计算机控制系统-6程序顺序控制-第13讲-电动机控制.ppt

《计算机控制系统-6程序顺序控制-第13讲-电动机控制.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机控制系统-6程序顺序控制-第13讲-电动机控制.ppt（37页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、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

2、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

3、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

4、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，

5、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

6、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

7、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，#01HMOVX DPTR，A；设置A口输出，B、C口输入 LOOP：MOV DPTR，#0FD02H；8155 B口MOVX A，DPTRMOV 20H，A；（20H）=NCPL AINC A MOV 21H，A；（21H）=n-N，n=256MOV DPTR，#0FD03H；8155 C口MOVX A，DPTRJB ACC.1，STOPJB ACC.0，INVERTMOV A，#02H；正转OUTPUT：MOV DPTR，#0FD01H；8155 A口MOVX D

8、PTR，A,程序清单：,MOV 22H，20H；延时t1DELAY1：ACALL DELAY0DJNZ 22H，DELAY1MOV A，#00H；滑行MOVX DPTR，A MOV 23H，21H；延时t2DELAY2：ACALL DELAY0DJNZ 23H，DELAY2AJMP LOOPSTOP：MOV A，#03H；刹车MOV DPTR，#0FD01HMOVX DPTR，AAJMP LOOPINVERT：MOV A，#01H；反转AJMP OUTPUTDELAY0：；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

9、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

10、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

11、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

12、）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

13、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

14、 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,AABBBCCCA

15、A,（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

16、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

17、，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.

18、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 D

19、ELY1 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:

20、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 0000HMOV SP,#5FHLOOP1:JB P3.0,LOOP0;判断P3.0状态MOV P1,#03H;正转 LCALL DELYMOV P1,#06HLCALL DELYMOV P1,#0CHLCALL DELYMOV P1,#09HLCALL DELYSJMP LOOP1LOOP0:MOV P1,#09H;反转LCALL DELY,MOV P1,#0CHLCALL DELYMOV P1,#06HLCALL DELYMOV P1,#03HLCALL DELYSJMP LOOP1DELY:MOV R2,#1H;延时子程序DELY2:MOV R3,#80HDELY3:MOV R4,#80HDELY1:DJNZ R4,DELY1 DJNZ R3,DELY3 DJNZ R2,DELY2 RET,