（机械电子工程专业论文）单片机数控系统软件及运动控制语言的设计与研究.pdf

数控系统向着开放式体系结构方向发展，而数控技术的开放性使之更加广泛的应用在 高精度机床、复杂机器人和智能小车等领域。本实验室进行了一系列的开放式数控系统的 研究，开发了开放式运动控制器。本课题在开放式运动控制器硬件基础上进行数控系统的 软件开发与研究，使之实现了较完整的开放式数控功能。 开放式运动控制器的硬件是基于f l a s h 单片机开发的，其基本功能包括定时中断、脉 冲接收、倍频鉴向、零位检测、d a 转换、脉冲发生、i o 和串行通信等，能够实现模拟 信号和脉冲信号两种输出方式。 数控系统控制软件采用模块化设计，各模块完成相应的功能，包括插补、伺服控制、 加减速处理、补偿计算、数据处理、i o 管理、数据传送等。控制软件系统是一个实时多 任务系统，其最突出的特点是多任务并行处理和实时中断，采用循环轮流和中断优先相结 合的方法来完成不同实时性要求的任务。 在深入研究编译原理的基础之上，定义了m c ( 运动控制) 语言，并对其进行了深入 的剖析，运用编译原理的一些理论和方法对m c 语言进行规范与编译，实现了m c 语言 的控制与运动开发功能。为用户提供了一种更方便的控制与开发语言。同时对n c 代码进 行研究，使系统支持n c 代码的开发。开发手段更加灵活多样。 设计了系统操作界面，管理整个系统。运行仿真和管理调试界面提供了良好的人机交 互功能，能够对运动控制程序进行仿真运行，实时显示运动轨迹。动态调试完成系统的动 态运行调试参数输入和显示。并对整个系统进行了试验验证。 关键词：数控：运动控制；p i d ； 插补；实时多任务 西安理工大学硕士学位论文 t h en cs o f t w a r es y s t e ml s d e v e l o p e da n dr e s e a r c h e db a s e do nt h i sh a r d w a r e r e a l i z e dt h e f u n c t i o no fo p o nn c t h e0 p o nm o t i o nc o n t r o l l e ri s d e v e l o p e d b a s e do ns c m i t sf u n c t i o nc o n t a i n s t i m i n g i n t e r r u p t ，p u l s e r e c e i v e ，m u l t i p l ef r e q u e n c ya n di d e n t i f i c a t i o nd i r e c t i o n ，h o m ed e t e c t i o n ， d ac o n v e r t e ，p u l s e - g e n e r a t o r , i oa n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，i th a st w oo u t p u tm o d e ，a n a l o g s i g n a l sa n dp u l s es i g n a l s t h es o f t w a r eo fn c s y s t e mi sd e s i g n e di nm o d u l a rs t r u c t u r e ，t h em o d u l a rf u n c t i o ni n c l u d e i n t e r p o l a t i o n ，s e r v oc o n t r o l ，a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o n ，c o m p e n s a t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ，i o m a n a g e m e n ta n dd a t at r a n s f e r , e t c t h es o f t w a r eo fc o n t r o ls y s t e mi sar e a l t i m em u l t i t a s k s y s t e m t h ee x t r a c t i o ni sm u l t i t a s kp a r a l l e lp r o c e s s i n ga n dr e a lt i m ei n t e r r u p t ，c y c l ei nt u r na n d i n t e r r u p tp r i o r i t ya r eu s e dt or e a l i z et h ef u n c t i o no fd i f f e r e n tr e a lt i m er e q u e s t w i t ht h es t u d yo fc o m p i l e rp r i n c i p l e ，m c ( m o t i o nc o n t r 0 1 ) l a n g u a g ei sd e f i n e d a n a l y z e t h el a n g u a g ed e e p l bt h el a n g u a g ei ss t a n d a r d i z e da n dc o m p i l e du s et h et h e o r ya n dm e t h o do f c o m p i l e rp r i n c i p l e ，r e a l i z e dt h em o t i o nc o n t r o la n dd e v e l o p e df u n c t i o no fm c i ts u p p o r tt h e n cc o d eb yt h er e s e a r c ho fn c c o d e ，a n dm a k et h em e t h o d so fd e v e l o p m e n tf l e x i b l e t h es y s t e mo p e r a t ei n t e r f a c em a n a g et h es y s t e m sr u n n i n g ，i tp r o v i daf r i e n d l yu s e r i n t e r f a c e i tc a ns i m u l a t et h em o t i o nc o n t r o l ，d i s p l a yt h et r a c e ，i n p u tt h ep a r a m e t e r s ，d y n a m i c t e s t ，e t c t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h ee f f e c t i v e n e s sr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m k e y w o r d ：n c ；m o t i o nc o n t r o l ；p i d ；i n t e r p o l a t i o n ；r e a l t i m e & m u l t i t a s k 西安理工大学硕士学位论文 1 3 本课题的意义及研究方法4 2 数控系统硬件6 2 1 运动控制关键技术6 2 1 1 伺服技术6 2 1 2 步进伺服驱动技术6 2 1 3 直流伺服技术。8 2 1 4 交流伺服技术。9 2 2 运动控制系统硬件1 2 2 2 1 运动控制实现方式1 2 2 2 2 硬件系统介绍1 3 2 3 本章小结1 7 3 运动控制语言1 8 3 1 数控编程概述1 8 3 2m c 语言的提出与可行性分析。1 8 3 3m c 语言代码格式。1 9 3 3 1 编程坐标系统。1 9 3 3 2 程序结构和指令系统。2 0 3 4m c 语言的分析与编译2 2 3 4 1 编译过程。2 2 3 4 2m c 语言界面设计2 9 3 5 系统可靠性检验3 0 3 6n c 代码编辑与处理3 0 3 7 本章小结3 3 4 软件系统设计3 4 4 1 系统开发的一般方法3 4 4 2 软件系统设计。3 5 4 2 1 系统控制软件结构特点3 5 4 2 2 系统控制软件及工作过程3 6 4 2 3 运动控制函数3 8 4 2 4m c 语言响应函数5 0 西安理工大学硕士学位论文 4 2 5 运动控制伺服调节函数5 3 4 3 本章小结一5 6 5 用户界面与试验5 7 5 1 界面设计5 7 5 1 1 主界面5 7 5 1 2 运动语言编辑与编译5 7 5 1 3 运动控制与显示5 9 5 1 - 4 动态响应测试及运动控制参数设定6 0 5 1 5 串口通信一6 1 5 2 系统运行及试验6 2 5 2 1m c 语言编译与执行6 2 5 2 2 动态响应性能测试6 4 5 3 本章小结6 5 6 总结与展望6 6 6 1 总结6 6 6 2 展望6 6 致谢一6 7 参考文献6 9 攻读硕士学位期间发表的论文一7 l h 1 1 数控技术的发展 数控技术是用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制 的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。 数控机床综合应用了自动控制、计算机、微电子、精密测量和传感检测等方面的最新成就。 数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1 9 0 8 年，穿孔的金属薄片互 换式数据载体问世；1 9 世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1 9 3 8 年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算 机数字控制系统的基础。现在，数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现 数字控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能 3 1 0 由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运 算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成。数控技术是与机床控 制密切结合发展起来的。从1 9 5 2 年至今，数控技术已经历了2 个阶段和6 代的发展4 1 ： 第一阶段：硬件数控( n c ) ： 第l 代：1 9 5 2 年的电子管。1 9 5 2 年，美国帕森斯公司( p a r s o n sc o ) 与麻省工学院伺服 机构实验室( s e r v em e c h a n i s m sl a b o r a t o r yo ft h em a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ) 合作 研制成功一台三坐标数控立铣床，其插补装置采用脉冲乘法器，整个控制装置由真空管组 成，这是数控系统的第一代； 第2 代：1 9 5 9 年晶体管分离元件。1 9 5 9 年，晶体管元件问世，因而在数控系统中广 泛采用晶体管和印刷电路板，从而跨入了第二代。 第3 代：1 9 6 5 年的小规模集成电路。1 9 6 5 年，出现小规模集成电路，由于它体积小、 功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高，数控系统发展到第三代。 以上三代系统，都是采用专用控制计算机的硬接线数控系统，我们称之为硬线系统， 统称为普通数控( n c ) 系统。 第二阶段：软件数控( c n c ) ： 第4 代：1 9 7 0 年的小型计算机。随着计算技术的发展，小型计算机的价格急剧下降， 激烈地冲击着市场。数控系统的生产厂家认识到，采用小型计算机来取代专用控制计算机， 经济上是合算的，许多功能可以依靠编制专用程序存在计算机的存储器中，构成所谓控制 软件而加以实现，提高了系统的可靠性和功能特色。这种数控系统，称为第四代系统，即 计算机数控系统( c n c ) 。 第5 代：1 9 7 4 年的微处理器。计算机技术的发展是日新月异的，就在1 9 7 0 年前后， 美国英特尔( i n t e l ) 公司开发和使用了四位微处理器，微处理芯片渗透到各个行业，数控 技术也不例外。我们把以微处理机技术为特征的数控系统称为第五代系统( m n c ) 。 第6 代：1 9 9 0 年基于个人p c 机( p c - - b a s e d ) 。第6 代的系统是基于越来越普及的个 西安理工大学硕士学位论文 人电脑的，其优点主要有：( 1 ) 元器件集成度高，可靠性好，性能高，可靠性已可达到6 万小时以上；( 2 ) 基于p c 平台，技术进步快，升级换代容易；( 3 ) 提供了开放式基础， 可供利用的软、硬件资源丰富，使数控功能扩展到很宽的领域( 如c a d 、c a m 、c a p p ， 连接网卡、声卡、打印机、摄影机等) ；( 4 ) 对数控系统生产厂来说，提供了优良的开发 环境，简化了硬件。 1 2 数控系统的发展现状及趋势 数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一 个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国 家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。 从1 9 5 2 年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了半个世 纪历程。随着电子技术和控制技术的飞速发展，当今的数控系统功能已经非常强大，与此 同时加工技术以及一些其他相关技术的发展对数控系统的发展和进步提出了新的要求。具 有良好柔性和多功能性的制造系统的需求已逐步超过对大型单一功能的制造系统的需求。 这一趋势促成了一个新概念的产生，即模块化、可重构、可扩充的软硬件系统，这就是开 放式控制系统。这一系统不仅能够快速、经济地适应新的加工需求，而且为制造厂提供了 将其技术与任何第三方的技术或产品进行集成的可能性。现在，实际用于工业现场的数控 系统主要有四种类型，分别代表了数控技术的不同发展阶段，数控系统有从封闭体系结构 向开放体系结构发展，从硬数控向软数控方向发展的趋势。 1 传统数控系统。如f a n u c0 系统、m i t s u b i s h im 5 0 系统、s i e m e n s8 1 0 系统等。 这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。尽管也可以由用户做人机界面，但必须使用专 门的开发工具( 如s i e m e n s 的w s 8 0 0 a ) 耗费较多的人力，而对它的功能扩展、改变和维 修，都必须求助于系统供应商。目前，这类系统还是占领了制造业的大部分市场。但由于 开放体系结构数控系统的发展，传统数控系统的市场正在受到挑战，已逐渐减小。 2 p c 嵌入n c 型开放式数控系统。把p c 主板嵌入传统的c n c 机器中，提供键盘 使用户能把p c 和c n c 联系在一起，从而提高了人机界面的功能。“p c 嵌入n c 结构的 开放式数控系统，如f a n u c l 8 i 、1 6 i 系统、s i n u m e r i k8 4 0 d 系统、n u m l 0 6 0 系统、 a b9 3 6 0 等数控系统。c n c 主要完成坐标轴运动控制等实时控制，p c 板运行非实时控制， 主要起到辅助编程、分析、监控、编制工艺等作用。如f a my c l 8 i ，1 6 i 系统、s i e m e n s 8 4 0 d 系统、n u m l 0 6 0 系统、a b 9 3 6 0 等数控系统就是采用这种结构的开放式数控系统。这是 一些数控系统制造商将多年来积累的数控软件技术和当今计算机丰富的软件资源相结合 开发的产品。它具有一定的开放性，它的p c 部分界面开放，但由于它的n c 部分仍然是 传统的数控系统，其体系结构是不开放的，用户无法介入数控系统的核心。这类系统结构 复杂、功能强大，价格昂贵。 3 s o f t 型开放式数控系统。这是一种最新的开放体系结构的数控系统。它提供给 用户最大的选择和灵活性，它的c n c 软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与 2 1 绪论 伺服驱动和外部i o 之间的标准化通用接口。就像计算机中可以安装各种品牌的声卡和相 应的驱动程序一样。用户可以在w i n d o w sn t 平台上，利用开放的c n c 内核，开发所 需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，s o f t 型开放式数控系统具有较高的性 能价格比，因而具有较强的生命力。通过软件智能替代复杂的硬件，正在成为当代数控系 统发展的重要趋势。其典型产品有美国m d s i 公司的o p e nc n c 、德国p o w e r a u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0 n t 等。 4 n c 嵌入p c 型开放式数控系统。把运动控制板n c 插入p c 机的标准插槽中作实 时控制用，而p c 机主要作非实时控制。这种运动控制板通常使用高速d s p 作为c p u ， 具有很强的运动控制和p l c 控制能力，它本身就是一个数控系统，可以单独使用。如美 国d e l t a t a u 公司用p m a c 多轴运动控制卡构造的p m a c n c 数控系统、日本m a z a k 公司用三菱电机的m e l d a s m a g i c6 4 构造的m a z a t r o l6 4 0c n c 等。它们开放的函 数库供用户在w i n d o w s 平台下自行开发构造所需的控制系统。这种开放式结构灵活性好、 功能稳定，可共享计算机的丰富资源。 开放式体系结构可以大量采用通用微机技术，使编程、操作以及技术升级和更新变得 更加简单快捷。开放式体系结构的新一代数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开 放的，数控系统制造商和用户可以根据这些开放的资源进行的系统集成，同时它也为用户 根据实际需要灵活配置数控系统带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和 广泛应用，开发生产周期大大缩短。同时，这种数控系统可随c p u 升级而升级；而结构 可以保持不变。开放式数控系统已经成为了现代数控系统的主流，随着计算机技术的飞速 发展，数控系统的p c 化已成为开放式数控系统实现的主要途径。 2 0 世纪9 0 年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控技术更快的更新换代。 世界上许多数控系统生产厂家利用p c 机丰富的软、硬件资源开发开放式体系结构的新一 代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、可扩展性，并 可以较容易的实现智能化、网络化。近几年许多国家纷纷研究开发这种系统： 美国科学制造中心f n c m s ) 与空军共同领导的“下一代工作站机床控制器体系结 构 n g c ( t h en e x tg e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l e r ) 研究计划，其主要目的是拟 订并推进关于新一代开放式控制系统的详细分析与规范。n g c 计划于1 9 9 4 年完成了原型 研究，并转入了工业开发应用。美国f o r d ，g m 和c h r y l s e r 等公司在n g c 计划的指导下， 联合提出了“开放式、模块化体系结构控制器o m a c ( o p e nm o d u l a r a r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 开发计划，并于1 9 9 4 年开始启动。该计划定义了一个应用于汽车工业的开放、模块化体 系结构控制器的规范，其硬件继承了v m e 系列的v m s 。尽管目前还不够完善，但由于 “a p i 的接口层 的标准化，使用户能够充分发挥自己的主动性，从而可装入自己所需的 独特功能；甚至可以装入w i n d o w so s ，将c a m 等现有的p c 机资源移植到控制器中。 欧共体的“自动化系统中开放式体系结构o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o r c o n t r o l l e r w i t h a u t o m a t i o ns y s t e m s ) 。1 9 9 0 年由欧共体国家的2 2 家控制器开发商、机床生 西安理工大学硕士学位论文 产商、控制系统集成商和科研机构联合发起的，并于1 9 9 2 年5 月正式得到欧盟的认可， 纳入欧盟e s p 对t - i i i 项目计划。这实际上是第一阶段o s a c a i ，它于1 9 9 4 年结束，完 成了o s a c a 规范和应用指南的制定。其第二期工程o s a c a i i ( e s p r i t 9 1 1 5 ) 于1 9 9 6 年4 月结束，主要完成依照o s a c a 规范为其系统平台开发标准、通用的软件模块和通用 的o s a c a 系统平台，建立一个五轴制造系统环境，用以调试、验证、扩展前一阶段的各 种规范。o s a c a 第三阶段为d a so s a c a ( i n f o r m a t i o nd i s s e m i n a t i o na n da w a r e n e s s a c t i o n ) 于1 9 9 7 年1 月开始，计划历时1 8 个月，推广o s a c a 思想及前期工作的技术成 果。o s a c a 的目标之一是使自己成为自动化领域的通用国际标准，故开始它就将研究范 围涵盖了整个自动化领域，并投入了巨大的人力、物力。 日本的“控制器开放系统环境”o s e c 计划。由东芝机器公司、丰田机器厂和m a z a k 公司三家机床制造商和r 本i b m 、三菱电子及s m l 信息系统公司共同组建。其目的是建 立一个国际性的工厂自动化( f a ) 控制设备标准。o s e c 以日本国际机器人和工厂自动 化研究中心( i r o f a ) 所提出的c n c 系统参考模型为基础，提出了一个开放体系结构。 实现了i r o f a 的参考体系结构，并增加了定制和分化产品的功能。 我国数控技术的开发始于1 9 5 8 年“1 ，几乎与国外同时起步。但由于自身电子技术的 落后，研制进展十分缓慢。7 0 年代末，正是国际上电子技术成熟，数控机床进入大规模 产业化的时期。改革开放以来的2 0 年，国家每个五年计划均将数控机床列为重点攻关项 目，总共约投入十多亿研发资金。经过“六五 引进技术，“七五 消化吸收，“八五 科技攻关，“九五”产业化攻关，我国数控系统技术有了明显进步。已逐步形成了以航天 数控、蓝天数控、华中数控和中华数控为主的数控系统产业。近年来，我国相继开发出了 如华中i 型、航天i 型、中华i 型、蓝天i 型等数控系统。华中i 型以通用工业微机为硬 件平台，模块化的开放式体系结构，开放式数控系统软、硬件平台。目前基本上掌握了数 控关键技术，建立了数控开发、生产基地，培养了一批数控人才，初步形成了自己的数控 产业，但其发展现状仍然是：经济型数控系统产量快速增长，中高档数控系统产业化仍处 于起步阶段。在中高端方面要继续向丌放式、基于p c 的第六代方向发展。 1 3 本课题的意义及研究方法 数控技术的发展趋势是从封闭体系结构向开放体系结构发展，从硬数控向软数控方向 发展，但其发展方向的基本宗旨都是围绕着用户的使用方便、精度的提高和实现方法的简 单易行而进行的，对于用户而言选用合适的方法是必要的。因此，更适合用户的技术方法 是很有必要的。根据其发展方向，本课题作了一些方面的研究，提出了一种简单易行的控 制系统，其有一定的开放性，使用方便，能够独立运行。系统是n c 嵌入p c 型开放式， 其通讯方式和各部分完成的工作与一般的n c 嵌入p c 型开放式系统有所不同，它通过串 口通行，而不必将其插入p c 插槽作为p c 机的一部分，这样能够实现脱机独立运行，这 样能更灵活的实现不同系统的运动要求。系统实现一些基本的运动控制功能和数控功能， 系统采用单片机为主控制器，能够实现2 - 4 轴的运动控制，可以用于控制步进电机和伺服 4 1 绪论 电机，运用编译原理的理论和方法，定义了基于用户的运动控常l j ( m c ) 语言，识别n c 代 码，软件系统采用资源分时共享的方法实现系统对实时多任务的处理，软件系统完成系统 的运动控制，实现直线插补、圆弧插补、补偿计算、立即停止、加减速、指定减速点等， 可实现用户运动程序的输入，通过上位机与下位机通信实现运动程序的输入和数据交互。 对于系统的参数可以按用户的需求进行设置，并能进行动态响应测试。可以实现上位机下 位机工作方式，亦可在程序输入后脱机运行。 5 西安理工大学硕士学位论文 2 数控系统硬件 2 1 运动控制关键技术 2 1 1 伺服技术 伺服驱动系统简称伺服系统( s e r v os y s t e m ) ，是指以机械位置或角度作为控制对象的 自动控制系统。对于数控机床，如果说c n c 系统中的c n c 装置是数控机床的“大脑”， 是发布“命令”的“指挥机构”，那么，伺服系统便是数控机床的四肢，是一种执行机构。 它准确地执行由c n c 装置发布来的运动命令。可以将执行元件分为电气式、液压式和气 动式等几种类型，而电气式为最为常用的一种，电气式执行元件是将电能转化成电磁力， 并用电磁力驱动执行机构运动。电气式伺服执行机构主要有步进电机和伺服电机，而伺服 电机又分为直流伺服电机和交流伺服电机。它们有各自不同的特点和性能，根据他们特点 的不同而用于不同的地方。 2 1 2 步进伺服驱动技术 步进伺服驱动技术是以步进电机为控制对象的。 步进电机 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。步进电机靠一种叫环形分配器的 电子开关器件，通过功率放大器使励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在 空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转 磁场，使转子步进式的转动，随着脉冲频率的增高，转速就会增大。步进电机的旋转同时 与相数、分配数、转子齿轮数有关。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电 机按设定的方向转动一个固定的角度( 称为“步距角) ，它的旋转是以固定的角度一步一 步运行的，脉冲数增加，角位移( 或线位移) 也随之增加，可以通过控制脉冲个数来控制 角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度 和加速度，从而达到调速的目的，脉冲频率高，则步进电机的旋转速度就高，反之则低； 分配脉冲的相序改变，步进电机则反转。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用 其没有积累误差( 精度为10 0 ) 的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进 电机包括反应式步进电机( v r ) 、永磁式步进电机( p m ) 、混合式步进电机( h b ) 和单 相式步进电机等 1 3 j 。 步进电机控制技术 步进电机的控制主要是将脉冲信号转换成能驱动步进电机平稳运行的信号，这一部分 也称为步进电机的驱动电路，其接收控制脉冲信号，并把此信号转换成控制步进电机各相 定子绕组依次通电、断电的信号，驱动步进电机运转。 6 制线路应包括脉冲混合电路、加减脉冲分配电路、加减速电路、环形分配器和功率放大器 等。对于来自外界的基于不同目的的各功能信号，其最终目标就是要让执行机构正向或反 向运动，将这些信号混合起来进行控制是脉冲混合电路要完成的。当执行机构在正向脉冲 的控制下正向运行时，由于其它补偿脉冲信号的存在，使得可能会出现几个负向脉冲，对 于这些反向脉冲信号，不可能让步进电机做出实时的反应，并可能引起电机的跳动，一般 处理的办法是从正向的脉冲指令中抵消相同数量的相反方向的补偿脉冲，这是加减脉冲分 配电路的功能和作用。进入步进电机定子绕组的电平信号的频率变化要平滑，而且应有一 定的时间常数，但由加减脉冲分配电路来的脉冲频率的变化是有跃变的，为了保证步进电 机能够正常可靠的工作，此跃变频率必须首先进行缓冲，使之变成符合步进电机加减速特 性的脉冲频率，然后再送入比进电机的定子绕组，加减速电路就是为此而设置的，经过该 加减速电路可以保证其不会产生丢步。环形分配器的作用是把来自加减速电路的一系列进 给脉冲指令，转换成控制步进电机定子绕组通、断电的电平信号，电平信号状态信号的改 变次数及顺序与进给脉冲的个数及方向对应。从环形分配器来的控制信号电流只有几毫 安，而步进电机的定子绕组需要几安培的电流，因此，需要对从环形分配器来的信号进行 功率放大，一般采用大功率晶体管或快速可控硅来实现。对于脉冲混合电路、加减脉冲分 配电路、加减速电路和环形分配器可以用硬件线路来实现，也可以用软件来实现。 工程中常用的驱动控制方式都比较成熟，有多种商用的步进电机驱动器，能够完成各 种控制与驱动功能，使之与控制器的连接变得简单方便。图2 2 为步进电机和驱动器与控 制系统的典型连接方式。 步进式伺服系统是一个开环系统，在实际应用中存在以下特点：步进电机具有较好的 低速运行特性和较宽的调速范围，使用简单方便，价格比较便宜，无积累误差，但精度比 较低，存在失步现象，转速不能很高，启动频率和运行频率都有一定限制，但采取一些措 施可以显著改善这些性能的不足，如采用细分电路提高其精度，即是把步进电机的一步 7 西安理工大学硕士学位论文 步进电机 图2 - 2 步进电机驱动控制接口电路图 f i 9 2 2s t e p p e rm o t o r d r i v ea n dc o n t r o lc i r c u i t 分得再细一些，如十细分线路，将原来输入的一个进给脉冲步进电机走一步变为输入十个 脉冲才走一步。其具体实现原理是：在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或 切除，而是只改变相应绕组中额定的一部分，则电机转子的每步运动也只有步距角的一 部分。这里绕组电流不是一个方波，而是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除，电 流分成多少个台阶，则转子就以同样的个数转过一个步距角。这样将一个步距角细分成若 干步的驱动方法称为细分驱动。目前较好的细分电路能够做到1 6 0 0 0 p r 。通过加减速控制 来避免其起动频率的限制和失步或超步现象，加减速控制让电机速度逐渐变化，当要求步 进电机启动到大于突跳频率的工作频率，或是从最高工作频率或高于突跳频率的工作频率 停止时，加减速控制让电机逐渐变化到目标状态，逐渐上升和下降的加速、减速时间不能 过小，否则仍会出现失步或超步。 步进电机以其简单方便的控制方式，特有的性能和较高的性价比，应用在很多运动控 制之中，随着步进技术的发展，其仍将在伺服控制中占有较高的位置。 2 1 3 直流伺服技术 直流伺服电机 伺服电机是指能够精确的控制其位置的一种电机。直流伺服电机是伺服电机的一种， 其可分为四种，即永磁直流伺服电机、无槽转子直流伺服电机、空心杯转子直流伺服电机 和印刷绕组直流伺服电机 4 1 0 直流伺服电机结构上由电动机本体和检测部件组成，电动机 本体主要由机壳、定子和转子三部分组成，反馈用的检测部件有高精度的测速发电机，旋 8 2 数控系统硬件 转变压器以及脉冲编码器等，它们共同安装在电动机的尾部。下以永磁直流伺服电机来简 要说明其工作原理，永磁直流伺服电机同普通它励直流电动机的工作原理相同，只不过它 励直流电动机的定子磁动势由励磁电流产生，而永磁直流伺服电动机的定子磁动势由永磁 体产生。其调速方法有三种：即改变外加电压、改变励磁磁通及改变转子回路电阻调速。 对于永磁式直流伺服电机，不能采用改变励磁磁通的调速方法，改变转子回路电阻的调速 方法，其性能不能满足数控系统的要求。通常采用改变转子回路外加电压的调速方法。这 种调速方法从额定电压往下降低转子电压，即从额定转速向下调速。这种调速方法属于恒 转矩调速，机械特性是一组斜率不变的平行直线，特性比较硬。常用的直流伺服电机速度 控制方式有以下几种：1 晶闸管调速系统，其转子主回路多采用三相全控桥式整流电路， 有两组正负对接的可控硅整流器，一组用于提供正向电压，供电动机正转，另一组用于提 供反向电压，供电动机反转。通过改变晶闸管触发角q 就可以改变直流伺服电机的外加电 压，从而达到调速目的，但其调速范围较窄。实际应用中采用速度反馈和电流反馈的双环 调速系统，这样可使其具有良好的静态、动态指标，启动过程很快，可最大限度的利用电 动机的过载能力，使过渡过程最短，但在低速轻载时转子电流出现断续，机械特性变软， 可增加一个电流或电压环，组成三环来解决。2 晶体管脉宽调制调速系统( p w m - p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) ，其性能优于前者，直流伺服系统中多用晶体管脉宽调制调速。它是利 用脉宽调制器对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制，将直流电压换成某一频率 的矩形波电压，加到直流电动机的转子回路两端，通过对矩形脉冲宽度的控制，改变转子 两端的平均电压，从而达到调节电动机转速的目的。该种方法调速电动机的损耗小，动态 特性好，稳速精度高，控制方便，响应快。 直流伺服电机具有良好的调速性能，控制简单，在一些领域仍有很好的应用。 2 1 4 交流伺服技术 交流伺服电机 交流伺服电机是最新发展起来的新型伺服系统，交流伺服电机本身结构简单，坚固耐 用，体积较小，重量较轻，没有整流子机械换向，所以远比直流伺服电机便于维护。特别 是由于近年来大功率电子器件，以及用于高速微处理器与功率电子器件相结合发展出来的 大功率交流逆变技术，使其静态与动态性能不仅已经达到了直流伺服电机的水平，在有些 方面，比如输出转矩的平稳性方面，甚至超过了直流伺服电机的水平，交流伺服电机正在 逐渐代替直流伺服电机。交流伺服电机分为同步型和异步型两大类。以永磁式同步交流伺 服电机为例，其主要有三部分构成，包括定子、转子和检测元件。转子上的永磁材料通常 采用铁氧体或稀土材料制成，磁场强度高，矫顽磁力很强，而价格又比较适当，可以有效 地减少转子的惯量，提高输出转矩和电机的功率比。 永磁同步交流伺服电机转子转速n - - n s = 6 0 f f p ( r r a i n ) ，可见，可以通过改变电动机的电 源频率来调节电动机的转速，该方法可以实现无级调速，变频调速的关键环节就是能为电 9 西安理工大学硕士学位论文 动机提供变频电源的变频器。变频器分为交一直一交变频器和交一交变频器。 其工作过程是：先将电源的三相( 或单相) 交流电经整流桥整流成直流电，再经过电容 或电感或电容、电感组合电路滤波后又经逆变桥把直流电“逆变”成电压和频率任意可调 的三相交流电。其中，变频的核心部分是“逆变电路 。交一交变频器不经过中间环节， 直接将一种频率的交流电变换为另一种频率的交流电，目前应用较多的是交一直一交变频 器。其多采用s p w m ( 正弦波脉宽调制) 逆变器u 1 。 交流伺服电机控制技术 伺服驱动器是在发展了变频技术的前提下，在驱动器内部的电流环，速度环和位置环 都进行了比一般变频更精确的控制技术和算法运算，使其准确、精确、能够快速响应和准 确定位，在功能上也比传统的伺服强大很多，主要的一点可以进行精确的位置控制。可通 过上位控制器发送的脉冲序列来控制速度和位置( 当然也有些伺服内部集成了控制单元或 通过总线通讯的方式直接将位置和速度等参数设定在驱动器里) ，驱动器内部的算法和更 快更精确的计算以及性能更优良的电子器件使之应用越来越广泛。 随着交流伺服技术的发展，使得交流伺服控制变得简单，众多的交流伺服驱动器的迅 速发展使交流伺服电机与控制器的连接更加方便。其控制方式主要有以下几种： 1 位置控制 当伺服系统处于位置控制时，控制系统给伺服驱动器的信号是脉冲和方向信号。这一 点和步进电机的控制方式类似。其接口电路如图2 3 所示。 脉冲输入 方向输入 p u l s l 章歹叫 p u l s 2 r i s i g n l 章歹吲 s i g n 2 l 图2 - 3交流伺服系统位置控制接口图 f i 9 2 - 3 c i r c u i to f a cs e r v op o s i t i o nc o n t r o l 其指令输入方式有三种： 1 ) 正交( a 和b ) 输入 如图2 - 4 示，频率相同但相位相差9 0 。的a 、b 两相脉冲分别从p l u s l 、p l u s 2 和s i g n l 、 s i g n 2 送入伺服驱动器。a 、b 两相脉冲的频率控制电机转速；脉冲数控制电机的角位移。 电机每转所需指令脉冲数可由驱动器内部参数设置。两相脉冲的超前或滞后关系控制电机 旋转方向。亦即，若b 相脉冲超前a 相脉冲9 0 。，则电机旋转方向为顺时针( c w ) ，若a 相脉冲超前b 相脉冲，则电机旋转方向为反时针( c c w ) ，可用这种信号直接控制电机的转 速和方向，而不需增加方向识别电路。 1 0 厂t厂t 2 数控系统硬件 c w 指令c c w 指令 a 塑厂 厂 b 塑厂 厂 图2 - 4 正交脉冲指令波形 f i 9 2 - 4o r t h o g o n a ls i g n a ld i r e c t i v e 2 ) 顺时针( p u l s ) 反时针( s i g n ) 脉冲输入 即单脉冲工作方式。脉冲信号通过p l u s l 、p l us 2 进入驱动器( p u l s i 接收脉冲序列， p u l s 2 接低) ，则电机按c w 方向旋转。若通过s i g n l 、s i g n 2 进入驱动器( s i g n l 接收脉冲 序列，s i g n 2 接低) ，则电机按c c w 方向旋转。脉冲频率控制电机的旋转速度，脉冲数控 制电机的角位移。o 3 ) 指令脉冲( p u l s ) 方向( s i g n ) 输入 c w 指令 c c w 指令 眦s 脉冲笆兰：厂 厂 s - 洲方向使兰：厂一 眦s 脉冲信昱：厂 厂 s i g n 方向信芑!厂 图2 5 脉冲+ 方向指令输入图 f i 9 2 5 p u l s + s i g ni n p u t 2 速度控制 交流伺服电机的速度控制方式是通过模拟量的输入来控制电机的速度，速度控制的输 入信号接口电路如图2 - 6 所示。 速度c 转矩，指令输入 图2 - 6 速度( 转矩) 控制方式输入信号接口 f i 9 2 - 6s p e e d ( t o r q u e ) c o n t r o lm o d e li n p u ti n t e r f a c e 西安理工大学硕士学位论文 在速度控制模式中，上位控制系统通过s p r 、g n d 引脚给伺服驱动器输入一个 1 0 v + 1 0 v 的模拟电压，即可控制电机实现从负向最大转速到正向最大转速之间的速度 变化。 3 转矩控制 转矩控制与速度控制方式类似，也是用模拟量信号控制转矩的大小。它与速度控制共 用一个输入接口。在转矩控制模式中，上位控制系统通过t r q r 、g n d 引脚给伺服驱动 器输入一个1 0 v , - , + 1 0 v 的模拟电压，即可控制电机实现从负向最大转矩到正向最大转矩 之间的转矩变化。 2 2 运动控制系统硬件 2 2 1 运动控制实现方式 早期的运动控制系统