计算机控制技术4资料课件

第四章 常用控制程序的设计（1）报警程序设计（2）开关量输入输出口的设计（3）电动机的控制接口设计（4）步进电机的控制接口设计4.1 报警程序的设计常用报警方式4.1.1 常用报警方式（1）报警的作用：在控制系统中，对一些重要的参数或系统部位，设置报警系统，以便提醒操作人员注意，或采用紧急处理措施。（2）报警的实现方法：把计算机采集的数据、或经计算机处理之后的数据，与被监视参数的上、下限给定值进行比较；如果高于上限或低于下限，则报警。否则，进行正常的显示或控制。4.1 报警程序的设计常用报警方式（3）报警实现方式1）声光报警；光指示灯、发光二极管、白炽灯等声电铃、电笛、蜂鸣器、语音报警2）报警，并记录报警时的各种参数；计算机系统中，通常在显示器上提供报警信息：图形、曲线3）报警并进行相应的控制措施。（4）报警程序设计方法：1）全软件法：在程序中将采样结果与事先设置的上下限限位值比较，根据比较结果进行报警处理。2）硬件申请、软件处理。报警极限参数值直接由传感器产生，如液位开关、终端限位开关、速度限位等，可实现参数或位置的监测。4.1 报警程序的设计简单警程序设计 4.1.2 简单报警程序的设计软件报警程序的设计锅炉自动调节系统。为了确保系统运行安全，系统中设计有液位上下限、炉膛温度上下限、蒸汽压力下限的报警。驱动电路LED GNP1.5LED RDP1.4LED RDP1.3LED RDP1.2LED RDP1.1LED RDP1.0P1.7+5V电笛绿灯，参数正常蒸汽压力下限报警 压力 X3炉膛温度下限报警 炉膛温度上限报警液位下限报警液位上限报警温度X2液位X18051EA+5VR被测量由被测量由A/DA/D转换为数字量转换为数字量开始取采样值X1清除报警模型标志X1MAX1X1MAX2X2MIN2X3MIN3全部参数有报警？置绿灯亮标志输出绿灯亮标志置X1上限报警标志置X1下限报警标志置X2上限报警标志置X2下限报警标志置X3下限报警标志结束置电笛响标志输出电笛响标志报警YYYYYYNNNNNN无报警检测报警有报警置位所需报警模型输出指示灯模型4.1 报警程序的设计简单警程序设计4.1.2 简单报警程序的设计硬件报警程序的设计锅炉自动调节系统。为了确保系统运行安全，系统中设计有液位上下限、炉膛温度上限、蒸汽压力下限的报警。图46 硬件直接报警系统原理图报警结点液位开关温度开关4.1 报警程序的设计简单警程序设计4.1.3 复杂报警程序设计上述两种报警程序的缺陷：测量值在限位值附近波动时会频繁报警。回差带：限位为一个范围，测量值在这个范围中被认为是正常的。幅值上限下限时间越限报警越限报警HLABCD越复限不报警开始开始取上限取上限越上限？越上限？取上限复值取上限复值越上限标志置位否？越上限标志置位否？复上限？复上限？越上限标志置位否？越上限标志置位否？取下限值取下限值越下限？越下限？取下限复值取下限复值复下限？复下限？越下限标志置位否？越下限标志置位否？清越下限标志清越下限标志越限、复限处理标志置位越限、复限处理标志置位返回返回越上限标志置位否？越上限标志置位否？置越下限标志置越下限标志输出报警信号输出报警信号置越上限标志置越上限标志输出报警信号输出报警信号清越上限标志清越上限标志YNNNNNNYYYYYYNYN4.2 开关量输入输出接口技术输入通道4.2.1 开关量输入通道1 开关量输入通道作用：将现场的开关信号转换为TTL电平信号，由I/O口传送到计算机。（1）定时记录生产过程中某些设备（按钮、开关、限位开关、行程开关、继电器触点）的状态；（2）对生产工程某些设备的状态进行检查，以便发现问题进行处理。2 计算机的数据操作形式：按组进行操作，每组输入的开关量位数与微机的字长相等。设备的状态信息必须转换为TTL电平，才能被计算机处理。4.2 开关量输入输出接口技术输入通道3 开关量输入通道的结构光电光电隔离隔离电平电平转换转换I/O口CPU输入信号输入信号4 开关量输入通道的常用电路具有滤波功能的输入电路具有电平转换、隔离和滤波功能的电路电气隔离4.2 开关量输入输出接口技术输入通道4 开关量输入通道的常用电路（续）具有消抖功能的输入电路OPTK+5VRX+24VR1到计算机输入口具有电平转换和光电隔离功能的输入电路光电隔离4.2 开关量输入输出接口技术输入通道4 开关量输入通道的常用电路（续）OPTK+5VRC2XLED+24VR1R2到计算机输入口具有滤波、电平转换和光电隔离功能的输入电路+12VKKA+5VRCX到计算机输入口X1具有滤波、电平转换和隔离功能的输入电路电气隔离电气隔离4.3 开关量输入输出接口技术输出通道1 开关量输出通道的作用将计算机输出的TTL电平由驱动电路转换为执行机构所需的电平形式。主要作用表现在以下几个方面：（1）直接操纵生产现场终具有两位状态的设备。电动机的启停、阀门的开闭；（2）实现报警及中断请求，声光报警、事件中断。2 计算机对输出数据的操作方式（1）按组进行操作，每组输出的开关量位数与微机的字长相等（2）按位输出。（计算机应具有位寻址方式）4.3 开关量输入输出接口技术输出通道3 开关量输出通道的结构形式执行机构驱动电路I/O口CPU执行机构驱动电路I/O口CPU光电隔离4.3 开关量输入输出接口技术输出通道4 输出通道常用功率开关接口器件和驱动（1）大功率开关量驱动电路：大功率晶体管GTR、可控硅、功率场效应管、继电器、小功率驱动器IC（SN75452/75451等）、可控硅；（2）小功率开关量驱动电路：晶体管、达林顿驱动电路、小功率场效应管。（3）固态继电器（固态开关，无触点继电器），输出形式：交流和直流。（4）线性功率驱动：常用于伺服系统，将信号转换为伺服系统所需的功率。（5）光电耦合器件：实现信号隔离，容易构成各种状态，光耦+驱动器件：达林顿输出和可控硅输出。4.3 开关量输入输出接口技术输出通道5 常见输出接口电路驱动直流负载，驱动直流负载，感性负载应并接感性负载应并接蓄流二极管蓄流二极管+5V负载R1V输出口信号（TTL电平）QOC门功率晶体管驱动电路功率晶体管驱动电路+5V负载R1VQ1输出口信号（TTL电平）Q2OC门达林顿驱动电路达林顿驱动电路驱动直流负载，驱动直流负载，感性负载应并接感性负载应并接蓄流二极管蓄流二极管4.3 开关量输入输出接口技术输出通道5 常见输出接口电路（续）KR1SCRR2负载220VAC晶闸管（可控硅）晶闸管（可控硅）驱动电路（驱动电路（1）计算机信号SCR负载220VACR1R2C5VR3OPOC晶闸管驱动电路（晶闸管驱动电路（2）驱动交流负载驱动交流负载114.3 开关量输入输出接口技术输出通道5 常见输出接口电路（续）+5V负载DVOC门KA继电器驱动电路(1)输出口信号（TTL电平）U负载SSROC门+-固态继电器（SSR）驱动电路继电器驱动电路(2)驱动交流负载驱动交流负载4.3 开关量输入输出接口技术输出通道5 常见输出接口电路（续）VMOS（V通道MOS）驱动（中、大场效应管）高频工作、低输入电流、能随意地截止，只在开关过程中需要微安级地控制电流。输出口信号（TTL电平）U负载CMOS门VMOSGSD4.3 开关量输入输出接口技术输出通道5 常见输出接口电路（电磁阀）（1）直流电磁阀驱动与直流继电器相同。（2）交流电磁阀驱动也可以采用交流继电器或接触器驱动方式。也可以采用双向可控硅（晶闸管）驱动。MCO3041MCO3041RC浪涌抑制控制信号开关驱动功能RC浪涌抑制开关驱动功能控制信号MOC3031MOC3041MOC3021Sensitive-Gate TriacSensitive-Gate Triac可控硅加热炉控制系统可控硅加热炉控制系统UUu1u2ucuRLuRLucu1u2U4.4 电机控制接口技术交流电机控制1 交流电机的控制单向电动机控制电路单向交流伺服电机控制电路SSR4.4 电机控制接口技术交流电机控制4.4 电机控制接口技术直流电机控制2 小功率直流电机的接口技术（1）直流电机的工作原理：当励磁电压和负载转矩恒定时，电枢的电压越高，电机的转速越快，当电枢的电压反向时，电机反转，电枢的电压为0，电机停转。故：小功率直流电机可以通过控制电枢的电压来实现速度的调节。4.4 电机控制接口技术直流电机控制（2）直流电机的速度调节原理：（2）直流电机的速度调节原理：通过改变电机电枢电压的接通时间与通电控制周期之比（占空比）来调节电机的输出转速Pulse Width Modulation,PWM.当电机通电时，转速增加，断电时，速度减少，改变通断时间，可以控制电机的转速。4.4 电机控制接口技术直流电机控制采用SSR的直流电机调速电路采用SSR的直流电机调速电路自修4.3.3 PWM调速系统设计的内容4.4 电机控制接口技术脉宽调速4 闭环脉宽调速系统（1）转速测量传感器1）测速发电机：将转子转速信号转换为电信号的装置。分为：直流测速发电机、交流测速发电机。4.4 电机控制接口技术脉宽调速4 闭环脉宽调速系统（2）数字式转速传感器：把转子转速直接转换为数字量的设备。有光电码盘、旋转编码器。4.4 电机控制接口技术脉宽调速闭环系统的例子电梯闭环控制系统 资料来源：双PWM 控制能量回馈电梯传动系统的设计，电气传动，2007 年，第37卷第8期主电路PWM驱动隔离电路驱动隔离电路异常情况下电容的放电回路 当系统异常时(如电梯突然断电),电梯发电状态产生的电能有可能因不能及时回馈电网而超出直流母线侧电容的蓄能能力.4.5 步进电机控制接口技术步进电机1 步进电机控制接口技术 步进电机原理 步进电机控制原理 步进电机接口及程序设计 步进电机步数和速度的确定 步进电机变速控制方法4.5 步进电机控制接口技术步进电机原理1 步进电机原理(1)步进电机是一个数字/角度转换器，或串行数据/模拟量转换器。步进电机的结构与步进电机所含的相数有关。三相步进电机的结构。4.5 步进电机控制接口技术步进电机原理1 步进电机原理 (2)步进电机的转子没有绕组，而是由40个均匀分布的矩形小齿，相邻两个齿之间的夹角为9。当定子上某相绕组通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路。若此时定子与转子的小磁未对齐，在磁场的作用下转子转动一定的角度，使二者对齐。4.5 步进电机控制接口技术步进电机原理1 步进电机原理 (3)单三拍控制方式电极走一步：（1）初始位置A相的磁极中心与0齿对齐；A、B两相磁极相差120，120/9不为整数，所有转子的齿不能与B相磁极对齐，仅13号齿与B相磁极中心线接近，夹角3；（2）B相通电，A，C两相断开，B相磁极迫使转子的13齿与其中心线对齐，整个转子转动3。0初始位置AB C A 9 步进电机原理步进电机原理DEMO4.5 步进电机控制接口技术步进电机原理1 步进电机原理 (4)步距角：控制绕组的相数；状态系数；单三拍或双三拍为1；单六拍或双六拍为2转子齿数；单三拍或双三拍的步距角：4.5 步进电机控制接口技术步进电机控制原理2 步进电机控制原理 （1）典型步进电机控制系统专用模块或电路4.5 步进电机控制接口技术步进电机控制原理2 步进电机控制原理 （2）计算机控制步进电机原理 计算机控制步进电机的特点：用软件代替步进控制器，产生脉冲序列并实现方向控制。4.5 步进电机控制接口技术步进电机控制原理2 步进电机控制原理 （3）计算机控制步进电机(1)脉冲序列的生成输出口输出高电平1，延时，再输出低电平，延时，。延时时间由步进电机的工作速率确定。(2)方向控制常用步进电机：3相、4相、5相、6相，步进电机的旋转方向与其内部绕组的通电顺序有关。如：3相步进电机：单三拍:(正)AB C A (反)A C B A 双三拍:(正)ABBC CA AB (反)BA AC CB BA3相6拍：A ABB BC C CA4.5 步进电机控制接口技术步进电机控制原理方向控制的方法：1）用计算机的接口的一位控制步进电机的一相绕组。2）根据选定的步进电机及控制方式，写出相应的控制方式数学模型。3）编程输出脉冲序列，控制步进电机工作。步序C相B相A相工作状态模型1001A012010B023100C044.5 步进电机控制接口技术步进电机控制原理3 步进电机的接口电路及程序设计 (1)步进电机的驱动电流较大，计算机与步进电机的连接需要专门的接口和驱动电路。接口电路：锁存器、可编程接口芯片驱动电路：复合管（或达林顿管）、SSR、专用驱动电路。达林顿管4.5 步进电机控制接口技术步进电机控制原理3 步进电机的接口电路及程序设计 (2)达林顿管光电隔离4.5 步进电机控制接口技术步进电机控制原理3 步进电机的接口电路及程序设计 (3)N-Channel Power MOSFETs4.5 步进电机控制接口技术步进电机控制原理3 步进电机的接口电路及程序设计 (4)固态继电器固态继电器4.5 步进电机控制接口技术步进电机控制原理4 步进电机步数及速度的确定方法（自修）5 步进电机的变速控制（自修）方法：启动时，加速，0给定速度，控制脉冲的频率由低高。给定速度运行，控制脉冲的频率保持一个恒值。停机时，减速，给定速度0，控制脉冲的频率由高低 0。本章内容结束！谢谢大家！人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。