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计算机控制技术,第6章 顺序控制与数字程序控制,重点,电动机控制接口技术 步进电机控制接口技术 难点 交流电动机控制接口技术 步进电机与微机的接口及程序设计,第6章 顺序控制与数字程序控制,章节内容,微机顺序控制 开环数值控制 1、直线逐点比较法插补 2、圆弧逐点比较法插补,第6章 顺序控制与数字程序控制,6.3 电动机控制接口技术 1、小功率直流电动机调速原理 2、开环脉冲宽度调速系统 3、闭环脉冲宽度调速系统 4、交流电动机控制接口技术 6.4 步进电机控制接口技术 1、步进电机工作原理 2、步进电机的控制 3、步进电机步数及速度的计算方法 4、步进电机的变速控制,电动机控制技术概述 电动机是被广泛应用的原动机。 电动机的控制要求越来越高：启、停、逆转快速，调速快、准。 电动机控制器的发展： 电机控制元件经历了从交流放大器到磁放大器、可控离子变速器、可控硅、计算机控制。 计算机控制又分为微机控制系统、单片机控制装置和专用控制板卡等，并且采用了复杂的控制算法。 脉冲宽度调制技术，在直流小功率电动机调速中已经成熟，在直流中、小功率方面正在迅速取代可控硅SCR直流调速系统，但在交流和大功率电动机调速方面尚属研究中。 电动机调速的发展趋势：微型化、智能化、一体化。,6.3 电动机控制接口技术,本节主要内容 1、小功率直流电动机调速原理 2、开环脉冲宽度调速系统 3、闭环脉冲宽度调速系统 4、交流电动机控制接口技术,6.3 电动机控制接口技术,6.3 电动机控制接口技术,一、 小功率直流电动机调速原理 1、脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation ）PWM原理 小功率直流电动机由转子和定子组成，定子可以是磁极或励磁绕组。 其转速与加在转子电枢上的电压Ua有关， Ua转速V；所加电压极性改变，则电动机反转。 据此原理，通过改变电动机电枢电压接通和断开的时间比（即占空比）来控制电动机的转速，这种方法就称为脉冲宽度调制PWM。,设电机永远接通电源，其转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为,改变电枢电压的极性，电机随时改变转向。,2、开环PWM调速系统,按电路设计，0832的端口地址为3000H，PWM调速程序设计如下 DAMOD: MOV DPTR, #3000H ;指向0832 MOV A, #80H ;输出0V电平 MOVX DPTR, A ACALL DELAY1 ;调用t2延时程序 MOV A, #0FFH ;输出+5V电平 MOVX DPTR, A ACALL DELAY2 ;调用t1延时程序 AJMP DAMOD ;循环控制,利用89S51-0832结构实现小功率直流电机开环PWM调速的系统,6.3 电动机控制接口技术,1、控制接口 图中的第3、4两部分 即为接口部分。,直流电机与微机的接口有以下4种方法： （1）光电隔离器+大功率场效应管 适用于自己开发的系统，价格低 （2）固态继电器 适用于自己开发的系统，价格低 （3）专用接口芯片 如L290、L291、L292等，价高、但可靠 （4）专用接口板 如7501、7502，主要用于STD或PC机系统 如用单片机控制，即可产生并输出调制脉冲，再加上光电隔离器+大功率场效应管，或者加上固态继电器就构成了接口部件和脉宽调速控制器。,二、开环脉冲宽度调速系统,6.3 电动机控制接口技术,双向直流电动机转动控制原理 正转：SW1、SW4闭合 反转：SW2、SW3闭合 刹车：SW2、SW4闭合 （或SW1、SW3闭合） 滑行：SW1、SW2、SW3、 SW4全部断开,电机正转时，控制模型为02H（PA1=1，PA0=0）； 电机反转时，控制模型为01H； 电机刹车时，控制模型为03H； 电机滑行时，控制模型为00H。 PB口和PC口为输入方式： PB口输入8个开关提供的脉冲宽度给定值N； PC1口线的单刀双掷开关提供启停控制，PC1=0为启动，PC1=1为停止； PC0口线的单刀双掷开关提供正反转向控制，PC0=0时正转，PC0=1为反转。,实例：一个完整的双向直流电机控制接口电路如下图所示。 8155A口为输出方式，电机工作状态真值表和电机的控制模型如下表所示：,三态门在双向端口中运用时， 如图所示，设置控制项， 当控制项=1时，三态门呈高阻状态，输出无效。 当控制项=0时，三态门呈正常高低电平的输出状态，输出跟随输入。,控制系统软件设计：8155初始化；读入给定值N、方向控 制标志和启停控制标志。 流程图如下：,ORG 8000H START：MOV DPTR，#0FD00H ；8155控制口 MOV A，#01H MOVX DPTR，A ；设置A口输出，B、C口输入 LOOP： MOV DPTR，#0FD02H ；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 ；正转 OUTPUT：MOV DPTR，#0FD01H ；8155 A口 MOVX DPTR，A,程序清单：,MOV 22H，20H ；延时t1 DELAY1：ACALL DELAY0 DJNZ 22H，DELAY1 MOV A，#00H ；滑行 MOVX DPTR，A MOV 23H，21H ；延时t2 DELAY2：ACALL DELAY0 DJNZ 23H，DELAY2 AJMP LOOP STOP：MOV A，#03H ；刹车 MOV DPTR，#0FD01H MOVX DPTR，A AJMP LOOP INVERT：MOV A，#01H ；反转 AJMP OUTPUT DELAY0： ；软件延时的单位时间,为了提高电动机脉冲宽度调速系统的精度，通常采用闭环脉冲宽度调速系统。 闭环系统是在开环系统的基础上增加了电动机的速度检测回路，意在将检测到的速度与给定值比较，并由数字调节器（PID）进行调节。其原理框图如左图所示。,三、 闭环脉冲宽度调速系统,6.3 电动机控制接口技术,2、采用固态继电器与交流伺服电机的接口电路,PC0=1，PC1=0，A相导通，电动机正转。 PC0=0，PC1=1，B相导通，电动机反转。 PC0=0，PC1=0，A相与B相均关闭，电动机不运转。 R4与电容C消除伺服电机关断时的浪涌电压。 光敏电阻R2和电阻R3组成过零检测电路，产生双向触发脉冲。,1、交流电动机调速的的特点 1）电流作正反两个方向流动；2）电压较高（220V-380V）需要加光电隔离，常用交流固态继电器。,四、 交流电动机控制接口技术,本节内容 1、步进电机工作原理 2、步进电机控制系统的接口及程序设计 3、步进电机步数及速度的计算方法 4、步进电机的变速控制,6.4 步进电机控制接口技术,1步进电机的特点： 快速启停； 步进速率为2001000步秒； 步进速率增加12倍，仍然不会失掉一步； 定位准确，例如，先正转24步，再反转24步，电机将精确地回到原始的位置。 精度高，可以由每步90低到每步0.36； 能直接接收数字量。 2步进电机的应用： 步进电机具有快速启停，精确步进以及能直接接收数字量的特点，在定位场合广泛应用。 如在绘图机、打印机及光学仪器中，都采用步进电机来定位绘图笔，印字头或光学镜头。 在工业过程控制的位置控制系统中，做位移传感器。 计算机的软驱、光盘驱动器，用步进电机作精确定位。,6.4 步进电机控制接口技术,6.4.0 概述-步进电机的特点及应用,641 步进电机工作原理,图6.4.1 步进电机原理图,步进电机实际上是一个数字角度转换器，也是一个串行的数模转换器。,641 步进电机工作原理,1步进电机的构成 （1）定子 有6个等分的磁极，A，A，B，B，C，C，相邻两个磁极间的夹角为60。相对的两个磁极组成一相，如图6.4.1所示的结构为三相步进电机(AA相，BB相，CC相)。当某一绕组有电流通过时，该绕组相应的两个磁极立即形成N极和S极，每个磁极上各有5个均匀分布的矩形小齿。,641 步进电机工作原理,（2）转子 没有绕组，由40个矩形小齿均匀分布在圆周上，相邻两齿之间的夹角为9。当某相绕组通电时，对应的磁极就会产生磁场，并与转子形成磁路。若此时定子的小齿与转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子转动一定的角度，使转子齿和定子齿对齐。由此可见，错齿是促使步进电机旋转的根本原因。,6.4.1 步进电机工作原理,2运行 （1）A相通电时,B、C两相都不通电，在磁场的作用下，使转子齿和A相的定子齿对齐。若以此作为初始状态，设与A相磁极中心对齐 的转子齿为0号齿; （2）由于B相磁极与A相磁极相差120，且120913 3/9 不为整数，所以，此时转子齿不能与B相定子齿对齐，只是13号小齿靠近B相磁极的中心线，与中心线相差3，如果此时突然变为B相通电，而A、C两相都不通电，则B相磁极迫使13号转子齿与之对齐，整个转子就转动3，此时，称电极走了一步。 (3) 按照ABCA顺序通电一周，则转子转动9。,641 步进电机工作原理,3.几点说明 （1）步进电机旋转的根本原因是错齿； （2） 齿距角= （Zr为转子齿数） （3） 步距角 式中，N=McC为运行拍数，其中Mc为控制绕组相数；C为状态系数。采用单三拍或双三拍时，C=1，采用单六拍或双六拍时，C2。 （4）通电一周，转子转过一个齿距角，N为几，一个齿距角分几步走完。,转子有40个齿且采用三拍方式的 步进电机，其齿距角是,其步距角是,（1）、步进电机与微机的接口电路 1）接口电路之一-无光电隔离 PCx=0导通，对应绕组通电 PCx=1截止，对应绕组断电,大功率复合管， 起开关作用。 为达林顿管,6.4.2. 步进电机的控制,2）接口电路之二-有光电隔离 PCx=1导通，对应绕组通电 PCx=0截止，对应绕组断电,（2）三相六拍控制方式步进电机控制的输出字表,假定数据输出为“1”时，相应的绕组通电；为“0”时，相应的绕组断电。 若要控制步进电机正转，则按ADXlADX2ADX6和ADYlADY2 ADY6顺序向PA口和PB口送输出字即可； 若要控制步进电机反转，则按相反的顺序送输出字。,AABBBCCCAA,表 6-7 三相六拍控制方式输出字表,AABBBCCCAA,（3）步进电机控制程序设计,对步进电机的控制，步数控制的目的是精确地到达指定的位置；速度的控制是通过单位时间的步数实现的，主要是计算相邻两个脉冲之间的时间。 （1）步进电机步数的确定 由给出的转角或位移量，计算出步数。 1）转角与步数的关系 如：用步进电机带动一个能够旋转10圈的电位器来调整电压，假定调节范围是0-10V，现在要求把电压从2V升到2.1V，计算旋转的步数N。 先计算需要转过的角度X X=（2.12）*（360*10）10）36 若用三相三拍方式控制，其步距角为3，所以步数N为 N=36/3=12（步）,括号内为每1伏电压转过的角度,6.4.3 步进电机步数及速度的计算方法,2）同理可以求出位移量与步数之间的关系 先计算每转一圈的位移量，再计算每一步的位移量，最后算总步数。 （2）步进电机速度的确定 步进电机速度控制的方法就是控制脉冲之间的时间间隔。只要速度给定，便可计算出脉冲之间的时间间隔。 如要求步进电机2秒钟转10圈，则每一步需要的时间T为 T每圈时间每圈的步数 （2000ms/10）（N*Zr） 200ms（3*2*40） 833s 只要在输出一个脉冲后延时833s，即可满足速度之要求。,括号内为每一圈的步数,N=Mc*C,三相六拍,多数任务都希望能尽快地达到控制终点。 要求步进电机的速率尽可能快一些。 速度太快，可能产生失步。 一般步进电机对空载最高启动频率 都有所限制。 带负载时，它的启动频率要低于最高空载启动频率。 步进电机的矩频特性：启动频率越高，启动转矩越小，带负载的能力越差。,即电机每秒钟转过的角度和控制脉冲频率相对应的工作状态,转子从静止状态不失步地步入同步状态的最大控制脉冲频率。,6.4.4 步进电机的变速控制,几种变速控制的方法。 1. 改变控制方式的变速控制 例如: 在三相步进电机中，启动/停止时，用三相六拍，高速运行时改用三相三拍的分配方式。,2. 均匀改变脉冲时间间隔的变速控制 步进电机的加速/减速控制，可用均匀地改变脉冲时间间隔来实现。 ( 即均匀地减少（或增加）延时程序中的延时时间常数 )。 优点:由于延时的长短不受限制，使步进电机的工作频率变化范围较宽。,3. 采用定时器的变速控制 将定时器初始化，每隔一定的时间，向CPU申请一次中断。CPU 响应中断后，便发出一次控制脉冲。只要均匀地改变定时器时间常数，即可达到均匀加速（或减速）的目的。,（1）变速方法之一-改变控制方式 如在三相步进电机中，启动或停止时，用三相六拍控制，大约经过0.1s后改为三相三拍控制。 （2）变速方法之二-改变脉冲时间间隔控制 刚启动时脉冲间隔长，启动过程脉冲间隔均匀变短，直到速度达正常值；停止时，在停止过程脉冲间隔均匀变短，直到停止。 DELY: PUSH BX PUSH CX MOV BX, 100 ;延时子程序 DELY1: MOV CX,10000 LOOP $ DEC BX JNZ DELY1 POP CX POP BX RET,DELY: PUSH BX PUSH CX MOV BX, NUM ;延时子程序 DELY1: MOV CX,10000 LOOP $ DEC BX JNZ DELY1 POP CX POP BX RET,变延时程序段： NUMDB120 启动时NUM值不断减小，直至到1： DECNUM 停止时NUM值不断增大，直至到120 ： INCNUM （3）变速方法之三-用定时器改变脉冲频率控制 如用8253定时，启动时，初值不断减小，使脉冲频率不断增加；停止时，初值不断增大，使脉冲频率不断降低。,DELY: PUSH BX PUSH CX MOV BX, NUM ;延时子程序 DELY1: MOV CX,10000 LOOP $ DEC BX JNZ DELY1 POP CX POP BX RET,;读取控制方向状态,使电机正反转动 ORG 0000H MOV SP,#5FH LOOP1: JB P3.0, LOOP0 ;判断P3.0状态 MOV P1,#03H ;正转 LCALL DELY MOV P1,#06H LCALL DELY MOV P1,#0CH LCALL DELY MOV P1,#09H LCALL DELY SJMP LOOP1 LOOP0: MOV P1,#09H ;反转 LCALL DELY,MOV P1,#0CH LCALL DELY MOV P1,#06H LCALL DELY MOV P1,#03H LCALL DELY SJMP LOOP1 DELY: MOV R2,#1H ;延时子程序 DELY2: MOV R3,#80H DELY3: MOV R4,#80H DELY1: DJNZ R4, DELY1 DJNZ R3, DELY3 DJNZ R2, DELY2 RET,
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