子轴带动负载转动单片机控制三相步进电机系统原理框图单片机并行接口驱动电路步进电机3.单片微机控制步进电机系统原理图25◆判断旋转方向◆按顺序传送控制脉冲◆判断所要求的控制步数是否传送完毕

4.步进电机控制程序的设计26例1：步进电机控制系统如图，试编程用寄存器移位方式实现单三拍控制，并让步进电机恒速正转的控制程序START:MOVR3,#N ;设置步数计数器 CLRC PUSHA ;保存累加器A中的原值 MOVA,#49H ;时序字节送累加器A MOVP1,A ;输出时序脉冲 ACALLDELAYLOOP:RLCA ;循环移位时序字节 MOVP1,A ;输出时序脉冲 ACALLDELAY DJNZR3,LOOP ;计数器不为0跳转 POPA27例2：步进电机控制系统如图，三相六拍控制模型(通电状态字在单片机8031片内RAM20H~25H中，请编制步进电机恒速运动正反转的控制程序20H25H正反10100000001000000110000001000000110000001000000028系统主程序步进电机初始化部分:MOVP1,#01H;初始A相通电MOVR0,#20H;当前通电状态字所在地址步进电机控制子程序入口参数:R4中为进给步数PSW.5=0正转PSW.5=1反转MOVR4,#NNHSETBPSW.5；反转CLRPSW.5；正转29

步进电机控制子程序START: PUSHA MOVR4,#NNH；步数→R4 CLRC；清CY ORLC,PSW.5；C或运算PSW.5→C JCROTE；若C=1，转ROTE（反向程序）30ZSTART: MOVA,R0；当前地址→A XRLA,#25H；当前地址=25H？ JNZBJZZ1；≠0，则转 MOVR0,#20H；=0，则20H→R0 AJMPBJZZ2BJZZ1: INCR0；当前地址加1BJZZ2: MOV；当前地址中数据→A MOVP1,A；步进一步 ACALLDELAY；调延时 DJNZR4,ZSTART；步数减1，≠0，继续 POPA RET31ROTE: MOVA,R0 XRLA,#20H JNZROTE1 MOVR0,#25H AJMPROTE2ROTE1: DECR0ROTE2: MOV MOVP1,A ACALLDELAY DJNZR4ROTE POPA RET32◆一个静止的步进电机不可能一下子稳定到较高的工作频率，必须在启动的瞬间采取加速的措施；反之，从高速运行到停止也应该有减速的措施◆升、降速控制程序：在启动时以低于响应频率的速度运行，然后慢慢加速，加速到一定速率后以此速率恒速运行；当快要到达终点时，又使其慢慢减速，在低于响应频率的速率下运行，直到走完规定的步数后停止5.2.6步进电机升降速控制33升降速控制的速度曲线升降速斜线实际是阶梯状，一般在一个速度阶梯走1~3步即升至或降至下一个速度阶梯tL1L2L30f(v)f0L=L1+L2+L3◆变速控制的方法：均匀地改变脉冲时间间隔34803175452P1.075452P1.1P1.2P1.3126712673535

D绕组

A绕组

B绕组

C绕组+5V单片机四相小功率步进电机控制系统35 ORG2000HSTRT: MOV20H,#00H;20H的D7置0正转,D1D0地址偏移量 MOVP1,#01H;步进电机初始化,P1给#01H,A相通电 MOV42H,#C8H;200送入延迟计数器42H36;加速步进程序 MOVR7,#64H;100送入步进计数器R7MLP0: MOVR6,42H;延时MLPX0:LCALLDEL ;调用短延时子程序DJNZR6,MLPX0 DEC42H;将延迟计数器42H中的值减一LCALLSTEPS;步进一步DJNZR7,MLP0;进给步数减1,不为零继续步进37;匀速步进程序 MOVR7,#64H;100送入步进计数器R7MLP1:MOVR6,42H;延时MLPX1:LCALLDEL