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1、計算機控制技術,第6章 順序控制與數(shù)字程序控制,重點,電動機控制接口技術 步進電機控制接口技術 難點 交流電動機控制接口技術 步進電機與微機的接口及程序設計,第6章 順序控制與數(shù)字程序控制,章節(jié)內容,微機順序控制 開環(huán)數(shù)值控制 1、直線逐點比較法插補 2、圓弧逐點比較法插補,第6章 順序控制與數(shù)字程序控制,6.3 電動機控制接口技術 1、小功率直流電動機調速原理 2、開環(huán)脈沖寬度調速系統(tǒng) 3、閉環(huán)脈沖寬度調速系統(tǒng) 4、交流電動機控制接口技術 6.4 步進電機控制接口技術 1、步進電機工作原理 2、步進電機的控制 3、步進電機步數(shù)及速度的計算方法 4、步進電機的變速控制,電動機控制技術概述
2、電動機是被廣泛應用的原動機。 電動機的控制要求越來越高：啟、停、逆轉快速，調速快、準。 電動機控制器的發(fā)展： 電機控制元件經歷了從交流放大器到磁放大器、可控離子變速器、可控硅、計算機控制。 計算機控制又分為微機控制系統(tǒng)、單片機控制裝置和專用控制板卡等，并且采用了復雜的控制算法。 脈沖寬度調制技術，在直流小功率電動機調速中已經成熟，在直流中、小功率方面正在迅速取代可控硅SCR直流調速系統(tǒng)，但在交流和大功率電動機調速方面尚屬研究中。 電動機調速的發(fā)展趨勢：微型化、智能化、一體化。,,6.3 電動機控制接口技術,本節(jié)主要內容 1、小功率直流電動機調速原理 2、開環(huán)脈
3、沖寬度調速系統(tǒng) 3、閉環(huán)脈沖寬度調速系統(tǒng) 4、交流電動機控制接口技術,,6.3 電動機控制接口技術,6.3 電動機控制接口技術,一、 小功率直流電動機調速原理 1、脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation ）PWM原理 小功率直流電動機由轉子和定子組成，定子可以是磁極或勵磁繞組。 其轉速與加在轉子電樞上的電壓Ua有關， Ua轉速V；所加電壓極性改變，則電動機反轉。 據(jù)此原理，通過改變電動機電樞電壓接通和斷開的時間比（即占空比）來控制電動機的轉速，這種方法就稱為脈沖寬度調制PWM。,,設電機永遠接通電源，其轉速最大為Vmax，設占空比為D=t1/T，則電機
4、的平均速度為,改變電樞電壓的極性，電機隨時改變轉向。,2、開環(huán)PWM調速系統(tǒng),按電路設計，0832的端口地址為3000H，PWM調速程序設計如下 DAMOD: MOV DPTR, #3000H ;指向0832 MOV A, #80H ;輸出0V電平 MOVX DPTR, A ACALL DELAY1 ;調用t2延時程序 MOV A, #0FFH ;輸出+5V電平 MOVX DPTR, A ACALL DELAY2 ;調用t1延時程序 AJMP DAMOD ;循環(huán)控制,利用89S51-0832結構實現(xiàn)小功率直流電機開環(huán)PW
5、M調速的系統(tǒng),6.3 電動機控制接口技術,1、控制接口 圖中的第3、4兩部分 即為接口部分。,直流電機與微機的接口有以下4種方法： （1）光電隔離器+大功率場效應管 適用于自己開發(fā)的系統(tǒng)，價格低 （2）固態(tài)繼電器 適用于自己開發(fā)的系統(tǒng)，價格低 （3）專用接口芯片 如L290、L291、L292等，價高、但可靠 （4）專用接口板 如7501、7502，主要用于STD或PC機系統(tǒng) 如用單片機控制，即可產生并輸出調制脈沖，再加上光電隔離器+大功率場效應管，或者加上固態(tài)繼電器就構成了接口部件和脈寬調速控制器。,二、開環(huán)脈沖寬度調速系統(tǒng),6.3 電動機
6、控制接口技術,雙向直流電動機轉動控制原理 正轉：SW1、SW4閉合 反轉：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,,電機正轉時，控制模型為02H（PA1=1，PA0=0）； 電機反轉時，控制模型為01H； 電機剎車時，控制模型為03H； 電機滑行時，控制模型為00H。 PB口和PC口為輸入方式： PB口輸入8個開關提供的脈沖寬度給定值N； PC1口線的單刀雙擲開關提供啟停控制，PC1=0為啟動，PC1=1為停止； PC0口線的單刀雙擲開關提供正反轉向控制，PC0=0時正轉，PC0=1為反轉。,實例：一個
7、完整的雙向直流電機控制接口電路如下圖所示。 8155A口為輸出方式，電機工作狀態(tài)真值表和電機的控制模型如下表所示：,三態(tài)門在雙向端口中運用時， 如圖所示，設置控制項， 當控制項=1時，三態(tài)門呈高阻狀態(tài)，輸出無效。 當控制項=0時，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)軟件設計：8155初始化；讀入給定值N、方向控 制標志和啟停控制標志。 流程圖如下：,ORG 8000H START：MOV DPTR，#0FD00H ；8155控制口 MOV A，#01H MOVX DPTR，A ；設置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 OUTPUT：MOV DPTR，#0FD01H ；8155 A口 MOVX DPTR，A,程序清單：,MOV 22H，20H ；延時t1 DELAY1：ACALL DELAY0 DJNZ 22H，DELAY1 MOV A，#00H ；滑行 MOVX DPTR，A MOV 23
9、H，21H ；延時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 AJMP OUTPUT DELAY0： ；軟件延時的單位時間,為了提高電動機脈沖寬度調速系統(tǒng)的精度，通常采用閉環(huán)脈沖寬度調速系統(tǒng)。 閉環(huán)系統(tǒng)是在開環(huán)系統(tǒng)的基礎上增加了電動機的速度檢測回路，意在將檢測到的速度與給定值比較，并由數(shù)字調節(jié)器（PID）進行調節(jié)。其原理框圖如左圖所示。,三、 閉環(huán)脈沖寬度調速系統(tǒng),6.3 電動
10、機控制接口技術,2、采用固態(tài)繼電器與交流伺服電機的接口電路,,PC0=1，PC1=0，A相導通，電動機正轉。 PC0=0，PC1=1，B相導通，電動機反轉。 PC0=0，PC1=0，A相與B相均關閉，電動機不運轉。 R4與電容C消除伺服電機關斷時的浪涌電壓。 光敏電阻R2和電阻R3組成過零檢測電路，產生雙向觸發(fā)脈沖。,1、交流電動機調速的的特點 1）電流作正反兩個方向流動；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、 交流電動機控制接口技術,,本節(jié)內容 1、步進電機工作原理 2、步進電機控制系統(tǒng)的接口及程序設計 3、步進電機步數(shù)及速度的計算方法
11、4、步進電機的變速控制,6.4 步進電機控制接口技術,1步進電機的特點： 快速啟停； 步進速率為2001000步秒； 步進速率增加12倍，仍然不會失掉一步； 定位準確，例如，先正轉24步，再反轉24步，電機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步進電機的應用： 步進電機具有快速啟停，精確步進以及能直接接收數(shù)字量的特點，在定位場合廣泛應用。 如在繪圖機、打印機及光學儀器中，都采用步進電機來定位繪圖筆，印字頭或光學鏡頭。 在工業(yè)過程控制的位置控制系統(tǒng)中，做位移傳感器。 計算機的軟驅、光盤驅動器，用步進電機作精確定位。,6.4 步進電機控制接口技術
12、,6.4.0 概述---步進電機的特點及應用,641 步進電機工作原理,圖6.4.1 步進電機原理圖,,步進電機實際上是一個數(shù)字角度轉換器，也是一個串行的數(shù)模轉換器。,641 步進電機工作原理,1步進電機的構成 （1）定子 有6個等分的磁極，A，A，B，B，C，C，相鄰兩個磁極間的夾角為60。相對的兩個磁極組成一相，如圖6.4.1所示的結構為三相步進電機(AA相，BB相，CC相)。當某一繞組有電流通過時，該繞組相應的兩個磁極立即形成N極和S極，每個磁極上各有5個均勻分布的矩形小齒。,,641 步進電機工作原理,（2）轉子 沒有繞組，由40個矩形小齒均勻分布在圓周上，相鄰兩齒之間的夾角為9。當某
13、相繞組通電時，對應的磁極就會產生磁場，并與轉子形成磁路。若此時定子的小齒與轉子的小齒沒有對齊，則在磁場的作用下，轉子轉動一定的角度，使轉子齒和定子齒對齊。由此可見，錯齒是促使步進電機旋轉的根本原因。,,6.4.1 步進電機工作原理,2運行 （1）A相通電時,B、C兩相都不通電，在磁場的作用下，使轉子齒和A相的定子齒對齊。若以此作為初始狀態(tài)，設與A相磁極中心對齊 的轉子齒為0號齒; （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，此時轉子齒不能與B相定子齒對齊，只是13號小齒靠近B相磁極的中心線，與中心線相差3，如果此時突然變?yōu)锽相通電，而A、C兩相都不通電，則
14、B相磁極迫使13號轉子齒與之對齊，整個轉子就轉動3，此時，稱電極走了一步。 (3) 按照ABCA順序通電一周，則轉子轉動9。,,641 步進電機工作原理,3.幾點說明 （1）步進電機旋轉的根本原因是錯齒； （2） 齒距角= （Zr為轉子齒數(shù)） （3） 步距角 式中，N=McC為運行拍數(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，C=1，采用單六拍或雙六拍時，C2。 （4）通電一周，轉子轉過一個齒距角，N為幾，一個齒距角分幾步走完。,轉子有40個齒且采用三拍方式的 步進電機，其齒距角是,其步距角是,（1）、步進電機與微機的接口電路 1）接口電路之一--
15、--無光電隔離 PCx=0導通，對應繞組通電 PCx=1截止，對應繞組斷電,大功率復合管， 起開關作用。 為達林頓管,6.4.2. 步進電機的控制,2）接口電路之二----有光電隔離 PCx=1導通，對應繞組通電 PCx=0截止，對應繞組斷電,,,（2）三相六拍控制方式步進電機控制的輸出字表,假定數(shù)據(jù)輸出為“1”時，相應的繞組通電；為“0”時，相應的繞組斷電。 若要控制步進電機正轉，則按ADXlADX2ADX6和ADYlADY2 ADY6順序向PA口和PB口送輸出字即可； 若要控制步進電機反轉，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）步進電機控制程序設計,對步進電機的控制，步數(shù)控制的目的是精確地到達指定的位置；速度的控制是通過單位時間的步數(shù)實現(xiàn)的，主要是計算相鄰兩個脈沖之間的時間。 （1）步進電機步數(shù)的確定 由給出的轉角或位移量，計算出步數(shù)。 1）轉角與步數(shù)的關系 如：用步進電機帶動一個能夠旋轉10圈的電位器來調整電壓，假定調節(jié)范圍是0---10V，現(xiàn)在要求把電壓從2V升到2.1V，計算旋轉的步數(shù)N。 先計算需要轉過的角度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）,括號內為每1伏
17、電壓轉過的角度,6.4.3 步進電機步數(shù)及速度的計算方法,2）同理可以求出位移量與步數(shù)之間的關系 先計算每轉一圈的位移量，再計算每一步的位移量，最后算總步數(shù)。 （2）步進電機速度的確定 步進電機速度控制的方法就是控制脈沖之間的時間間隔。只要速度給定，便可計算出脈沖之間的時間間隔。 如要求步進電機2秒鐘轉10圈，則每一步需要的時間T為 T每圈時間每圈的步數(shù) （2000ms/10）（N*Zr） 200ms（3*2*40） 833s 只要在輸出一個脈沖后延時833s，即可滿足速度之要求。,,括號內為每一圈的步數(shù),N=Mc*C,三相六拍,,多數(shù)任務都希望能盡
18、快地達到控制終點。 要求步進電機的速率盡可能快一些。 速度太快，可能產生失步。 一般步進電機對空載最高啟動頻率 都有所限制。 帶負載時，它的啟動頻率要低于最高空載啟動頻率。 步進電機的矩頻特性：啟動頻率越高，啟動轉矩越小，帶負載的能力越差。,,即電機每秒鐘轉過的角度和控制脈沖頻率相對應的工作狀態(tài),轉子從靜止狀態(tài)不失步地步入同步狀態(tài)的最大控制脈沖頻率。,6.4.4 步進電機的變速控制,幾種變速控制的方法。 1. 改變控制方式的變速控制 例如: 在三相步進電機中，啟動/停止時，用三相六拍，高速運行時改用三相三拍的分配方式。,,2. 均勻改變脈沖時間間隔的變速控制 步進電機的加速/減速控制，可用
19、均勻地改變脈沖時間間隔來實現(xiàn)。 ( 即均勻地減少（或增加）延時程序中的延時時間常數(shù) )。 優(yōu)點:由于延時的長短不受限制，使步進電機的工作頻率變化范圍較寬。,3. 采用定時器的變速控制 將定時器初始化，每隔一定的時間，向CPU申請一次中斷。CPU 響應中斷后，便發(fā)出一次控制脈沖。只要均勻地改變定時器時間常數(shù)，即可達到均勻加速（或減速）的目的。,（1）變速方法之一----改變控制方式 如在三相步進電機中，啟動或停止時，用三相六拍控制，大約經過0.1s后改為三相三拍控制。 （2）變速方法之二----改變脈沖時間間隔控制 剛啟動時脈沖間隔長，啟動過程脈沖間隔均勻變短，直到速度達正常值
20、；停止時，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 ;延時子程序 DELY1: MOV CX,10000 LOOP $ DEC BX JNZ DELY1 POP CX POP BX RET,,變延時程序段： NUMDB120 啟動時NUM值不斷減小
21、，直至到1： DECNUM 停止時NUM值不斷增大，直至到120 ： INCNUM （3）變速方法之三----用定時器改變脈沖頻率控制 如用8253定時，啟動時，初值不斷減小，使脈沖頻率不斷增加；停止時，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),使電機正反轉動 ORG 0000H MOV SP,#5FH LOOP1: JB
22、 P3.0, LOOP0 ;判斷P3.0狀態(tài) MOV P1,#03H ;正轉 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 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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