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1、1.1.无带控制无带控制2.2.价格低廉价格低廉3.3.编程简单编程简单4.4.功能简化功能简化5.5.数控装置体积小数控装置体积小第八章第八章 经济型数控系统经济型数控系统8-1 8-1 经济型数控概述经济型数控概述价格低廉,功能简单的数控系统价格低廉,功能简单的数控系统一一.特点:特点:二二.经济型数控系统的种类经济型数控系统的种类步进电机拖动的开环系统步进电机拖动的开环系统 系统简单、价格最便宜,可用于小型车床、系统简单、价格最便宜,可用于小型车床、铣床、钻床和线切割机床。铣床、钻床和线切割机床。电磁离合器切换的控制系统电磁离合器切换的控制系统 用于直流电机或交流异步电机拖动,电磁离用于
2、直流电机或交流异步电机拖动,电磁离合器切换,以光栅盘、旋转变压器或感应同步器合器切换,以光栅盘、旋转变压器或感应同步器检测反馈,常用于中小型机床车削阶梯轴、铣削检测反馈,常用于中小型机床车削阶梯轴、铣削阶梯形零件、钻削坐标孔等加工。阶梯形零件、钻削坐标孔等加工。直流伺服电机拖动的控制系统直流伺服电机拖动的控制系统 用直流伺服电机拖动,以编码盘、旋转变压用直流伺服电机拖动,以编码盘、旋转变压器检测反馈。系统的性能范围较广,无噪音、精器检测反馈。系统的性能范围较广,无噪音、精度高、过载能力强,是经济型数控中的高档产品。度高、过载能力强,是经济型数控中的高档产品。经济型微机数控系统原理图经济型微机数
3、控系统原理图 磁磁带带机机系统软件系统软件 单单片片机机I/OI/O显示显示键盘继电器接口继电器接口光电隔光电隔离接口离接口继电器电路继电器电路功放驱动功放驱动电电 源源 X X步步进电机进电机 Y Y步步进电机进电机8-2 8-2 步进电机的工作原理及特性步进电机的工作原理及特性步进电机是一种将电脉冲信号转换成相步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移的机电执行元件。应角位移的机电执行元件。角位移角位移输入脉冲个数输入脉冲个数运行速度运行速度输入脉冲频率输入脉冲频率脉冲数fnN步进电动机的结构步进电动机的结构步进步进电动机的分类电动机的分类按步进电动机的工作原理分:按步进电动机的工作原理分
4、:1.1.励磁式励磁式电电机机的的定定子子转转子子均均有有绕绕组组,靠靠电电磁磁力力矩矩使使转子转动。转子转动。2.2.反应式反应式 转转子子无无绕绕组组,定定子子绕绕组组励励磁磁后后产产生生反反应应力力矩矩,使使转转子子转转动动。这这是是我我国国步步进进电电动动机机发发展的主要类型,展的主要类型,3.3.混合式混合式(即永磁感应子式即永磁感应子式)它与反应式的主要区别是转子上置有它与反应式的主要区别是转子上置有磁钢。永磁感应式电机具有驱动电流小、磁钢。永磁感应式电机具有驱动电流小、效率高、过载能力强等优点,是一种很效率高、过载能力强等优点,是一种很有发展前途的步进电动机有发展前途的步进电动机
5、步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理A AA AA AA A步进电动机的工作原理示意步进电动机的工作原理示意A-B-C-A步进电机的通电方式步进电机的通电方式三相单三拍:三相单三拍:其一通电顺序:其一通电顺序:A-B-C-AA-B-C-A三相双三拍:三相双三拍:其一通电顺序:其一通电顺序:AB-BC-CA-ABAB-BC-CA-AB三相单三相单/双六拍:双六拍:其一通电顺序:其一通电顺序:A-AB-B-BC-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A 步距角比上两种小一倍步距角比上两种小一倍步进电动机步进电动机单双拍运行单双拍运行 三相单三相单/双双6 6拍运行拍运行 A-AB-B-BC
6、-C-CA-AA-AB-B-BC-C-CA-A步距角(步距角(b b)计算公式)计算公式z z步进电机转子齿数步进电机转子齿数m m步进电机相数步进电机相数K K通电方式:通电方式:单拍、双拍单拍、双拍 k k1 1;单;单/双拍双拍 k k2 2步进电机每输入一个脉冲信号,步进电机步进电机每输入一个脉冲信号,步进电机转动一定的角度,这个角度称为步距角。转动一定的角度,这个角度称为步距角。步进电机转速计算公式步进电机转速计算公式f f:电脉冲的频率:电脉冲的频率例例1 1一一台台三三相相反反应应式式步步进进电电动动机机,采采用用三三相相六六拍拍分分配配方方式式,转转子子有有4040个个齿齿,脉
7、脉冲冲源源频频率率为为600Hz600Hz,求:求:(1)(1)写出一个循环的通电程序写出一个循环的通电程序(2)(2)求步进电动机步距角求步进电动机步距角(3)(3)求步进电动机转速求步进电动机转速 n n例例1 1一一台台三三相相反反应应式式步步进进电电动动机机,采采用用三三相相六六拍拍分分配配方方式式,转转子子有有4040个个齿齿,脉脉冲冲源源频频率率为为600Hz600Hz,求:求:(1)(1)写出一个循环的通电程序写出一个循环的通电程序(2)(2)求步进电动机步距角求步进电动机步距角(3)(3)求步进电动机转速求步进电动机转速 n nA-AB-B-BC-C-CA A-AC-C-CB-
8、B-BA 解:解:(1)(1)脉冲分配方式有两种:脉冲分配方式有两种:(1)(1)转子齿数为多少转子齿数为多少?(2)(2)写出四相八拍运行方式的一个通电写出四相八拍运行方式的一个通电顺序。顺序。(3)(3)如果是四相八拍运行,脉冲频率为如果是四相八拍运行,脉冲频率为400Hz400Hz,其每分钟的转速为多少,其每分钟的转速为多少?例例2 2 若一台若一台 BFBF系列四相单四拍反应式系列四相单四拍反应式步进电动机已知步距角为步进电动机已知步距角为1.801.80,试问:,试问:(2)A-AB-B-BC-C-CD-D-DA(3)(3)解:解:步进步进电动机的主要技术指标与特性电动机的主要技术指
9、标与特性精度精度步距误差是空载运行一步的实际转角的稳定步距误差是空载运行一步的实际转角的稳定值和理论值之差的最大值。值和理论值之差的最大值。累积误差是指从任意位置开始,经过任意步累积误差是指从任意位置开始,经过任意步后在此之间,角位移误差的最大值。后在此之间,角位移误差的最大值。最大静转矩最大静转矩静转矩指步进电机处于定位状态下的电磁转静转矩指步进电机处于定位状态下的电磁转矩,它是绕组内电流和失调角的函数。矩,它是绕组内电流和失调角的函数。对应于某失调角时,静转矩最大,称为最大对应于某失调角时,静转矩最大,称为最大静转矩。静转矩。起动频率起动频率 空载时,转子从静止状态不失步地起动的空载时,转
10、子从静止状态不失步地起动的最大控制频率称为起动频率或突跳频率。最大控制频率称为起动频率或突跳频率。连续运行频率和连续运行频率和矩频特性矩频特性 运行频率连续上升时,电动机不失步运行运行频率连续上升时,电动机不失步运行的最高频率称为连续运行频率。的最高频率称为连续运行频率。在连续运行状态下,步进电机的电磁力矩在连续运行状态下,步进电机的电磁力矩将随频率的升高而急剧下降,这两者之间将随频率的升高而急剧下降,这两者之间的关系称为矩频特性,它是步进电机十分重的关系称为矩频特性,它是步进电机十分重要的特性指标。要的特性指标。8-3 8-3 步进电机的驱动电源步进电机的驱动电源脉脉冲冲分分配配器器功放电路
11、功放电路三三相相步步进进电电机机负载负载功率电源功率电源分配器电源分配器电源功放电路功放电路功放电路功放电路功率放大器功率放大器步进脉冲步进脉冲方向信号方向信号ABC脉冲分配器脉冲分配器+功率放大电路功率放大电路步进电机的绕组是按一定通电方式工作的,步进电机的绕组是按一定通电方式工作的,为了实现这种轮流通电,需将控制脉冲按规为了实现这种轮流通电,需将控制脉冲按规定的通电方式分配到各组,这种分配可以用定的通电方式分配到各组,这种分配可以用硬件也可以用软件来实现。硬件也可以用软件来实现。经环分输出的脉冲未经放大故电流很小,而经环分输出的脉冲未经放大故电流很小,而步进电机绕组需要的电流很大,所以由分
12、配步进电机绕组需要的电流很大,所以由分配器出来的脉冲还需要进行功率放大才能驱动器出来的脉冲还需要进行功率放大才能驱动步进电机。步进电机。步进电机的驱动电源步进电机的驱动电源一般应包括一般应包括环形分配器环形分配器和功率放大器两部分和功率放大器两部分,由于环分可通过软件,由于环分可通过软件实现,通常又把功率放大部分称为驱动电源。实现,通常又把功率放大部分称为驱动电源。8 84 4 经济型数控系统的控经济型数控系统的控制软件及接口逻辑制软件及接口逻辑步进电机的运行速度控制步进电机的运行速度控制作作 业业3.3.一台反应式步进电机,已知相数一台反应式步进电机,已知相数m m6 6,单六拍运行,步距角
13、为单六拍运行,步距角为3 3度,单双十二拍度,单双十二拍运行时步距角为运行时步距角为1.51.5度,求转子齿数?度,求转子齿数?一、步进电动机的驱动一、步进电动机的驱动 驱动电源的组成驱动电源的组成脉脉冲冲分分配配器器功放电路功放电路三三相相步步进进电电机机负载负载功率电功率电源源分配器电源分配器电源功放电路功放电路功放电路功放电路功率放大器功率放大器步进脉冲步进脉冲方向信号方向信号ABC脉冲分配器+功率放大电路步进电机的驱动原理脉冲分配器脉冲信号功率放大ABC分配后的脉冲信号放大后的脉冲信号1.脉冲分配器脉冲分配器 当方向电平为低时,脉冲当方向电平为低时,脉冲分配器的输出按分配器的输出按A-
14、B-CA-B-C的顺序的顺序循环产生脉冲。循环产生脉冲。当方向电平为高时,脉当方向电平为高时,脉冲分配器的输出按冲分配器的输出按A-C-BA-C-B的顺的顺序循环产生脉冲。序循环产生脉冲。2.功率放大器功率放大器 将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给电动机的定子绕组供将脉冲分配器的输出信号进行电流放大后给电动机的定子绕组供电,使电动机的转子产生输出转矩。电,使电动机的转子产生输出转矩。步进电动机的脉冲分配器步进电动机的脉冲分配器 步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现。硬件环形分配器:由计数器等数字电路组成的。有较好的响应硬件环形分配器:
15、由计数器等数字电路组成的。有较好的响应速度,且具有直观、维护方便等优点。速度,且具有直观、维护方便等优点。软件环分:由计算机接口电路和相应的软件组成的。受到微型软件环分:由计算机接口电路和相应的软件组成的。受到微型计算机运算速度的限制,有时难以满足高速实时控制的要求。计算机运算速度的限制,有时难以满足高速实时控制的要求。1.1.硬件环形分配器硬件环形分配器 2.2.软件分配软件分配A相B相C相二、步进电机的环形分配器二、步进电机的环形分配器三相六拍环形分配器图三相六拍环形分配器图序号序号控制信号状态控制信号状态输出状态输出状态导电绕组导电绕组CAJ CBJ CCJQA QB QC0 01 1
16、01 1 01 0 01 0 0A A1 10 1 00 1 01 1 01 1 0ABAB2 20 1 10 1 10 1 00 1 0B B3 30 0 10 0 10 1 10 1 1BCBC4 41 0 11 0 10 0 10 0 1C C5 51 0 01 0 01 0 11 0 1CACA6 61 1 01 1 01 0 01 0 0A A环形分配表存储单元地址 单元内容对应通电相K+0K+1K+2K+3K+4K+501H(0001)03H(0011)02H(0010)06H(0110)04H(0100)05H(0101)AABBBCCCAI/O接口图I/OP1.2P1.3P1.
17、4C相B相A相 2 2软件环形分配软件环形分配 软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状态,软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状态,从而产生一定的脉冲分配输出。从而产生一定的脉冲分配输出。1)1)输出接口输出接口 80318031单片机本身包含单片机本身包含4 4个个8 8位位I/OI/O端口,分别为端口,分别为P0P0、P1P1、P2P2、P3P3。输出接口是将计算机的输出端与步进电动机的每相绕组一一对输出接口是将计算机的输出端与步进电动机的每相绕组一一对应起来。应起来。若要实现三相步进电动机若要实现三相步进电动机的脉冲分配,需要三根输出口的脉冲分配,需要三根输出口线
18、,本例中选线,本例中选P1P1口的口的P1.0P1.0、P1.1P1.1、P1.2P1.2位作为脉冲分配的位作为脉冲分配的输出。输出。2)2)输出模型输出模型 如果三相步进电动机按单、双拍通电方式工作,即如果三相步进电动机按单、双拍通电方式工作,即:正转:正转:A-AB-B-BC-C-CAA-AB-B-BC-C-CA 反转反转:A-AC-C-CB-B-BCA-AC-C-CB-B-BC 根根据据80318031单单片片机机的的基基本本原原理理,对对P P1.01.0、P P1.11.1、P P1.21.2位位编编程程使使其其按按表规定改变输出状态就实现了三相六拍分配任务。表规定改变输出状态就实现
19、了三相六拍分配任务。P P1.71.7通电通电相相X XX XX XX XX X0 00 01 1A AX XX XX XX XX X0 01 11 1ABABX XX XX XX XX X0 01 10 0B BX XX XX XX XX X1 11 10 0BCBCX XX XX XX XX X1 10 00 0C CX XX XX XX XX X1 10 01 1CACAP P1.51.5P P1.41.4P P1.31.3P P1.21.2P P1.11.1P P1.01.0P P1.61.6 P1P1输送的内容依次为:输送的内容依次为:01H A01H A03H AB03H AB02
20、H B02H B06H BC06H BC04H C 04H C 05H CA05H CA正正转转反反转转输出模型输出模型 3)3)控制程序控制程序 按正转和反转的要求将输出模按正转和反转的要求将输出模型向型向P1P1口口发送,并控制步进电动机发送,并控制步进电动机的速度。的速度。设设输出模型存放在存储器中,首输出模型存放在存储器中,首地址为地址为2000H2000H,地址指针为地址指针为DPR,DPR,初始值初始值为为2000H2000H。初始化初始化正转正转(DPR)P1 调用延时子程序调用延时子程序(DPR)=05H DPR-5DPR PR+1DPR(DPR)P1 调用延时子程序调用延时子
21、程序 (DPR)=01H PR+5DPR DPR-1DPRNNNYYY三、对步进电机驱动电源的要求三、对步进电机驱动电源的要求驱动电源指功率放大部分。为保证步进电机又足够的输出转矩和快速性,驱动电源提供的电流波形应尽量接近矩形波。为保证步进电机有一定的输出转矩和快速性,必须使用较高的驱动电压。此时为了减小过渡过程时间常数并限制励磁电流不超过额定值,往往要串联适当的电阻,这在电机每相电流不大时是允许的。对于功率步进电机,常采用功耗小、效率高,又能加快过渡过程的高低压供电方式、斩波恒流式或其他方式。四、步进电机驱动电源的分类四、步进电机驱动电源的分类按按供电方式分类供电方式分类单电压供电双电压供电
22、调频调压供电按功率驱动部分所用元件分类按功率驱动部分所用元件分类大功率晶体管驱动快速晶闸管驱动可关断晶闸管驱动(GTO)混合驱动五、提高驱动电源性能的措施五、提高驱动电源性能的措施采用采用简单的功率放大线路+ECROLrTRdDa)+ETLrT1R1D1b)R2D2RO为限流电阻为限流电阻,C为加速电容加速电容,使电流上升加快。Rd、R为放电回路。以恒流源以恒流源代替限流代替限流电阻电阻RO由于由于D1、D2稳压值稳压值小,小,R1值值也小,在也小,在过渡过程过渡过程中,中,T工作工作在放大状在放大状态,等效态,等效电阻很大,电阻很大,可以减小可以减小 改善改善前沿。前沿。双电压供电线路及有关
23、波形EgVbgLrTdRdD2a)EdTgRcDVbd12InItotb)ttttVbdVbgVLILtOc)先接通高压使绕组中的电流有较陡较陡的上升沿。的上升沿。高压箝位放电线路及波形a)b)Eg(80v)LrTdRdEd(12V)TgRcDtI123在高低压切换供电方式中,采用高压箝位放电的方法,改善电流波形下降沿电流波形下降沿并保持低压功率管。六、功率放大器线路介绍几种典型的功率放大线路几种典型的功率放大线路单电压供电方式单电压供电方式双电压供电方式双电压供电方式双电压恒流驱动电路双电压恒流驱动电路斩波恒流功放电路斩波恒流功放电路 步进电动机的功率驱动电路实际上是一种脉冲放大电路,步进电
24、动机的功率驱动电路实际上是一种脉冲放大电路,使脉冲具有一定的功率驱动能力。使脉冲具有一定的功率驱动能力。由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组,因此,功由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组,因此,功率放大电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。率放大电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。1、单电压供电方式LrT3Rc1DRc23030 44 0.470.47 99 99 1010 60V60V T22020 5WR5300300 3WR3470470R2T1110110 R412V12V-6V-6V Vsr13k13k R1Rc1、Rc2用来保证绕组稳态电流为额定值保证绕组稳态电流为额
25、定值,同时起到减小电路时间常减小电路时间常数,改善电流波形前沿数,改善电流波形前沿的作用。阻容吸收回路阻容吸收回路是利用电容两端电压不能突变的原理,防止在T3截至瞬间,感应电势全部加在T3上。2.2.高低压切换型驱动电路高低压切换型驱动电路 高高低低压压驱驱动动线线路路的的优优点点是是:功功耗耗小小,启启动动力力矩矩大大,突突跳跳频频率率和和工工作作频频率率高高。缺缺点点是是:大大功功率率管管的的数数量量要要多多用用一一倍倍,增增加加了了驱驱动动电电源。源。r L+80V Ub1 Td Ub2 Tg +12V 高高电电压压低低电电压压3、双电压恒流驱动电路双电压恒流驱动电路a)LReT2T1D
26、1D2Vc高压回路低压回路控制门b)双电压恒流驱动电路又称波顶补偿电路。波顶补偿电路。Re为电流检测电阻。为电流检测电阻。4、斩波恒流功放电路、斩波恒流功放电路tttVinVbiLURLLiLT8R13D4OPID3R12R10T7T6R8+5VR7D2VSR9-+VPR11R6T5V6R5R2+5VR1R3R4T3T4VinT1T2D1也是波顶补偿电路。也是波顶补偿电路。Vin=0时,时,获得较获得较陡的电流后沿。陡的电流后沿。斩波平滑功放电路TinTontttVinVbitURLLitTRdDVbYVmVin主要影响电流波形上升沿的,电流波形上升沿的,是脉冲序列的频率是脉冲序列的频率。步进
27、电机小结步进电机小结 基本要求基本要求 掌掌握握步步进进电电动动机机步步矩矩角角和和步步进进电电动动机机转转速速的的数数学表达式及其物理意义;学表达式及其物理意义;了了解解步步进进电电动动机机环环形形分分配配器器的的基基本本原原理理及及其其硬硬、软件的实现方法软件的实现方法 ,了了解解两两种种不不同同类类型型步步进进电电动动机机的的驱驱动动电电路路及及其其优缺点;优缺点;掌握步进电动机的结构、运行特性及影响因素。掌握步进电动机的结构、运行特性及影响因素。步进电动机的重点与难点步进电动机的重点与难点 1重点重点 分析和设计简单的步进电动机驱动电路:分析和设计简单的步进电动机驱动电路:掌握步进电动机的主要性能指标。掌握步进电动机的主要性能指标。2 2难点难点 步步进进电电动动机机的的不不同同结结构构,不不同同脉脉冲冲分分配配方式及其运行性能方式及其运行性能 :驱动电路对步进电动机运行性能的影响驱动电路对步进电动机运行性能的影响。
限制150内