计算机控制技术-报警程序.ppt

在控制系统中 被测参数经A D采样进入微型计算机 经数据处理后 一方面送显示 另一方面要进行报警处理 以便操作人员及时采取相应的措施 同时 还要把被测参数与给定值进行比较 根据偏差进行自动调整 如在加热炉自动控制系统中 当被测温度高于给定值时 需把阀门关小 减小煤气进给量 反之 如果被测温度低于给定值 则开大阀门 用来控制阀门动作的装置称为执行机构 带动执行机构动作往往要用电机或步进电机 而电机或步进电机通常需要较大电流来驱动 为此 如何把微型计算机系统的输出与强电执行机构进行连接 是微型计算机控制技术的重要课题之一 第四章内容简介 第4章常用控制程序的设计 4 1报警程序的设计4 2开关量输出接口技术4 3电机控制接口技术4 4步进电机控制接口技术 4 1报警程序设计 在微型机控制系统中 为了安全 对于一些重要的参数或系统部位 都设有紧急状态报警系统 以便提醒操作人员注意 或采取紧急措施 4 1报警程序设计 4 1 1常用报警方式4 1 2简单报警程序的设计4 1 3越限报警程序的设计4 1 4远程自动报警系统的设计 4 1 1常用报警方式 声音 电铃 电笛 蜂鸣器 集成电子音乐芯片灯光 发光二极管或闪烁的白炽灯等语音报警 语音芯片图形与声音混合报警显示报警画面 如报警发生的顺序 报警发生的时间 报警回路编号 报警内容及次数等 1 发光二极管及白炽灯驱动电路 1 报警方法不同采用的驱动电路方式也不同 发光二极管的驱动电流一般在20 30mA 不能直接由TTL电平驱动 常采用OC门驱动器 如74LS06 74LS07等 白炽灯报警时 应该使用交流固态继电器进行控制 LED报警接口电路 2 为了能保持报警状态 常采用带有锁存器的I O接口芯片 Intel8155 8255A 也可选用一般的锁存器 74LS273 74LS373 或74LS377等 驱动器 锁存器 1 0 亮 2 声音报警驱动电路 常采用模拟声音集成电路芯片 如KD 956X系列 采用CMOS工艺 软封装的报警IC芯片 其功能表如表4 1 P97 所示 KD 956X系列报警芯片功能表 1 KD 956X系列IC芯片具有以下共同特性 工作电压范围宽 静态电流低 外接振荡电阻可调节模拟声音的放音节奏 外接一只小功率三极管 便可驱动扬声器 2 KD 956X的结构及使用方法 以KD 9561为例 KD 9561芯片内设 振荡器 节拍器 音色发生器 地址计数器 控制和输出级等部分 根据内部程序 设有两个选声端SEL1和SEL2 改变这两端的电平 便可发出各种不同的音响 详见表4 2 KD 9561能发出4种不同的声音 且体积小 价格低廉 音响逼真 控制简便 所以 广泛应用于报警装置及电动玩具 VDD提供电源正端电压 VSS指电源负端电压 地 KD 9561的外形和报警电路图 如图4 2所示 如图4 2 b 中所示 当系统检查到报警信号以后 使三极管9013导通 发出报警声音 图中的R1选值一般在180K 290K 之间 R1的阻值愈大 报警声愈急促 反之 报警声音节奏缓慢 b OUT 4 1 2简单报警程序的设计报警程序的设计方法根据报警参数及传感器的具体情况可分为两种 1 软件报警程序这种方法的基本作法是把被测参数如温度 压力 流量 速度 成分等参数 经传感器 变送器 模 数转换器 送到微型机后 再与规定的上 下限值进行比较 根据比较的结果进行报警或处理 整个过程都由软件实现 这种报警程序又可分简单上 下限报警程序 以及上 下限报警处理程序 2 硬件申请 软件处理报警程序报警要求直接由传感器产生 例如 电接点式压力报警装置当压力高于 或低于 某一极限值时 接点即闭合 正常时则打开 利用这些开关量信号 通过中断的方法来实现对参数或位置的检测 锅炉水位自动调节系统设计有3个报警参数 水位上 下限炉膛温度上 下限蒸汽压力下限 锅炉报警系统图 如图4 4中所示 要求当各参数全部正常时 绿灯 正常运行灯 亮 若某一个参数不正常 将发出声光报警信号 1 0 灯亮 1 0 电笛响 1 软件报警程序设计 程序设计思想设置一个报警模型标志单元ALARM把各参数的采样值分别与上 下限值进行比较 若某一位需要报警 则将ALARM相应位置1 否则 清0 所有参数判断完毕后 看报警模型单元ALARM的内容是否为00H 若为00H 说明所有参数均正常 使绿灯发光 不等于00H 则说明有参数越限 输出报警模型 程序流程图 如图4 5所示 设3个参数的采样值 X1 水位 X2 炉膛温度 X3 蒸汽压力 依次存放在以SAMP为首地址的内存单元中 相应的允许极限值依次存放在以LIMIT为首地址的内存区域内 报警标志位单元为ALARM 20H 8100H 软件报警程序模块流程图 软件报警程序框架介绍 设置电笛及指示灯状态 设置电笛及指示灯状态 设置电笛及指示灯状态 设置电笛及指示灯状态 置电笛响标志位 设置电笛及指示灯状态 输出电笛及指示灯状态 软件报警程序细节介绍 不要使用该名称 与报警标志位单元名称ALARM冲突 ALARMEQU20H CJNE A MAX1 AA JNC A MAX1 CF 产生符号位 CJNE A MIN1 BB JC A MIN1 CF 产生符号位 MOVA 00 2 硬件报警程序设计 某些根据开关量状态进行报警的系统 为了使系统简化 可以不用上面介绍的软件报警方法 而是采用硬件申请中断的方法 直接将报警模型送到报警口中 这种报警方法的前提条件是被测参数与给定值的比较是在传感器中进行的 例如 电结点式压力计 电结点式温度计 色带指示报警仪等 都属于这种传感器 不管原理如何 它们的共同点是 当检测值超过 或低于 上 下限值时 结点开关闭合 从而产生报警信号 这类报警系统电路图 如图4 6所示 硬件直接报警系统原理图 该图中 SL1和SL2分别为液位上 下限报警结点 SP表示蒸汽压力下限报警结点 ST是炉膛温度上限超越结点 只要参数中的一个 或几个 超限 即结点闭合 管脚都会由高变低 向CPU发出中断申请 CPU响应后 读入报警状态P1 3 P1 0 然后从P1口的高4位输出 完成超限报警的工作 采用中断工作方式 既节省了CPU计算的宝贵时间 又能不失时机地实现参数超限报警 报警结点 0 报警 0 1 读入报警状态 输出报警状态 根据图4 6写出的报警程序如下 4 1 3越限报警程序的设计为了避免测量值在极限值附近摆动造成频繁报警 可以在上 下限附近设置一个回差带 如图4 7所示 在图4 7中 H是上限带 L为下限带 规定只有当被测量值越过A点时 才认为越过上限 测量值穿越H带区 下降到B点以下才承认复限 同样道理 测量值在L带区内摆动均不做超越下限处理 只有它回归于D点之上时 才做超越下限后复位处理 这样就避免了频繁的报警和复限 以免造成操作人员人为的紧张 实际上 大多数情况下 如前面锅炉水位调节系统中所述 上 下限并非只是唯一的值 而是允许一个 带 在带区内的值都认为是正常的 带宽构成报警的灵敏区 上 下限带宽的选择应根据具体的被测参数而定 复限指的是参数恢复到正常值 运行恢复到正常状态 下面重新对锅炉液位报警程序进行设计 设锅炉水位采样并经滤波处理后的值存放在SAMP为起始地址的内存单元中 设采样值为12位数 占用两个内存单元 上 下限报警及上 下限复位门限值分别存放在以ALADEG为首地址的内存单元中 报警标志单元为FLAG 其中D2位为越上限标志位 D3位为越下限标志位 其内存分配 如图4 8所示 有关内存的分配 越限报警程序的基本思路将采样 数字滤波后的数据与该被测点上 下限给定值进行比较 检测是否越限 或与上限复位值 下限复位值进行比较 检测是否复位上 下限 如越限 则分别置位越上 下限标志 并输出相应的声 光报警模型 如已复位上 下限 则清除相应标志 当上述报警处理完之后 返回主程序 如图4 9所示的是其程序的流程图 A X A B X B C X C D X D 本程序输出的报警模型及接口电路 可参看4 4自行设计 报警标志单元FLAG 28H 和越限 复位上 下限处理次数单元 2AH 在初始化程序中应首先清零 除了上面讲的这种带上 下限报警带的报警处理程序外 还有各种各样的报警处理程序 读者可根据需要自行设计 4 1 4远程自动报警系统的设计 适用范围 距离太远 或是无人职守场合 方法 1 直接拨号 手机或固定电话 2 网络 MODEM 4 1 4远程自动报警系统的设计 1 SS173K222AL芯片简介SS173K222AL是TDK公司产品 高集成度的单片MODEM芯片 该芯片的主要特点是 1 可与8051系列单片机对接 接口电路简单 2 串行口数据传输 3 采用同步方式或异步方式工作 4 与CCITTV 22 V 21 BELL212A 103标准兼容 5 具有呼叫进程 载波 应答音 长回环检测等功能 6 通过编程产生DTMF信号及550 1800Hz防卫音信号 7 具有自动增益控制 动态范围达45dB 8 采用CMOS技术 低功耗 单电源供电 引脚 图4 10 VDD GND D电源和地 AD0 AD7 地址 数据线 ALE 地址锁存控制信号 与单片机ALE相连接 用于锁存地址信号 WR和RD 读 写控制信号 低电平有效 CLK 时钟信号 XTL1 XTL2 外接晶体震荡器 TXD RXD 用来发射和接收数据 TXA RXA 发射和接收响应管脚 与外部收发装置相连 CS 片选信号 低电平有效 VREF 参考电平 RESET 复位信号 2 直接拨通手机号码报警 设本例中所拨打的手机号码为 13231502165WAN JNBP1 3 DT 监视P1 3口SJMPWANDT ACALLDLY2 延时50毫秒JNBP1 3 ARM 确认有报警信号 转处理程序 SJMPWANARM CLRP1 7 吸合继电器J1ACALLDLY2 延时50毫秒MOVR6 0BH 拨打11位手机号码 予置初值 MOVDPTR 7FF8H 地址指针指向R0MOVA 31H R0 按始发方式 FSK模式设置 但禁止发送 MOVX DPTR ALOOP MOVDPTR 7FFBH 地址指针指向TRMOVA 0FHADDA R6 取出电话号码 MOVCA A PCMOVX DPTR A 设置TRMOVDPTR 7FF8H 地址指针指向R0MOVA 33H 允许发送MOVX DPTR AACALLDLY3 延时250毫秒MOVA 31H 停止发送MOVX DPTR AACALLDLY3 延时250毫秒DJNZR6 LOOP 拨号未完 再拨出一个号码 DB95H 96H 91H 92H 9AH 95H 91H 93H 92H 93H 91H TR设置及手机号码DTA MOVDPTR 7FFAH 地址指针指向DRMOVXA DPTR 监视DRJNBACC 2 DTA 检测应答音MOVDPTR 7FF9H 地址指针指向R1MOVA 04HMOVX DPTR A 复位MODEMSETBP1 7 释放J1RET 3 在接收端采用MODEM和单片机显示装置的报警 4 2开关量输出接口技术 在工业过程控制系统中 被测参数经采样处理之后 还需要计算并输出控制模型 达到自动控制的目的 输出设备往往需大电压 或电流 来控制 而微型计算机系统输出的开关量大都为TTL 或CMOS 电平 这种电平一般不能直接驱动外部设备开启或关闭 另一方面 许多外部设备 如大功率直流电机 接触器等在开关过程中会产生很强的电磁干扰信号 如不加以隔离 可能会使微型计算机控制系统造成误动作乃至损坏 开关量输出控制中必须认真考虑并设法解决的两个问题 放大 隔离 4 2 1光电隔离技术 1 光电隔离器的种类 发光二极管 光敏三极管发光二极管 光敏复合晶体管发光二极管 光敏电阻发光二极管 光触发可控硅等 4 2 1光电隔离技术 2 工作原理 当发光二极管有正向电流通过时 即产生人眼看不见的红外光 光敏三极管接收光照以后便导通 而当该电流撤去时 发光二极管熄灭 三极管随即截止 利用这种特性即可达到开关控制的目的 由于该器件是通过电 光 电的转换来实现对输出设备进行控制的 彼此之间没有电气连接 因而起到隔离作用 4 2 1光电隔离技术 隔离电压与光电隔离器的结构形式有关 双列直插式塑料封装形式的隔离电压一般为2500V左右 陶瓷封装形式的隔离电压一般为5000 10000V 在一般微型计算机控制系统中 由于大都采用TTL电平 不能直接驱动发光二极管 所以通常加一级驱动器 如7406和7407等 输入 输出端两个电源必须单独供电 如图4 11 数字量Pi输出为高电平经反相驱动器后变为低电平发光二极管有电流通过并发光光敏三极管导通 从而在集电极上产生输出电压V0 此电压即可用来控制外设 使用同一电源 或共地的两个电源 外部干扰信号可能通过电源串到系统中来 1 0 4 2 2继电器输出接口技术 继电器是电气控制中常用的控制器件 一般由通电线圈和触点 常开或常闭 构成 线圈通电时 由于磁场的作用 使开关触点闭合 或打开 线圈不通电时 则开关触点断开 或闭合 一般线圈可以用直流低电压控制 常用的有直流9V 12V 24V等 而触点输出部分可以直接与市电 220V 连接 虽然继电器本身有一定的隔离作用 但在与微型计算机接口连接时通常还是采用光电隔离器进行隔离 4 2 2继电器输出接口技术 如图4 17中所示 当开关量P1 0输出为高电平时 经反相驱动器7406变为低电平 使发光二极管发光 从而使光敏三极管导通 进而使三极管9013导通 因而使继电器J的线圈通电 继电器触点J1 1闭合 使 220V电源接通 反之 当P1 0输出低电压时 使J1 1断开 1 0 4 2 2继电器输出接口技术 如图4 13中所示 当开关量P1 0输出为高电平时 经反相驱动器7406变为低电平 使发光二极管发光 从而使光敏三极管导通 进而使三极管9013导通 因而使继电器J的线圈通电 继电器触点J1 1闭合 使 220V电源接通 反之 当P1 0输出低电压时 使J1 1断开 图中所示电阻R1为限流电阻 二极管D的作用是保护晶体管T 当继电器J吸合时 二极管D截止 不影响电路工作 继电器释放时 由于继电器线圈存在电感 这时晶体管T已经截止 所以会在线圈的两端产生较高的感应电压 此电压的极性为上负下正 正端接在晶体管的集电极上 当感应电压与VCC之和大于晶体管T的集电极反向电压时 晶体管T有可能损坏 加入二极管D后 继电器线圈产生的感应电流从二极管D流过 从而使晶体管T得到保护 4 2 2继电器输出接口技术 如图4 13中所示 当开关量P1 0输出为高电平时 经反相驱动器7406变为低电平 使发光二极管发光 从而使光敏三极管导通 进而使三极管9013导通 因而使继电器J的线圈通电 继电器触点J1 1闭合 使 220V电源接通 反之 当P1 0输出低电压时 使J1 1断开 图中所示电阻R1为限流电阻 二极管D的作用是保护晶体管T 当继电器J吸合时 二极管D截止 不影响电路工作 继电器释放时 由于继电器线圈存在电感 这时晶体管T已经截止 所以会在线圈的两端产生较高的感应电压 此电压的极性为上负下正 正端接在晶体管的集电极上 当感应电压与VCC之和大于晶体管T的集电极反向电压时 晶体管T有可能损坏 加入二极管D后 继电器线圈产生的感应电流从二极管D流过 从而使晶体管T得到保护 4 2 2继电器输出接口技术 如图4 13中所示 当开关量P1 0输出为高电平时 经反相驱动器7406变为低电平 使发光二极管发光 从而使光敏三极管导通 进而使三极管9013导通 因而使继电器J的线圈通电 继电器触点J1 1闭合 使 220V电源接通 反之 当P1 0输出低电压时 使J1 1断开 图中所示电阻R1为限流电阻 二极管D的作用是保护晶体管T 当继电器J吸合时 二极管D截止 不影响电路工作 继电器释放时 由于继电器线圈存在电感 这时晶体管T已经截止 所以会在线圈的两端产生较高的感应电压 此电压的极性为上负下正 正端接在晶体管的集电极上 当感应电压与VCC之和大于晶体管T的集电极反向电压时 晶体管T有可能损坏 加入二极管D后 继电器线圈产生的感应电流从二极管D流过 从而使晶体管T得到保护 0 1 0 4 2 2继电器输出接口技术 不同的继电器 其线圈驱动电流的大小 以及带动负载的能力不同 选用时应考虑下列因素 1 继电器额定工作电压 或电流 2 接点负荷 3 接点的数量或种类 常闭或常开 4 继电器的体积 封装形式 工作环境 接点吸合或释放时间等 4 2 3固态继电器输出接口技术 固态继电器 SolidStateRelay 简称SSR 它是带光电隔离器的无触点开关 用晶体管或可控硅代替常规继电器的触点开关 在前级中与光电隔离器融为一体 根据结构形式 固态继电器有直流型固态继电器和交流型固态继电器之分 固态继电器输入控制电流小 输出无触点 所以与电磁式继电器相比 具有体积小 重量轻 无机械噪声 无抖动和回跳 开关速度快 工作可靠等优点 在微型计算机控制系统中得到了广泛的应用 大有取代电磁继电器之势 4 2 3固态继电器输出接口技术 1 直流型SSR 图4 18 P135 输入部分是一个光电隔离器 可用OC门或晶体管直接驱动 输出端经整形放大后带动大功率晶体管输出 输出工作电压可达30 180V 5V开始工作 4 2 3固态继电器输出接口技术 直流型SSR主要用于带直流负载的场合 如直流电机控制 直流步进电机控制 电磁阀等 图4 19所示为采用直流型SSR控制三相步进电机的原理电路图 图中A B C为步进电机的三相 每相由一个直流型SSR控制 分别由8031的P1 0 P1 1和P1 2控制 只要按着一定的顺序通电 即可实现步进电机控制 详见本章4 4节 1 直流型SSR输入部分是一个光电隔离器 可用OC门或晶体管直接驱动 输出端经整形放大后带动大功率晶体管输出 输出工作电压可达30 180V 5V开始工作 0 1 1 0 1 0 4 2 3固态继电器输出接口技术 2 交流型SSR 1 采用双向可控硅作为开关器件 用于交流大功率驱动场合 如交流电机 交流电磁阀控制等 2 交流型SSR又可分为过零型和移相型两类 非过零型SSR 在输入信号时 不管负载电流相位如何 负载端立即导通 过零型必须在负载电源电压接近零且输入控制信号有效时 输出端负载电源才导通 当输入的控制信号撤销后 不论哪一种类型 它们都只在流过双向可控硅负载电流为零时才关断 过零触发型交流固态继电器 AC SSR 的内部电路 主要包括输入电路 光电耦合器 过零触发电路 开关电路 包括双向可控硅 保护电路 RC吸收网络 当加上输入信号VI 一般为高电平 并且交流负载电源电压通过零点时 双向可控硅被触发 将负载电源接通 4 2 3固态继电器输出接口技术 一个交流型SSR控制单向交流控制电机的实例如图4 22所示 图中 改变交流电机通电绕组 即可控制电机的旋转方向 例如用它控制流量调节阀的开和关 从而实现控制管道中流体流量的目的 如图4 22中所示 当控制端P1 0输出为低电平时 经反相后 使SSR1 导通 SSR2 截止 交流电通过A相绕组 电机正转 反之 如果P1 0输出高电平 则SSR1 截止 SSR2 导通 交流电流经B相绕组 电机反转 0 1 0 电机正转 4 2 3固态继电器输出接口技术 一个交流型SSR控制单向交流控制电机的实例如图4 18所示 图中 改变交流电机通电绕组 即可控制电机的旋转方向 例如用它控制流量调节阀的开和关 从而实现控制管道中流体流量的目的 如图4 18中所示 当控制端P1 0输出为低电平时 经反相后 使SSR1 导通 SSR2 截止 交流电通过A相绕组 电机正转 反之 如果P1 0输出高电平 则SSR1 截止 SSR2 导通 交流电流经B相绕组 电机反转 图中所示的Rp Cp组成浪涌电压吸收回路 通常Rp为100 左右 CP为0 1 F RM为压敏电阻 用做过电压保护 其电压取值范围通常为电源电压有效值的1 6 1 9倍 市售有专门适用于交流220V或380V的压敏电阻 选用交流型固态继电器时主要注意它的额定电压和额定工作电流 1 0 1 电机反转 4 4步进电机控制接口技术 步进电机是工业过程控制及仪表中的主要控制元件之一 1 步进电机的特点 快速启停能力步进速率为200 1000步每秒 步进速率增加1 2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 正因为步进电机具有快速启停 精确步进以及能直接接收数字量等特点 所以使其在定位场合中得到了广泛的应用 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 4 4 1步进电机工作原理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 其结构原理 如图4 44所示 1 步进电机的构成 1 定子有6个等分的磁极 即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4 40所示的结构为三相步进电机 A A 相 B B 相 C C 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 图4 44步进电机原理图P152 4 4 1步进电机工作原理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 其结构原理 如图4 40所示 1 步进电机的构成 图4 44步进电机原理图P152 2 转子步进电机的转子上没有绕组 而是由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 2 运行 步进电机的工作方式可分为 三相单三拍 三相单双六拍 三相双三拍等 一 三相单三拍 1 三相绕组中的通电顺序为 2 工作过程 A相通电使转子1 3齿和AA 对齐 B相通电 转子2 4齿和B相轴线对齐 相对A相通电位置转30 B相通电 转子2 4齿和B相轴线对齐 相对A相通电位置转30 C相通电再转30 2 工作过程 这种工作方式 因三相绕组中每次只有一相通电 而且 一个循环周期共包括三个脉冲 所以称三相单三拍 三相单三拍的特点 每来一个电脉冲 转子转过30 此角称为步距角 用QS表示 转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序 改变通电顺序即可改变转向 二 三相单双六拍 1 三相绕组的通电顺序为 A AB B BC C CA A共六拍 二 三相单双六拍 1 三相绕组的通电顺序为 A AB B BC C CA A共六拍 2 工作过程 A相通电转子1 3齿和A相对齐 A B相同时通电 1 BB 磁场对2 4齿有磁拉力 该拉力使转子顺时针方向转动 2 AA 磁场继续对1 3齿有拉力 3 所以转子转到两磁拉力平衡的位置上 相对AA 通电 转子转了15 总之 每个循环周期 有六种通电状态 所以称为三相六拍 步距角为15 B相通电转子2 4齿和B相对齐 又转了15 A B相同时通电 1 BB 磁场对2 4齿有磁拉力 该拉力使转子顺时针方向转动 2 AA 磁场继续对1 3齿有拉力 3 所以转子转到两磁拉力平衡的位置上 相对AA 通电 转子转了15 三 三相双三拍 1 三相绕组的通电顺序为 AB BC CA AB共三拍 2 工作过程 以上三种工作方式 三相双三拍和三相单双六拍较三相单三拍稳定 因此较常采用 工作方式为三相双三拍时 每通入一个电脉冲 转子也是转30 即步距角 30 3 小步距角的步进电机 实际采用的步进电机步距角多为3 和1 5 步距角越小 加工的精度就越高 为使转 定子的齿对齐 定子磁极上的小齿 齿宽和齿槽和转子相同 A相和B相间 转子含有40个齿 3 小步距角的步进电机 实际采用的步进电机步距角多为3 和1 5 步距角越小 加工的精度就越高 A相和B相间 3 小步距角的步进电机 工作原理 A相通电时 定子A相的五个小齿与转子对齐 此时 B相和A相空间差120 含120 9 131 3齿 A相和C相差240 含240 9 262 3个齿 所以 A相的转子 定子的五个小齿对齐 B相 C相不能对齐 B相的转子 定子相差1 3个齿 3 C相的转子 定子相差2 3个齿 6 A相断电 B相通电后 转子只需转过1 3个齿 3 使B相转子 定子对齐 同理 C相通电再转3 按照A B C A顺序通电一周 则转子转动9 实际采用的步进电机步距角多为3 和1 5 步距角越小 加工的精度就越高 4 几点说明 1 步进电机旋转的根本原因是错齿 2 步距角 步进电机通过一个电脉冲转子转过的角度 称为步距角 式中 N McC为一个周期的运行拍数 即通电状态循环一周需要改变的次数其中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 C 2 Zr为转子齿数 拍数与相数相同 拍数是相数2倍 举例 某步进电机工作方式为三相单三拍 分别求取Zr为4和40时的步距角 解 三相单三拍 N McC 3 1 3 当Zr 4 Qs 360 3 4 30 当Zr 40 Qs 360 3 40 3 4 4 2步进电机控制系统的原理 典型的步进电机控制系统主要由步进控制器 功率放大器及步进电机组成 图4 45步进电机控制系统的组成P153 1 步进控制器是由缓冲寄存器 环形分配器 控制逻辑及正 反转控制门等组成的 作用 把输入的脉冲转换成环型脉冲 以便控制步进电机 并能进行正 反向控制 4 4 2步进电机控制系统的原理 典型的步进电机控制系统主要由步进控制器 功率放大器及步进电机组成 图4 45步进电机控制系统的组成P153 2 功率放大器把控制器输出的环型脉冲加以放大 以驱动步进电机转动 采用计算机控制系统 由软件代替上述步进控制器 简化了线路 降低了成本 提高可靠性 采用微型计算机控制 可根据系统的需要 灵活改变步进电机的控制方案 使用起来很方便 典型的微型机控制步进电机系统原理图 如图4 46所示 图4 46与图4 45相比 用微型机代替了步进控制器 把并行二进制码转换成串行脉冲序列 并实现方向控制 每当步进电机脉冲输入线上得到一个脉冲 它便沿着方向控制线信号所确定的方向走一步 只要负载在步进电机允许的范围之内 那么 每个脉冲将使电机转动一个固定的步距角度 根据步距角的大小及实际走的步数 只要知道初始位置 便可知道步进电机的最终位置 图4 46用微型机控制步进电机原理系统图p153 本章节主要解决如下几个问题 1 用软件的方法实现脉冲序列 2 步进电机的方向控制 3 步进电机控制程序的设计 1 脉冲序列的生成 步进电机控制软件中必须解决的一个重要问题 就是产生一个如图4 47所示的周期性脉冲序列 图4 47脉冲序列 脉冲是用周期 脉冲高度 接通与断开电源的时间来表示 脉冲幅值由数字元件电平决定 TTL0 5VCMOS0 10V接通和断开时间可用延时的办法控制 要求 确保步进到位 但由于步进电机的 步进 是需要一定的时间的 所以在送一高脉冲后 需延长一段时间 以使步进电机达到指定的位置 由此可见 用计算机控制步进电机实际上是由计算机产生一系列脉冲波 2 方向控制 常用的步进电机有三相 四相 五相 六相4种 其旋转方向与内部绕组的通电顺序相关 三相步进电机有三种工作方式 单三拍 通电顺序为A B C 双三拍 通电顺序为AB BC CA 三相六拍 通电顺序为A AB B BC C CA 改变通电顺序可以改变步进电机的转向 关于四相 五相 六相的步进电机 其通电方式和通电顺序与三相步进电机相似 读者可自行分析 本书主要以三相步进电机为例进行讲述 3 步进电机的方向控制方法 1 用微型机输出接口的每一位控制一相绕组 例如 用8255控制三相步进电机时 可用Pc 0 Pc 1 Pc 2分别接至步进电机的A B C三相绕组 2 根据所选定的步进电机及控制方式 写出相应控制方式的数学模型 如上面讲的三种控制方式的数学模型分别为 三相单三拍 三相双三拍 3 步进电机的方向控制方法 以上为步进电机正转时的控制顺序及数学模型 如果按上述逆顺序进行控制 则步进电机将向相反方向转动 三相六拍 4 4 3步进电机与微型机的接口及程序设计 1 步进电机与单片机的接口电路 图4 48步进电机与单片机接口电路之一 在图4 48中 当8031的P1口的某一位 如P1 0 输出为0时 经反相驱动器变为高电平 使达林顿管导通 A相绕组通电 反之 当P1 0 1时 A相不通电 由P1 1和P1 2控制的B相和C相亦然 总之 只要按一定的顺序改变P1 0 P1 2三位通电的顺序 则可控制步进电机按一定的方向步进 由于步进电机的驱动电流较大 所以微型机与步进电机的连接都需要专门的接口及驱动电路 接口电路可以是锁存器 也可以是可编程接口芯片 如8255 8155等 驱动器可用大功率复合管 也可以是专门的驱动器光电隔离器 加在驱动器与微型机之间 一是抗干扰 二是电隔离 其接口电路原理如图4 48和4 49所示 0 1 4 4 3步进电机与微型机的接口及程序设计 图4 49步进电机与单片机接口电路之二 图4 49所示与图4 48所示的区别是在单片机与驱动器之间增加一级光电隔离 当P1 2输出为1时 发光二极管不发光 因此光敏三极管截止 从而使达林顿管导通 C相绕组通电 反之 当P1 2 0时 经反相后 使发光二极管发光 光敏三极管导通 从而使达林顿管截止 C相绕组不通电 0 0 1 0 1 1 1 0 0 现在 已经生产出许多专门用于步进电机或交流电机的接口器件 或接口板 用户可根据需要选用 4 4 3步进电机与微型机的接口及程序设计 2 步进电机程序设计 因此 步进电机控制程序就是完成环型分配器的任务 从而控制步进电机转动 达到控制转动角度和位移之目的 步进电机程序设计的主要任务是 判断旋转方向 按顺序传送控制脉冲 判断所要求的控制步数是否传送完毕 1 程序框图以三相双三拍为例说明这类程序的设计 2 程序 以上程序设计方法对于节拍比较少的程序是可行的 但是 当步进电机的节拍数比较多 如三相六拍 六相十二拍等 时 用这种立即数传送法将会使程序很长 因而占用很多个存储器单元 所以 对于节拍比较多的控制程序 通常采用循环程序进行设计 3 循环程序 作法 把环型节拍的控制模型按顺序存放在内存单元中 逐一从单元中取出控制模型并输出 节拍越多 优越性越显著 以三相六拍为例进行设计 其流程图如图4 47所示 ROUTN2 LOOP0 LOOP2 LOOP1 4 4 4步进电机步数及速度的确定方法 两个重要的参数 步数N控制步进电机的定位精度 延时时间DELAY控制其步进的速率 1 步进电机步数的确定步进电机常被用来控制角度和位移 用步进电机控制旋转变压器或多圈电位器的转角 穿孔机的进给机构 软盘驱动系统 光电阅读机 打印机 数控机床等也都用步进电机精确定位 例 用步进电机带动一个10圈的多圈电位计来调整电压 假定其调压范围为0 10V 现在需要把电压从2V升到2 1V 此时 步进电机的行程角度为 10V 3600 2 1V 2V XX 36 用三相三拍 步距角为3 其步数为 N 36 3 12 步 用三相六拍 步距角为1 5 其步数为 N 36 1 5 24 步 可见 改变步进电机的控制方式 可以提高精度 在同样的脉冲周期下 步进电机的速率将降低 2 步进电机控制速度的确定 所以 只要在输出一个脉冲后 延时833 s 即可达到上述之目的 步进电机的步数是保证精度的重要参数之一 在某些场合 不但要求能精确定位 而且还要求在一定的时间内到达预定的位置 这就要求控制步进电机的速率 步进电机速率控制的方法就是改变每个脉冲的时间间隔 也即改变延时时间 例如 在ROUND2程序中 三相六拍 步进电机转动10圈需要2秒钟 则每步进一步需要的时间为 4 4 5步进电机的变速控制 多数任务都希望能尽快地达到控制终点 因此 要求步进电机的速率尽可能快一些 但是 速度太快 则可能产生失步 一般步进电机对空载最高启动频率都有所限制 当步进电机带负载时 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可知 启动频率越高 启动转矩越小 带负载的能力越差 当步进电机启动后 进入稳态时的工作频率又远大于启动频率 指电机空载时转子从静止状态不失步地步入同步的最大控制脉冲频率 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 措施 启动的瞬间采取加速的措施 升频的时间约为0 1 1s之间 从高速运行到停止也应该有减速的措施 减速时的加速度绝对值常比加速时的加速度大 为此 引进一种变速控制程序 以最快的速度走完所规定的步数 而又不出现失步 如图4 52所示 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 启动或停止时 用三相六拍 大约在0 1s以后 改用三相三拍的分配方式 在快达到终点时 再度采用三相六拍的控制方式 以达到减速控制的目的 2 均匀地改变脉冲时间间隔的变速控制 步进电机的加速 或减速 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 因此 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 将定时器初始化后 每隔一定的时间 由定时器向CPU申请一次中断 CPU响应中断后 便发出一次控制脉冲 此时 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