第六章--计算机控制系统的硬件设计课件

第六章第六章 计算机控制系统的硬件设计计算机控制系统的硬件设计第一节第一节 常用计算机控制系统主机模式常用计算机控制系统主机模式第二节第二节 过程通道设计与人过程通道设计与人-机接口机接口第三节第三节 常用执行器常用执行器第一节第一节 常用计算机控制系统主机模式常用计算机控制系统主机模式一、工业控制计算机一、工业控制计算机 工业控制计算机充分利用了计算机系统的硬件和操作环境，配以模块化的硬件板卡，如处理器模板、开关量模板、模拟量I/O模板、定时/计数模板、通信模板等基本模板，就可以组成中、小规模的控制系统。工业控制计算机在许多方面优于普通计算机，它具备抗电磁干扰、防振、防潮、耐高温等性能，可实现各种恶劣环境下控制系统的可靠运行。1工业控制计算机的组成 （1）主机板。主机板是工控机的核心部件，目前有80486、80586、Pentium系列等各类主机板，板上所有元件性能都达到了工业级标准，并且是一体化主板。工控机采用标准总线，内部总线主要包括：ISA总线、PCI总线等，外部总线主要包括RS-232C、RS-485、IEEE-488和USB总线等。（2）各类输入/输出接口模板。输入/输出模板是工控机和生产过程之间进行信息传递和交换的通道。目前，各类输入/输出模板种类齐全，包括：模拟量输入（AI）、模拟量输出（AO）、数字量输入（DI）、数字量输出（DO）等。（3）人-机接口。人-机接口包括显示器、键盘、鼠标、打印机以及专用操作显示台等。（4）硬盘。目前工控机的硬盘容量有20G、40G或更大。（5）工业电源。工业控制计算机电源部分具有防浪涌冲击、过压过流保护功能，并且抗干扰能力强。（6）加固型工业机箱。由于工控机应用于较恶劣的工业现场环境，因此对机箱采取了一系列加固措施，以达到防振、防冲击、防尘、通风散热性能良好，并具有较强的电磁屏蔽能力。2工业控制计算机的特点（1）具有较完善的过程通道。（2）具有比较完善的中断系统和高速数据通道。（3）具有高可靠性。（4）具有人机联系功能。（5）能够实现复杂的控制算法。（6）具有适于控制用的软件系统。二、可编程序逻辑控制器二、可编程序逻辑控制器 1可编程序逻辑控制器的基本概念 可编程序逻辑控制器，简称PLC，是一种专门为在工业环境下应用而设计的一类控制器。它采用可以编制程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。2可编程序逻辑控制器的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强。（2）配套齐全，功能完善，适用性强。（3）易学易用，深受工程技术人员欢迎。（4）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。（5）体积小，重量轻，能耗低。3PLC的分类 从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些单元组合成一个不可拆分的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存模块、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。三、单片机与嵌入式控制器三、单片机与嵌入式控制器1单片机控制系统 单片微型计算机简称单片机，它是在一块芯片上集成了中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、定时器/计数器和输入/输出（I/O）接口（并行I/O口、串行I/O口）等。它们之间互相连接构成了一个有机的整体，可见单片机就是一类计算机。以单片机为核心，扩展一些必要的外围电路就可方便的构成单片机控制系统。这样设计的控制系统，是针对控制要求的专用最小系统。2嵌入式系统的基本概念 嵌入式系统是将专用微型计算机嵌入被控设备中的专用计算机系统，适用于应用系统对体积、功能、可靠性、成本、功耗等综合性能要求严格的场合。3嵌入式处理器的特点 （1）对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度。（2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能。同时，存储区强大的保护功能也有利于软件诊断。（3）可扩展的处理器结构。能迅速地扩展出满足应用的高性能嵌入式微处理器。（4）嵌入式微处理器的功耗很低。低功耗是有些应用系统必须的，尤其是用于便携式的无线及移动控制和通信设备中的靠电池供电的嵌入式系统更是如此。4嵌入式微控制器 嵌入式微控制器（Microcontroller Unit，简称MCU）一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片内部集成了ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O口、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FLASH RAM、EEPROM等各种必要功能部件和外设。四、数字信号处理器四、数字信号处理器DSP 数字信号处理技术是当今的一个热门领域，世界上各大半导体公司纷纷推出适用于不同场合的DSP芯片。在控制领域，比较有代表性的是TI公司的 TMS320F240 x系列。五、五、ARM处理器处理器 ARM（Advanced RISC Machines），既可以认为是一个公司的名称，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名词。ARM微处理器的特点：（1）体积小、低功耗、低成本、高性能。（2）支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好地兼容8位/16位器件。（3）大量使用寄存器，指令执行速度更快。（4）大多数数据操作都在寄存器中完成。（5）寻址方式灵活简单，执行效率高。（6）指令长度固定。第二节第二节 过程通道设计与人机接口过程通道设计与人机接口 过程通道根据信息的来源和类型不同，可分为模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、数字量输出通道四种。一、数字量输入通道设计1数字量输入通道的结构2数字量输入通道的信号调理（1）电平转换及其整形电路图6-2 电平转换电路74LS14图6-3 波形整形电路74LS04CC4049（2）输入保护电路图6-4 输入保护电路（3）开关量消抖电路图6-5 开关量消抖电路（4）开关量隔离电路 光电耦合器是一种常用且有效的电隔离手段，由于它价格低廉，可靠性高，所以被广泛应用于现场输入设备与计算机系统之间的隔离保护。图6-6 光电隔离及电平转换电路 二、数字量输出通道设计1数字量输出通道结构CPUI/O接口电路（锁存器）隔离隔离隔离驱动驱动TTLC/T继电器可控硅触点输出无触点输出电平输出PWM输出隔离图6-7 数字量输出通道结构 2.输出驱动电路图6-9 继电器式开关量输出电路 图6-8 低压小功率开关量输出电路 三、模拟量输入通道设计1模拟量输入通道结构图6-10 模拟量输入通道的结构 模拟量输入通道一般由I/V变换、多路转换器、采样保持器（S/H）、A/D转换器、接口及控制逻辑电路组成。2I/V变换（1）无源I/V变换。图6-11 无源I/V变换原理图（2）有源I/V变换。图6-12 有源I/V变换原理图 3多路开关 多路开关也称为多路转换器或采样开关，它的作用是将输入信号按一定顺序送到放大器或采样保持器。为了提高过程参数的测量精度，系统对多路开关也提出了较高的要求。理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其导通时的电阻为零。此外，还应具备切换速度快、噪声小、寿命长、工作可靠等特点。4采样保持器 在模拟量输入通道中，A/D转换器将模拟信号转换成数字量需要一定的时间，完成一次A/D转换所需的时间称为孔径时间。对于随时间变化的模拟信号来说，孔径时间决定了每个采样时刻的最大转换误差。如果被采样的模拟信号变化频率相对于A/D转换器的速度来说比较高，为了保证转换精度，就需要在A/D转换之前加上采样保持电路，使得在A/D转换期间保持输入模拟信号不变。5A/D转换器及其接口A/D转换器的主要技术参数 分辨率。分辨率是指A/D转换器的最低输出位所代表的数值，通常用转换后数字量的位数表示，如8位、10位、12位、16位等。分辨率越高，转换时对输入模拟信号的反应就越灵敏。例如分辨率为8位表示它可以对满量程的1/281/256的增量做出反应。量程。量程是指所能转换的电压范围，如5V、10V等。转换精度。转换精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度，有绝对精度与相对精度两种表示方法。转换时间。转换时间是指启动A/D转换到转换结束所需的时间。A/D转换器接口设计的注意事项 启动A/D转换的方法。A/D转换器的起动方式分为自动转换和外部使能控制。多数A/D芯片属于后者，这时要先给出A/D转换器的片选信号，再给出启动转换信号。信号形式有两种：电平启动信号和脉冲启动信号。电平启动信号要求在整个转换过程中都必须保证启动信号有效。如果中途撤走启动信号，就会停止转换而得到错误结果。脉冲信号启动是用其前沿复位ADC，后沿用于启动转换，对脉冲的宽度也有不同的要求，通常用CPU执行输出指令时发生的片选信号和写信号共同产生启动脉冲。模拟量输入方式。A/D转换器的输入模拟电压可以是单极性的，也可以是差动的。差动输入的芯片，如ADC0804，常用VIN(+)、VIN(-)或IN(+)、IN(-)一类标号注明输入端。如果用单端输入的是正向信号，则把VIN(-)接地，信号加到VIN(+)端；如果用单端输入的是负向信号，则把VIN(+)接地，信号加在VIN(-)端；如果用差动输入，则模拟信号加到VIN(-)端和VIN(+)端之间。数据输出级和系统总线的连接。A/D转换器一般有两种输出方式。一种是具有可控的三态输出门，这种芯片的输出端可以直接和系统总线连接，由读信号控制三态门，在转换结束后，CPU通过执行一条指令，从而产生读信号，将数据从A/D转换器中取出，如ADC0809。另一种是内部有三态输出门，但其不受外部控制，而是由A/D转换电路在转换结束时自动选通。此外，还有某些A/D转换器甚至根本没有三态输出门电路。在这种情况下，A/D转换器的数据输出线不能直接和系统的数据总线相连，而是必须通过I/O接口来实现A/D转换器和CPU之间的数据传输。ADC和CPU的时序配合。在A/D转换器和CPU连接时，最重要的问题是时序配合问题。A/D转换器从接到启动命令到完成转换给出结果数据总是需要一定的转换时间，一般来说快者几微秒，慢者几十甚至几百毫秒，这与CPU的指令周期相比长得多。为了得到正确的转换结果，必须解决启动转换和读取结果数据这两步操作之间的时序配合问题。a.延时等待法。CPU产生启动信号后，在软件上延时一段时间后，直接读取转换结果。通常软件延时的时间略大于A/D转换所需的转换时间。这种方法接口简单，但等待时间内CPU不能去做其它的工作，浪费了CPU的资源，因此这种方法比较适用于转换快的A/D转换器。b.保持等待法。许多CPU为了同低速度的存储器和I/O设备配合工作，提供一个输入准备就绪信号READY。当READY为高电平时，CPU执行指令周期；当READY为低电平时，机器自动插入等待周期TW，CPU停止工作处于等待状态。因此，可以将ADC的转换结束信号EOC与CPU的READY信号相连，一旦转换结束就通知CPU读取转换结果。这种方法的优点是能在最短的时间内及时读到转换结果。c.查询法。当读取转换结果数据的实时性要求不是很高时，可以采用查询的方法。启动A/D转换后，在适当的时候再去查询A/D转换结束信号的状态，以判断转换是否结束。如果转换结束，对ADC执行一条输入指令，读取转换结果；如果转换没有结束，可以去执行其它任务或等待进行下一次的查询。d.中断响应法。CPU向ADC发出启动转换信号后，在等待转换完成的时间内，可以继续执行其它任务，当转换结束时，ADC发出的转换结束信号向CPU申请中断，CPU响应中断，在中断服务程序中读取转换结果。这可以作为选择模拟量输入通道各元件的条件之一。这里主要介绍A/D转换器的字长选择。利用输入信号的动态范围确定字长。设输入信号的最大值和最小值之差为：mV 式中为A/D转换器的字长，为转换当量V/bit。则动态范围为：因此，A/D转换器字长应为：利用分辨率确定字长。有时对A/D转换器的字长要求以分辨率形式给出。分辨率定义为：四、模拟量输出通道设计四、模拟量输出通道设计1模拟量输出通道的结构形式（1）多个通路设置独立D/A转换器的结构形式。这是一种数字保持方案。（2）多个通路共享D/A转换器的结构形式。这种形式采用的是模拟保持方案。2D/A转换器及其接口 模拟量输出通道的核心是数/模转换器(Digital/Analog Converter)，简称D/A转换器或DAC。它是一种将数字量转换成模拟量的器件。D/A转换器的技术指标 分辨率。通常用D/A转换器输入的二进制数的位数来表示分辨率，如8位、12位等。分辨率为n位，表示D/A转换器输入二进制数的最低有效位LSB是满量程输出的1/2n。建立时间。输入数字信号的变化是满量程时，输出模拟信号达到离终值相差所需的时间，一般为微秒级。转换线性度。通常给出的是在一定温度下的最大非线性度，一般的D/A转换器为0.01%0.03%。五、人机接口五、人机接口1操作台 操作台一般应具有如下基本功能。（1）具有显示装置。如显示屏幕或荧光数码显示器，以显示各状态参数及故障指示等。（2）具有一组或几组功能键或转换开关用于切换工作方式，起动、停止系统或完成某种指定的功能。（3）具有一组或几组数据输入键。如数字键或拨码开关，用来输入某些数据或修改控制系统的某些参数。（4）具有一个“紧急停止”按钮。用于在紧急事故时停止系统运行，转入故障处理。（5）具有安全可靠功能。操作人员即使操作错误，也不会造成严重后果。2触摸屏 触摸屏技术的应用大大简化了计算机的输入模式，使用者不必事先接受训练和对计算机有深入的了解，仅需用手指触摸计算机显示器屏幕，即可启动计算机，或查询资料，或分析数据，简单快捷。触摸屏技术极大的方便了计算机的使用，在商业、服务业、市场、旅游、工业控制、教育培训、医疗等领域得到广阔的应用。目前触摸屏技术大致可分为红外线式、电阻式、表面声波式和电容式四种。第三节第三节 常用执行器常用执行器 执行器有转动式和平移式两种。转动式执行器有步进电机、角行程电动执行器等，平移式执行器有直行程电动执行器、各种控制电磁阀等。执行器由执行机构和调节机构组成。执行机构是指根据控制器输出信号产生推力或位移的装置。调节机构是根据执行机构输出信号去改变能量或物料输送量的装置。执行器按其使用能源形式可分为气动、电动和液动三大类。液动执行器推力最大，但较笨重，现很少使用。一、气动执行器一、气动执行器 气动执行器又可分为气动调节阀、气动马达、气动机器人。其中气动调节阀的应用最为广泛。气动调节阀在控制系统中的用途是接受控制器的输出信号，改变被调介质的流量，使被控参数维持在所要求的范围内，从而实现生产过程自动化。气动调节阀是以压缩空气为能源的执行器。气动调节阀的执行机构和调节机构是统一的整体，其执行机构有薄膜式和活塞式两类。活塞式行程长，适用于要求有较大推力的场合，而薄膜式行程较小，只能直接带动阀杆。由于气动调节阀具有结构简单、输出推力大、动作平稳可靠、本质安全防爆等优点，因此气动调节阀在化工、炼油生产中获得了广泛的应用。气动调节阀的气动执行机构和调节机构两个部分连在一起，其外形如图6-25所示。图6-25 气动调节阀的构成 二、电动执行器二、电动执行器 电动执行器是计算机控制系统中的一个重要的组成部分。它接收来自控制器的电信号，用电动执行机构将其转换成适当的力或力矩，以推动各类调节阀或其它执行机构。电动执行器与气动执行器相比，具有灵敏高，信号传送方便、快捷和适合远距离控制的优点。电动执行器的执行机构和调节机构是分开的两部分，其执行机构有角行程和直行程两种，都是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，功能是将输入的直流电流信号线性地转换为位移量。1电动执行器的组成和工作原理 电动执行器分为电动执行机构和调节机构两大部分。其中将调节控制信号转换成为力或力矩的部分叫做电动执行机构，各种调节阀或调节设备统称为调节机构。调节机构是和气动执行器通用的，不同的只是电动执行器使用电动执行机构，即使用电动机等电动力装置产生推力开闭调节阀。依据执行机构的不同，电动执行器分成三类，即角行程执行器、直行程执行器和多转式电动执行器。电动执行器的组成框图如图6-32所示。电动执行器的伺服放大器是由前置放大器、触发器1和2及晶闸管主回路等组成，组成框图如图6-33所示。图6-32 电动执行器主要组成框图图6-33 伺服放大器组成框图 2智能电动执行器 智能电动执行器的特点：采用微处理器技术和数字显示技术，功能强，使用方便，具有自诊断、自调整和PI调节功能。调节阀通过软件修正可以实现多种输出特性，使不能进行阀芯形状修正（蝶阀）的阀也可改变流量特性，也能对非标准特性进行修正，改变了长期以来靠不同阀芯形状来修正特性的状况。在调节中采用了电制动技术和断续调节技术，对具有自锁功能的执行机构可以取消机械制动器，提高了执行器的可靠性。主要技术指标先进，误差较小，具有工作方式选择、故障诊断与报警等多种功能。3智能调节阀 智能调节阀的特点 具有智能控制功能。可按给定值自动进行PID调节，控制流量、压力、压差和温度等过程变量，还可支持串级控制方式等。具有保持功能。无论电源、机械部件、控制信号、通信或其它方面出现故障时，都会自动采取保护措施，以保证本身及生产过程安全可靠；具有掉电保护功能，当外电源掉电时能自动用后备电池驱动执行机构，使阀位处于预先设定的安全位置。具有通信功能。操作人员可在远方对其进行检测、整定和修改参数或算法等。具有诊断功能。智能调节阀的阀体和执行机构上装有专门用于故障诊断的传感器，电路上也设置了各种监测功能，微处理器在运行中连续地对整个装置进行监视，发现问题立即执行预先设定的程序，自动采取措施并报警。一体化结构。智能调节阀把阀体、控制电路、传感器、执行机构全部装在一个现场仪器中。三、步进电机工作原理及控制技术三、步进电机工作原理及控制技术 步进电机又称为脉冲电动机，是计算机控制系统中常用的一种执行元件。其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步。按励磁方式分类，步进电动机可分为反应式、永磁式和感应式。其中反应式步进电动机用得比较普遍，结构也较简单，所以本节仅介绍这类电机。1反应式步进电机典型结构和工作原理 （1）反应式步进电机典型结构 反应式步进电机又称为磁阻式步进电动机，其典型结构如图6-36所示。这是一台四相电机，定子铁心由硅钢片叠成，定子上有8个磁极(大齿)，每个磁极上又有许多小齿。四相反应式步进电动机共有4套定子控制绕组，绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相。转子也是由叠片铁心构成，沿圆周有很多小齿，转子上没有绕组。根据工作要求，定子磁极上小齿的齿距和转子上小齿的齿距必须相等，而且转 子的齿数有一定的限制。图中转子齿数为50个，定子每个磁极上小齿数为5个。图6-36 四相反应式步进电动机的结构 （2）反应式步进电机工作原理 反应式步进电机的工作原理与反应式同步电动机一样，也是利用凸极转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动的。为了便于说清问题，先以最简单的三相反应式步进电动机为例。图6-37是一台三相反应式步进电机，定子有6个极，不带小齿，每两个相对的极上绕有一相控制绕组，转子只有4个齿。图6-37 三相单三拍运行(a)A相接通；(b)B相接通；(c)C相接通 当A相控制绕组通电，而B相和C相都不通电时，由于磁通具有走磁阻最小路径的特点，所以转子齿1和3的轴线与定子A极轴线对齐。同理，当断开A相接通B相时，转子便按逆时针方向转过30，使转子齿2和4的轴线与定子B极轴线对齐。断开B相，接通C相，则转子再转过30，使转子齿1和3的轴线与C极轴线对齐。如此按A-B-C-A顺序不断接通和断开控制绕组，转子就会一步一步地按逆时针方向连续转动，如图6-37所示。其转速取决于各控制绕组通电和断电的频率，即输入的脉冲频率，旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。如上述电机通电次序改为A-C-B-A 则电机转向相反，变为按顺时针方向转动。这种按A-B-C-A 方式运行的称为三相单三拍运行。所谓“三相”，是指步进电动机具有三相定子绕组，“单”是 指每次只有一相绕组通电，“三拍”指三次换接为一个循环，第四次换接重复第一次的情况。除了这种运行方式外，三相步进电动机还可以以三相六拍和三相双三拍运行。三相六拍运行的供电方式是A-AB-B-BC-C-CA-A 这时，每一循环共有6种通电状态，这6种通电状态中有时只有一相绕组通电(如A相)，有时有两相绕组同时通电(如A相和B相)。图6-38表示按这种方式对控制绕组供电时转子位置和磁通分布的图形。图6-38 三相六拍运行 (a)A相通电；(b)A、B相通电；(c)B相通电；(d)B、C相通电 （3）反应式步进电机工作特点 步进电动机工作时，每相绕组由专门驱动电源通过“环形分配器”按一定规律轮流通电。例如一个按三相六拍运行的环形分配器输入是一路，输出有A、B、C三路。若开始是A路有电压，输入一个控制电脉冲后，就变成A、B这两路有电压，再输入一个电脉冲，则变成B路有电压，再输入一个电脉冲，则变成B、C这两路有电压了，再输入一个电脉冲，则变成C路有电压，再输入一个电脉冲，则变成C、A两路有电压，再输入一个电脉冲，则变成A路有电压。环形分配器输出的各路脉冲电压信号，经过各自的放大器放大后送入步进电动机的各相绕组，使步进电动机一步步转动。图6-39表示三相步进电动机控制方框图。图6-39 控制方框图 步进电动机这种轮流通电的方式称为“分配方式”。每循环一次所包含的通电状态数称为“状态数”或“拍数”。状态数等于相数的称为单拍制分配方式(如三相双三拍、四相双四拍等)，状态数等于相数两倍的称为双拍制分配方式(如三相六拍，四相八拍等)。同一台电机可有多种分配方式。不管分配方式如何，每循环一次，控制电脉冲Uk的个数总等于拍数N，而加在每相绕组上的脉冲电压(或电流)个数却等于1，因而 控制电脉冲频率f是每相脉冲电压(或电流)频率fp的N倍，即：每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角，用符号b表示。从上面分析可见，当电机按三相单三拍运行，即按A-B-C-A 顺序通电时，若开始是A相通电，转子齿轴线与A相磁极的齿轴线对齐；换接一次绕组，转子转过的角度为1/3齿距角；转子需要走3步，才转过一个齿距角；此时转子齿轴线又重新与A相磁极的 齿轴线对齐。当电机在三相六拍运行，即按A-AB-B-BC-C-CA 顺序通电时，换接一次绕组，转子转过的角度为1/6齿距角；转子需要走6步才转过一个齿距角。若转子有个齿，则转子相邻两齿间的夹角，即齿距角为：所以转子每步转过的空间角度(机械角度)，即步距角为：式中，N为运行拍数，N=km(k=1，2；m为相数)。为了提高工作精度，就要求步距角很小。由步距角公式可见，要减小步距角可以增加拍数N。相数增加相当于拍数增加，但相数越多，驱动电源及电机的结构也越复杂。反应式步进电动机一般做到六相，个别的也有八相或更多相数。对同一相数既可以采用单拍制，也可采用双拍制。采用双拍制时步距角减小一半。所以一台步进电动机可有两个步距角，如1.5/0.75、1.2/0.6、3/1.5等。增加转子齿数ZR，步距角也可减小。所以反应式步进电动机的转子齿数一般是很多的。通常反应式步进电动机的步距角为零点几度到几度。反应式步进电动机可以按特定指令进行角度控制，也可以进行速度控制。角度控制时，每输入一个脉冲，定子绕组就换接一次，输出轴就转过一个角度，其步数与脉冲数一致，输出轴转动的角位移量与输入脉冲数成正比。速度控制时，送入步进电动机的是连续脉冲，各相绕组不断地轮流通电，步进电机连续运转，它的转速与脉冲频率成正比。每输入一个脉冲，转子转过的角度是整个圆周角的1/(ZRN)，也就是转过1/(ZRN)转，因此每分钟转子所转 过的圆周数，即转速n为：式中，f为控制脉冲的频率，即每秒输入的脉冲数。由上式可见，反应式步进电动机转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，而与电压、负载、温度等因素无关。当转子齿数一定时，转子旋转速度与输入脉冲频率成正比，或者说其转速和脉冲频率同步。（r/min）改变脉冲频率可以改变转速，故可进行无级调速，调速范围很宽。另外，若改变通电顺序，即改变定子磁场旋转的方向，就可以控制电机正转或反转。所以，步进电动机是用电脉冲进行控制的电机。改变电脉冲输入方式，就可方便地控制它，使它快速启动、反转、制动或改变转速。步进电机具有自锁能力。当控制电脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组继续通直流电时，电机可以保持在固定的位置上，即停在最后一个脉冲控制的 角位移的终点位置上。这样，步进电动机可以实现停车时转子定位。综上所述，由于步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响(在允许负载范围内)，也不受环境条件(温度、压力、冲击、振动等)变化的影响，只与控制脉冲同步，同时它又能按照控制的要求，实现启动、停止、反转或改变转速。因此，步进电动机被广泛地应用于各种数字控制系统中。2步进电机的控制系统 典型的步进电机控制系统如图6-40所示，主要由变频信号源、脉冲分配器、脉冲放大器和步进电机组成。变频信号源是一个脉冲频率由几Hz几十kHz连续变化的信号发生器，它为脉冲分配器提供脉冲序列。脉冲分配器根据方向控制信号把脉冲信号按一定的逻辑关系加到脉冲放大器上进行放大，以驱动步进电机转动。在这种控制方式中，时序脉冲完全由硬件产生，线路复杂，成本高，通用性差，因而限制了它的应用。如果采用计算机控制，用微机实现脉冲发生、脉冲分配和方向控制，再加上给步进电机提供驱动电路，就构成了计算机步进电机控制系统，其结构图如图6-41所示。用软件实现脉冲发生、脉冲分配和方向控制比较容易，本节只介绍驱动电路。图6-40 步进电机控制系统方框图 图6-41 计算机控制步进电机系统结构图 （1）单电压功率放大电路 电路原理如图6-42所示。电路的电压E一般选择在10100V左右，有的高达200V，这要视应用场合、步进电机的功率和实际要求而定。这是步进电机控制中最简单的一种驱动电路，实质上它是一个简单的反相器。晶体管T起开关作用；L是步进电机的一相绕组电感；RL是绕组电阻；RC是外接电阻，也是限流电阻；D是续流二极管。图6-42 步进电机一相绕组的开关电路图 单电压功率放大器的最大特点是结构简单，缺点是工作效率低，高频时效率尤其低。电阻RC消耗相当大的一部分能量，且RC的发热直接影响电路的稳定工作状态，所以单电压功率放大电路一般只用来驱动小功率步进电机。图6-43给出了一种改进的单电压功率放大电路。在RC上并联电容C可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿，使注入电流的前沿明显变陡，从而提高了步进电机的高频性能。另外在电压E和RC不变的条件下，在RC上并联电容C，使注入绕组的平均电流值相对增加了，因此提高了步进电机的转矩。图6-43 改进的单电压功率放大器电路图 在续流二极管D回路中串联电阻Rd，对改善回路的放电时间Td很有利，Rd越大，则Td越小，因此可减少回路的放电时间常数Td，这使绕组中电流脉冲的后沿变陡，电流下降时间变短，从而提高了高频工作时的性能。但若Rd选得太大，会使步进电机的低频性能明显变坏，电磁阻尼作用减弱，共振加剧，增加了晶体管T击穿的可能性。虽然这种改进型的单电压功率放大电路在实际中应用较多，但也存在着不足，即低频工作时会使振荡有所增加，引起低频性能变差。此外还有其它类型的改进的单电压功率放大器，如单电压恒流功放电路，功耗较基本型低，电源的效率也提高了；再如晶闸管功率放大电路，由于晶闸管导通压降低，所以功耗低，且可得到较大的驱动力矩。（2）双电压功率放大电路 双电压功率放大电路就是采用两种电源电压的功放电路，其结构如图6-44所示。图6-44 双电压功率放大电路图 电路中的电源电压E1是高压，大约为80150V，E2为520V左右。双电压功放电路与单电压功放电路有很大区别，在单电压功放电路中，其工作控制信号是步进时一相所需的方波信号，而在双电压功放电路中，除了一相所需的方波信号外，还需要高压驱动控制信号Vh。电路中T1是高压电源的开关管，T2是功率驱动管；D1是低压电源E2的箝位二极管，在T1导通时处于反向偏置而截止，在T1截止时则由于正偏而向电机的绕组提供低压电源E2；D2是续流二极管，在T1、T2都截止时向绕组提供放电回路。双电压功放电路的明显特点是功耗较低，效率较高，高频工作时有较大的转动力矩，所以多用于中功率和大功率步进电机中。（3）斩波型功率放大电路 双电压功率放大电路的缺点是在高低压连接处电流出现高、低谷点，这样必然引起力矩在谷点时下降。而斩波型功放电路可以克服这种缺点，并且能提高步进电机的效率和力矩。斩波型功率放大电路有两种：一种是斩波恒流功放电路；另一种是斩波平滑功放电路。虽然前者应用较广泛，但电路结构复杂，它采用电流反馈来限定步进电机的绕组电流，使之保持在一定的范围内；而后者虽没有电流采样和反馈，但也可使绕组电流在一定范围内不变。因此下面我们介绍斩波型平滑功率放大电路。斩波平滑功放电路和工作原理如图6-45所示。斩波平滑电路的功率级由电机绕组L、绕组电阻RL、功放管T、泄放回路电阻Rd、二极管D组成，控制级由与门组成。工作时，在与门的VIN端输入步进脉冲方波，在Vm端输入一个高频脉冲序列Vm，则在与门的输出端产生一个受控于VIN的间歇脉冲序列Vb，该脉冲序列驱动功放管T，使T处于高频开关斩波状态，而在步进电机的绕组上产生如图6-45所示的电流iL。iL的大小由电源E和高频脉冲序列的脉宽TON确定。要保持iL的值不变，在提高E的同时，应减小脉宽TON。由图6-45可见，电机绕组电流iL上升快，所以其高频性能较好，并且iL的上升过程平缓，从而不会在电流上升的时间内产生过量的能量，使电机的运行平稳得多，低频振荡的现象得到有效的抑制，这也正是称之为斩波平滑功放电路的原因。图6-45 斩波平滑功放电路图 3步进电机细分技术 所谓细分电路，就是把步进电机的步距角减小，把原来的一步再细分成若干步(如10步)，这样步进电机的运动近似地变为匀速运动，并能使它在任何位置停步。采用这种电路可以大大改善步进电机的低频特性，并能实现加工机械的微量进给。因为一般的步进电机的步距角较大，在低速运转时具有明显的步进运动的特点(如图6-46所示)，因而使运转不平稳，并会产生振动和噪音，这对于精加工机械来说，势必要影响加工精度和表面光洁度。另外，目前数控机床的脉冲当量为0.01mm/脉冲左右；如果要获得更高的加工精度，希望脉冲当量为0.001mm/脉冲，这就需要进一步减小步距角。但电机的步距角往往受到电机制造工艺的限制而难以减小，这时就需采用细分电路给予解决。图6-46 具有步进特征的运行 为了实现细分驱动目的，步进电机绕组用阶梯电流波供电，如图6-47所示。由图可以看出，电流波形从0经过10个等宽等高的阶梯上升到额定值，下降时又经过同样的阶梯从额定值下降至0。它与一般的由0值突跳至额定值，从额定值跳至0的通电方式相比，步距角缩小了1/10，因而使电机运转非常平滑，可以消除电机在低频段运转时产生的振动、噪音等现象。图6-47 阶梯电流波