计算机控制系统-6程序顺序控制-第13讲-电动机控制

第4章 数据采集与处理技术,主要内容：介绍数据采集系统中的一些基本概念、模拟量和开关量数据采集的一般方法以及数据处理技术。,重点内容：数字滤波器,难点内容：,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V,max,，设占空比为D=t,1,/T，则电机的平均速度为,电压,(U),通电,断电,t,1,t,2,T,时间(t),O,O,平均速度,(,d,),max,0.5,1,占空比D,图6-24平均速度与占空比的关系,改变电枢电压的极性，电机随时改变转向。,占空比,D设置,宽度脉,冲产生,驱动器,电子开关,直流电机,图6-25,开环PWM调速系统的一般结构,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,A,B,C,P,2。6,P,2。5,P,2。4,LS138,Y,6,CS,P0,D0D7,WR,WR1,WR2,V,CC,IIE,+5V,XFER,R,FB,I,OUT1,I,OUT2,-,-,+,+,+5V,-5V,+10V,-10V,10K,10K,5K,10K,10K,T,1,T,2,DM,1/2LM324,0832,图6-26,小功率直流电机,开环PWM调速实例电路,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。,0，Y=A,1，Y高阻,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,控制电机电源的开关电路,光敏,元件,整型放,大电路,转速计算电路,光源,N,R,N,C,图6-27,闭环PWM调速系统原理图,电动机,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A,B,C,A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。,Y轴步进电机,X轴步进电机,微型计算机,PA,0,PA,1,PA,2,8255,PB,0,PB,1,PB,2,驱动,电路,驱动,电路,图6-29 两台三相步进电机控制接口电路图,AABBBCCCAA,X轴步进电机输出字表,Y轴步进电机输出字表,存储地址编号,PA口输出字,存储地址编号,PB口输出字,ADX,l,0000000,1,=01H,ADY,l,00000001=01H,ADX,2,0000001,1,=03H,ADY,2,00000011=03H,ADX,3,00000010=02H,ADY,3,00000010=02H,ADX,4,00000110=06H,ADY,4,00000110=06H,ADX,5,00000100=04H,ADY,5,00000100=04H,ADX,6,00000101=05H,ADY,6,00000101=05H,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,N,N,Y,Y,N,N,Y,N,N,N,Y,Y,Y,Y,ADX、ADY分别,指向输出字表首址,ZF=1，2？,取ADX单元的输出字并送PA口,取ADY单元的输出字并送PB口,ZF=1？,ADY=表首,ZF=3？,ADY是表首？,ADX是表首？,ADY是表尾？,ADX是表尾？,ADY=ADY+1,ADY=表尾,ADX=表尾,延 时,ADX=ADX-1,ADY=ADY-1,ADX=ADX+1,ADX=表首,图6-30 步进电机三相六拍走步控制程序流程,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）,833,s,只要在输出一个脉冲后延时833,s，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,