數(shù)控機床的步進電機的速度控制設計

1、摘 要本文從解決步進電動機的速度控制設計的軟件和硬件的問題上，使步進電動機能更好的配合數(shù)控機床的運轉特點，使數(shù)控機床能發(fā)揮更好的性能。在此我基于本性質設計了一套合適的速度控制的方法，并靈活的運用數(shù)控的軟件來運行數(shù)控程序來檢驗所設計的方法的正確與否。因此我主要從以下三方面進行介紹。1. 數(shù)控軟件的學習和應用在這部分，主要學習Mach2軟件的運行界面和操作界面的學習、軟件設置的要點和電機的設置和軟件的使用等一些內容；還有Mach3數(shù)控軟件的綜述和Mach3的控制和運行工件程序的相關知識。通過這部分學習，加深認識了數(shù)控知識的加工過程和編程的相關知識。熟悉了數(shù)控軟件的安裝和應用的相關操作。2. 步進電

2、動機的設計通過這項內容，復習步進電動機控制方式和驅動方式、步進電動機的類型和結構、工作原理、主要特性和步進電動機的驅動控制線路的設計等相關內容3. 步進電動機的速度控制的設計在這部分，對步進電動機的速度控制的情況進行設計，包括步進電動機的選型、步進電動機的速度控制的軟件設計和硬件設計兩大方面，并且對速度控制的軟件設計是運用C語言來控制，此程序比較簡單，易懂，學會運用C語言來控制數(shù)控機床，也學會了C語言和匯編語言的聯(lián)系。關鍵詞：數(shù)控機床；步進電動機；速度；控制；驅動；數(shù)控軟件；C語言ABSTRACTIn this paper,to solve the speed of stepper motor

3、 control software and hardware design issues,we should that stepper motor to enable better co-ordination of the functioning of the characteristics of CNC machine tools to CNC machine tools can play a better performance.I designed based on the nature of an appropriate set of speed control,and flexibl

4、e use of the software to run NC,NC program designed to test the correctness of the method.Therefore,I mainly introduce the following three aspects.1. the application and learning of NC softwarein this part,the main study is Mach2 software interface and operation interface,the key of the software set

5、tings,the settings of moter and the use of the software and other content.there are the summary of the software of Mach3 CNC,the controlling of Mach3 and the knowledge of procedures for running the workpiece.Through the part of the study,we will have a better understanding of the CNC machining proce

6、ss and programming knowledge.we are familiar with the installation of CNC software and the application of the operation.2. Stepping MotorThe adoption of the content,review the driving mode and control of the stepping motor,the type and structure of stepper motor,working principle,the main characteri

7、stics of the drive and stepper motor control circuit design and other related content.3. Stepper motor speed control designIn this part,tocontrol to the speed of the stepper motors design ,incloding the selection of stepper motor,the two major aspects is software design and hardware design to contro

8、lling the speed of stepper motor.And controlling the speed of software design is to use C language ,this procedure is relatively simple ,easy to understand ,it can tell us how to use C language to control the CNC machine tools, and I can understand the related of C language and assembly language lin

9、ks.Key word CNC machine tools；Stepping Motor； ratel；Control； Drive； CNC Software；C language目 錄第一章 緒論11.1本課題的目的11.2本課題的內容1第二章 課題概述22.1 數(shù)控軟件的學習和應用22.2 步進電動機的設計22.3 步進電動機的速度控制設計2第三章 數(shù)控軟件的學習和應用33.1 mach2的學習和應用33.1.1 軟件介紹33.1.2 軟件設置43.1.3 軟件使用63.2 mach3的學習和應用63.2.1 mach3數(shù)控軟件綜述73.2.2 Mach3控制和運行工件程序10第四章 步

10、進電動機的驅動和控制174.1 步進電動機的基本特點174.1.1 步進電動機的種類和結構17步進電動機的工作原理18步進電動機的主要特性194.2 步進電動機的控制和驅動方式204.2.1 步進電機的控制方式204.2.2 步進電機的驅動方式214.3 步進電動機的驅動控制線路254.3.1 脈沖混合電路264.3.2 加減脈沖分配電路264.3.3 加減速電路264.3.4. 環(huán)形分配器284.3.5. 功率放大器29第五章 步進電機的速度控制325.1 步進電機的選型325.2步進電動機加減速曲線控制355.2.1 步進電機的失步和過沖355.2.2 加速、減速能力的改進365.3 步進

11、電動機速度控制的軟件設計375.4 步進電動機的硬件控制法48第六章 數(shù)控機床的步進電機的展望和發(fā)展506.1 步進電機的展望和發(fā)展506.1.1 步進電機的發(fā)展趨勢506.1.2 國際市場的開拓及發(fā)展對策506.2 進給伺服系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望51參考文獻52致 謝53第一章 緒論畢業(yè)設計是我們最后一次較全面的設計訓練，是大學四年的最后一次教學環(huán)節(jié)；為我們提供了自主學習、自主選擇、自主完成的機會；具有實踐性、綜合性、探索性、應用性等特點，同時也為啟發(fā)我們智能以適應工程技術人才素質要求及學生心理素質的培養(yǎng)，提供了綜合訓練和實習機會。1.1本課題的目的本課程包括數(shù)控軟件的學習和步進電動機的速度控制兩

12、大主要方面的內容，由于涉及到math2的銑床的學習、math3的銑床的學習、步進電動機的相關等復雜的內容，因而具有一定得意義所在，可使學生學習新的知識如學習數(shù)控新軟件和步進電動機的相關知識，并且對C語言和數(shù)控技術的知識加以更深的了解。通過本課程的學習，要達到兩個目的：其一：學習熟悉和理解現(xiàn)有成熟的數(shù)控控制中的步進電動機的控制，進一步接受和消化先進的數(shù)控技術。其二：可鞏固、訓練，提高學生的綜合實踐能力。 通過畢業(yè)設計，綜合運用專業(yè)課程和其他有關課程的理論和實踐知識去分析和解決設計問題，并使學生所學的知識進一步地鞏固、深化和發(fā)展。 鞏固設計的一般方法，通過設計培養(yǎng)正確的設計思想和分析問題、解決問題

13、的能力。 鞏固設計基本技能的訓練，如計算、繪圖、查閱設計資料和手冊、熟悉標準和規(guī)范等。1.2本課題的內容畢業(yè)設計的課題：數(shù)控機床的步進電動機的速度控制的設計本畢業(yè)設計（論文）包括： 數(shù)控技術書的學習和應用 C語言課本的學習和應用 步進電動機的速度控制程序的編寫和設計 程序的調試和應用 步進電機在數(shù)控軟件的調試應用 設計說明書一份（其中包括步進電機的速度控制的分析和應用、數(shù)控軟件的學習和分析和步進電動機的設計說明）。第二章 課題概述2.1 數(shù)控軟件的學習和應用這一部分包括mach2軟件的學習和mach3的學習和應用通過此項內容，使我所學的數(shù)控技術課程的知識得到鞏固，運用和深化。主要在下述方面得到

14、進一步訓練。第一 mach2軟件的界面的學、軟件設置和軟件的使用第二 mach3軟件的界面的介紹、軟件設置和軟件的使用。第三 mach3控制和運行工作程序的相關的情況2.2 步進電動機的設計這一部分包括步進電動機的工作原理、驅動方式、其類型和結構和驅動控制線路的一些主要情況。通過此項內容，使我所學的數(shù)控技術課程的知識得到鞏固，運用和深化。主要在下述方面得到進一步訓練。第一 對步進電動機的工作原理的學習第二 對步進電動機的類型和結構有了更深刻的認識第三 步進電動機的驅動方式有更好的方法第四 步進電動機的驅動控制電路，對脈沖混合電路、加減速脈沖分配電路、加減速電路、環(huán)形分配器、功率放大器等有了具體

15、的詳細的說明。通過上述內容的學習，我們對步進電動機的相關的知識有了更深入的了解。2.3 步進電動機的速度控制設計這一部分包括步進電動機的選型、步進電動機的加減速時間控制、加減速能力的改進、步進電動機的速度控制的軟件設計和硬件設計。通過此項內容，使我所學的C語言課程的知識得到鞏固，運用和深化。主要在下述方面得到進一步訓練。第一 較全面的了解步進電動機的速度控制的設計要領；第二 對步進電動機的速度控制的設計的步驟進行正確的認識，當然，包括步進電動機C語言控制速度控制的設計和硬件設計。第三 對步進電動機的加減速的控制和能力的改進和加減速時間控制有了更深入的了解。第四 讓我知道了如何選擇一部適合數(shù)控機

16、床的步進電動機，并如何才能使步進電動機發(fā)揮更好的結果。第三章 數(shù)控軟件的學習和應用3.1 mach2的學習和應用MACH2軟件是目前業(yè)余情況下使用較多的CNC軟件之一，它是一種使用PC機并口或USB口（需要專用驅動器）控制步進電機的CNC軟件，使用方便，但設置、功能多。特點：最多支持6軸聯(lián)動直接使用G代碼文件支持DXF BMP JPG 與HPGL直接導入直觀G-代碼 路線顯示可編輯G代碼文件主軸變頻器控制即時加工進度顯示手動控制功能可使用并口或USB輸出通過驅動器控制步進電機可以運行在Windows 98/NT/2000/XP等32位操作系統(tǒng)上3.1.1 軟件介紹1、Mach2軟件的該屏幕顯示

17、有7個界面圖3-1 軟件界面a、 程序運行界面b、 手工輸入界面c、 手動操作界面d、 刀路界面e、 偏移量界面f、 設置界面g、 診斷界面2、程序界面主要內容a、代碼顯示區(qū)b、具體軸向位置顯示c、刀路軌跡顯示d、代碼執(zhí)行控制e、緊急停止按鈕f、手動模式選擇g、主軸控制3、手工輸入界面主要內容a、具體軸向位置顯示b、手工輸入窗口c、手動模式選擇d、主軸控制e、緊急停止按鈕4、手動操作界面主要內容a、具體軸向位置顯示b、手動搖桿控制窗口c、手動模式選擇d、運行軌跡顯示e、緊急停止按鈕5、診斷界面該界面主要用于診斷CNC設備與軟件之間的交換信息。3.1.2 軟件設置首先應端口設置，為了滿足這個要求

18、需要做六步：1. 設置端口和引腳2. 端口設定和軸選擇：根據(jù)使用的情況，設置端口和軸數(shù)。此時應注意，選擇后一定要點擊“應用”，否則不能啟用，后同。3. 輸入信號設置：選擇需要的輸入信號。4. 輸入腳分配設置：此時需要的選項必須在上個界面設置后，本界面才可以設置。5. 輸出信號設置6. 輸出腳分配設置圖3-2 軟件設置圖然后再進行電機參數(shù)設置，此操作需要進行八步：1. 選擇電機運行參數(shù)調整2. 電機速度和加速度設置3. 軸向選擇4. 步進電機速度設置：單位每分鐘進前毫米。沒有細分時電機振動大且易丟步。一般試時設30了。5. 步進電機加速度設置6. 單位步數(shù)設置：1.8度的電機轉動1圈200步，8

19、細分后就是1600步，絲桿導程是5mm的，那每mm就是320步，所以每步的理論精度就是0.008了。7. 每個軸向設置后都必須保存8. 驅動器所需脈沖的最小寬度和換向時間：因驅動器使用了光藕隔離，不可避免地帶來了信號延遲，為防止因信號延遲而產(chǎn)生丟步，軟件應做好相應設置。最后再進行單位設置：測量設置為公制毫米這樣，軟件基本的設置就完成了。3.1.3 軟件使用圖3-3 軟件使用圖1. 手動校正刀具到工作原點，軟件所有軸清零到“0”點2. 打開文件（G代碼）3. 選擇G代碼文件4. 代碼載入5. 電機“開始運行”6. 點擊“停止運行”結束代碼執(zhí)行3.2 mach3的學習和應用數(shù)控銑床主要組成部分：工

20、件的設計一般用計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助制造（CAM）或者計算機的其他程序（1），工件程序的輸出通常以G代碼的形式（通過網(wǎng)絡或軟盤）（2）輸送到機床的控制系統(tǒng)（3），機床控制系統(tǒng)解讀G代碼并控制刀具（5）被伺服電機或步進電機牽引的螺釘、齒輪、皮帶所帶動。機床控制系統(tǒng)所發(fā)生地信號被驅動器放大，這樣控制系統(tǒng)便能實時有效地控制電動。由于mach3軟件比較復雜，在這里我主要介紹數(shù)控軟件的綜述和Mach3控制和運行工作程序的情況。3.2.1 mach3數(shù)控軟件綜述1. 界面顯示Mach3的界面經(jīng)過精心設計，因此很容易根據(jù)您工作方式的把界面用戶化。雙擊圖標運行mach3，您可以看到圖的銑床程序運

21、行界面，但是在界面中各個數(shù)字讀出器都為0，并且沒有加載程序。如果不能正常使用，可能是因為有什么東西插入了井口，或者是因為在安裝mach3時緊急停止的端口指針配置錯誤，點擊脫機按鈕可以重新使用緊急復位。 界面顯示對象，在程序運行界面上您可以看到以下對象：· 按鈕，如重新設置、停止Alt-a等。· 數(shù)字讀出器，所有數(shù)字化顯示的都是數(shù)字讀出器，主要的數(shù)字讀出器是顯示X，Y，Z，A，B，C軸的當前位置。· 發(fā)光二極管，各種不同形狀、尺寸。· G代碼顯示窗口（帶滾動條）。· 刀具顯示（在您的屏幕上目前是空白方塊），還有一類在程序運行界面上沒有顯示的重要控

22、制。· 手動數(shù)據(jù)輸入框 按鈕和快捷鍵的使用在標準屏幕上大部分的按鈕在鍵盤上都有熱鍵，熱鍵在按鈕的名稱后面或者在按鈕附近的標簽上，用鼠標點擊按鈕和點擊名稱作用是一樣的。您可以使用鼠標和快捷鍵啟動和停止主軸、開啟冷卻劑以及切換到手動數(shù)據(jù)輸入界面，值得注意的是快捷鍵有時候是又Control和Alt鍵加字母組成的，雖然字母是大寫字母但當您在使用快捷鍵時也可以輸入小寫字母。 數(shù)字讀出器的數(shù)值輸入經(jīng)常向數(shù)字讀出器輸入數(shù)據(jù)是不可取的，比如主軸實際速度的顯示是由電腦通過Mach3控制的，您所輸入的任何數(shù)據(jù)都將被改寫。請您在閱讀第7章之后再通使用數(shù)字讀出器輸入數(shù)值。2. 點動通過手動使用點動可以將刀具

23、移動到任何一個位置，當然有些機床的刀具本身就可以移動，有些機床是工作臺移動或滑動，在這里我們用用刀具移動表示。點動控制是特殊的彈出式界面，通過Tab鍵可以在顯示和隱藏間切換，圖3.4所示為彈出式界面圖。圖3-4 點動控制3. 手動數(shù)據(jù)輸入和施教圖3-5 手動數(shù)據(jù)輸入輸入數(shù)據(jù)手動輸入界面上有輸入數(shù)據(jù)框，您可以通過點擊選擇輸入數(shù)據(jù)也可以按Enter鍵自動選擇，工作程序中出現(xiàn)的任何一行有效程序都可以被輸入，按下Enter鍵后工件程序開始執(zhí)行。當您需要撤銷您的輸入時按Esc鍵，錯誤的輸入可以通過Backspace鍵改正。Mach3能夠記住您手動數(shù)據(jù)輸入的行程序并把它們寫入文件中，這些文件可以作為G代碼

24、程序反復運行。在手動數(shù)據(jù)輸入界面上點擊開始施教按鈕，它旁邊的發(fā)光二極管將提示您施教已經(jīng)啟動，輸入不同的程序行后，按下程序行后面的返回Mach3將開始運行，并且把它們都保持在Teach的文件夾中，施教完成時點擊停止施教結束施教。使用編輯功能您可以改正程序的任何錯誤也可以將程序存在指定的文件夾內。4. 加工策略特別CAM程序圖3-6 加工策略菜單中的加工策略表格系統(tǒng)中安裝的加工策略將以表格的形式顯示，您在程序運行界面上點擊加工策略很容易就可以得到所需要的工件。在這個界面上有一些默認選項，注意您可以選擇加工單位、全圓內精銑的中心，使用的刀具以及工件的材料，但不是所有的選項都適合您的機床，比如您必須手

25、動設置主軸速度，設置主軸速度時您可以忽略加工策略界面。設定完成后點擊傳輸代碼（Post Code）按鈕，Mach3將自動編寫并加載G代碼工件程序，刀具路徑將顯示刀具路徑。您可以通過修改參數(shù)減小切屑量或改變其他設置，值得注意的是設置改變之后必須重新的是設置改變之后必須重新點擊傳輸代碼（Post Code）。您可以保存當前的設置，下一次運行加工策略的時候初始數(shù)據(jù)就是當前定義的數(shù)據(jù)。點擊退出（Exit）您將回到Mach3的主界面并且可以運行加工策略生成的工件程序，這個過程往往比閱讀本段快的多。5. 運行G代碼在程序運行界面上您可以試試循環(huán)開始（ Start Cycle）、暫停（Pause）、停止（S

26、top）和返回程序開頭（Rewind）按鈕的效果及其捷徑。運行程序時，一列突出的代碼會在G代碼窗口上以特殊方式運動。Mach3提前讀取程序并設計其運動，避免刀具路徑以低于要求的速度運動。暫停時通過顯示器您可以看到提前讀取確實在進行。通過滾動界面您可以看到G代碼的任何一行，顯示出來的G代碼是突出的，您也可以使用從這里開始（Run from here）從這一行開始運行程序。運行程序只能從硬盤而非軟盤驅動器或USB， Mach3 需要高速讀取存在硬盤中的文檔，并且文檔必須是只讀文檔。6. 刀具軌跡顯示 查看刀具軌跡 刀具軌跡顯示窗口的移動和縮放7.其他屏幕顯示特點· 按鈕：估計工件程序運行

27、在機床上花費時間。· 控制器：控制工件程序所選的進給修調。· 數(shù)字式讀出器：給出加載工件程序所有軸刀具運動范圍。· 屏幕：顯示如何安裝Z軸使X和Y運動不會撞到夾具等信息。· 屏幕：監(jiān)控所有Mach3輸入輸出的邏輯電平（0和1）。3.2.2 Mach3控制和運行工件程序 控制在本節(jié)的解釋1. 界面開關控制系列每個界面上都有開關控制裝置，當您在界面之間切換時他們也不會改變，仍然會顯示系統(tǒng)當前運行狀態(tài)的信息。 緊急復位（Reset） 表格 界面選擇按鈕圖3-7 軸的控制系列使用界面選擇按鈕可以在各個界面之間切換，它們的快捷鍵就在它們名稱的后面，雖然快捷鍵都是大

28、寫字母但是您在使用快捷鍵的時候也可以輸入小寫字母。2. 軸控制系列 坐標值數(shù)字讀出器 定義基準 機械坐標 縮放比例 軟件限制 校驗 直徑或半徑修正3. 定義特殊功能在各類界面上設置了一些快速精確移動刀具（控制點）到指定位置（如更換刀具）的按鈕，這些按鈕包括歸零：把所有的軸移動到零點，直達更換刀具位置，直達Z軸安全位置，直達原點位置。另外Mach3能記住兩個不同的坐標系并到達命令指定的位置，這些功能的控制按鈕是設定基準點和直達基準點以及設定可變位置和直達可變位置。4. 手動數(shù)據(jù)輸入和施教控制系列圖3-8 手動輸入數(shù)據(jù)框5. 點動運行控制系列 熱鍵點動：熱鍵點動有三種模式 連續(xù)點動、分步點動和電子

29、首輪模式，您可以使用界按鈕點動模式（Jog Mode）并根據(jù)發(fā)光二極管來選擇您所要的模式。 并口或Modbus電子手輪點動：在電子手輪速度上面是一系列的選擇點動模式的按鈕。 主軸速度控制系列：根據(jù)機床設計的不同，主軸速度的控制可以分為以下三種類型：（a）手動設定速度，手動啟用和停止：（b）手動設定速度，M代碼通過輸出信號啟用和停止；（c）使用電子手輪設定速度，或者通過step/direction驅動。6. 程序運行控制系列圖3-9 程序運行控制系列程序運行控制系列用于執(zhí)行加載的工件程序或手動數(shù)據(jù)輸入的命令。 循環(huán)開始（Cycle Start） 進給保持 停止 返回程序開頭 單行程序運行 程序反

30、向運行 行序數(shù) 從這里開始設置下一行 設置下一行 刪除程序行 任選停止（Optional Stop）,如果您激活了任選停止，Mach3就回把M01當成M00處理。7. 文件控制系列8. 刀具信息控制系列9. G代碼和刀具軌跡控制系列G代碼顯示窗口可以顯示當前加載的工件程序，您可以滾動窗口查看工件程序G代碼，當前運行的程序行在G代碼顯示窗口上是突出的。刀具軌跡顯示窗口將顯示控制點在X、Y、Z三個平面的路徑，當工件程序運行的時候刀具軌跡將會重新勾勒，刀具路徑的顏色為配置下拉菜單刀具路徑對話框中設置的顏色。重新勾勒的刀具軌跡是動態(tài)的，當您切換界面和視角的時候并不會保存。10. 工件偏移量和刀具庫控制

31、系列工件偏移量和刀具庫可以從操作菜單中打開，通常通過此系列操作會更加方便。因為G代碼的基本定義工件偏移量和刀具庫在工件原理上有輕微的差異。注意：改變工件和刀具的偏移量雖然改變了軸的數(shù)字讀出器的讀數(shù)，但是事實上刀具并不會移動，設置了新偏移量之后刀具移動命令。 工件偏移量 刀具 直接存儲器偏移量表11. 旋轉直徑控制系列12. 切線控制系列13. 極限和其他控制系列 輸入激活 極限修調14. 系統(tǒng)設置控制系列 單位 安全Z 恒速度模式和角極限 脫機15. 編碼器控制系列16. Z軸自動控制系列17. 激光觸發(fā)器輸出系列18. 自定義控制便利使用加工策略圖3-10 加工策略界面Mach3加工策略是施

32、教功能的擴展功能，通過一個或幾個特殊的界面您可以定義機床的操作，加工策略可以生成G代碼控制刀具的切割，加工策略的例子有圓環(huán)精內銑、鉆排孔和雕刻。系統(tǒng)中的加工策略來之不同的作者，因為他們的目的不同因此在控制按鈕上有輕微的差異，但是每個加工策略都包含了把G代碼傳送給Mach3和返回Mach3界面的意思，使用大部分加工策略時您都可以保存您的設置，在下一次運行加工策略時數(shù)字讀出器上顯示的參數(shù)不會改變。 加載G代碼工件程序圖3-11 加載G代碼如果您有現(xiàn)成的手寫工件程序或者CAD/CAM軟件編寫的程序，您可以使用加載G代碼按鈕加載程序，點擊加載G代碼按鈕將彈出一個標準的Windows打開文件對話框，然后

33、您可以選擇需要加載的文件。文件被選擇并打開之后Mach3會加載并分析代碼，生成和顯示刀具路徑，并且建立程序極限。被加載的程序代碼會在G代碼顯示窗口顯示，您可以使用窗口的滾動條觀看所有的G代碼程序。 編輯工件程序如果您定義了G代碼編輯器程序（配置下拉菜單邏輯對話框），您可以點擊編輯對G代碼進行編輯，點擊編輯之后會打開一個加載了G代碼的新對話框。完成編輯之后保持文件并退出編輯，您也可以直接關閉對話框，系統(tǒng)將提示您對更改后的文件進行保存。編輯G代碼時Mach3處于暫停狀態(tài)，Mach3窗口是鎖定的，激活Mach3窗口的辦法就是返回并關閉編輯。Mach3會分析編輯之后的G代碼，并生成新的刀具路徑和程序極

34、限，任何時候您都可以點擊重新生成按鈕生成刀具路徑。手動準備和運行工件程序1. 手寫程序的輸入您可以通過以下兩種方式編寫程序：運行Mach3之外的編輯器并保存文件：您也可以點擊編輯按鈕但不加載程序，然后把文件另存為一個新的文件并退出編輯。圖3-12 在記事本中設置G代碼以上兩種情況您都需要使用文件下拉菜單的加載G代碼把新的程序加載到Mach3。2. 運行工件程序之前在啟動機床運行工件程序之前最好對機床進行相應的測試，您可以輸入以下命令對機床進行測試：G17/G18/G19, G20/G21, G40, G49, G61/G62, G90/G91, G93/G94。然后您可以選擇刀具或部件偏移量。

35、最后，如果程序還沒被證實是正確的，您就需要對程序進行試運行，在工作臺上不放任何東西看是否有狀況發(fā)生。3.運行程序在您初次運行程序時您必須格外小心，可能您需要對主軸速度和進給進行修調、減小噪聲以及優(yōu)化產(chǎn)品，您可以在機床運行時或點擊暫停進行更改，更改完成之后再點擊循環(huán)開始。輸入其它文件生成G代碼Mach3可以把DXF、HPGL和JPEG格式文件轉換為G代碼?？梢酝ㄟ^一定得途徑轉換成相應的程序來運行。第四章 步進電動機的驅動和控制4.1 步進電動機的基本特點4.1.1 步進電動機的種類和結構步進電動機的分類方式很多，根據(jù)不同的分類方式，可將步進電動機分為多種類型，如表4-1所示。圖4-7是一典型單定

36、子、徑向分相、反應式伺服步進電動機的結構原理圖。它與普通電動機一樣，分為定子和轉子兩部分，其中定子又分為定子鐵心和定子繞組。定子鐵心由電工鋼片疊壓而成，其形成如圖中所示。定子繞組是繞置在定子鐵心6個均勻分布的齒上的線圈，在直徑方向上相對的兩個齒上的線圈串聯(lián)在一起，構成一相控制繞組。圖4-7所示的步進電動機可構成三相控制繞組，故也稱三相步進電動機。若任一相繞組通電，便形成一組定子磁極，其方向即圖中所示的NS極。在定子的每個磁極上，即定子鐵心上的每個齒上又開了5個小齒。齒槽等寬，齒間夾角是9°，與磁極上的小齒一致。此外，三相定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯開1/3齒距，如圖4-8所示。

37、當A相磁極上的小齒與轉子上的小齒對齊時，B相磁極上的齒剛好超前（或滯后）轉子齒1/3齒距角，C相磁極齒超前（或滯后）轉子齒2/3齒距角。圖4-7單定子徑向分相反應式伺服步進電動機結構原理圖表4-1 步進電動機的分類分類方式具體類型按力矩產(chǎn)生的原理(1) 反應式：轉子無繞組，由被激磁的定子繞組產(chǎn)生反應力距實現(xiàn)步進運行(2) 激磁式：定、轉子均有激磁繞組（或轉子用永久磁鋼），由電磁力距實現(xiàn)步進運行 按輸出力矩大小(1) 伺服式：輸出力矩在百分之幾N.m,只能驅動較小的負載，要與液壓扭矩放大器配合，才能驅動機床工作臺等較大的負載(2) 功率式：輸出力矩在550N.m以上，可以直接驅動機床工作臺等較大

38、的負載按定子數(shù)(1)單定子式；(2)雙定子式；(3) 三定子式；(4) 多定子式按各組繞組分布(1) 徑向分相式：電動機各相按圓周依次排列(2) 軸向分相式：電動機各相按軸向依次排列4.1.2步進電動機的工作原理步進電動機的工作原理實際上時電磁鐵的作用原理。以圖4-8所示為例，當A相繞組通電時，轉子的齒與定子AA上的赤對齊。若A相斷電，B相通電，由于磁力的作用，轉子的齒與定子BB上的齒對齊，轉子沿順時針方向轉過3°，如果控制線路不停地按A-B-C-A的順序控制步進電動機繞組的通斷電，步進電動機的轉子便不停地順時針轉動。若通電順序改為A-C-B-A，步進電動機的轉子將逆時針轉動。這種通

39、電方式稱為三相三拍，而常用的通電方式為三相六拍，其通電順序為A-AB-B-BC-C-CA-A及A-AC-C-CB-B-BA-A，相應地，定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉子轉過1.5°。圖4-8 步進電動機的齒距綜上所述，可以得到如下結論：(1) 步進電動機定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉子便轉過一個確定的角度，即步進電動機的步距角；(2) 改變步進電動機定子繞組的通電順序，轉子的旋轉方向隨之改變；(3) 步進電動機定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉子旋轉地速度越快，即通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉子的轉速越高；(4) 步進電動機步距角與定子繞組的相數(shù)m、轉子的齒數(shù)z、通電方式k有關

40、，可用下式表示： =360°/(mzk)式中，m相m拍時，k=1;m相2m拍時，k=2。4.1.3步進電動機的主要特性(1) 步進角和靜態(tài)步距誤差 步進電動機的步距角shi6決定開環(huán)伺服系統(tǒng)脈沖當量的重要參數(shù)，數(shù)控機床中常見的反應式步進電動機的步距角一般為0.5°3°，一般情況下，步距角越小，加工精度越高。靜態(tài)步距誤差指理論的步距角和實際的步距角之差，以分表示，一般在10之內。步距誤差主要由步進電動機齒距制造誤差、定子和轉子間氣隙不均勻以及各相電磁轉矩不均勻等因素造成的。步距誤差直接影響工作地加工精度以及步進電動機的動態(tài)特性。(2) 啟動頻率fq?？蛰d時，步進電動

41、機由靜止突然啟動，并進入不丟步的正常運行所允許的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率，用fq表示。若啟動時頻率大于突跳頻率，步進電動機就不能正常啟動。fq與負載慣量有關，一般說來隨著負載慣量的增長而下降。空載啟動時，步進電動機定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率。(3) 連續(xù)運行的最高工作頻率fmax 步進電動機連續(xù)運行時，它所能接受的，即保證不丟步運行的極限頻率fmax，稱為最高工作頻率。它是決定定子繞組通電狀態(tài)最高變化頻率的參數(shù)，它決定了步進電動機的最高轉速。其值遠大于fq，且隨負載的性質和大小而異，與驅動電源也有很大關系。(4) 加減速特性 步進電動機的加減速特性是描述不技能電動機由

42、靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關系。當要求步進電動機啟動到大于突跳頻率的工作頻率停止時，變化速度必須逐步下降。逐步上升和下降的加速時間、減速時間不能過小，否則會出現(xiàn)失步或超步。我們用加速時間常數(shù)Ta和Tb來描述步進電動機的升速和降速特性，如圖4-9所示。圖4-9加減速特性曲線(5) 距頻特性與動態(tài)轉矩 距頻特性M=F(f)是描述步進電動機連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出轉矩與連續(xù)運行頻率之間的關系。如圖4-10所示，該特性上每一個頻率對應的轉矩稱為動態(tài)轉矩?？梢妱討B(tài)轉矩隨連續(xù)運行頻率的上升而下降。上述步進電動機的主要特性除第一項外，其余均與驅動電源有很大關

43、系。驅動電源性能好，步進電動機的特性可得到明顯改善。圖4-10轉矩-頻率特性曲線4.2 步進電動機的控制和驅動方式4.2.1 步進電機的控制方式如果通過單片機按順序給繞組施加有序的脈沖電流，就可以控制電機的轉動，從而實現(xiàn)數(shù)字角度的轉換。轉動的角度大小與施加的脈沖數(shù)成正比，轉動的速度與脈沖頻率成正比，而轉動方向則與脈沖的順序有關。以三相步進電機為例，電流脈沖的施加共有三種方式。（1） 單相三拍方式-按單相繞組施加電流脈沖 ABC 正轉 ABC 反轉（2） 雙相三拍方式-按雙相繞組施加電流脈沖 ABBCCA 正轉 AC CB AB 反轉（3） 三相六拍方式-單相繞組和雙相繞組交替施加電流脈沖 AA

44、BBBCCCA 正轉 A AC C CB BBA 反轉單相三拍可以在繞組斷電時，通過續(xù)流二極管將儲存在繞組中的電能消耗在電阻上，表現(xiàn)為電流波形下降的速度加快，下降時間減少。雙三拍與單三拍的另外不同之處是：雙三拍工作時的磁導率最大位置并不是轉子處于對齒的位置，并且雙三拍還有一個優(yōu)點，就是不易產(chǎn)生失步，而單三拍由于是單相通電勵磁，不會產(chǎn)生阻尼作用，因此當工作在低頻區(qū)時，由于通電時間而使能量過大，易產(chǎn)生失步現(xiàn)象。六拍工作時的步距角要比單三拍和雙三拍時的步距角小一步，所以步進精度要高一倍，六拍工作方式的性能最好，單三拍工作方式的性能較差。單相三拍方式的每一拍步進角為3°三相六拍的步進角則為1

45、.5°。因此，在三相六拍下，步進電機的運行反轉平穩(wěn)柔和，但在同樣的運行角度與速度下，三相六拍驅動脈沖的頻率需提高一倍，對驅動開關管的開關特性要求較高。4.2.2 步進電機的驅動方式步進電電機的驅動方式有多種，可以根據(jù)實際需要來選用。分為單電壓驅動、全電壓驅動、高低壓法等幾種形式，下面我主要介紹以下幾種。1單電壓驅動單電壓驅動是指電動機繞組在工作時，只用一個電壓電源對繞組供電。特點是電路最簡單。圖4-2就是一個例子，它只是一個電源V。電路中的限流電阻R1決定了時間常數(shù)?？稍赗1兩端并聯(lián)一個電容，以便電流的上升波形變陡，來改善高頻特性，但這樣做又使低頻性能變差。R1在工作中要消耗一定的能

46、量，所以這個電路損耗大，效率低。一般只用于小功率步進電動機的驅動。圖4-2步進電動機的驅動電路2雙電壓驅動用提高電壓的方法可以使繞組中的電流上升波形變陡，這樣就產(chǎn)生了雙電壓驅動。雙電壓驅動有兩種方式：雙電壓法和高低壓法。圖4-3 雙電壓驅動原理圖雙電壓法雙電壓法的基本路線是：在低頻段使用較低的電壓驅動，在高頻段使用較高的電壓驅動。其電路原理如圖4-3所示。當電動機工作在低頻時，給T1低電平，使T1關斷。這時電動機的繞組由低電壓VL供電，控制脈沖通過T2使繞組得到低壓脈沖電源。當電動機工作在高頻時，給T1高電平，使T1打開。這時二極管D2反向截止，切斷低電壓電源VL，電動機繞組由高電壓VH供電，

47、控制脈沖通過T2使繞組得到高壓脈沖電源。這種驅動方法保證了低頻段具有單電壓驅動的特點，在高頻段具有良好的高頻性能，但仍沒擺脫單電壓驅動的弱點，在限制電阻R上仍然會產(chǎn)生損耗和發(fā)熱。高低壓法高低壓法的基本思路是：不論電動機工作的頻率如何，在繞組通電的開始用高壓供電，使繞組中電流迅速上升，而后用低壓來維持繞組中的電流。高低壓驅動電路的原理圖如圖4-4所示。盡管看起來與雙電壓法電路非常相似，但它們的原理有很大差別。圖4-4 高低壓驅動原理圖高壓開關管T1的輸入脈沖uH與低壓開關管T2的輸入脈沖uL同時起步，但脈寬要窄得多。兩個脈沖同時使開關管他T1、T2導通，使高電壓VH為電動機繞組供電。這使得繞組中

48、電流i快速上升，電流波形的前沿很陡，如圖4-4所示電流波形。當脈沖uH降為低電壓時，高壓開關管T1截止，高電壓被切斷，低電壓VL通過二極管D2為繞組繼續(xù)供電。由于繞組電阻小，回路中又沒串聯(lián)電阻，所以低電壓只需數(shù)伏就可以為繞組提供較大電流。低頻工作時，由于繞組通電周期長，容易產(chǎn)生能量過剩。因此，在設計中，可通過計算平均電流的方法，來選擇低電壓VL值。高頻工作時，由于繞組通電周期短，可能出現(xiàn)uH與uL脈寬相同。因此，在設計中，要保證在最高工作頻率工作時，uH的脈寬不要大于uL的脈寬。步進電動機與其他電動機不同，它所標稱的額定電壓和額定電流只是參考值；又因為步進電動機以脈沖方式供電，電源電壓是其最高

49、電壓，而不是平均電壓，所以，步進電動機可以超出其額定值范圍工作。這就是為什么步進電動機可以采用高低壓工作的原因。一般高壓選擇范圍是80150V，低壓選擇范圍是520V。選擇時注意不要偏離步進電動機的額定值太遠。高低壓驅動法是目前普通應用的一種方法。由于這種驅動在底頻時電流有較大的上沖，電動機低頻噪聲較大，低頻共振現(xiàn)象存在，使用時要注意。3. 斬波驅動高低壓驅動時，電流波形在高壓與低壓交接處有一個凹陷（如圖4-4所示），這會使輸出轉矩出現(xiàn)下降。另外，雙電壓也會增加設備的成本。斬波驅動會很好地解決這些問題。圖4-5(a)是斬波恒流驅動的原理圖。T1是一個高頻開關管。T2開關管的發(fā)射極接一只小電阻R

50、，電動機繞組的電流經(jīng)這個電阻到地，所以這個電阻是電流采樣電阻。比較強的一端接給定電壓uc,另一端接采樣電阻上的壓降，當采樣電壓為0時，比較強輸出高電平。圖4-5 斬波恒流驅動原理圖當控制脈沖u1為低電平時，T1和T2兩個開關管均截止；當ui為高電平時，T1和T2兩個開關管均導通，電源向繞組供電。由于繞組電感的作用，R上的電壓逐漸升高，當超過給定電壓uc的值時，比較器輸出低電平，使與門輸出低電平，T1截止，電源被切斷；當采樣電阻上的電壓小于給定電壓時，比較器輸出高電平，與門業(yè)輸出高電平，T1又導通，電源又開始向繞組供電。這樣反復循環(huán)，直到ui為低電平。以上的驅動過程表現(xiàn)為：T2每導通一次，T1導

51、通多次，繞組的電流波形為鋸齒形，如圖4-5（b）所示。T2導通時，電源是脈沖式供電（見ua波形），所以提高了電源效率，并且能有效地抑制共振。由于無需外接影響時間常數(shù)的限流電阻，所以提高了高頻性能；但是，由于電流波形鋸齒形，將會產(chǎn)生較大的電磁噪聲。4. 細分驅動步進電動機各相繞組的電流是按照工作方式的節(jié)拍流通電的。繞組通電的過程非常簡單，即通電斷電反復進行。現(xiàn)在設想將這一過程復雜化，例如，每次通電時電流的幅值并不是一次升到位，而是分級，逐級上升；同樣，每次斷電時電流也不是一次降到0，而是逐級下降。如果這樣做會發(fā)生什么現(xiàn)象？眾所周知，電磁力的大小與繞組通電電流的大小有關。當通電相的電流并不馬上升到

52、位。而斷電相的電流并不立即降為0時，它們所產(chǎn)生的磁場合力，會使轉子有一個新的平衡位置，這個新的平衡位置是在原來的步距角范圍內。也就是說，如果繞組中電流的波形不再是一個近似方波，而是一個分成N個階級的近似階梯波，則電流每升或降一個階級時，轉子轉動一小步。當轉子按照這樣的規(guī)律轉過N小步時，實際上相當于它轉過一個步距角。這種將一個步距角細分成若干小步的驅動方法，就稱為細分驅動。細分驅動使實際步距角更小了，可以大大提高對執(zhí)行機構的控制精度。同時，也可以減小或消除振蕩、噪聲和轉矩波動。目前，采用細分技術已經(jīng)可以將原步距角分成數(shù)百份。例如，三相步進電動機轉子有40個齒，采用六拍工作方式，由式1可計算出它的

53、步距角為1.5°。如果將步距角4細分，則新的步距角為0.375°。實現(xiàn)細分的驅動電路可分為兩類：一類是采用線性模擬功率放大的方法獲得階梯形電流，這種方法電路簡單，但功率管功耗大，效率低；另一類是用單片機采用數(shù)字脈寬調制的方法獲得階梯形電流，這種方法需要復雜的計算來使細分后的步距角均勻一致。下面介紹一種屬于脈寬調制法的驅動電路恒頻脈寬調制細分電路，它不需要復雜的計算，是目前比較流行的方法。恒頻脈寬調制細分驅動控制實際上是在斬波恒流驅動的基礎上的進一步改進。在斬波驅動電路中，繞組中電流的大小取決于比較器的給定電壓，在工作中這個給定電壓是一個定值?，F(xiàn)在，用一個階梯電壓來代替這個給

54、定電壓，就可以得到階梯形電流。恒頻脈寬調制細分驅動電路如圖4-6（a）所示。單片機是控制主體。它通過定時器T0輸出20kHz的方波，送D觸發(fā)器，作為恒頻信號。同時，輸出階梯電壓的數(shù)字信號好D/A轉換器，作為控制信號，它的階梯電壓的每一個變化，都使轉子走一細分步。恒頻脈寬調制細分電路工作原理如下：當D/A轉換器輸出的ua不變時，恒頻信號CLK的上升沿使D觸發(fā)器輸出ub高電平，使開關管T1、T2導通，繞組中的電流上升，采樣電阻R2上壓降增加。當這個壓降大于ua時，比較器輸出低電壓，使D觸發(fā)器輸出ub低電平，T1、T2截止，繞組的電流下降。這使得R2上的壓降小于ua，比較器輸出高電平，使D觸發(fā)器輸出

55、高電平，T1、T2導通，繞組中的電流重新上升。這樣的過程反復進行，使繞組電流的波頂鋸齒形。因為CLK的頻率較高，鋸齒形波紋會很小。當ua上升突變時，采樣電阻上的壓降有較長時間大于ua，比較器輸出低電平，CLK的上升沿即使使D觸發(fā)器輸出1也馬上清0.電源始終被切斷，使電流幅值大幅下降，降到新的階級為止。（a） 電路圖 （b） 波形圖圖4-6 恒頻脈寬細分電路及波形以上過程重復進行。Ua的每一個突變，就會使轉子轉過一個細分步。當然還有其他驅動電路，像集成電路驅動、雙極性驅動等。但常用的是以前幾種形式。4.3 步進電動機的驅動控制線路根據(jù)步進式伺服系統(tǒng)的工作原理，步進電動機驅動控制線路的功能是，將具有一定頻率f、一定數(shù)量和方向的進給脈沖轉換成控制步進電動機各相定子繞組通斷電的電平信號。電平信號的變化頻率、變化次數(shù)和通斷電順序與進給指令脈沖的頻率、數(shù)量和方向對應。為了能夠實現(xiàn)該功能，一個較完善的步進電動機的驅動控制線路應包括脈沖混合電路、加減脈沖分配電路、加減速電路、環(huán)形分配器和功率放大器（見圖4-11），并應能接收和處理各種類型的進給指令控制信號如自動進給信號、手動信號和補