【正文】 …方式通電時，步距角與四相單四拍運行時一樣，為1/4齒距角，即。 N為拍數(shù)。若步進電機所加的通電脈沖頻率為f，則其轉(zhuǎn)速為：（24）由于在一個通電循環(huán)內(nèi)控制脈沖的個數(shù)為N（拍數(shù)），而每相繞組的供電脈沖個數(shù)卻只有一個，因此定子相繞組的供電頻率為：可見，步進電動機在不失步、不丟步的前提下，其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角與電壓、負載、濕度等因素?zé)o關(guān)，因而步進電機可直接采用開環(huán)，簡化控制系統(tǒng)。其轉(zhuǎn)子小齒為50個，因此齒距角。四相單四拍的通電順序為A→B→C→D→A…,不斷接通與斷開控制繞組，轉(zhuǎn)子就按順時針方向一步步地轉(zhuǎn)動起來，每換接一次繞組，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1/4齒距角，即。當運行方式改為四相單雙八拍時，通電方式為A→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A…,即單相通電與兩相通電相間，步距角為四相單四拍運行時的一半，即。當步進電機反轉(zhuǎn)時，其通電方式應(yīng)該為A→AD→D→DC→C→CB→B→BA→A…,其步進角與正轉(zhuǎn)相同。當其反轉(zhuǎn)時，通電方式改變?yōu)锳D→DC→CB→BA→AD…。由數(shù)控滑臺的結(jié)構(gòu)可知，滑臺的行程正比于步進電機的總轉(zhuǎn)角，因此只要控制步進電機的總轉(zhuǎn)角即可。伺服機構(gòu)的進給速度取決于步進電機的轉(zhuǎn)速，而步進電機的轉(zhuǎn)速取決于輸入的脈沖頻率。 進給方向控制，如三相步進電機通電順序為： AABBBCCCAA …時電機正轉(zhuǎn)；當繞組按AACCCBBBAA …順序通電時電機反轉(zhuǎn)。 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計在采用 PLC對步進電機進行控制的設(shè)計中控制方案為：用軟件來產(chǎn)生控制步進電機的環(huán)型脈沖信號,并用 PLC中的定時器來產(chǎn)生速度脈沖信號,這樣就可以省掉專用的步進電機驅(qū)動器,降低硬件成本。并且在速度較高時,由于受到掃描周期的影響 ,相應(yīng)的控制精度就降低了。采用這種方案,步進電機控制系統(tǒng)的硬件組成非常簡單,即由PLC、直流電源和大功率管子組成的驅(qū)動電路等組成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖41所示。在控制系統(tǒng)的工作過程中,根據(jù)具體要求確定步進電機的工作方式(正反轉(zhuǎn))、加減速控制、恒速控制、正反轉(zhuǎn)切換控制、起?？刂?。選定的工作方式不斷地從控制常數(shù)表中取出速度參數(shù)送給定時器 ,即可實現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。電機的啟動頻率、停止頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負載的轉(zhuǎn)動慣量相適應(yīng) ,有了這些數(shù)據(jù) ,才能有效地對電機進行加減速控制。2. PLC控制系統(tǒng)中的基準電位是各回路工作的參考電位，基準電位的連接線稱為系統(tǒng)地，通常是控制回路直流電源的零伏導(dǎo)線，系統(tǒng)接地的方式有浮地方式、直接接地方式和電容接地方式。其中信號回路接地和屏蔽接地又通稱為工作接地。屏蔽地，當信號電路是單點接地時，低頻電纜的屏蔽層也應(yīng)單點接地，如果電纜的屏蔽層接地點有一個以上時，將產(chǎn)生噪聲電流，形成噪聲干擾源。PLC組成的控制系統(tǒng)進行單獨設(shè)置接地系統(tǒng)，也可以利用現(xiàn)場條件進行“等電位聯(lián)結(jié)”進行接地設(shè)計。為了使電機轉(zhuǎn)動平滑,減小振動 ,可在步進電機控制脈沖的上升沿和下降沿采用細分的梯形波 ,可以減小步進電機的步進角,提高電機運行的平穩(wěn)性。在步進電機控制系統(tǒng)中,通過實驗發(fā)現(xiàn),如果信號變化太快,步進電機由于慣性跟不上電信號的變化 ,這時就會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)和丟步現(xiàn)象。理想的加速曲線一般為指數(shù)曲線,步進電機整個降速過程的頻率變化規(guī)律是整個加速過程頻率變化規(guī)律的逆過程。在一個實際的控制系統(tǒng)中,要根據(jù)負載的情況來選擇步進電機。電機的啟動頻率、停止頻率和輸出轉(zhuǎn)矩都要和負載的轉(zhuǎn)動慣量相適應(yīng),有了這些數(shù)據(jù),才能有效地對電機進行加減速控制。突跳頻率是指步進電機在靜止狀態(tài)時突然施加的脈沖啟動頻率 f 0。較為理想的起動曲線應(yīng)是按指數(shù)規(guī)律起動。一般可按2種情況處理:(1)已知突跳頻率則按突跳頻率分段起動,分段數(shù) n = f/f0 。在運行控制過程中,將起始的速度(頻率)分為 n 分,作為階梯頻率,采用階梯加速法將速度連續(xù)升到所需要的速度,然后鎖定,按預(yù)置的曲線運行,如圖42所示。用 PL實現(xiàn)步進電機的加減速控制,實際上就是控制發(fā)脈沖的頻率。如果使用定時器來控制電機的速度 ,加減速控制就是不斷改變定時中斷的設(shè)定值。如果是突變,則按階梯加速法處理。(2)保證控制速度的精確性。 步進電機的換向控制步進電機換向時,一定要在電機降速停止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)再換向,以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機。對于脈沖的設(shè)計主要要求其有一定的脈沖寬度、脈沖序列的均勻度及高低電平方式。將PLC控制的開環(huán)伺服機構(gòu)用于某大型生產(chǎn)線的數(shù)控滑臺，每個滑臺僅占用4個I/O接口，節(jié)省了CNC控制系統(tǒng)，~,進給速度為Vf=3~15m/min,完全滿足工藝要求和加工精度要求 本章小結(jié)本章介紹了數(shù)控滑臺的控制方法，PLC系統(tǒng)設(shè)計兩種方案以及步進電機的控制方法。但由于 PLC的掃描周期一般為幾毫秒到幾十毫秒,相應(yīng)的頻率只能達到幾百赫茲,因此,受到 PLC工作方式的限制及其掃描周期的影響 ,步進電機不能在高頻下工作,無法實現(xiàn)高速控制。利用 PLC的高速脈沖輸出功能輸出脈沖信號 ,經(jīng)過專用的步進電機驅(qū)動器去控制步進電機，雖然硬件結(jié)構(gòu)稍微復(fù)雜些，但可以節(jié)省占用 PLC 的 I/O 口點數(shù)，步進電機功率驅(qū)動器可將 PLC 輸出的控制脈沖放大到幾十至上百伏特、幾安至十幾安。步進電機的加減速段的處理可采用按直線擬合的方式27太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院—畢業(yè)設(shè)計說明書第五章 數(shù)控滑臺的設(shè)計為降低生產(chǎn)成本,滿足使用要求,故確定總體設(shè)計方案如下:采用FX2N16MT三菱系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行計算處理，由I/O接口輸出步進脈沖驅(qū)動步進電機，經(jīng)一級齒輪減速后，帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)數(shù)控平臺的縱向、橫向進給運動。則 ；式中－－切削線速度V=100m/min 主切削：由《金屬切削原理》可知，主切削力：, 則可計算出FZ如下所示：mm111222mm(N)33456276266811241524查表，可知當FZ=，切削力深度mm，走刀量從《機械設(shè)計手冊》中可知，在一般外團圓車削時； 即： (2)、滾珠絲桿設(shè)計計算：對于矩形槽： K=,摩擦系數(shù)f’=1）、 強度計算：壽命值： ；取工件直徑：D=80mm。d1=。即導(dǎo)程變形總誤差為：查表知E級精度絲桿允許的螺距誤差（1m長）為故剛度足夠。4）、穩(wěn)定性驗算：由于選用滾珠絲桿的直徑與原絲桿直徑相同，而支承方式不存在問題，故不用驗算。3）、齒輪的轉(zhuǎn)動慣量： 電機的轉(zhuǎn)動慣量很小可以忽略。步進電機安裝在大拖板上，用法蘭盤將步進電機和機床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動精度。查表T1=15000h查表： ；最大動負載：根據(jù)Q選擇滾珠絲桿型號： CMD2004－－E其額定動載荷Q=5862N，所以強度足夠用。螺母長度L=72mm,余程le=16mm,螺紋長度l=200+72+216=304mm.2)、效率計算：根據(jù)《機械原理》，絲桿螺母副的傳動效率：其中摩擦角，螺旋升角因此：3）、剛度驗算：受工作負載P引起導(dǎo)程變化量： L0=6mm=, E=106N/cm2滾珠絲桿受扭矩引起的導(dǎo)程變化很小，可忽略。4）、穩(wěn)定性驗算：由于選用滾珠絲桿的直徑與原絲桿直徑相同，而支承方式不存在問題，故不驗算。3）、所需轉(zhuǎn)動力矩計算：、空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩：、 切削時折算到電機軸上的加速度力矩：、 折算電機軸上的摩擦力矩： 當 , 滾動摩擦系數(shù)時：、 由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩： 當時，預(yù)加載荷,則：、 折算到電機軸上的切削負載力矩：所以，快速空載啟動所需力矩切削時進給所需力矩：快速進給所需力矩： 由以上分析可知：所需最大力矩Mmax 發(fā)生在快速啟動時：步進電機的選擇(1)、縱向進給系統(tǒng)的電機的確定：根據(jù)啟動力矩的選擇 。(2)、橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定： 則：為滿足最小步角要求，電機選用四相八拍工作方式，查表知: 所以，步進電機最大靜轉(zhuǎn)距為： 步進電機最高工作頻率：綜合考慮，查表選用 20BYJ46型四相步進電機。初步選用4滑塊，工作臺大小400300，工作臺自重300N，外載荷700N。，目標壽命L=256083005103=1440km選擇HTSD－LG20WAA型導(dǎo)軌。鍵盤控制模塊包括啟動鍵、停止鍵、點動控制鍵、速度控制鍵、方向控制鍵和步進電機通電方式改變的控制。步進電機驅(qū)動模塊采用恒頻斬波細分驅(qū)動電路，通過接收PLC發(fā)出的脈沖信號來控制步進電機完成各種操作。電機驅(qū)動模塊PLC按鍵控制模塊圖61 硬件電路分析圖圖形說明：，改變系統(tǒng)內(nèi)部變量值。鍵盤在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向PLC輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等重要功能，是人工干預(yù)單片機的重要手段。鍵盤所用開關(guān)為機械彈性開關(guān)，利用了機械觸點的合、斷作用。開關(guān)量輸入接口按可接納的外信號電源的類型不同可分為直流輸入單元和交流輸入單元，如圖6圖62所示。濾波有抗干擾的作用，耦合有抗干擾及產(chǎn)生標準信號的作用。本設(shè)計中采用的是直流輸入單元，即如圖6—1所示。按鍵的閉合與否，反映在輸出電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平。在本設(shè)計中，高電平表示按鍵斷開，低電平表示按鍵閉合狀體。為了確保單片機對一次按鍵動作只確認一次按鍵，必須消除抖動的影響。由于硬件電路設(shè)計復(fù)雜，本設(shè)計中沒有采用，在此不再詳細敘述；軟件消抖適合按鍵較多的情況，方便簡單。因此本設(shè)計中采用了這種方式來消除抖動，其原理將在下一章軟件設(shè)計中體現(xiàn)出來，其硬件原理圖如圖63所示。步進電動機驅(qū)動電路、步進電機的功率放大電路的種類很多。單極性驅(qū)動電路適用于反應(yīng)式步進電機，而雙極性驅(qū)動電路適用于永磁式步進電動機和混合式步進電動機。這種驅(qū)動電源一般應(yīng)包括脈沖發(fā)生器、脈沖分配器、脈沖功率放大電路幾部分。功率放大器的輸出直接直接驅(qū)動電動機繞組。目前國內(nèi)步進電機的驅(qū)動電路主要有以下幾種。單電壓驅(qū)動如圖64所示 圖63鍵盤硬件接線圖圖64 單電壓驅(qū)動電路功率晶體管T用作開頭，L是電機一相繞組的電感，電源電壓一般選擇在10V100V左右。⑵雙電壓驅(qū)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(qū)動。其電路原理如圖65所示。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。壓脈沖電源。這時二極管D2反響截止，切斷低電壓電源VL，電動機繞組由高電壓VH供電，使控制脈沖通過T2使繞組得到高壓脈沖電源。②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。圖66 高低壓驅(qū)動電路圖中有兩個功率晶體管VTVT2，兩個二極管VDVD2，一個外接電阻Rc步進電機繞組電感L以及電阻Rl。雙電壓功放電路的工作控制信號和單電壓功放電路有很大區(qū)別。而在雙電壓功放電路中，除了需要一相所需的方波信號外，還需高壓驅(qū)動控制信號，只有兩個信號密切配合才能正常工作。高壓電源U1經(jīng)VT1和VT2管加到電機繞組L上，使其電流迅速上升，從而提高步進電機工作頻率和高頻時力矩。當時間達到t2時或電流上升到某一數(shù)值時，Ub1為低電平，Ub2為高電平，VT1管截止，VT2管導(dǎo)通。在t2~t3時，繞組電流保持一定的穩(wěn)態(tài)電流，從而電動機在這段時間內(nèi)能保持相同轉(zhuǎn)動力矩，已完成步進過程。在t3時，Ub2也為低電平，VT2管截止。繞組因電源關(guān)斷而產(chǎn)生反電勢。繞組的反電勢通過Rl、Rc、VDUUVD2回路泄放，繞組中的電流迅速下降，其波形形成較好的電流下降沿。所以，高頻特性好，電源效率也較高。另外，在高低壓銜接處的電流有谷點、不夠平滑，影響電動機運動的平穩(wěn)性。高低壓驅(qū)動法是目前普遍應(yīng)用的一種方法。斬波型功放電路克服了高低壓功放電路出現(xiàn)的谷點現(xiàn)象，并且提高了電機的效率和力矩。斬波功放電路應(yīng)用較廣泛。本設(shè)計中采用的驅(qū)動電路是斬波恒流驅(qū)動電路，斬波恒流驅(qū)動電路是性能較好、目前使用較多的一種驅(qū)動方式。圖67是斬波恒流驅(qū)動電路的原理圖。當Ui為高電平時，VT1和VT2兩個開關(guān)管均導(dǎo)通，電源向繞組供電。當采樣電阻R上的電壓小于給定電壓Ua時，比較器輸出高電平，與門也輸出高電平，VT1重新導(dǎo)通，電源又開始向繞組供電。當控制脈沖Ui變?yōu)榈碗娖綍r，VT1和VT2兩個開關(guān)管均截止，繞組中的電流經(jīng)二極管VD電源和二極管VD2放電，電流迅速下降。圖67 斬波恒流驅(qū)動電路的原理圖圖68 斬波恒流控制的電流波形在VT2導(dǎo)通期間內(nèi)，電源以脈沖式供電，所以這種驅(qū)動電路具有較高的效率。這種驅(qū)動電路的另一個優(yōu)點是能夠有效地抑制共振，因為電機共振的基本原因是能量過剩，而斬波恒流驅(qū)動的輸入能量是隨著繞組電流的變化自動調(diào)節(jié)的，可以有效的防止能量積聚。第七章 軟件設(shè)計 可編程控制器（PLC）的工作原理可編程控制器（PLC）的有兩個工作要點：入出信息變換、可靠物理實現(xiàn)。這程序既有系統(tǒng)的（這程序又稱監(jiān)控程序，或操作系統(tǒng)），又有用戶的。用戶程序由用戶按照控制的要求進行設(shè)計。INPUT）及輸出（O，每一輸入點或輸出點就有一個I或O電路。盡管這些模塊相當多，占了PLC體積的大部分，但由于它們都是由高度集成化的，所以，PLC的體積還是不太大的。每一輸入點都有一個與其對應(yīng)的輸入暫存器。它也有兩個狀態(tài)，高、低電位狀態(tài)，并可鎖存。每一輸出點都有一個與其對應(yīng)的輸出鎖存器。它們與PLC內(nèi)存交換信息通過PLC I/O總線及運行PLC的系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。PLC內(nèi)存有專門開辟的存放輸入信息的映射區(qū)。這些位（bit）置成1，表示觸點通，置成0為觸點斷。16