1、 數字控制技術3.1 數字控制基礎3.2 逐點比較法插補原理3.3 多軸步進驅動控制技術 3.4 多軸伺服驅動控制技術 數控技術和數控機床是實現柔性制造（Flexible Manufacturing，FM）和計算機集成制造（Computer Integrated Manufacturing，CIM）的最重要的基礎技術之一。 3.1 數字控制基礎3.1.1 數控技術發展概況 3.1.2 數字控制原理3.1.3 數字控制方式3.1.4 數字控制系統3.1.5 數控系統的分類3.1.1 數控技術發展概況 特征階段年代典型應用工藝方法數控功能驅動特點研究開發1952l969數控車床、銑床鉆、銑床簡單工

2、藝NC控制3軸以下步進、液壓電機推廣應用l970l985加工中心、電加工、鍛壓多種工藝方法CNC控制、刀具自動交換、五軸聯動、較好的人機界面直流伺服電機系統化l982柔性制造單元(FMU) 、柔性制造系統(FMS)復合設計加工友好的人機界面交流伺服電機高性能集成化l990至今計算機集成制造系統(CIMS)、無人化工廠復合設計加工多過程、多任務調度、模板化和復合化、數字智能化直線驅動 所謂數字控制，就是計算機根據輸入的指令和數據，控制生產機械(如各種加工機床)按規定的工作順序、運動軌跡、運動距離和運動速度等規律自動地完成工作的自動控制。 數字控制主要應用于機床控制,采用數字程序控制系統的機床叫做

3、數控機床。 數字控制系統由數控裝置、驅動裝置、可編程控制器和檢測裝置等四大部分組成。其中,數控裝置能接收零件圖樣加工要求的信息，進行插補運算，實時地向各坐標軸發出速度控制指令。驅動裝置能快速響應數控裝置發出的指令，驅動機床各坐標軸運動。 數字控制裝置一般由輸入裝置、輸出裝置、控制器和插補器四部分組成，這些功能都由計算機來完成。 將所需加工的輪廓曲線，按照一定的原則進行分割，將各點坐標輸入計算機。如圖所示。 1. 曲線分割3.1.2 數字控制原理 根據給定的各曲線段的起點、終點坐標，以一定的規律定出一系列中間點，要求這些中間點所連接的曲線必須以一定的精度逼近給定的線段。 確定各坐標值之間的中間值

4、的數值計算方法稱為插值或插補。 常用的插補形式有直線插補和二次曲線（圓弧、拋物線、雙曲線等）插補兩種。 2. 插補計算 所謂直線插補是指在給定的兩個基點之間用一條近似直線來逼近，也就是由此定出中間點連接起來的折線近似于一條直線，并不是真正的直線。 所謂二次曲線插補是指在給定的兩個基點之間用一條近似曲線來逼近，也就是實際的中間點連線是一條近似于曲線的折線弧。常用的二次曲線有圓弧、拋物線和雙曲線等。xyabcd當給定a、b、c、d各點坐標x和y值之后，如何確定各坐標值之間的中間值?求得這些中間值的數值計算方法稱為插值或插補。插補計算的宗旨是通過給定的基點坐標，以一定的速度連續定出一系列中間點，而這

5、些中間點的坐標值是以一定的精度逼近給定的線段。 3. 脈沖分配 根據插補運算過程中給定的各中間點，對x、y方向分配脈沖信號，以控制步進電機的旋轉方向、速度及轉動的角度，步進電機帶動刀具，從而加工出所需要的輪廓。 對應于每個脈沖移動的相對位置稱為步長或脈沖當量，用 表示，并且 。 如圖，設起點坐標為（x0，y0），終點坐標為（xe，ye），則在x，y方向移動的總步數Nx，Ny為： 插補運算就是如何分配x和y方向上的脈沖數，使實際的中間點的軌跡盡可能地逼近理想軌跡。3.1.3 數字控制方式 1.點位控制（定位） 點位控制只要求控制機床的移動部件從一個點準確移動到另一個點。對中間運動軌跡不作要求，且

6、在移動過程中也不作任何加工。如數控鉆床、數控沖床等。 2.直線控制（單軸切削） 直線切削控制除控制點到點的準確定位外，還要控制兩點之間的移動速度和路線。運動路線只是相對某一直角坐標軸作平行運動，且在運動的過程中以一定的進給速度進行切削加工。如數控車床、數控銑床等。 3. 輪廓控制（多軸切削） 輪廓切削控制能對兩個及兩個以上的運動坐標的位移和速度同時進行控制。控制刀具沿工件輪廓曲線不斷地運動。這種方式是借助于插補器進行的，插補器根據加工的工件輪廓向每一個坐標軸分配速度指令，以獲得給定坐標點之間的中間點。如數控車床、數控銑床等。3.1.4 數字控制系統1.開環數字控制2.閉環數字控制 1. 開環數

7、字控制 這種控制結構沒有反饋檢測元件，工作臺由步進電機驅動。步進電機接收步進電機驅動電路發來的指令脈沖作相應的旋轉，把刀具移動到與指令脈沖相當的位置，至于刀具是否到達了指令脈沖規定的位置，那是不受任何檢查的，因此這種控制的可靠性和精度基本上由步進電機和傳動裝置來決定。 2. 閉環數字控制 這種結構的執行機構多采用直流電機（小慣量伺服電機和寬調速力矩電機）作為驅動元件，反饋測量元件采用光電編碼器（碼盤）、光柵、感應同步器等，該控制方式主要用于大型精密加工機床，但其結構復雜，難于調整和維護，一些常規的數控系統很少采用。增量式編碼器 該產品廣泛應用于自動控制、自動測量、遙控、計算機技術以及在數控機床

8、作角度和橫縱坐標的測量等 將位移轉換成周期性電信號，再把這個電信號轉換成計數脈沖，用脈沖的個數表示位移的大小。 絕對式編碼器 把機械位移量用二進制碼或格雷碼作為絕對位置而進行輸出的方式 伺服編碼器 是安裝在伺服電機上用來測量 磁極位置和電機轉角位置和轉速的一種傳感器。 此外，還有拉線式編碼器，記米輪、光柵尺等光電編碼器。3.1.5 數控系統的分類1. 傳統數控系統（硬件式數控）2. 開放式數控系統 （1）PC IN NC 結構式數控系統 （2）NC IN PC 結構式數控系統3. 網絡化數控系統3.2 逐點比較法插補原理3.2.1 逐點比較法直線插補3.2.2 逐點比較法圓弧插補 所謂逐點比較

9、法插補，就是刀具或繪圖筆每走一步都要和給定軌跡上的坐標值進行比較，看這點在給定軌跡的上方或下方，或是給定軌跡的里面或外面，從而決定下一步的進給方向。如果原來在給定軌跡的下方，下一步就向給定軌跡的上方走，如果原來在給定軌跡的里面，下一步就向給定軌跡的外面走，。如此，走一步、看一看，比較一次，決定下一步走向，以便逼近給定軌跡，即形成逐點比較插補。 逐點比較法是以階梯折線來逼近直線或圓弧等曲線的，它與規定的加工直線或圓弧之間的最大誤差為一個脈沖當量，因此只要把脈沖當量（每走一步的距離即步長）取得足夠小，就可達到加工精度的要求。 設插補曲線為：Fm =F(x,y) （偏差函數） Fm=F(x,y)0

10、刀具在曲線的上方3.2.1 逐點比較法直線插補逐點比較法流程圖 偏差判別：判斷上一步進給后的偏差是Fm0還是Fm0； 坐標進給：根據所在象限和偏差判別的結果，決定進給坐標軸及其方向； 偏差計算：計算進給一步后新的偏差，作為下一步進給的偏差判別依據； 終點判斷：進給一步后，終點計數器減1，判斷是否到達終點，到達終點則停止運算；若沒有到達終點，返回。如此不斷循環直到到達終點。 逐點比較法直線插補計算的四個步驟： 1. 第一象限的直線插補 （1）建立偏差函數 設函數 （2）進給與偏差計算 若加工點正處于m點時，當加工點在OA上或OA上方，應沿+x方向進一步，該點坐標為： 若加工點正處于m點時，當加工

11、點在OA下方，應沿+y方向進一步，該點坐標為：（3）終點判斷方法 a）對x、y方向分別設置減法計數器Nx、Ny，分別用終點坐標對其初始化，從終點向始點移動，每進給一步計數器減1，直至計數器值為零。 b） 設一個終點計數器，初始值為x、y方向的進給總步數Nxy，進給一步計數器減1。若Nxy=0，則到達終點。不同象限直線插補的偏差符號和進給方向如圖 2. 四個象限的直線插補 表3-2 直線插補的進給方向及偏差計算公式記憶：2象限：1象限以y軸鏡象； 4象限：1象限以x軸鏡象；3象限：1象限旋轉180度注意：表中坐標值為不帶符號的數。3. 直線插補計算的程序流程 第一象限時 4象限內的直線插補流程圖

12、+x-x+y-y 6個內存單元數據： XE：終點X坐標 YE：終點Y坐標 NXY: 總步數， Nxy Nx + Ny FM: 加工點偏差，FM初值為0 XOY: 象限值，1、2、3、4分別代表1、2、3、4象限 ZF：進給方向， 1、2、3、4代表在+x、x、+y、-y方向進給。 例31設加工第一象限直線OA，起點為O(0，0)，終點坐標為A(6，4)，試進行插補計算并作出走步軌跡圖。解 坐標進給的總步數Nxy=|6-0|+|4-0|=10, xe=6,ye=4, F0=0, xoy=1.步數偏差判別坐標進給偏差計算終點判斷起點F0=0Nxy=101F0=0+xF1=F0-ye=-4Nxy=9

13、2F10+xF3=F2-ye=-2Nxy=74F30+xF5=F4-ye=0Nxy=56F5=0+xF6=F5-ye=-4Nxy=47F60+xF8=F7-ye=-2Nxy=29F80+xF10=F9-ye=0Nxy=0軌跡如圖：練習：設加工第二象限直線OA，起點坐標為O（0，0），終點坐標為A（-6，4），試進行插補計算（填入表中），并作出走步軌跡圖。 。 解： 坐標進給的總步數Nxy=|-6-0|+|4-0|=10, xe=-6,ye=4, F0=0, xoy=1. 1. 第一象限內順圓弧插補3.2.2 逐點比較法圓弧插補 1）建立偏差函數 設函數 2）進給與偏差計算 若加工點正處于m點時

14、，當表明加工點在圓弧上或圓弧外，應沿-y方向進一步，該點坐標為：新偏差： 當加工點正處于m點時，當表明加工點在圓弧內，應沿+x方向進一步，該點坐標為： 新偏差：3）終點判斷方法 設一個終點計數器，初始值為x、y方向的進給總步數Nxy，進給一步計數器減1。若Nxy=0，則到達終點。逐點比較法圓弧插補計算的五個步驟：偏差判別，坐標進給，偏差計算， 坐標計算，終點判斷。注意：在偏差計算的同時，要進行動點瞬時坐標值的計算，以便為下一點的偏差計算做好準備。 2. 第一象限內逆圓弧插補 2）進給與偏差計算 若加工點正處于m點時，當表明加工點在圓弧上或圓弧外，應沿-x方向進一步，該點坐標為：新偏差： 1）建

15、立偏差函數 設函數 若加工點正處于m點時，當表明加工點在圓弧內，應沿+y方向進一步，該點坐標為： 新偏差：3. 四個象限的圓弧插補 圓弧插補中，沿對稱軸的進給的方向相同，沿非對稱軸的進給的方向相反。 所有對稱圓弧的偏差計算公式，只要取起點坐標的絕對值，均與第一象限中的逆圓弧或順圓弧的偏差計算公式相同。 注意：記憶：2象限：1象限以y軸鏡象； 4象限：1象限以x軸鏡象；3象限：1象限旋轉180度 表3-4 圓弧插補的進給方向及偏差計算公式注意：表中坐標值為不帶符號的數，如第四象限中的點（-4,-3) 應用 xm=4, ym =3查表計算。4. 圓弧插補計算的程序實現（1）數據的輸入及存放 在計算

16、機的內存中開辟八個單元XO、YO、NXY、FM、RNS、XM、YM和ZF，分別存放起點的橫坐標x0、起點的縱坐標y0、總步數Nxy、加工點偏差Fm、圓弧種類值RNS、xm、ym和走步方向標志。 這里Nxy=|xe-x0|+|ye-y0|； RNS等于1、2、3、4和5、6、7、8分別代表SR1、SR2、SR3、SR4和NR1、NR2、NR3、NR4，RNS的值可由起點和終點的坐標的正、負符號來確定；Fm的初值為F0，xm和ym的初值為x0和y0；ZF=1、2、3、4分別表示+x、-x、+y、-y走步方向。（2）圓弧插補計算的程序流程 按照插補計算的五個步驟來實現插補計算程序。即： 偏差判別 坐

17、標進給 偏差計算 坐標計算 終點判斷y軸指明RNS，可以選擇同樣的偏差計算公式判斷Fm的值判斷Fm的值x軸 其中內存單元數據： X0：起點X坐標 Y0：起點Y坐標 NXY: 總步數， Nxy Nx + Ny FM：加工點偏差； XM：xm YM： ym RNS：圓弧種類，1、2、3、4和5、6、7、8分別代表SR1、SR2、SR3、SR4和NR1、NR2、NR3、NR4。 ZF：進給方向， 1、2、3、4代表在+x、x、+y、-y方向進給。 例3-2：設加工第一象限逆圓弧AB，已知起點的坐標為A(4，0)，終點的坐標為B(0，4)，試進行插補計算并作出走步軌跡圖。 解：坐標進給總步數Nxy=|

18、xe-x0|+|ye-y0|=8，x0=4，y0=0，F0=0插補過程如表所示。步數偏差判別坐標進給偏差計算坐標計算終點判斷起點F0=0 x0=4,y0=0Nxy=81F0=0-xF1=F0-2x0+1=-7x1=x0-1=3,y1=0Nxy=72F10+yF2=F1+2y1+1=-6x2=3,y2=y1+1=1Nxy=63F20+yF3=F2+2y2+1=-3x3=3,y3=y2+1=2Nxy=54F30-xF5=F4-2x4+1=-3x5=x4-1=2,y5=3Nxy=36F50-xF7=F6-2x6+1=1x7=x6-1=1,y7=4Nxy=18F70-xF8= 7-2x7+1=0 x8

19、=x7-1=0,y8=4Nxy=0插補計算過程走步軌跡練習：設加工第二象限逆圓弧AB，已知圓弧的起點坐標為A（-4，0），終點坐標為B（0，4），試進行插補計算，并作出走步軌跡圖。 解：坐標進給總步數Nxy=|xe-x0|+|ye-y0|=8，x0=4，y0=0，F0=0插補過程如表所示。3.3 多軸步進電機控制技術3.3.1 步進電機的工作原理3.3.2 步進電機的工作方式3.3.3 步進電機控制接口及輸出字表3.3.4 步進電機控制程序3.3.5 數控系統設計舉例三軸步進電機控制 數控機床的驅動元件常常是步進電機。步進電機是電機類中比較特殊的一種，它是靠脈沖來驅動的。 步進電機：脈沖電機，

20、給一個脈沖電機轉一下。它是一種將電脈沖信號轉換為角位移的機電式數模（DA）轉換器。 步進電機不是連續的變化，而是跳躍的，離散的。 靠步進電機來驅動的數控系統的工作站或刀具總移動步數決定于指令脈沖的總數，而刀具移動的速度則取決于指令脈沖的頻率。3.3.1 步進電機的工作原理1. 步進電機的結構：由內轉子和定子構成。 定子：定子上有繞組，圖示電機是三相電機，有3對磁極，實際上步進電機不僅有三相，還有四相、五相等等。三對磁極分別為A、B、C，通過開關輪流通電。 轉子：上面帶齒。為了說明問題，這里只畫了4個齒。（一般有幾十個齒）2. 步進電機的工作過程： A相通電：A相磁極與0、2號齒對齊； B相通電

21、：由于磁力線作用，B相磁極與1、3號齒對齊； C相通電：由于磁力線作用，C相磁極與0、2號齒對齊； A相通電：由于磁力線作用，A相磁極與1、3號齒對齊； 結論：定子按A-B-C-A相輪流通電，則磁場沿A、B、C方向轉動360度角，轉子沿ABC方向轉動了一個齒距的位置。齒數為4，齒距角為90度，即1個齒距轉動了90度。3. 步進電機的“ 相”和“ 拍” “ 相”繞組的個數 “ 拍”繞組的通電狀態。如：三拍表示一個周期共有3種通電狀態，六拍表示一個周期有6種通電狀態，每個周期步進電機轉動一個齒距。 4. 步進電機的步距角的計算 步距角：步進電機每拍步進的角度。 對于一個步進電機，如果它的轉子的齒數

22、為Z，它的齒距角Z為 Z=2Z=360/Z 而步進電機運行N拍可使轉子轉動一個齒距位置。步進電機的步距角可以表示如下 =ZN=360/(NZ)其中：N是步進電機工作拍數，Z是轉子的齒數。對于4個齒的三相步進電機，若采用三拍方式，則它的步距角是 =360/(34)=30對于轉子有40個齒且采用三拍方式的步進電機而言，其步距角是 =360/(340)=33.3.2 步進電機的工作方式1步進電機單三拍工作方式2步進電機的雙三拍工作方式 3步進電機的三相六拍工作方式 1. 單三拍工作方式： 單三拍就是每次只給一個線組通電，其余的繞組斷開。 繞組的通電順序： ABCA 電壓波形在這里，步進電機是由脈沖控

23、制的。而脈沖的輸出受計算機的控制。3步進電機的三相六拍工作方式 繞組的通電順序： A AB B BC C CA A 電壓波形2步進電機的雙三拍工作方式 繞組的通電順序： AB BC CA 電壓波形3.3.3 步進電機控制接口及輸出字表步進電機的控制中，要關心下列問題： 步進電機的精度問題：步進電機的工作精度問題； 速度調節問題：步進電機運動速度的快慢的調節； 計算機接口問題：和計算機接口應該注意的問題。 常規的步進電機控制電路如圖所示。補充：步進電機的控制原理 變頻信號源：是一個頻率可調的脈沖信號發生器，它根據步進電機速度變化的需要把不同頻率的脈沖送到脈沖分配器。 脈沖分配器：把脈沖串按一定規

24、律分配給功率放大器的各相輸入端，又稱環形分配器。 輸入：步進脈沖，1個脈沖為1拍，走一步； 方向選擇 ，正轉或反轉。 輸出：各相繞組的驅動脈沖。 功率放大器：脈沖分配器的輸出電路不足以驅動步進電機，需要進行功率放大。 采用微機控制主要取代變頻信號源和脈沖分配器，而給步進電機提供驅動電源的驅動電路是必不可少的。1步進電機控制接口 研華板卡控制兩臺三相步進電機接口示意圖8255控制兩臺三相步進電機接口示意圖 步進電機控制的輸出字表(三相六拍工作方式)如表3-6所示。若要控制電機正轉，則按照ADx1 ADx2 ADx3 ADx4 ADx5 ADx6 ADx1和ADy1 ADy2 ADy3 ADy4

25、ADyX5 ADy6 ADy1順序分別向PA和PB口送控制字即可。若要反轉，則按相反的順序。2.步進電機控制的輸出字表x軸步進電機輸出字表y軸步進電機輸出字表存儲地址標號低八位輸出字存儲地址標號高八位輸出字ADX100000001=01HADY100000001=01HADX200000011=03HADY200000011=03HADX300000010=02HADY300000010=02HADX400000110=06HADY400000110=06HADX500000100=04HADY500000100=04HADX600000101=05HADY600000101=05H3.3.4

26、 步進電機控制程序1. 步進電機走步控制程序 2. 步進電機速度控制程序 硬件電路； 電機類型（三相、四相等）、步踞角、最高通電頻率、最低通電頻率等等。頻率對應的是速度。 選擇工作方式； 電機控制的調速問題。1步進電機走步控制程序 什么是走步程序？ 用ADX和ADY分別表示x軸和y軸步進電機輸出字表的取數地址指針。且用ZF=1、2、3、4分別表示+x、-x、+y、-y走步方向。 在流程圖的第一個判斷中，ZF通過對Fm的判斷來賦值。因此，這個程序還要和插補計算程序結合起來看。+x-x+y-yx軸y軸 若將步進控制程序和插補計算程序結合起來，并修改程序的初始化和循環控制判斷的內容，便可以很好地實現

27、xOy坐標平面的數字程序控制，為機床電器的自動控制提供了有力的手段。 步進電機的輸出字更換得越快，步進電機的轉速越高。因此，控制延時時間常數，即可達到調速的目的。 一般采用查表法來可控制步進電機的進給速度。即離線計算出各步的延時時間放入延時時間表中，然后按地址表一次取出下一步進給的延時值，通過延時程序或定時器產生給定的時間間隔，發出相應的走步命令。2. 步進電機速度控制程序設Ti為相鄰兩個進給脈沖之間的時間間隔（s），Vi 為進給一步后的末速度（步s），a為進給一步的加速度（步s2），則得 則：注意： 按正序或反序取輸出字可控制步進電機正轉或反轉； 速度往往和輸出字的輸送的頻率有關，輸出字更換

28、得越快，步進電機的轉速越高； 調速過程總是有加速問題； 控制延時的時間常數，即可達到調速的目的； Ti為相鄰兩次走步的時間間隔，Vi為進給一步后速度，a為加速度。3.3.5 數控系統設計舉例-三軸步進電機控制1. 數控系統的硬件系統結構及主要部件 （1）工業控制機（IPC） （2）運動控制卡2. 數控系統的軟件結構及主要功能模塊 該軟件為多任務操作系統，系統主要模塊的功能如下: （1）多任務操作模塊 （2）人機接口模塊 （3）軌跡插補模塊 （4）運動學算法模塊 （5）位置控制模塊 （6）方式控制模塊 （7）程序控制模塊 （8）參數管理模塊 （9）運動仿真模塊、動態顯示模塊等3.4 多軸伺服驅動

29、控制技術3.4.1 伺服系統3.4.2 現代運動控制技術3.4.3 數控系統設計舉例-基于PC的多軸運動控制在自動控制系統中，把輸出量能夠以一定準確度跟隨輸入量變化的系統稱為隨動系統，亦稱伺服系統。例如，數控機床的伺服系統是指以機床移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統，又稱為隨動系統。1.伺服系統及其組成伺服系統由伺服驅動裝置和驅動元件(即伺服電機)組成。高性能的伺服系統還有檢測裝置，反饋實際的輸出狀態。3.4.1 伺服系統補充：伺服電機與步進電機的區別 伺服電動機又稱執行電動機，在自動控制系統中，用作執行元件，把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。其主要特點是，當信號

30、電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降。 伺服電機主要靠脈沖來定位，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉1個脈沖對應的角度，從而實現位移，因為伺服電機本身具備發出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉一個角度，都會發出對應數量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應，或者叫閉環，如此一來，系統就會知道發了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉動，從而實現精確的定位，可以達到0.001mm。 步進電機是一種離散運動的裝置，它和現代數字控制技術有著本質的聯系。在目前國內的數字控制系統中，步進電機的應用十分廣泛。隨著全數字式交流伺服系統的出現，交流伺服電機也

31、越來越多地應用于數字控制系統中。為了適應數字控制的發展趨勢，運動控制系統中大多采用步進電機或全數字式交流伺服電機作為執行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。 一、控制精度不同 兩相混合式步進電機步距角一般為3.6、 1.8，五相混合式步進電機步距角一般為0.72 、0.36。也有一些高性能的步進電機步距角更小。 交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。對于帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收 =131072個脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為9.89秒。是步距角為1.8的步進電機的脈沖當量的1/655。 一、控制精度不同 兩

32、相混合式步進電機步距角一般為3.6、 1.8，五相混合式步進電機步距角一般為0.72 、0.36。也有一些高性能的步進電機步距角更小。 交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉編碼器保證。對于帶17位編碼器的電機而言，驅動器每接收 =131072個脈沖電機轉一圈，即其脈沖當量為9.89秒。是步距角為1.8的步進電機的脈沖當量的1/655。 二、低頻特性不同 步進電機在低速時易出現低頻振動現象。振動頻率與負載情況和驅動器性能有關。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現象對于機器的正常運轉非常不利。當步進電機工作在低速時，一般應采用阻尼技術來克服低頻振動現象。 交流伺服電機運轉非常平穩，即使在

33、低速時也不會出現振動現象。交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統內部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統調整。三、矩頻特性不同 步進電機的輸出力矩隨轉速升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，所以其最高工作轉速一般在300600RPM。 交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉速（一般為2000RPM或3000RPM）以內，都能輸出額定轉矩，在額定轉速以上為恒功率輸出。 四、過載能力不同 步進電機一般不具有過載能力。 交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統為例，它具有速度過載和轉矩過載能力。其最大轉矩為額定轉矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動

34、瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉矩，便出現了力矩浪費的現象。五、運行性能不同 步進電機的控制為開環控制，啟動頻率過高或負載過大易出現丟步或堵轉的現象，停止時轉速過高易出現過沖的現象，所以為保證其控制精度，應處理好升、降速問題。 交流伺服驅動系統為閉環控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環和速度環，一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠。 六、速度響應性能不同 步進電機從靜止加速到工作轉速需要200400毫秒。交流伺服系統的加速性能較好，以松下M

35、SMA 400W交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。 七、外形不同 從外形上看：步進電機前后外形基本都是方形的； 伺服電機前面外形基本也是方形的，但是最后有一個比較小一點的接近圓形的有點象蓋子一樣的東西（里面裝旋轉編碼器） 步進電機的外觀比伺服電機粗超一些！ 步進電機一般都是一個引出線端，伺服電機都是帶編碼器的所以有2個引線輸出端！ 綜上所述，交流伺服系統在許多性能方面都優于步進電機。但在一些要求不高的場合也經常用步進電機來做執行電動機。所以，在控制系統的設計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當的控制電機。 2.伺服

36、系統的基本要求和特點（1）伺服系統的基本要求穩定性好；精度高；快速響應性好。（2）伺服系統的主要特點精確的檢測裝置；高性能的伺服電動機；寬調速范圍的速度調節系統。3.4.2 現代運動控制技術1.伺服電動機控制 （1）伺服電動機及其分類 直流伺服電動機、交流伺服電動機 （2）控制系統對伺服電機的基本要求 調速范圍寬、機械特性和調節特性均為線性、無自傳現象、快速響應、體積小、重量輕等。 （3）直流伺服電機的控制方式 電樞控制、磁場控制 （4）交流伺服電機的控制方式 幅值控制、相位控制、幅相控制2. 現代運動控制現代運動控制技術是在數字信號處理器DSP和大規模集成邏輯器件FPGA的基礎上發展而來的。

37、運動控制技術示意圖3.4.3 數控系統設計舉例-基于PC的多軸運動控制1.多軸運動控制卡-PMAC美國DELTA TAU公司生產的可編程多軸控制器PMAC(Programmable Multi-Axis Controller)，是目前世界上功能最強的運動控制器之一，是完全開放體系結構、PC機平臺上的運動控制卡。該產品使用高速DSP，提供全新的高性能技術和Windows平臺，其最新產品TURBO PMAC可以控制32個軸，CPU速度為150MHz，具有光纖通訊、MACRO 鏈等功能。 （1）PMAC的結構和工作原理（2）PMAC的硬件開放性（3）PMAC的軟件開放性2. 基于PMAC開放式數控系

38、統的硬件設計數控系統的主機為研華工業控制機，操作系統為Windows NT，運動控制器采用的是PMAC四軸運動控制卡PMAC Lite，板卡配置有雙端口RAM；以ACC-34A作為I/O擴展接口板，共有62個帶光隔的I0結點；ACC-8P為普通接線器，便于PMAC與各個伺服驅動器的連接伺服驅動電機選用的是松下永磁同步交流伺服電機，電機自身配有2500線光電編碼器作為速度和位置反饋元件，主軸電機采用變頻器實現主軸的無級調速。PMAC與IPC之間的通信可以通過PC總線和雙端口RAM 兩種方式進行。雙端口RAM 主要用于與PMAC的快速數據通訊和命令通訊，當IPC 向PMAC寫數據時，雙端口RAM

39、能夠在實時狀態下快速地將位置指令數據或程序信息進行下載；當從PMAC中讀取數據時，IPC通過雙端口RAM可以快速地獲取系統的狀態、電機的位置、速度、跟隨誤差等各種數據。因而，利用雙端口RAM 大大提高了數控系統的響應能力和加工精度，同時也方便了用戶的編程和開發。 3.基于PMAC開放式數控系統的軟件設計主控模塊是為用戶提供一個友好的系統操作界面，在此界面下，系統的各功能模塊以菜單的形式被調用。系統的功能模塊可分為實時控制類功能模塊和非實時管理類模塊兩大類。實時控制類功能模塊是控制機床當前運動和動作的軟件模塊，具有毫秒級甚至更高要求的時間響應；非實時管理類模塊沒有具體的時間響應要求。思考題與習題3-1 什么叫數字程序控制？3-2 簡述逐點比較插補法的計算過程？3-3 簡述逐點比較插補法的終點判別方法？3-4 若加工第一象限直線OA，起點O