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1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù),第6章 順序控制與數(shù)字程序控制,重點(diǎn),電動(dòng)機(jī)控制接口技術(shù) 步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù) 難點(diǎn) 交流電動(dòng)機(jī)控制接口技術(shù) 步進(jìn)電機(jī)與微機(jī)的接口及程序設(shè)計(jì),第6章 順序控制與數(shù)字程序控制,章節(jié)內(nèi)容,微機(jī)順序控制 開環(huán)數(shù)值控制 1、直線逐點(diǎn)比較法插補(bǔ) 2、圓弧逐點(diǎn)比較法插補(bǔ),第6章 順序控制與數(shù)字程序控制,6.3 電動(dòng)機(jī)控制接口技術(shù) 1、小功率直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理 2、開環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng) 3、閉環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng) 4、交流電動(dòng)機(jī)控制接口技術(shù) 6.4 步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù) 1、步進(jìn)電機(jī)工作原理 2、步進(jìn)電機(jī)的控制 3、步進(jìn)電機(jī)步數(shù)及速度的計(jì)算方法 4、步進(jìn)電機(jī)的變速控制,電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)概述
2、電動(dòng)機(jī)是被廣泛應(yīng)用的原動(dòng)機(jī)。 電動(dòng)機(jī)的控制要求越來(lái)越高：?jiǎn)ⅰ⑼?、逆轉(zhuǎn)快速，調(diào)速快、準(zhǔn)。 電動(dòng)機(jī)控制器的發(fā)展： 電機(jī)控制元件經(jīng)歷了從交流放大器到磁放大器、可控離子變速器、可控硅、計(jì)算機(jī)控制。 計(jì)算機(jī)控制又分為微機(jī)控制系統(tǒng)、單片機(jī)控制裝置和專用控制板卡等，并且采用了復(fù)雜的控制算法。 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，在直流小功率電動(dòng)機(jī)調(diào)速中已經(jīng)成熟，在直流中、小功率方面正在迅速取代可控硅SCR直流調(diào)速系統(tǒng)，但在交流和大功率電動(dòng)機(jī)調(diào)速方面尚屬研究中。 電動(dòng)機(jī)調(diào)速的發(fā)展趨勢(shì)：微型化、智能化、一體化。,,6.3 電動(dòng)機(jī)控制接口技術(shù),本節(jié)主要內(nèi)容 1、小功率直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理 2、開環(huán)脈
3、沖寬度調(diào)速系統(tǒng) 3、閉環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng) 4、交流電動(dòng)機(jī)控制接口技術(shù),,6.3 電動(dòng)機(jī)控制接口技術(shù),6.3 電動(dòng)機(jī)控制接口技術(shù),一、 小功率直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理 1、脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation ）PWM原理 小功率直流電動(dòng)機(jī)由轉(zhuǎn)子和定子組成，定子可以是磁極或勵(lì)磁繞組。 其轉(zhuǎn)速與加在轉(zhuǎn)子電樞上的電壓Ua有關(guān)， Ua轉(zhuǎn)速V；所加電壓極性改變，則電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。 據(jù)此原理，通過改變電動(dòng)機(jī)電樞電壓接通和斷開的時(shí)間比（即占空比）來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種方法就稱為脈沖寬度調(diào)制PWM。,,設(shè)電機(jī)永遠(yuǎn)接通電源，其轉(zhuǎn)速最大為Vmax，設(shè)占空比為D=t1/T，則電機(jī)
4、的平均速度為,改變電樞電壓的極性，電機(jī)隨時(shí)改變轉(zhuǎn)向。,2、開環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng),按電路設(shè)計(jì)，0832的端口地址為3000H，PWM調(diào)速程序設(shè)計(jì)如下 DAMOD: MOV DPTR, #3000H ;指向0832 MOV A, #80H ;輸出0V電平 MOVX DPTR, A ACALL DELAY1 ;調(diào)用t2延時(shí)程序 MOV A, #0FFH ;輸出+5V電平 MOVX DPTR, A ACALL DELAY2 ;調(diào)用t1延時(shí)程序 AJMP DAMOD ;循環(huán)控制,利用89S51-0832結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)小功率直流電機(jī)開環(huán)PW
5、M調(diào)速的系統(tǒng),6.3 電動(dòng)機(jī)控制接口技術(shù),1、控制接口 圖中的第3、4兩部分 即為接口部分。,直流電機(jī)與微機(jī)的接口有以下4種方法： （1）光電隔離器+大功率場(chǎng)效應(yīng)管 適用于自己開發(fā)的系統(tǒng)，價(jià)格低 （2）固態(tài)繼電器 適用于自己開發(fā)的系統(tǒng)，價(jià)格低 （3）專用接口芯片 如L290、L291、L292等，價(jià)高、但可靠 （4）專用接口板 如7501、7502，主要用于STD或PC機(jī)系統(tǒng) 如用單片機(jī)控制，即可產(chǎn)生并輸出調(diào)制脈沖，再加上光電隔離器+大功率場(chǎng)效應(yīng)管，或者加上固態(tài)繼電器就構(gòu)成了接口部件和脈寬調(diào)速控制器。,二、開環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng),6.3 電動(dòng)機(jī)
6、控制接口技術(shù),雙向直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制原理 正轉(zhuǎn)：SW1、SW4閉合 反轉(zhuǎn)：SW2、SW3閉合 剎車：SW2、SW4閉合 （或SW1、SW3閉合） 滑行：SW1、SW2、SW3、 SW4全部斷開,,電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，控制模型為02H（PA1=1，PA0=0）； 電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，控制模型為01H； 電機(jī)剎車時(shí)，控制模型為03H； 電機(jī)滑行時(shí)，控制模型為00H。 PB口和PC口為輸入方式： PB口輸入8個(gè)開關(guān)提供的脈沖寬度給定值N； PC1口線的單刀雙擲開關(guān)提供啟?？刂疲琍C1=0為啟動(dòng)，PC1=1為停止； PC0口線的單刀雙擲開關(guān)提供正反轉(zhuǎn)向控制，PC0=0時(shí)正轉(zhuǎn)，PC0=1為反轉(zhuǎn)。,實(shí)例：一個(gè)
7、完整的雙向直流電機(jī)控制接口電路如下圖所示。 8155A口為輸出方式，電機(jī)工作狀態(tài)真值表和電機(jī)的控制模型如下表所示：,三態(tài)門在雙向端口中運(yùn)用時(shí)， 如圖所示，設(shè)置控制項(xiàng)， 當(dāng)控制項(xiàng)=1時(shí)，三態(tài)門呈高阻狀態(tài)，輸出無(wú)效。 當(dāng)控制項(xiàng)=0時(shí)，三態(tài)門呈正常高低電平的輸出狀態(tài)，輸出跟隨輸入。,,,,,控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：8155初始化；讀入給定值N、方向控 制標(biāo)志和啟?？刂茦?biāo)志。 流程圖如下：,ORG 8000H START：MOV DPTR，#0FD00H ；8155控制口 MOV A，#01H MOVX DPTR，A ；設(shè)置A口輸出，B、C口輸入 LOOP： MOV DPTR，#0FD02H ；
8、8155 B口 MOVX A，DPTR MOV 20H，A ；（20H）=N CPL A INC A MOV 21H，A ；（21H）=n-N，n=256 MOV DPTR，#0FD03H ；8155 C口 MOVX A，DPTR JB ACC.1，STOP JB ACC.0，INVERT MOV A，#02H ；正轉(zhuǎn) OUTPUT：MOV DPTR，#0FD01H ；8155 A口 MOVX DPTR，A,程序清單：,MOV 22H，20H ；延時(shí)t1 DELAY1：ACALL DELAY0 DJNZ 22H，DELAY1 MOV A，#00H ；滑行 MOVX DPTR，A MOV 23
9、H，21H ；延時(shí)t2 DELAY2：ACALL DELAY0 DJNZ 23H，DELAY2 AJMP LOOP STOP：MOV A，#03H ；剎車 MOV DPTR，#0FD01H MOVX DPTR，A AJMP LOOP INVERT：MOV A，#01H ；反轉(zhuǎn) AJMP OUTPUT DELAY0： ；軟件延時(shí)的單位時(shí)間,為了提高電動(dòng)機(jī)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)的精度，通常采用閉環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)。 閉環(huán)系統(tǒng)是在開環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了電動(dòng)機(jī)的速度檢測(cè)回路，意在將檢測(cè)到的速度與給定值比較，并由數(shù)字調(diào)節(jié)器（PID）進(jìn)行調(diào)節(jié)。其原理框圖如左圖所示。,三、 閉環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng),6.3 電動(dòng)
10、機(jī)控制接口技術(shù),2、采用固態(tài)繼電器與交流伺服電機(jī)的接口電路,,PC0=1，PC1=0，A相導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。 PC0=0，PC1=1，B相導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。 PC0=0，PC1=0，A相與B相均關(guān)閉，電動(dòng)機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)。 R4與電容C消除伺服電機(jī)關(guān)斷時(shí)的浪涌電壓。 光敏電阻R2和電阻R3組成過零檢測(cè)電路，產(chǎn)生雙向觸發(fā)脈沖。,1、交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的的特點(diǎn) 1）電流作正反兩個(gè)方向流動(dòng)；2）電壓較高（220V---380V）需要加光電隔離，常用交流固態(tài)繼電器。,四、 交流電動(dòng)機(jī)控制接口技術(shù),,本節(jié)內(nèi)容 1、步進(jìn)電機(jī)工作原理 2、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的接口及程序設(shè)計(jì) 3、步進(jìn)電機(jī)步數(shù)及速度的計(jì)算方法
11、4、步進(jìn)電機(jī)的變速控制,6.4 步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù),1步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)： 快速啟停； 步進(jìn)速率為2001000步秒； 步進(jìn)速率增加12倍，仍然不會(huì)失掉一步； 定位準(zhǔn)確，例如，先正轉(zhuǎn)24步，再反轉(zhuǎn)24步，電機(jī)將精確地回到原始的位置。 精度高，可以由每步90低到每步0.36； 能直接接收數(shù)字量。 2步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用： 步進(jìn)電機(jī)具有快速啟停，精確步進(jìn)以及能直接接收數(shù)字量的特點(diǎn)，在定位場(chǎng)合廣泛應(yīng)用。 如在繪圖機(jī)、打印機(jī)及光學(xué)儀器中，都采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)定位繪圖筆，印字頭或光學(xué)鏡頭。 在工業(yè)過程控制的位置控制系統(tǒng)中，做位移傳感器。 計(jì)算機(jī)的軟驅(qū)、光盤驅(qū)動(dòng)器，用步進(jìn)電機(jī)作精確定位。,6.4 步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)
12、,6.4.0 概述---步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用,641 步進(jìn)電機(jī)工作原理,圖6.4.1 步進(jìn)電機(jī)原理圖,,步進(jìn)電機(jī)實(shí)際上是一個(gè)數(shù)字角度轉(zhuǎn)換器，也是一個(gè)串行的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。,641 步進(jìn)電機(jī)工作原理,1步進(jìn)電機(jī)的構(gòu)成 （1）定子 有6個(gè)等分的磁極，A，A，B，B，C，C，相鄰兩個(gè)磁極間的夾角為60。相對(duì)的兩個(gè)磁極組成一相，如圖6.4.1所示的結(jié)構(gòu)為三相步進(jìn)電機(jī)(AA相，BB相，CC相)。當(dāng)某一繞組有電流通過時(shí)，該繞組相應(yīng)的兩個(gè)磁極立即形成N極和S極，每個(gè)磁極上各有5個(gè)均勻分布的矩形小齒。,,641 步進(jìn)電機(jī)工作原理,（2）轉(zhuǎn)子 沒有繞組，由40個(gè)矩形小齒均勻分布在圓周上，相鄰兩齒之間的夾角為9。當(dāng)某
13、相繞組通電時(shí)，對(duì)應(yīng)的磁極就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。若此時(shí)定子的小齒與轉(zhuǎn)子的小齒沒有對(duì)齊，則在磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒和定子齒對(duì)齊。由此可見，錯(cuò)齒是促使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因。,,6.4.1 步進(jìn)電機(jī)工作原理,2運(yùn)行 （1）A相通電時(shí),B、C兩相都不通電，在磁場(chǎng)的作用下，使轉(zhuǎn)子齒和A相的定子齒對(duì)齊。若以此作為初始狀態(tài)，設(shè)與A相磁極中心對(duì)齊 的轉(zhuǎn)子齒為0號(hào)齒; （2）由于B相磁極與A相磁極相差120，且120913 3/9 不為整數(shù)，所以，此時(shí)轉(zhuǎn)子齒不能與B相定子齒對(duì)齊，只是13號(hào)小齒靠近B相磁極的中心線，與中心線相差3，如果此時(shí)突然變?yōu)锽相通電，而A、C兩相都不通電，則
14、B相磁極迫使13號(hào)轉(zhuǎn)子齒與之對(duì)齊，整個(gè)轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)3，此時(shí)，稱電極走了一步。 (3) 按照ABCA順序通電一周，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)9。,,641 步進(jìn)電機(jī)工作原理,3.幾點(diǎn)說明 （1）步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因是錯(cuò)齒； （2） 齒距角= （Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)） （3） 步距角 式中，N=McC為運(yùn)行拍數(shù)，其中Mc為控制繞組相數(shù)；C為狀態(tài)系數(shù)。采用單三拍或雙三拍時(shí)，C=1，采用單六拍或雙六拍時(shí)，C2。 （4）通電一周，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距角，N為幾，一個(gè)齒距角分幾步走完。,轉(zhuǎn)子有40個(gè)齒且采用三拍方式的 步進(jìn)電機(jī)，其齒距角是,其步距角是,（1）、步進(jìn)電機(jī)與微機(jī)的接口電路 1）接口電路之一--
15、--無(wú)光電隔離 PCx=0導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)繞組通電 PCx=1截止，對(duì)應(yīng)繞組斷電,大功率復(fù)合管， 起開關(guān)作用。 為達(dá)林頓管,6.4.2. 步進(jìn)電機(jī)的控制,2）接口電路之二----有光電隔離 PCx=1導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)繞組通電 PCx=0截止，對(duì)應(yīng)繞組斷電,,,（2）三相六拍控制方式步進(jìn)電機(jī)控制的輸出字表,假定數(shù)據(jù)輸出為“1”時(shí)，相應(yīng)的繞組通電；為“0”時(shí)，相應(yīng)的繞組斷電。 若要控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，則按ADXlADX2ADX6和ADYlADY2 ADY6順序向PA口和PB口送輸出字即可； 若要控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，則按相反的順序送輸出字。,,AABBBCCCAA,,表 6-7 三相六拍控制方式輸出字表,
16、AABBBCCCAA,（3）步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì),對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，步數(shù)控制的目的是精確地到達(dá)指定的位置；速度的控制是通過單位時(shí)間的步數(shù)實(shí)現(xiàn)的，主要是計(jì)算相鄰兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間。 （1）步進(jìn)電機(jī)步數(shù)的確定 由給出的轉(zhuǎn)角或位移量，計(jì)算出步數(shù)。 1）轉(zhuǎn)角與步數(shù)的關(guān)系 如：用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)能夠旋轉(zhuǎn)10圈的電位器來(lái)調(diào)整電壓，假定調(diào)節(jié)范圍是0---10V，現(xiàn)在要求把電壓從2V升到2.1V，計(jì)算旋轉(zhuǎn)的步數(shù)N。 先計(jì)算需要轉(zhuǎn)過的角度X X=（2.12）*（（360*10）10）36 若用三相三拍方式控制，其步距角為3，所以步數(shù)N為 N=36/3=12（步）,括號(hào)內(nèi)為每1伏
17、電壓轉(zhuǎn)過的角度,6.4.3 步進(jìn)電機(jī)步數(shù)及速度的計(jì)算方法,2）同理可以求出位移量與步數(shù)之間的關(guān)系 先計(jì)算每轉(zhuǎn)一圈的位移量，再計(jì)算每一步的位移量，最后算總步數(shù)。 （2）步進(jìn)電機(jī)速度的確定 步進(jìn)電機(jī)速度控制的方法就是控制脈沖之間的時(shí)間間隔。只要速度給定，便可計(jì)算出脈沖之間的時(shí)間間隔。 如要求步進(jìn)電機(jī)2秒鐘轉(zhuǎn)10圈，則每一步需要的時(shí)間T為 T每圈時(shí)間每圈的步數(shù) （2000ms/10）（N*Zr） 200ms（3*2*40） 833s 只要在輸出一個(gè)脈沖后延時(shí)833s，即可滿足速度之要求。,,括號(hào)內(nèi)為每一圈的步數(shù),N=Mc*C,三相六拍,,多數(shù)任務(wù)都希望能盡
18、快地達(dá)到控制終點(diǎn)。 要求步進(jìn)電機(jī)的速率盡可能快一些。 速度太快，可能產(chǎn)生失步。 一般步進(jìn)電機(jī)對(duì)空載最高啟動(dòng)頻率 都有所限制。 帶負(fù)載時(shí)，它的啟動(dòng)頻率要低于最高空載啟動(dòng)頻率。 步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性：?jiǎn)?dòng)頻率越高，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越小，帶負(fù)載的能力越差。,,即電機(jī)每秒鐘轉(zhuǎn)過的角度和控制脈沖頻率相對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài),轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)不失步地步入同步狀態(tài)的最大控制脈沖頻率。,6.4.4 步進(jìn)電機(jī)的變速控制,幾種變速控制的方法。 1. 改變控制方式的變速控制 例如: 在三相步進(jìn)電機(jī)中，啟動(dòng)/停止時(shí)，用三相六拍，高速運(yùn)行時(shí)改用三相三拍的分配方式。,,2. 均勻改變脈沖時(shí)間間隔的變速控制 步進(jìn)電機(jī)的加速/減速控制，可用
19、均勻地改變脈沖時(shí)間間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)。 ( 即均勻地減少（或增加）延時(shí)程序中的延時(shí)時(shí)間常數(shù) )。 優(yōu)點(diǎn):由于延時(shí)的長(zhǎng)短不受限制，使步進(jìn)電機(jī)的工作頻率變化范圍較寬。,3. 采用定時(shí)器的變速控制 將定時(shí)器初始化，每隔一定的時(shí)間，向CPU申請(qǐng)一次中斷。CPU 響應(yīng)中斷后，便發(fā)出一次控制脈沖。只要均勻地改變定時(shí)器時(shí)間常數(shù)，即可達(dá)到均勻加速（或減速）的目的。,（1）變速方法之一----改變控制方式 如在三相步進(jìn)電機(jī)中，啟動(dòng)或停止時(shí)，用三相六拍控制，大約經(jīng)過0.1s后改為三相三拍控制。 （2）變速方法之二----改變脈沖時(shí)間間隔控制 剛啟動(dòng)時(shí)脈沖間隔長(zhǎng)，啟動(dòng)過程脈沖間隔均勻變短，直到速度達(dá)正常值
20、；停止時(shí)，在停止過程脈沖間隔均勻變短，直到停止。 DELY: PUSH BX PUSH CX MOV BX, 100 ;延時(shí)子程序 DELY1: MOV CX,10000 LOOP $ DEC BX JNZ DELY1 POP CX POP BX RET,DELY: PUSH BX PUSH CX MOV BX, NUM ;延時(shí)子程序 DELY1: MOV CX,10000 LOOP $ DEC BX JNZ DELY1 POP CX POP BX RET,,變延時(shí)程序段： NUMDB120 啟動(dòng)時(shí)NUM值不斷減小
21、，直至到1： DECNUM 停止時(shí)NUM值不斷增大，直至到120 ： INCNUM （3）變速方法之三----用定時(shí)器改變脈沖頻率控制 如用8253定時(shí)，啟動(dòng)時(shí)，初值不斷減小，使脈沖頻率不斷增加；停止時(shí)，初值不斷增大，使脈沖頻率不斷降低。,,DELY: PUSH BX PUSH CX MOV BX, NUM ;延時(shí)子程序 DELY1: MOV CX,10000 LOOP $ DEC BX JNZ DELY1 POP CX POP BX RET,,;讀取控制方向狀態(tài),使電機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng) ORG 0000H MOV SP,#5FH LOOP1: JB
22、 P3.0, LOOP0 ;判斷P3.0狀態(tài) MOV P1,#03H ;正轉(zhuǎn) LCALL DELY MOV P1,#06H LCALL DELY MOV P1,#0CH LCALL DELY MOV P1,#09H LCALL DELY SJMP LOOP1 LOOP0: MOV P1,#09H ;反轉(zhuǎn) LCALL DELY,,MOV P1,#0CH LCALL DELY MOV P1,#06H LCALL DELY MOV P1,#03H LCALL DELY SJMP LOOP1 DELY: MOV R2,#1H ;延時(shí)子程序 DELY2: MOV R3,#80H DELY3: MOV R4,#80H DELY1: DJNZ R4, DELY1 DJNZ R3, DELY3 DJNZ R2, DELY2 RET,,,
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