机电一体化系统第5章--常用控制方式课件

v5.1 顺序控制与时间控制v5.2 速度控制v5.3 轨迹控制第5章 常用控制方式v 5.1 顺序控制与时间控制v 5.1.1 顺序控制与时间控制系统的基本概念v 图5-1是一个皮带运输机的示意图，由于运输的距离较远，所以要将皮带分成若干段。此处分三段，运输的料从来料处落下，经三段皮带传送到落料处被运走。这种皮带运输机在矿石开采、码头运输、水泥制造等部门应用很广。v 为了防止料在皮带上堆积，三段皮带在起动时必须保证先起动，然后再起动，最后，I再起动。并且互相之间要有一定时间间隔，以保证先起动者有充分时间起动完毕。相反，在停车时，要保证按I次序停车，否则，同样会造成料的堆积，旦堆积清理起来是很麻烦的。例如尚未起动，I已起动，则料源源不断从I运到。而不动，则料便堆在上，这时如果再停止I、起动也不行了。因为堆积太多，致使起动不了，必须人工去清除堆积料。v 要正确控制皮带机正常工作，必须要注意两点。依次顺序动作，即动作的次序是有定要求的。例如起动I，停车时I，并且有一定的时间间隔。要有记忆功能，即要记住上一步已经做了什么，下一步该做什么。这样，才能正确做到按要求动作。例如在本例中的起动过程，已经起动，接着应该起动。这时，皮带机的情况是在动，I、停止。停车时I，先停，接着再停。现在若I、已停，而未停，那末这时皮带机的情况也是在动，I、停止。如果控制中没有记忆功能（因为起动信号和停车信号往往是短暂的信号），没记住上一步是在起动状态下工作，还是停车状态下工作，则现时I，停止，动作的情况下，如何继续干下去，是继续停止，还是继续起动、就无法决策了。v 上述两点是顺序控制与时间控制的特点。具有这两个特点的控制就是顺序控制与时间控制。在顺序控制与时间控制系统中，处理和控制的信号都是离散信号。即使有个别模拟信号，也必须经模/数转换，化为离散信号，而且它只是对信号进行定性处理和控制。因而可以这样认为：顺序控制与时间控制是借助于记忆元件对以离散信号为主的信号进行定性的顺序处理和控制。v 在顺序控制与时间控制中，关键的问题就是下述两条，一是状态设计问题，用不同状态去决策同一工作情况下的不同动作。另一是时间概念问题，必须严格保证动作顺序及其相互间定时关系。5.1.2 顺序控制与时间控制系统的组成v 上例皮带运输机控制线路是一个典型的顺序控制与时间控制系统。它由五部分构成：v 控制器。这是系统的核心部件，它接受输入控制信号，进行处理，产生完成各种控制作用的输出控制信号。它们完成状态的记忆和动作顺序控制。顺序控制与时间控制的二个特点就都体现在控制器上。v 输入接口。输入接口的作用是接受来自现场的开关信号，并将信号进行电平转换后传送给控制器。v 输出接口。输出接口的作用是将控制器的输出信号传递给外部设备，还要承担控制器电平信号与外部设备电平信号的转换作用。v 检测部分。在实际控制线路中，为使系统工作可靠，控制器常常要及时了解输出接口、执行机构和控制对象的实际工作情况，这就需要对这些部分进行检查和测量，送回控制器。例如在上例运输机控制中，控制器发出使第三段皮带传送装置启动的命令，但由于电路故障，第三段皮带运输机并末真正转起来。这时如果起动第二段和第一段皮带传送装置，就会造成物料的堆积。因此，有时皮带传送装置转动部分装上速度继电器，只有当皮带传送装置的电机转到要求的转速时，速度继电器才发出信号，再通过输入接口送到控制器，这样工作比较可靠。速度继电器就是检测部分。5.1.3 顺序控制系统的分类v 由于控制器是顺序控制与时间控制系统的核心，因此，就控制器来分，可分为下列六类，即继电器控制系统、无触点逻辑元件控制系统、数字集成电路控制系统、矩阵式逻辑控制系统、可编程序控制器控制系统和计算机控制系统。由于可编程序控制器控制系统和计算机控制系统具有控制灵活、可靠性高、价格便宜、易于实现机电一体化等优点，现已得到了广泛的应用。5.1.4 顺序控制与时间控制系统的实例v 1.可编程序控制器在多工步机床上的顺序控制与时间控制应用v 在机床行业中，多工步机床由于工步及动作多、控制较复杂，过去采用传统的继电器控制系统控制时，需要很多继电器，且接线复杂，因此故障多、维修困难、费工费时，不仅加大维修成本，而且影响设备的工效。采用可编程序控制器控制，不仅接线大为简化，安装方便，而且保证了可靠性，减少了维修量，提高了工效。v 控制要求 加工5-3所示棉纺锭子锭脚的机床是种多工步机床，其锭脚加工工艺比较复杂，零件毛坯是实心棒料，整个加工过程由七把刀分别按照七个工步要求依次进行切削，其加工工步如图5-3所示。5.2 速度控制v 5.2.1 步进电机的速度控制v 步进电机是将电脉冲信号变成直线位移或角位移的执行元件，在工业控制系统中，步进电机在驱动功率、高速旋转特性，转矩波动，噪声等方面均劣于直流电机和交流电机。因此，步进电机仅用于打印机，录音机，PPC、HDD以及FDD的磁头转动装置。然而，步进电机是一种可以开环使用的数字传动装置，它可以接受计算机发出的数字信号在数控机床等自动控制系统中，它可以由速度设定和转向设定信号来控制电机的回转，并且在保持静止转矩的基础上实现定位，加之步进电机价格低，因而步进电机在许多设备和装置中常被采用。v 步进电机的特点如下：v 快速起动及停止，但起动频率比运行频率要低得多；v 转速与输入脉冲频率成正比；v 由于励磁方法不同，可以使其进行步进角和半步进角旋转；v 控制精度高。每步所传动的角度可由0.3690/步，无论哪一种步进电机，它们都能精确地返回到原来位置。v 因为步进电机有以上特点，精确步进并直接接受数字量，因而使步进电机的应用领域愈来愈广泛如在绘图机、打印机和光学仪器中都采用步进电机来定位。随着微型计算机的推广，步进电机成了计算机应用项目中的主要执行元件之一尤其是在精确定位场合和速度控制系统中得到了广泛的应用。v 由于单片机有较强的控制能力，所以用单片机组成控制单元，很容易实现步进电机的启停、正反转，自动加减速，变速和多坐标联动等智能化控制，所以在本节中将主要介绍步进电机的单片机控制。v 2.调速控制及程序设计v 步进电机的调速包括步进电机的速度控制和加减速控制。v 步进电动机速度控制 控制步进电动机的运行速度，实际上就是控制系统发出步进脉冲的频率或者换相的周期。系统可用两种办法来确定步进脉冲的周期：一种是软件延时；另一种是用定时器。软件延时的方法是通过调用延时子程序的方法来实现的，它占有CPU时间。定时器方法是通过设置定时时间常数的方法来实现的。v 步进电动机的加减速控制 对于一个运动位置控制系统，从起点至终点的运行速度都有一定要求。如果运行频率（速度）小于系统的极限起动频率，则系统可以按要求的频率（速度）直接起动，运行至终点后可立即停发脉冲串而令其停止。系统在这样的运行方式下其速度可认为是恒定的。但在一般情况下，系统的极限起动频率是比较低的，而要求的运行速度往往较高。v 升速规律一般可有两种选择：一是按照直线规律升速，二是按指数规律升速。按直线规律升速时加速度为恒值，因此要求步进电动机产生的转矩为恒值。从电动机本身的矩频特性来看，在转速不是很高的范围内，输出的转矩可基本认为恒定。但实际上电动机转速升高时，输出转矩将有所下降，如按指数规律升速，加速度是逐渐下降的，接近电动机输出转矩随转速变化的规律。用微机对步进电动机进行加减速控制，实际上就是改变输出步进脉冲的时间间隔。升速时使脉冲逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐稀疏。微机用定时器中断的方式来控制电动机变速时，实际上就是不断改变定时器装载值的大小。一般用离散办法来逼近理想的升降速曲线。为了减少每步计算装载值的时间，系统设计时就把各离散点的速度所需的装载值固化在系统的EPROM中，系统运行中用查表方法查出所需的装载值，从而大大减少占用CPU时间，提高系统响应速度。系统在执行升降速的控制过程中，对加减速的控制还需准备下列数据：加减速的斜率；升速过程的总步数；恒速运行总步数；减速运行的总步数。v 对升降速过程的控制有多种方法，软件编程也十分灵活，技巧很多。此外，利用模拟数字集成电路也可实现升降速控制，但是实现起来较复杂且不灵活。v 调速控制程序 为了实现对步进电机的各种速度控制，就必须调整单片机8031向P1端口送出的控制字，调节控制字输出的频率。由于步进电机受工作条件的影响，其最大加速度也受到影响。为了使电机在规定的工作速度下不失步地走运行，必须约定步进电机从某一低速上升到所要求的工作速度的升速过程。单片机输送到步进电机的脉冲频率与步进电机的转速有一定的比例关系，所以改变脉冲频率是调速的关键，其控制系统输出的频率要求，是通过控制时间周期来实现的。因此控制时间周期就可以方便地控制步进电机的运转速度，程序流程图如图5-12所示，在本系统中步进电机采用线性调速。5.2.2 直流伺服电动机的速度控制v 1.直流伺服电动机的基本结构v 直流伺服电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便地在宽范围内实现平滑无级调速，故多采用在对伺服电动机的调速性能要求较高的生产设备中。v 直流伺服电动机的结构（图5-13），主要包括三大部分：v 定子 定子磁极磁场由定子的磁极产生。根据产生磁场的方式，直流伺服电动机可分为永磁式和他激式。永磁式磁极由永磁材料制成，他激式磁极由冲压硅钢片叠压而成，外绕线圈，通以直流电流使产生恒定磁场。v 转子 又叫电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转的电磁转矩。v 电刷与换向片 为使所产生的电磁转矩保持恒定方向，转子能沿固定方向均匀地连续旋转，电刷与外加直流电源相接，换向片与电枢导体相接。v 由式（5-5）可见，改变开关接通时间ton和开关周期T的比例亦即改变脉冲的占空比，电动机两端电压的平均值也随之改变（如图5-15所示），因而电动机转速得到了控制。按照式（5-5）改变占空比可获得两种调制方法，即开关周期T恒定，通过改变导通脉冲宽度来改变占空比的方式，这就是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）；另一种方式为导通脉冲宽度恒定，通过改变开关频率（f=1/T）来改变占空比，亦即脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，PFM）。由于PFM控制是依靠脉冲频率的变化来改变占空比的，当遇到某个特殊频率下的机械谐振时，常导致系统振荡和出现音频啸叫声，这一严重缺点导致PFM控制在伺服系统中不适用。目前直流电动机的控制中，以应用PWM控制方式为主。v 我们已经知道，改变脉冲占空比即可调节电机转速，但必须有将控制转速的指令转换为脉冲宽度或开关周期的电路或装置来实现。图5-16所示为桥式PWM驱动装置的控制原理框图。v PWM驱动装置的控制结构可分为两大部分：从主电源将能量传递给电动机的电路称为功率转换电路；其余部分称为控制电路。5.2.3 交流电机的速度控制v PWM信号的生成 PWM逆变器输出电压的每半周由一组等幅而不等宽的矩形脉冲构成，近似等效于正弦波。这种脉宽调制波是由控制电路按一定的规律控制半导体开关元件的通断而产生的，这一定的规律就是PWM信号，逆变器的输出电压是PWM信号的放大。PWM信号矩形脉冲序列的生成是根据图5-22所示的等效原则来实现的。v 将正弦波正半周划分为m等分（设m=l2），每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替。于是，由m个等幅而不等宽的矩形脉冲所组 成的波形就与正弦波的正半周等效。同理，正弦波的负半周也用矩形脉冲序列波来等效。由于矩形波的幅值恒定，要使它的面积与相应的正弦波的那一等分面积相等，只能调整矩形脉冲的宽度，这就是脉冲宽度调制（PWM）。v PWM信号生成的方法有许多种，最基本的方法是用正弦波与三角波相交来产生PWM信号这里，三角波称为载波（亦称调制波），其幅值恒定，而正弦波称为正弦控制波。5.3 轨迹控制v 一个机电一体化运动控制系统，除了要控制运动坐标点的轨迹和准确定位之外，还必须控制运动的速度。前面介绍了运动速度的控制，下面介绍运动坐标点的轨迹和定位控制。v 在机电一体化系统中，计算机根据输入的或来自存储器中存储的程序数据段的信息，以数字方式进行计算，不断向系统提供坐标轴的位置命令，这种计算叫做插补，实现插补运算的装置称为插补装置。插补器可以是一个专门的硬接线的数字电路装置，而在计算机控制系统中，插补器的硬件功能全部地或部分地由计算机的程序软件来实现。v 直线和圆弧是构成运动轨迹的基本线条，因此大多数机电一体化系统一般都具有直线和圆弧插补功能，只有在某些要求较高的系统中，才具有抛物线、螺旋线插补功能。程序员编制的运动控制程序，一般都提供直线的起点和终点，圆弧的起点、终点，逆顺和圆心相对于起点的偏移量。程序员还要编入要求的轨迹进给速度和其他参数。插补软件的任务，就是要完成在轨迹起点到终点的中间点的坐标值计算。对于轨迹控制系统来说，插补是最重要的计算任务。插补和对速度控制都必须是实时的，即必须在有限的时间内完成计算任务、对各坐标轴分配速度或位置信息。插补程序的运行时间和计算精度影响着整个机电一体化系统的性能指标。人们一直在努力探求一种简单而有效（即既快又准）的插补算法，就目前普遍应用的算法而言，可分为两大类。v （1）脉冲增量插补 即行程标量插补，常用的逐点比较法，DDA积分法以及这两种算法的改型算法。插补的结果是产生单个的行程增量，以一个个脉冲的方式输出给步进电机。以一个坐标轴的DDA积分器为例，要完成一步插补运算，计算机一般需执行20多条指令，约40s的时间。当脉冲当量为0.001毫米时，可以达到的坐标轴极限速度为1.5米分。而当计算机控制两个以上坐标轴和采用双精度运算，且承担其它必要的控制功能时，所能形成的轨迹速度将进一步降低。如果要求保证一定的进给速度时，只好增大脉冲当量，降低精度。因此脉冲增量插补输出的速率主要受插补程序所用时间的限制，它仅仅适于中等精度和中等速度、以步进电机为驱动元件的机电一体化系统。v （2）数据采样插补 时间标量插补，适用于闭环和半闭环以直流伺服电机或伺服阀液动机组为驱动装置的位置采样控制系统。插补程序的调用周期可以和系统的位置采样周期相同，也可以是采样周期的整数倍。在前一种情况下，插补程序在每一个采样周期中被调用一次，算出坐标轴在一个周期中的增长段（不是脉冲），算出坐标轴相应的指令位置，与通过位置采样所获得的坐标轴现时的实际位置（数字量）相比较，求得跟随误差。位置伺服软件将根据当前的跟随误差算出适当的坐标轴进给速度指令，输出给驱动装置。在数据采样插补方式中，由于采用较低的插补频率（约60125Hz），计算机是易于管理和实现的。在这种系统中，插补程序的运行时间不多于计算机时间负荷的3040，在其余时间内，计算机可以实现包括程序编程、存储、收集运行和状态数据、监视系统和机床等等控制功能。系统所能实现的轨迹速度（就插补输出而言），一般可以达到10mmin以上，插补程序的时间负荷已不再是限制轨迹速度的主要原因，轨迹速度的上限将取决于圆弧弦线误差以及伺服系统的特性。v 在本节中将介绍逐点比较法和数据采样法。5.3.1 逐点比较法v 逐点比较法的基本思想是被控对象在按要求的迹轨运动时，每走一步都要和规定的轨迹比较一下，由比较结果决定下一步移动的方向。逐点比较法既可以作直线插补又可以作圆弧插补。这种算法的特点是，运算直观，插补误差小于一个脉冲当量，输出脉冲均匀，而且输出脉冲的速度变化小，调节方便，因此在两坐标数控机床中应用较为普遍。v 1.直线插补v 直线插补时，以直线起点为原点，给出终点坐标（Xe，Ye），直线方程为5.3.2 数据采样法v 在数据采样法中通常用到插补周期与位置控制周期，插补周期是相邻两个微小直线段之间的插补时间间隔。位置控制周期是数控系统中伺服位置环的采样控制周期。对于给定的某个数控系统而言，插补周期和位置控制周期是两个固定不变的时间参数。一般情况下，插补周期越长，插补计算误差也将越大，因此，单从减小插补计算误差角度考虑，插补周期应尽量选得小一些。但另一方面，插补周期也不能太短，由于CNC系统在进行轮廓插补控制时，其CNC装置中CPU不仅要完成插补运算，还必须处理一些其它任务，例如位置误差计算、显示、监控、IO处理等，因此，插补周期不单是指CPU完成插补运算所需的时间，而且还必须留出一部分时间用于执行其它相关的CNC任务。因此要求插补周期必须大于插补运算时间和完成其它相关任务所需时间之和。位置控制周期的选择有两种形式：一种是位置控制周期等于插补周期，另一种是位置控制周期等于插补周期的整数倍。谢谢！谢谢！9192