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第五章实验指导45
5.1运动控制部分45
实验一、硬件电路的熟悉和控制原理复习巩固45
实验二、键盘显示综合实验46
实验三、步进电机单片机控制实验
(1)48
实验四、步进电机单片机控制实验
(2)49
实验五、单片机控制位置检测实验50
实验六、单片机运动控制系统总体实验51
实验七、PC机运动控制系统实验52
5.2温度控制部分54
实验一、硬件电路的掌握54
实验二:
信号采样转换显示以及在数码管上显示时钟(秒表)55
实验三炉温检测检测与控制系统57
自动控制系统实验概述
自动控制系统实验是综合应用控制理论、单片机原理及接口技术、电机拖动、微机接口技术、自动控制系统等课程知识的重要实践环节。
其目的在于通过试验来验证和研究控制理论(运动检测控制和温度检测控制),增强感性认识,以促进认识的深化,培养学生科学的分析能力,使学生掌握一般运动控制和温度控制的操作方法和基本技能;
培养学生严肃认真和实事求是的科学作风,锻炼科学实验的能力。
为了培养学生独立分析问题和解决问题的能力;
培养学生的动手操作能力;
为了更有效的完成每项实验,要求学生在实验前必须作充分预习。
除复习与实验有关的理论,还要认真研究实验指导书,了解实验目的、内容、弄清实验原理、实验接线、操作方法和步骤、应测试记录的数据以及实验过程中要注意的问题,总而言之,要求学生试验前心中有数。
本次实习的内容主要包含两部分:
运动控制和温度控制,这是控制领域比较经典和最常见的两个控制类型。
(1)运动控制系统:
这部分内容要求学生掌握一般的运动控制方法和原理,要求学生熟练掌握步进电机驱动技术、微机接口技术、单片机原理及接口技术,数控轮廓插补原理,计算机高级语言硬件编程,了解一般运动控制系统常用机械结构,熟练掌握步进电机控制方法,了解一般交流伺服电机控制方法,变频器使用方法等。
(2)温度控制系统:
这部分内容要求学生掌握一般温度控制的方法和原理,要求学生熟练掌握自动控制原理,常用PID调节方法,单片机原理及接口技术,了解温度检测与控制系统的一般结构;
光耦(AD698)和可控硅(MOC3401)的工作原理及其应用;
了解温度传感器的工作原理及其应用;
运用所学的PID控制算法,大林算法实现对温度的精确控制,并对所采用的算法进行分析比较。
本指导书是根据自动控制系统实验教学大纲的要求以及结合我校自动控制实验室的现状编写的。
自动控制系统实验装置介绍
我校自动控制系统实验装置,采用自主研制的实验装置。
该控制系统实验装置分为两大部分:
一是运动控制实验仪,二是温度控制实验仪。
下面分别加以介绍:
1运动控制实验仪介绍
运动控制实验仪是一个平面两轴驱动的运动装置,机械部分采用丝杆螺母的传动方式,脉冲当量为0.0125mm。
它可以由单片机和PC机两套系统分别控制,控制系统共用一块步进电机驱动和检测电路板。
驱动和检测电路板上分别有单片机和PC机的控制接口,使用十分方便。
该运动控制实验仪配备了一只画笔,通过编制相应的控制程序,可以在图板上绘出不同的图形,使运动过程更加明了,便于观察。
运动控制仪可采用单片机控制也可以采用计算机控制,其结构如下图所示:
驱动检测电路板上留有单片机控制和计算机控制的接口。
单片机控制系统和计算机控制系统分开来控制,当采用单片机控制系统时,不能同时采用计算机控制,这时应将计算机与驱动检测电路接线断开。
反之亦然。
图2-1运动控制实验仪结构示意图
(1)单片机控制系统
单片机控制电路分为显示电路,键盘电路、脉冲锁存和光槽开关信号读取电路、光隔电路组成。
五个数码管对应地址分别为:
0000H,2000H,4000H,6000H,8000H,每个数码管显示数据“暗、0、1、2、3、4、5、6、7、8、9”的段选码值对应为00H,7EH,60H,57H,75H,69H,3DH,3FH,70H,7FH,79H。
键盘为3×
6行列示键盘,其中第一个键为复位键,其他键可以按设计自由编排。
步进电机分配脉冲对应锁存器地址为A000H,其中高四位是Y轴信号,低四位是X轴信号。
信号从高到低排列依次为:
高压(+24V)信号(置0关断,置1开通)、A相信号(置0关断,置1开通)、B相信号(置0关断,置1开通)、C相信号(置0关断,置1开通)。
光槽开关信号缓冲器74LS244读写地址为E000H。
图2-2单片机控制系统原理结构图
(2)计算机控制系统
计算机控制系统由普通个人计算机加一块运动控制板卡组成,运动控制板卡是计算机控制系统的核心。
运动控制板卡采用ISA接口卡,ISA运动接口卡控制原理如下:
图2-3ISA运动接口卡的硬件原理图
步进电机ISA运动接口卡的硬件的组成如下图所示,图中采用ISA总线实现主计算机与控制卡之间的信息传递。
控制卡主要由译码电路、总线驱动和隔离电路组成。
这里采用开环控制无外部信号输入,对电机的脉冲分配、加减速控制全部由软件实现。
2温度控制仪介绍
温度控制仪是一个用单片机控制温度系统,首先通过温度传感器AD590检测到电热杯的温度,然后通过AD0809转换器转换为数字量,再把数字量送入单片机进行数据处理,与设定值进行比较,把采集到的温度送到数码显示管上显示,同时,通过调节可控硅导通角来控制电热杯的温度和升温速率,从而达到对电热杯的温度进行控制的目的。
图2-4温度检测与控制教学实验及系统方框图
KWY-1实验装置:
(1)温度检测和放大单元
主要由稳压电路TL431,温度传感器AD590,放大电路OP07组成。
其中温度传感器将温度信号转换为电流信号,通过外部电路转换为电压信号,然后经过放大器把放大后的电压信号送到AD0809,进行A/D转换。
信号采集放大电路
图2-5信号采集放大电路
AD590温度传感集成芯片将温度变化量转换成电压值变化量,经过OP07一级跟随后输入到电压放大电路,放大后的信号输入到A/D转换器将模拟信号转换成数字信号,利用CPU采集并存储采集到的数据。
(2)A/D转换单元
主要由AD0809组成的A/D转换电路,它共有8路采集,我们在硬件电路上选择的是其中的第5个通道。
图2-6A/D转换电路
如上图的A/D转换电路可知,通道5是作为数据采集通道,模拟信号通过该通道进入A/D转换器实现转换。
对于该电路主要的不同在于利用P2.1口输出合适频率的脉冲以提供A/D转换器的时钟信号,对于AD0809,它的时钟信号频率fclk〉640khz。
通过实现对相关控制信号的合理设置(P2.3,P3.6,P3.7),实现采样,转换。
EOC连P3.2(INT0)口,利用中断的方式查询A/D转换是否结束,产生中断区处理相关的数据。
(3)温度控制单元
利用合理的算法,对于不同的采集数据进行分析,处理。
通过单片机的P1.4和P1.3口发脉冲经过一个或非门来控制可控硅BCR12AM的导通角(脉冲宽度的调节),进而对水加热,以达到预期的温度。
考虑到强点的干扰,这里,可控硅BCR12AM控制的前级采用具有光电隔离且具有自同步功能的可控硅控制器件MOC3401来对可控硅进行控制。
炉温控制电路接口电路
图2-7炉温控制电路接口电路
光耦的接口电路
为了供电方便,本装置采用的是可控硅型光耦。
其输出端有220V,380V的交流电压。
由于有些光耦的导通电流较小,因此要适当的加上限流电阻以及起分流作用的电阻。
有时为了防止高频干扰对于光耦输入端的影响,可以在输入两端加一个滤波电容(C1)。
图2-8光耦的接口电路
可控硅是一种大功半导体器件,可以分为单相可控硅和双向可控硅。
在微机控制中可以作为大功率驱动器件,具有用较小的功率控制大功率,开关无图2-9可控硅的接口电路
触点等的特点,在交流,直流电机调速,随动系统中都有广泛的作用,本装置中使用的是双向可控硅。
(4)显示电路单元
由8位LED数码显示管,CD4051多路开关,74LS373数据锁存器组成。
可用于显示被测量的温度值和升温时间等值,显示的内容可由软件设定。
显示电路如下图所示,该电路属于动态显示,利用多路开关CD4051实现位选,P0口的输出通过锁存器实现段选。
可以根据这硬件接口电路实现要求的数据的动态显示。
图2-10显示电路
(5)看门狗复位电路
图2-11看门狗复位电路
由图5可知,74LS123的输入端B和单片机的P1.0口接,通过74LS123的功能表可知道利用这种电路就可以实时的监测P0口的工作情况,而在硬件复位按钮按下的时候,对P0口的状态检测,没有脉冲信号输出的时候就允许复位。
3.实验项目
1.运动控制实验
(1)步进电动机的特性参数与调速原理(验证性)
(2)步进电动机的频率特性测定实验(验证性)
(3)步进电动机及其驱动装置实验(综合性)
(4)步进电动机的特性及接线实验(设计性)
(5)步进电动机正反转实验(设计性)
(6)步进电动机整/半步实验(设计性)
(7)单片机控制系统键盘控制及显示实验(综合性)
(8)单片机控制系统直线插补实验(综合性)
(9)单片机控制系统位置检测实验(综合性)
(10)单片机控制系统X、Y轴点动实验(综合性)
(11)单片机控制系统圆弧插补实验(综合性)
(12)PC机控制系统运动控制(验证性)
(13)板卡操作实验(验证性)
(14)PC机控制系统四像限直线插补实验(综合性)
(15)PC机控制系统四像限圆弧插补实验(综合性)
(16)PC机控制系统X、Y点动实验(综合性)
2.温度控制部分
(1)熟悉了解硬件电路
(2)信号采样,转换显示以及在数码管上显示时钟(秒表)
(3)炉温检测与控制
控制原理
3.1数控原理
3.1.1数控原理概述
a机床数控基本原理(参见相关书目)
b机床数控分类(参见相关书目)
c机床坐标系确定(参见相关书目)
d伺服系统概述(参见相关书目)
伺服驱动系统简称伺服系统(Servosystem),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CNC数控系统,如果说CNC系统中的CNC装置是数控机床的“大脑”,是发布命令的“指挥机构”,伺服系统便是数控机床的“四肢”,是一种“执行机构”。
按伺服系统调节理论,机床伺服系统通常可分为开环、半闭环和闭环系统。
开环系统没有测量反馈环节,其控制精度较差;
半闭环和闭环系统有测量反馈环节,可检测与直线位移有关的物理量,因而可获得较高的位置控制精度。
计算机闭环控制系统一般形式如下:
3.1.2步进电机的驱动与控制
步进电机(Steppingmotor)是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件。
每当对其输入一个控制脉冲时,便转过一个固定角度,称为一步,转过的角度称为步距角。
当供给连续脉冲时,步进电机就能产生连续转动。
一般说来,位移量与步进电机的输入脉冲数严格成正比,其转速与脉冲频率和步距角有关。
控制输入脉冲数量、频率及脉冲的相序,就可以得到需要的运行特性,因此,它广泛应用于数字控制系统中。
步进电机具有控制简单、价格低廉、容易维护等优点,以步进电机为驱动装置构成的位置控制系统(以下简称步进驱动系统)在经济型数控机床、机器人等领域得到了广泛应用。
目前我国每年生产的数千套机床数控系统中,有三分之二以上采用步进驱动作为伺服驱动系统。
国外一些大公司为争夺市场也重新推出了采用步进驱动的机床数控系统。
运动控制实验装置的采用步进电机是步距角为1.5o/3o,采用三相三拍控制方式每个脉冲对应电机旋转一个步距角3o,采用三相六拍控制方式每个脉冲对应电机旋转一个步距角1.5o。
脉冲频率不能太高,否则引起失步,频率太低行走震动较大,应通步进电动机的频率特性测定实验得到相关数据。
步进电动机驱动方法在单片机原理及应用课程和单片机课程设计中已作过原理介绍和相关实验操作,这里不在赘述。
对步进电机速度控制在这里强调一下:
在CNC数控系统中,无论开环或是闭环控制,都要考虑伺服机构的启动、停止或者运动反向的加减速处理,以获得平稳的运动和较高的位置控带精度。
在工作台运动的过程中,对它运动的速度和加速度都要进行一走的控制。
现在使用最广泛的是梯形速度曲线,从零速度起按加速度运动直到设定的速度。
好的速度曲线(如指数曲线)应使加速度逐渐达到定值。
最好的速度曲线为S曲线,它使用平稳的加速度变化率。
选用S速度曲线需要较长的时间才能达到预定的速度。
它的抗冲击性强,但是系统的运动效率变低。
梯形速度曲线的计算比较简单,在这里,我们采用梯形速度曲线。
梯形速度曲线在时间上可以分为三个阶段:
第一阶段为加速阶段,运动轴以最大加速度Ax加速到最大速度Vx;
第二阶段为匀速运动阶段,运动轴以最大速度Vx匀速运动;
第三阶段为减速阶段,运动轴以最小减速度-Ax减速到停止状态。
假设运动轴由t0时刻的X0运动到tf时刻的Xf,轴的运动速度在运动前后都为零。
图3-1表示了速度和加速度的时间曲线。
通常我们设定在一个脉冲区间来判断是否进行加减速处理,譬如设定在前100个脉冲作加速处理,后100个脉冲作减速处理,中间段作匀速运动。
纪录某轴当前位置来判断是否进行加减速处理,如果行走总脉冲步数不足200,则前1/2脉冲内加速,后1/2脉冲内减速。
图3-1速度、加速度时间曲线
3.1.3轮廓加工的数学基础
在CNC数控机床上,各种轮廓加工都是通过插补计算实现的,插补计算的任务就是对轮廓线的起点到终点之间再密集的计算出有限个坐标点,刀具沿着这些坐标点移动,来逼近理论轮廓。
插补方法可分两大类:
脉冲增量插补和数据采样插补。
脉冲增量括补是控制单个脉冲输出现律的插扑方法。
每输出一个脉冲,移动部件都要相应的移动一定距离,这个距离称为脉冲当量,因此,脉冲增量插补也叫做行程标量插补。
如逐点比较法、数字积分法。
根据加工精度的不同,脉冲当量可取0.01mm到0.001mm。
移动部件的移动速度与脉冲当量和脉冲输出频率有关,由于脉冲输出频率最高为几万HZ即因此,当脉冲当量为0.001mm时,最高移动速度也只有2m/min左右。
脉冲增量插补通常用于步进电机控制系统。
数字增量插补法(也称数据采样插补法)是在规定的时间(称作插补时间)内,计算出各坐标方向的增量值(△X,△Y,△Z),刀具所在的坐标位置及其它一些需要的值。
这些数据严格的限制在一个插补时间内(如8ms)计算完毕,送给伺服系统,再由伺服系统控制移动部件运动,移动部件也必须在下一个插补时间内走完插补计算给出的行程,因此数据采样插补也称作时间标量插补。
由于数据采样活补法是用数值量控制机床运动,因此,机床各坐标方向的运动速度与插补运算给出的数值量和插补时间有关。
根据计算机运行速度和加工精度不同,有些系统的插补时间选用,12ms、10.24ms、8ms,对于运行速度较快的计算机有的已选2ms。
现代数控机床的进给速度已超过15m/min,达到30m/min,有些已到60m/min.
数据采样法适用于直流伺服电机和交流伺服电机的闭环或半闭环控制系统。
A.逐点比较法的直线和圆弧插补原理
一、直线插补原理
加工如图1—1所示的平面斜线AB,以斜线起点A的坐标为x0,y0,斜线AB的终点坐标为(xe,ye),则此直线方程为:
取判别函数F=(Y—Y0)(Xe—Xo)—(X-X0)(Ye—Y0)
用逐点比较法加工时,每一次只在一个坐标方向给出一个脉冲,使运动件在该坐标方向上进给一步,因此刀具的运动轨迹是折线,而不是斜线AB。
折线拐点M与斜线AB之间的位置关系有如下三种情况:
1)M点在AB线的上方.判别函数F>
0;
2)M点在AB线上,F=0
3)M点在AB线的下方,F<
为控制方便,将F>
0和F=0两种情况作为F>
=0一种方式判别。
当判别函数F>
=0时,刀具一定处在AB线的上方,或在AB线上。
例如图3—2中的M1(X1,Y1)点,这时刀具只有沿+X方向进给才更接近AB线,因此,根据这个判别结果,计算机在x铀方向输出一个脉冲,使刀具在+x方
向前进一个脉冲当量的距离。
到达M2图3-2直线插补
点。
刀具在M2点的判别式为:
F2=(Y2—Y0)(Xe—Xo)—(X2-X0)(Ye—Y0)=(Y2—Y0)(Xe—Xo)—(X1+1-X0)(Ye—Y0)=(Y1—Y0)(Xe—Xo)—(X1-X0)(Ye—Y0)-(Ye-Y0)=F1-(Ye-Y0)
F判别式中的(Xi,Yi)(i=l,n)值应是脉冲数量值.而不是AB线的长度值。
若F2<
0则M2点判定处在AB线的下方,应向y方向送出一个脉冲,使刀具向+y方向移动一步,到达从点M3,此时判别式:
F2=(Y3—Y0)(Xe—Xo)—(X3-X0)(Ye—Y0)=(Y2+1—Y0)(Xe—Xo)—(X2-X0)(Ye—Y0)=(Y2—Y0)(Xe—Xo)—(X1-X0)(Ye—Y0)+(Xe-X0)=F2+(Xe-X0)
由上述的M1,M2点的判别式可知:
在第一象限插补时,若沿x方向走一步即Xi+1=Xi+1则Fi+1=Fi—(Ye-Y0),若沿Y方向走一步,即Yi+1=Yi+1则Fi+1=Fi+(Xe-X0)。
偏差值Fi+1的计算只用到前一点的偏差值Fi和斜线的长度在坐标方向的投影(Xe-X0),(Ye-Y0)。
图3—3是象限的划分规则,根据对线段加工方向的不同来判别它所处的象限,如表3
图3-3四象限步进方向—1对于四个象限可共用如下列的判别式:
向Xe方向走一步
Fi+1=Fi—|(Ye-Y0)|;
向Ye方向走一步
Fi+1=Fi+|(Xe-X0)|;
上述两式(Xe-X0),(Ye—Y0)都用绝对值,不考虑符号,但(Xe-X0),(Ye—Y0)是有符号的,它影响刀具相对工件移动方向。
对刀具相对工件的移动方向的控制可根据线段所处的象限来决定。
若线段处在第三象限,在x或y方向输出脉冲时,使步进电动机反转即可。
而判别式和脉冲分配方式与第一象限相同;
若线段处在第二象限可使X向电动机反转而y向电动机正转,第四象限使X向电动机反转,Y向电动机正转,如表3—1.
表3-1象限判别和电机方向
方向
第一象限
第二象限
第三象限
第四象限
Xe-X0
>
<
Ye-Y0
X向电机
正
反
Y向电机
直线插补的终点判断可采用如下的两种方法之一。
1)每走一步都要计算|(Xi-X0)|,|(Yi—Y0)|的数值,并判断|(Xi-X0)|>
=|(Xe-X0)|且|(Yi—Y0)|>
=|(Ye—Y0)|是否成立,若成立则插补结束,否则继续。
2)把被加工线段的Xe-X0,Ye—Y0的长度单位换算成脉冲数值(若长度单位为mm,则把上述的坐标增量值除以脉冲当量),然后求出各坐标方向所需的脉冲数总和n:
即n=|(Xe—X0)+(Ye—Y0)|,计算机无论向哪个方向输出一个脉冲都作n—1计算,直到n=0为止。
用第二种方法进行终点判别的3—4直线插补流程图插补流图程图为图3—4。
二、圆弧插补原理
在图3—5中AB是被加工圆弧。
加工程序中给出的已知条件通常是A点B点的坐标值,圆心O’点相对圆弧起点A的增量坐标值。
由图可知:
圆心O’点相对A点的增量坐标值为(—Io,—Jo)。
改变符号后就成为A点相对O’点的增量值Io,Jo。
由此可求出圆弧的半径值R:
R2=Io2+Jo2在以圆心O’点为原点的I、J坐标系中,圆的方程
可表示为:
I2+J2=R2设刀具已位于M1点,则Mi点对圆弧AB的位置有三种情况:
1)Mi在圆弧外侧,则0’Mi>
R,Ii2+Ji2>
R2
2)Mi在圆弧上,则0’Mi=R,Ii2+Ji2=R2
3)Mi在圆弧内侧,0’Mi<
R,Ii2+Ji2<
R2
Mi点的判别式可写成如下形式
Fi=Ii2+Ji2-R2
图3-5圆弧插补
若Fi>
0从点在圆的外侧。
这时计算机应送给X方向步进电机一个脉冲,对于图1—4中的AB且它是在第一象限逆时针方向加工,应使电机反向转一步,刀具相对工件沿—X方向走一个脉冲当量的距离,到达Mi+1点。
Mi+1点对圆心O’点的坐标为Ii+1=Ii-1,Ji+1=Ji判别式为:
Fi+1=Ii+12+Ji+12-R2
=(Ii-1)2+Ji2-R2
=Fi-2Ii+1
若Fi+1<
0,则说明Mi+1点在圆内.这时计算机应送给Y向步进电动机一个脉冲,使正转刀具沿+y方向前进一个脉冲当量的距离,到达点Mi+2,Mi+2点的位置是
Ii+2=Ii+1,Ji+2=Ji+1+1判别式为
Fi+2=Ii+22+Ji+22-R2
=Ii+12+(Ji+1+1)2-R2
=Fi+1+2Ji+1+1
若Fi+2>
0,则说明Mi+2点在圆外.这时计算机应送给-X向步进,Fi+2<
0应送给+Y向步进
上述为在第一象限逆时针加工圆弧(称逆圆弧)的情况,而在第一象陨顺时针加工圆弧(顺圆弧)和第二、三、四象限加工顺圆弧和逆圆弧时,判别式都不相同。
带符号运算时,无论在哪个象限工作,顺圆弧或逆圆弧,归纳起来有如下四种情
1.+X方向走一步
Ii+1=Ii+1
Fi+1=Fi+2Ii+1
2.-X方向走一步
Ii+1=Ii-1
Fi+1=Fi-2Ii+1
3.+Y方向走一步
Ji+1=Ji+1
Fi+1=Fi+2Ji+1
4.-Y方向走一步
Fi+1=Fi+2Ji+1
图3-6四个象限进给方向
图3—6是在四个象限内顺、逆圆加工时,判别式符号和进给方向关系。
象限是以被加工圆弧圆心为原点的坐标系划分的。
若编写零件加工程序时所用的坐标系不以圆心为原点,则象限的划分就不能用这个坐标系。
以圆心为原点的坐标系是根据加工程序给出的已知条件自动建立的,圆弧加工完毕、坐标系自动取消。
例如:
在肝坐标平面内,给出的圆弧起点相对圆心的增量坐标值Io,Jo在插补计算过程中不断算出的Ii,Ji值,都是以圆心为原点坐标系中的坐标值。
根据Ii,Ji的符号来判别圆弧所在的象限,如表3—2。
过象限时的标志是Ii,Ji中的一个是零。
根据图3—6给出的判别式与加工符号关系,和表3—2结出的,Ii,Ji的符号变化规律,利用正、负方向的判别式可对四个象限的顺、逆圆弧加工编写出插补程序.
表3-2象限判断和电机转向
Ii的符号
+
-
Ji的符号
顺圆
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