第四章 常用控制程序的設(shè)計

第四章常用控制程序的設(shè)計第4章常用控制程序的設(shè)計開關(guān)量輸出接口2電機(jī)控制接口技術(shù)3報警程序設(shè)計1本章要點步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4第4章常用控制程序的設(shè)計課程索引[課前思考]1.工業(yè)控制系統(tǒng)中常用報警方式有幾種?2.PWM調(diào)速系統(tǒng)的工作原理?[教學(xué)要求]

掌握：報警程序設(shè)計、開關(guān)量輸出接口技術(shù)、電動機(jī)控制接口技術(shù)、步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.1報警程序設(shè)計引言

報警程序是計算機(jī)控制程序中必不可少的一部分。在控制過程中，有一些參數(shù)被限定在某一范圍，超出之后輕則會造成次品、浪費等，重則造成設(shè)備損壞、人員傷亡等。報警程序就是提醒操作人員注意或采取緊急處理措施。本節(jié)主要內(nèi)容常用報警方式簡單報警程序設(shè)計越限報警程序設(shè)計4.1報警程序設(shè)計4.1.1常用報警方式4.1.1常用報警方式

一、發(fā)光報警

在設(shè)備中常用發(fā)光二極管（LED）發(fā)光報警，其電路如下。 LED驅(qū)動電流一般為5---30mA， 74LS373（273、377，或8255等）為 數(shù)據(jù)鎖存， 74LS06（或74LS07） 為驅(qū)動器，R為限流電阻。 R=（V-0.5）/I 0.5為LED的結(jié)電壓。 R：200 450 1000 I：22.5 10 4.5（mA） 若用白熾燈報警，則需用繼電器 進(jìn)行控制，只需將電路中的LED換成 繼電器、電阻換小一些的即可。4.1報警程序設(shè)計4.1.1常用報警方式

二、發(fā)聲報警

在設(shè)備中，發(fā)聲報警的方法有多種，可用報警喇叭發(fā)聲、發(fā)聲芯片發(fā)聲、編程發(fā)聲、可編程語音芯片發(fā)聲等。

1、報警喇叭發(fā)聲 有一種壓電式蜂鳴器，加上3—24V直流電壓，便發(fā)出“嘟、嘟、嘟……”的報警聲，電壓越高，聲音越大。

2、編程發(fā)聲 用計算機(jī)，或者利用設(shè)備中單片機(jī)，編程發(fā)聲程序，使喇叭發(fā)出各種各樣的報警聲，甚至音樂。

3、可編程語音芯片發(fā)聲 使用時先錄制聲音，然后編寫程序，可根據(jù)不同的情況，發(fā)出不同的語音提示。如ZY1420A語音模塊，分為160段，每段可錄制0.125s，錄音總長度為20s。4.1報警程序設(shè)計4.1.1常用報警方式

4、發(fā)聲芯片發(fā)聲 用發(fā)聲芯片發(fā)聲報警，是常用的方法，如汽車倒車、汽車灑水、門鈴、玩具發(fā)聲等，都是使用的發(fā)聲芯片發(fā)聲。如下表所示的KD-956X系列報警聲音芯片（見表4--1）。 型號聲光性能KD-9561機(jī)槍、警笛、救護(hù)車、消防車聲KD-9561B嘟嘟嘟……聲KD-9562機(jī)槍、炮彈等八種聲音KD-9562B光控報警聲KD-9562C單鍵八音KD-9563三聲二閃光KD-9565六聲五閃光4.1報警程序設(shè)計4.1.1常用報警方式 KD-956X系列聲音芯片主要特性： 1）工作電壓范圍寬（3---4.5V） 2）靜態(tài)電流低； 3）外接振蕩電阻可調(diào)節(jié)模擬聲音的放音節(jié)奏； （R1發(fā)生頻率，R1：180k---290k） 4）外接一只小功率三極管便可驅(qū)動揚聲器。 KD956X系列聲音芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：包含有振蕩器、節(jié)拍器、音色發(fā)生器、地址計數(shù)器、控制和輸出等部分。下面為KD9561聲音芯片的外形圖、應(yīng)用電路圖和接線圖。4.1報警程序設(shè)計4.1.2簡單報警程序設(shè)計

簡單報警程序設(shè)計方法可以分兩種

全軟件報警程序： 對測量的參數(shù)（溫度、壓力、流量、速度、成分等）與規(guī)定的上、下限進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果做報警（聲、光）和處理。

硬件申請、軟件處理報警程序： 這種方法的報警判斷不是程序完成的，而是直接由電路或設(shè)備完成的，超過限定值時向CPU發(fā)出中斷請求，CPU響應(yīng)中斷后進(jìn)行報警（聲、光）和處理。4.1報警程序設(shè)計4.1.2簡單報警程序設(shè)計

一、軟件報警程序設(shè)計

如鍋爐水位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要參數(shù)：水位、進(jìn)水流量、蒸汽流量。 根據(jù)鍋爐中的水位、進(jìn)水流量和蒸汽流量，調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門，以保持鍋爐中的水位。4.1報警程序設(shè)計4.1.2簡單報警程序設(shè)計 鍋爐報警參數(shù)：

X1：水位（高、低）； X2：爐膛溫度；（高、低） X3：蒸汽壓力（低）4.1報警程序設(shè)計4.1.2簡單報警程序設(shè)計 軟件報警子程序流程圖。 X1：水位（高、低） X2：爐膛溫度（高、低） X3：蒸汽壓力（低）4.1報警程序設(shè)計4.1.2簡單報警程序設(shè)計 二、硬件直接報警程序設(shè)計

對于某些根據(jù)開關(guān)量 狀態(tài)進(jìn)行報警的系統(tǒng)，為 了使系統(tǒng)簡化，可以不用 上面所說的軟件編程判斷 報警方法，而是采用硬件 申請 中斷的方法，進(jìn)行報 警設(shè)計。 右圖為硬件直接報警 系統(tǒng)原理圖。04為反相器。 有參數(shù)超限便向CPU 產(chǎn)生中斷請求，從C口輸入、 高低4位交換、再從C口輸 出。4.1報警程序設(shè)計4.1.3越限報警程序設(shè)計 前面講的報警程序比較簡單，實際中測量值在某一個范圍上下擺動，為了避免測量值在極限值附近擺動造成頻繁的報警，因此在上下限附近設(shè)定一個回差帶，如下圖所示。4.1報警程序設(shè)計4.1.3越限報警程序設(shè)計 程序基本思想： （1）比較判斷： 將采樣、數(shù)字濾波后的數(shù)據(jù)與①該被測點上、下限給定值進(jìn)行比較，檢查是否越限；②或與上限復(fù)位值、下限復(fù)位值進(jìn)行比較，檢查是否復(fù)限。

（2）處理： ①如越限，則分別置上、下限標(biāo)志，并輸出相應(yīng)的聲光報警信號；②如復(fù)限，則清除相應(yīng)標(biāo)志。4.2開關(guān)量輸出接口技術(shù)引言

接口在工業(yè)上，被控制的對象中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動力部分，一般都是強(qiáng)電，但計算機(jī)系統(tǒng)是弱電，要弱電去控制強(qiáng)電，就需要接口。

對于只進(jìn)行通斷控制的機(jī)構(gòu)，如電機(jī)的啟停，照明的開關(guān)，報警的控制等，只需要開關(guān)量來進(jìn)行控制，接口常用的器件是繼電器或可控硅。在實際應(yīng)用中，因為執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的強(qiáng)電在開、關(guān)過程中會產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，若在強(qiáng)電和弱電之間不加隔離，就會對計算機(jī)系統(tǒng)造成誤動作和損壞。因此在接口電路中，一是要放大（驅(qū)動），二是要隔離。本節(jié)主要內(nèi)容 1、光電隔離技術(shù) 2、繼電器輸出接口技術(shù) 3、固態(tài)繼電器輸出接口技術(shù) 4、大功率場效應(yīng)管開關(guān)接口技術(shù) 5、可控硅接口技術(shù) 6、電磁閥接口技術(shù)4.2開關(guān)量輸出接口技術(shù)4.2.1光電隔離技術(shù)常用的光電隔離器的種類有：發(fā)光二極管/光敏三極管（光敏復(fù)合晶體管、光敏電阻、光觸發(fā)可控硅）等，其工作原理如下圖所示。

工作原理：

隔離電壓：塑料封裝一般為2500V左右陶瓷封裝一般為5000---10000V左右

輸入驅(qū)動電流：一般為10mA左右，常用7404、7406、7407等芯片驅(qū)動。

常用的光電隔離器有4N25等，隔離電壓為2500V，驅(qū)動電流為10mA---15mAout三極管4.2開關(guān)量輸出接口技術(shù)4.2.1光電隔離技術(shù)光電耦合隔離器的幾種類型4.2開關(guān)量輸出接口技術(shù)4.2.1光電隔離技術(shù)光電耦合隔離器的結(jié)構(gòu)原理4.2開關(guān)量輸出接口技術(shù)4.2.1光電隔離技術(shù)

圖4—15正確的隔離

P107

4.2開關(guān)量輸出接口技術(shù)4.2.1光電隔離技術(shù)圖4—16不正確的隔離

P1074.2開關(guān)量輸出接口技術(shù)4.2.1光電隔離技術(shù)光電耦合隔離電路4.2開關(guān)量輸出接口技術(shù)4.2.2繼電器輸出接口技術(shù)電磁式繼電器的工作原理和應(yīng)用電路如下圖所示。驅(qū)動電流一般為100mA左右，直流電壓5V、9V、12V、24V等

選用時應(yīng)考慮：1、額定工作電壓、電流2、接點負(fù)荷3、接點的數(shù)量與種類（動斷或動開）4、體積、封裝、工作環(huán)境、延遲時間等為高時繼電器閉合保護(hù)二極管繼電器線圈光電隔離器4.2開關(guān)量輸出接口技術(shù)4.2.3固態(tài)繼電器輸出接口技術(shù)電磁式繼電器在通斷過程中會產(chǎn)生電磁干擾，并且觸點容易氧化而影響可靠性。固態(tài)繼電器（SolidStateRelay）SSR是用晶體管或可控硅代替電磁式繼電器，SSR無觸點，響應(yīng)快，并且將光電隔離集成到一起。SSR分為直流型的和交流型的。一、直流型SSR結(jié)構(gòu)與工作原理如下圖4.2開關(guān)量輸出接口技術(shù)4.2.3固態(tài)繼電器輸出接口技術(shù)

直流SSR主要用于直流負(fù)載的場合輸出工作電壓30--180V（5V開始工作）SSR控制步進(jìn)電機(jī)（下圖）。PCx=1時導(dǎo)通，對應(yīng)繞組通電。保護(hù)二極管步進(jìn)電機(jī)繞組C4.2開關(guān)量輸出接口技術(shù)4.2.3固態(tài)繼電器輸出接口技術(shù)二、交流型SSR

用可控硅作開關(guān)器件。分為過零型和移相型兩類。用于控制交流大功率設(shè)備，如控制交流電動機(jī)、交流電磁閥等。SSR結(jié)構(gòu)與工作原理如下圖4.2開關(guān)量輸出接口技術(shù)4.2.3固態(tài)繼電器輸出接口技術(shù)交流SSR輸出波形如下圖所示非過零型導(dǎo)通時間立即導(dǎo)通過零型導(dǎo)通時間過零型導(dǎo)通時間關(guān)斷時間相同，在過零時交流電源波形控制信號SSR兩端的電壓在導(dǎo)通時為0。非過零型SSR，加上控制信號便導(dǎo)通必須在負(fù)載電源電壓接近零且輸入控制信號有效,負(fù)載才導(dǎo)通4.2開關(guān)量輸出接口技術(shù)4.2.3固態(tài)繼電器輸出接口技術(shù)交流SSR控制交流電機(jī)原理圖如下圖所示。

RP、CP組成浪涌電壓保護(hù)電路（對50Hz的阻抗約為32K），RM為壓敏電阻，用作過壓保護(hù)（保護(hù)SSR）。PC0=0，A繞組通電電機(jī)正轉(zhuǎn)；PC0=1，B繞組通電電機(jī)反轉(zhuǎn)交流固態(tài)繼電器4.2開關(guān)量輸出接口技術(shù)4.2.4大功率場效應(yīng)管開關(guān)接口技術(shù)

場效應(yīng)管特點：輸入阻抗高、關(guān)斷漏電流小、響應(yīng)快，體積小、價格低。

IRF系列場效應(yīng)管特性：電流從幾毫安---幾十安；耐壓從幾十伏---幾百伏。

使用時注意加光電保護(hù)，如用4N25等光電隔離器。G：柵極，控制端；D：漏極，接電源正極S：源極，接電源負(fù)極

主要用于直流設(shè)備4.2開關(guān)量輸出接口技術(shù)4.2.4大功率場效應(yīng)管開關(guān)接口技術(shù)大功率場效應(yīng)管控制步進(jìn)電機(jī)原理圖

場效應(yīng)管型號為IRF640，PCx為1時對應(yīng)繞組導(dǎo)通，為0時對應(yīng)繞組關(guān)閉。 三個繞組按規(guī)律交替導(dǎo)通，步進(jìn)電機(jī)才會旋轉(zhuǎn)。場效應(yīng)管開關(guān)光電隔離器浪涌電壓保護(hù)電路，保護(hù)場效應(yīng)管步進(jìn)電機(jī)繞組A保護(hù)二極管4.2開關(guān)量輸出接口技術(shù)4.2.5可控硅接口技術(shù)可控硅（SiliconControlledRectifier(整流器)）SCR，也叫晶閘管，是一種大功率器件。

特點：效率高、壽命長、體積小。

應(yīng)用：作大功率驅(qū)動器件，實現(xiàn)以小功率控制大功率。在直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。

分類：分為單向可控硅和雙向可控硅。

一、單向可控硅A陽極、K陰極、G控制極4.2開關(guān)量輸出接口技術(shù)4.2.5可控硅接口技術(shù)

幾個參量：

觸發(fā)電流IT：Ig>IT時導(dǎo)通；控制角α；導(dǎo)通角θ；Ig為柵極電流截止：UA≤UK。單向可控硅的單向?qū)üδ?，多用于直流大電流場合的開關(guān)。在交流系統(tǒng)中用做大功率整流。IT導(dǎo)通4.2開關(guān)量輸出接口技術(shù)4.2.5可控硅接口技術(shù)

二、雙向可控硅

又叫三端雙向可控硅，簡稱TRIAC。

工作原理：控制極G加正向脈沖則正向?qū)?，加反向脈沖則反向?qū)?。也會截止?/p>

特點與應(yīng)用：控制簡單，無耐壓問題，作交流無觸點開關(guān)。G4.2開關(guān)量輸出接口技術(shù)4.2.5可控硅接口技術(shù) 用雙向可控硅控制交流電加熱爐的原理圖：

上半部分為可控硅控制電路，下半部分為交流電過零探測電路，每過一次零便產(chǎn)生一個脈沖的下降沿，向CPU發(fā)出中斷請求，CPU響應(yīng)后，向D0發(fā)出同步觸發(fā)脈沖，使可控硅導(dǎo)通。 注意：每半個周期給可控硅一個同步脈沖，電壓不小于4V，脈沖寬度不小于20s。D0為低時導(dǎo)通。此電路復(fù)雜，采用圖4-26電路簡單。光電隔離器產(chǎn)生中斷請求信號此電路復(fù)雜，采用圖4-26電路簡單。4.2開關(guān)量輸出接口技術(shù)4.2.5可控硅接口技術(shù)VbVctt4.2開關(guān)量輸出接口技術(shù)4.2.6電磁閥接口技術(shù)

電磁是受通電線圈電磁力控制開閉的閥體。廣泛應(yīng)用于氣體、液體開關(guān)閥門。

結(jié)構(gòu)原理圖如下圖所示。4.2開關(guān)量輸出接口技術(shù)4.2.6電磁閥接口技術(shù)電磁閥的種類：有交流和直流兩種。

交流電磁閥使用方便，但容易震動、啟動電流大；直流電磁閥需專門電源，如12V、24V、48V等。交流電磁閥的接口電路如下圖所示。

雙向可控硅的選擇：對中小型的交流電磁閥，可選3A、600V的。為過零觸發(fā)光電耦合雙向可控硅驅(qū)動芯片為低時可控硅導(dǎo)通4.3電動機(jī)控制接口技術(shù)電動機(jī)控制技術(shù)概述

電動機(jī)是被廣泛應(yīng)用的原動機(jī)

電動機(jī)的控制要求越來越高：啟、停、逆轉(zhuǎn)快速，調(diào)速快、準(zhǔn)。

電動機(jī)控制器的發(fā)展：電機(jī)控制元件經(jīng)歷了從交流放大器到磁放大器、可控離子變速器、可控硅、計算機(jī)控制。

計算機(jī)控制又分為微機(jī)控制系統(tǒng)、單片機(jī)控制裝置和專用控制板卡等，并且采用了復(fù)雜的控制算法。

脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，在直流小功率電動機(jī)調(diào)速中已經(jīng)成熟，在直流中、小功率方面正在迅速取代可控硅SCR直流調(diào)速系統(tǒng)，但在交流和大功率電動機(jī)調(diào)速方面尚屬研究中。

電動機(jī)調(diào)速的發(fā)展趨勢：微型化、智能化、一體化，即將以微型計算機(jī)（單片機(jī)）為核心的控制器做到電動機(jī)上。4.3電動機(jī)控制接口技術(shù)電動機(jī)控制技術(shù)概述本節(jié)主要內(nèi)容1、小功率直流電動機(jī)調(diào)速原理2、開環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)3、脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計4、閉環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)5、交流電動機(jī)控制接口技術(shù)4.3電動機(jī)控制接口技術(shù)4.3.1小功率直流電動機(jī)調(diào)速原理

脈沖寬度調(diào)制（PulseWidthModulation）PWM原理小功率直流電動機(jī)由轉(zhuǎn)子和定子組成，定子可以是磁極或勵磁繞組。

其轉(zhuǎn)速與加在轉(zhuǎn)子電樞上的電壓Ua有關(guān)，Ua↑→轉(zhuǎn)速V↑；所加電壓極性改變，則電動機(jī)反轉(zhuǎn)。據(jù)此原理，通過改變電動機(jī)電樞電壓接通和斷開的時間比（即占空比）來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種方法就稱為脈沖寬度調(diào)制PWM。

脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)速公式（平均轉(zhuǎn)速）：Vd=Vmax*D

Vd----電動機(jī)平均轉(zhuǎn)速Vmax全通電時速度（最大）

D=t1/T----占空比，t1是通電時間，T是脈寬周期。D≤1。

Vd∝D，與單純的周期T無關(guān)

Vd與D的關(guān)系如下頁圖所示4.3電動機(jī)控制接口技術(shù)4.3.1小功率直流電動機(jī)調(diào)速原理定子繞組及產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)子電樞4.3電動機(jī)控制接口技術(shù)4.3.2開環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)1、開環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)的組成由五部分組成：

（1）占空比D的設(shè)定1）用電位器調(diào)節(jié)、2）用撥碼開關(guān)、3）用數(shù)字鍵盤

（2）脈沖寬度發(fā)生器軟件編程

（3）驅(qū)動器TTL放大電路

（4）電子開關(guān)用晶體管、場效應(yīng)管、可控硅、繼電器

（5）電動機(jī)4.3電動機(jī)控制接口技術(shù)4.3.2開環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)

Vd與D只是近似的線性關(guān)系，與單純的周期T無關(guān)（與步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速脈沖不同，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比）。在D不變的情況下，T越小，電機(jī)轉(zhuǎn)速越平穩(wěn)。 4.3電動機(jī)控制接口技術(shù)4.3.2開環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)

2、電動機(jī)控制接口上圖中的第3、4兩部分即為接口部分。直流電機(jī)與微機(jī)的接口有以下4種方法：

（1）光電隔離器+大功率場效應(yīng)管

適用于自己開發(fā)的系統(tǒng)，價格低

（2）固態(tài)繼電器適用于自己開發(fā)的系統(tǒng)，價格低

（3）專用接口芯片如L290、L291、L292等，價高、但可靠

（4）專用接口板如7501、7502，主要用于STD或PC機(jī)系統(tǒng) 如用單片機(jī)控制，即可產(chǎn)生并輸出調(diào)制脈沖，再加上光電隔離器+大功率場效應(yīng)管，或者加上固態(tài)繼電器就構(gòu)成了接口部件和脈寬調(diào)速控制器。4.3電動機(jī)控制接口技術(shù)4.3.3脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

一、脈寬占空比設(shè)計由脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)速公式：Vd=Vmax*D電動機(jī)平均轉(zhuǎn)速Vd、全通電時速度Vmax已知，對于給定的平均轉(zhuǎn)速Vd，便可計算出占空比D。占空比D=t1/T，t1是通電時間，t2是斷電時間。脈寬周期T=t1+t2

1、軟件計數(shù)法

設(shè)單位時間（t0）計一個數(shù)，則通電時間t1計數(shù)N1=t1/t0，斷電時間t2計數(shù)N2=t2/t0，在脈沖輸出端，輸出高電平計數(shù)N1，輸出低電平計數(shù)N2，并讓輸出端如此循環(huán)輸出即可。2、硬件計數(shù)法用硬件計數(shù)器計數(shù)，分別輸出高電平和低電平，也如此循環(huán)輸出即可。4.3電動機(jī)控制接口技術(shù)4.3.3脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計二、電動機(jī)轉(zhuǎn)動控制原理正轉(zhuǎn)：SW1、SW4閉合反轉(zhuǎn)：SW2、SW3閉合剎車：SW2、SW4閉合 （或SW1、SW3閉合）滑行：SW1、SW2、SW3、SW4全部斷開

4.3電動機(jī)控制接口技術(shù)4.3.3脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計控制數(shù)據(jù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)PA1PA0SW1SW2SW3SW410正轉(zhuǎn)100101反轉(zhuǎn)011011剎車010100滑行0000雙向控制電動機(jī)工作狀態(tài)真值表PA0、PA1為0時，SW1、SW3才有可能導(dǎo)通SWx狀態(tài)：PA0、1為1時導(dǎo)通，為0時截止SWx用的是場效應(yīng)管PB0---PB7：設(shè)置脈沖寬度，即方波的占空比74LS125：四總線三態(tài)緩沖器三、電動機(jī)控制接口電路4.3電動機(jī)控制接口技術(shù)4.3.3脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計四、控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計1、流程圖（右圖）2、8086匯編程序

4.3電動機(jī)控制接口技術(shù)4.3.4閉環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)

為了提高電動機(jī)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)的精度，通常采用閉環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)。

閉環(huán)系統(tǒng)是在開環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了電動機(jī)的速度檢測回路，意在將檢測到的速度與給定值比較，并由數(shù)字調(diào)節(jié)器（PID）進(jìn)行調(diào)節(jié)。其原理框圖如左圖所示。4.3電動機(jī)控制接口技術(shù)4.3.4閉環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)

一、測速發(fā)電機(jī)1、測速發(fā)電機(jī)的工作原理測速發(fā)電機(jī)是一種將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。根據(jù)結(jié)構(gòu)及工作原理的不同，分為直流和交流測速發(fā)電機(jī)。

測速發(fā)電機(jī)的工作原理：用被控制的電動機(jī)，帶動測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子在定子所形成的磁場中旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線，便產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢，即有電壓。轉(zhuǎn)速越高，電壓越高。電壓便與電動機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，由此得到電動機(jī)的轉(zhuǎn)速信息。

測速發(fā)電機(jī)的特點是分辨率較高，價格較低。4.3電動機(jī)控制接口技術(shù)4.3.4閉環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)

2、直流閉環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)原理圖4.3電動機(jī)控制接口技術(shù)4.3.4閉環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)

二、數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器，是把旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的一種裝置。計算機(jī)控制系統(tǒng)最常用的是碼盤式轉(zhuǎn)速傳感器。下圖為增量式和絕對式碼盤。4.3電動機(jī)控制接口技術(shù)4.3.4閉環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)

1、增量式碼盤的工作原理增量式碼盤的脈沖輸入到計算機(jī)的計數(shù)器，其轉(zhuǎn)速公式為：

nm=60*Nc/n/t1（轉(zhuǎn)/分） 式中：nm----轉(zhuǎn)速，單位為r/min Nc----在t1時間內(nèi)測得的脈沖數(shù) n----碼盤上一周的縫隙數(shù) t1----測速時間，單位為秒 Nc/n：為在t1時間內(nèi)碼盤轉(zhuǎn)的總?cè)?shù)4.3電動機(jī)控制接口技術(shù)4.3.4閉環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)

2、絕對式碼盤的工作原理有數(shù)字的方格示透光，無數(shù)字的方格示不透光，透光的地方經(jīng)光敏元件輸出1，不透光的地方經(jīng)光敏元件輸出0。每一個位圈需要一個光敏元件，8個位圈需要8個光敏元件，可以計數(shù)256。8位光敏元件輸出的數(shù)據(jù)，可以直接接到計算機(jī)的數(shù)字量輸入端口。每隔一段時間讀一次數(shù)據(jù)，兩次的數(shù)據(jù)差除以碼盤上的縫隙數(shù)，即為轉(zhuǎn)的圈數(shù)。轉(zhuǎn)速=兩次的數(shù)據(jù)差/碼盤上外圈的縫隙數(shù)/時間111111111188888888123456789101112131415161718192022222222224444444441616161616轉(zhuǎn)速仍然可以用前面的公式，Nc理解為數(shù)據(jù)差D0位圈D1位圈D2位圈D3位圈D4位圈最外圈有數(shù)字的格為透光總格數(shù)4.3電動機(jī)控制接口技術(shù)4.3.5交流電動機(jī)控制接口技術(shù)

1、交流電動機(jī)的調(diào)速正在研究發(fā)展中交流電動機(jī)的調(diào)速比較復(fù)雜，是一個非常活躍的領(lǐng)域，有待進(jìn)一步研究和開發(fā)。此處作簡單介紹。

2、交流電動機(jī)調(diào)速的的特點1）電流作正反兩個方向流動；2）電壓較高（220V---380V）需要加光電隔離，常用交流固態(tài)繼電器。3、采用固態(tài)繼電器與交流伺服電機(jī)的接口電路4.3電動機(jī)控制接口技術(shù)4.3.5交流電動機(jī)控制接口技術(shù)

3、采用固態(tài)繼電器與交流伺服電機(jī)的接口電路

PC0=1，PC1=0，A相導(dǎo)通，電動機(jī)正轉(zhuǎn)。

PC0=0，PC1=1，B相導(dǎo)通，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。

PC0=0，PC1=0，A相與B相均關(guān)閉，電動機(jī)不運轉(zhuǎn)。

R4與電容C的作用是消除伺服電機(jī)關(guān)斷時的浪涌電壓。

光敏電阻R2和電阻R3的作用是組成過零檢測電路，產(chǎn)生雙向觸發(fā)脈沖。4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)

步進(jìn)電機(jī)運轉(zhuǎn)精度高旋轉(zhuǎn)單位是“步”，一步的最小轉(zhuǎn)角可以小到0.36度（最大轉(zhuǎn)角達(dá)到90度）。步進(jìn)電機(jī)若前進(jìn)一定的步數(shù)，然后再后退相同的步數(shù)，則可精確的回到原來的位置。

步進(jìn)電機(jī)啟、停速度快能夠在“一剎那”間使步進(jìn)電機(jī)啟動或停止，在快速啟停時不會失掉一步。一般轉(zhuǎn)速為200---1000步/秒。

步進(jìn)電機(jī)在定位場所得到了廣泛的應(yīng)用如：在繪圖儀、打印機(jī)、掃描儀、復(fù)印機(jī)等設(shè)備及光學(xué)儀器中應(yīng)用。其定位不需要位移傳感器測定位置。概述---步進(jìn)電機(jī)的特點及應(yīng)用 本節(jié)內(nèi)容1、步進(jìn)電機(jī)工作原理2、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理3、步進(jìn)電機(jī)與微機(jī)的接口及程序設(shè)計4、步進(jìn)電機(jī)步數(shù)及速度的計算方法5、步進(jìn)電機(jī)的變速控制4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)實際上是一個數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。其結(jié)構(gòu)如下圖所示（是一個三相步進(jìn)電機(jī)）。

1、結(jié)構(gòu)

1）定子是磁極，相對著的是一對（三相步進(jìn)電機(jī)有三對磁極），每個磁極外形是均勻的5個矩形小齒。

2）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子上無線圈，外形是分布均勻的40個矩形小齒，相鄰兩齒的夾角為9度。4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理

2、工作原理

定子各相（AA’、BB’、CC’）相差120度依次單獨通電，則定子所產(chǎn)生的磁場按AA’、BB’、CC’、AA’、BB’、……順序旋轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)原理

AA’上通電時為了構(gòu)成閉合的磁力線、并且使磁阻最小，轉(zhuǎn)子上的齒要與定子AA’上的齒對齊。設(shè)轉(zhuǎn)子與定子A相中間的齒相對的齒記為0號齒。

BB’上通電時為了構(gòu)成閉合的磁力線、并且使磁阻最小，轉(zhuǎn)子上的齒也要與定子BB’上的齒對齊。轉(zhuǎn)子上與定子B相中間應(yīng)該對齊的齒號為120°/9°=13.33，不是整數(shù)，即轉(zhuǎn)子與定子上的齒未對齊，則磁阻大，為減小磁阻，轉(zhuǎn)子要旋轉(zhuǎn)。第13、14號齒距離B相中間的角度分別為3°和6°，因此13號齒順時針旋轉(zhuǎn)3°與定子齒對齊。

CC’相通電同樣的道理，轉(zhuǎn)子仍然順時針旋轉(zhuǎn)3°。定子按A→B→C→A→B→……通電時，則轉(zhuǎn)子按順時針方向旋轉(zhuǎn)。

步距角每步的轉(zhuǎn)角為3°，即步距角為3°。

通電一周的旋轉(zhuǎn)角度按照A→B→C→A順序通電一周，則轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)9°。

反轉(zhuǎn)方法

若通電順序反過來，按C→B→A→C通電，則轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反。

3、步距角Qs計算公式

Qs=360°/(N*Zr)式中：Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；N=Mc*C為通電一周的拍數(shù)，叫運行拍數(shù)。其中Mc為繞組相數(shù)；C為狀態(tài)數(shù)，采用（單、雙）三拍時C=1，采用（單、雙）六拍時C=2。如三相三拍，步距角為3°；三相六拍，步距角為1.5°。括號內(nèi)為每轉(zhuǎn)一圈的步數(shù)4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.1步進(jìn)電機(jī)的工作原理典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)如下圖所示，主要有三部分組成。

步進(jìn)控制器由緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯、正反控制門等組成。

步進(jìn)控制器線路復(fù)雜、成本高。

計算機(jī)控制系統(tǒng)用軟件編程代替了步進(jìn)控制器，可靠、成本低、控制方便，應(yīng)用廣泛。4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理典型的微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理系統(tǒng)如下圖所示計算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)需要解決的問題：1）脈沖序列的產(chǎn)生2）方向控制3）程序設(shè)計4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理

1、脈沖序列的生成脈沖序列如右圖所示

1）脈沖周期的實現(xiàn)

脈沖周期=通電時間+斷電時間。

通電時，計算機(jī)輸出高電平使開關(guān)閉合；斷電時，計算機(jī)輸出低電平使開關(guān)斷開。

通電和斷電時間的控制，可以用定時器，也可以用軟件延時。

周期決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；占空比決定了功率。

2）脈沖高度脈沖高度決定于元器件，對TTL電平為0---5V，對CMOS電平一般為0---10V。常用的接口電路多為0---5V。4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理2、方向控制常用的步進(jìn)電機(jī)有三相、四相、五相、六相。旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序有關(guān)。以三相步進(jìn)電機(jī)為例

三相步進(jìn)電機(jī)有三種工作方式：

1）單三拍，通電順序為→A→B→C→

2）雙三拍，通電順序為→AB→BC→CA→

3）單雙交替六拍，通電順序為→A→AB→B→BC→C→CA→

若按上述通電順序為正轉(zhuǎn)，則反向通電步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。關(guān)于四相、五相、六相步進(jìn)電機(jī)的通電方式與此相似，從略。4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理三種控制模型1、三相單三拍步序控制位通電狀態(tài)控制數(shù)據(jù)PC2/C相PC1/B相PC0/A相1001A01H2010B02H3100C04H步序控制位通電狀態(tài)控制數(shù)據(jù)PC2/C相PC1/B相PC0/A相1011AB03H2110BC06H3101CA05H2、三相雙三拍4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理步序控制位通電狀態(tài)控制數(shù)據(jù)PC2/C相PC1/B相PC0/A相1001A01H2011AB03H3010B02H4110BC06H5100C04H6101CA05H3、三相六拍4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.2步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理

1、步進(jìn)電機(jī)與微機(jī)的接口電路

1）接口電路之一----無光電隔離

PCx=0導(dǎo)通，對應(yīng)繞組通電PCx=1截止，對應(yīng)繞組斷電（與前面表中所述相反）大功率復(fù)合管，起開關(guān)作用。為達(dá)林頓管4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.3步進(jìn)電機(jī)與微機(jī)的接口及程序設(shè)計

2）接口電路之二----有光電隔離

PCx=1導(dǎo)通，對應(yīng)繞組通電PCx=0截止，對應(yīng)繞組斷電（與前面表中所述相同）4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.3步進(jìn)電機(jī)與微機(jī)的接口及程序設(shè)計4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.3步進(jìn)電機(jī)與微機(jī)的接口及程序設(shè)計2.步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計步進(jìn)電機(jī)程序設(shè)計的主要任務(wù)是：★判斷旋轉(zhuǎn)方向；★按順序傳送控制脈沖；★判斷所要求的控制步數(shù)是否傳送完畢。因此，步進(jìn)電機(jī)控制程序就是完成環(huán)型分配器的任務(wù)，從而控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，以達(dá)到控制轉(zhuǎn)動角度和位移之目的（1）程序框圖

下面以三相雙三拍為例說明這類程序的設(shè)計，4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.3步進(jìn)電機(jī)與微機(jī)的接口及程序設(shè)計4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.3步進(jìn)電機(jī)與微機(jī)的接口及程序設(shè)計（2）程序根據(jù)圖4-50可寫出如下步進(jìn)電機(jī)控制程序

ORG 0100H ROUNT1：MOV A，#N ；步進(jìn)電機(jī)步數(shù)→A JNB 00H，LOOP2 ；反向，轉(zhuǎn)LOOP2 LOOP1：MOV P1，#03H ；正向，輸出第一拍 ACALL DELAY ；延時 DEC A ；A＝0，轉(zhuǎn)DONE JZ DONE MOV P1，06H ；輸出第二拍 ACALL DELAY ；延時 DEC A ；A＝0，轉(zhuǎn)DONE JZ DONE MOV P1，05H ；輸出第三拍 ACALL DELAY ；延時 DEC A ；A≠0，轉(zhuǎn)LOOP1 JNZLOOP1

4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.3步進(jìn)電機(jī)與微機(jī)的接口及程序設(shè)計（2）程序根據(jù)圖4-50可寫出如下步進(jìn)電機(jī)控制程序

AJMPDONE ；A＝0，轉(zhuǎn)DONELOOP2：MOV P1，03H ；反向，輸出第一拍

ACALLDELAY；延時DECA；A＝0，轉(zhuǎn)DONJZ DONE MOVP1，05H ；輸出第二拍 ACALLDELAY ；延時DEC A JZ DONE ； MOV P1，06H ；輸出第三拍 ACALLDELAY ；延時 DEC A ；A≠0，轉(zhuǎn)LOOP2 JNZ LOOP2DONE：RETDELAY：

4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.3步進(jìn)電機(jī)與微機(jī)的接口及程序設(shè)計

以上程序設(shè)計方法對于節(jié)拍比較少的程序是可行的。但是，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的節(jié)拍數(shù)比較多（如三相六拍、六相十二拍等）時，用這種立即數(shù)傳送法將會使程序很長，因而占用很多個存儲器單元。所以，對于節(jié)拍比較多的控制程序，通常采用循環(huán)程序進(jìn)行設(shè)計。4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.3步進(jìn)電機(jī)與微機(jī)的接口及程序設(shè)計（3）循環(huán)程序作法：把環(huán)型節(jié)拍的控制模型按順序存放在內(nèi)存單元中，逐一從單元中取出控制模型并輸出。節(jié)拍越多，優(yōu)越性越顯著。以三相六拍為例進(jìn)行設(shè)計，其流程圖如圖4—51所示。4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.3步進(jìn)電機(jī)與微機(jī)的接口及程序設(shè)計圖4—51三相六拍步進(jìn)電機(jī)控制程序框圖4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.3步進(jìn)電機(jī)與微機(jī)的接口及程序設(shè)計

ORG 8100HROUTN2： MOV R2， COUNT ；步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)LOOP0： MOV R3， #00H MOVDPTR，#POINT ；送控制模型指針 JNB 00H， LOOP2 ；反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)LOOP2 LOOP1： MOV A， R3 ；取控制模型 MOVC A， @A+DPTR JZ LOOP0 ；控制模型為00H，轉(zhuǎn)LOOP0 MOV P1， A ；輸出控制模型 ACALL DELAY ；延時 INC R3 ；控制步數(shù)加1 DJNZ R2， LOOP1 ；步數(shù)未走完，繼續(xù) RET圖4-47所示三相六拍步進(jìn)電機(jī)控制程序如下：4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.3步進(jìn)電機(jī)與微機(jī)的接口及程序設(shè)計圖4-47所示三相六拍步進(jìn)電機(jī)控制程序如下：LOOP2：MOV A，R3 ；求反向控制模型的偏移量 ADD A，#07H MOV R3，A AJAMP LOOP1DELAY：

；延時程序

POINT DB 01H,03H,02H,06H,04H,05H,00H；正向控制模型 DB 01H,05H,04H.06H,02H,03H,00H；反向控制模型COUNT EQU30H, POINTEQU 0150H

4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.3步進(jìn)電機(jī)與微機(jī)的接口及程序設(shè)計兩個重要的參數(shù):步數(shù)N控制步進(jìn)電機(jī)的定位精度。延時時間DELAY控制其步進(jìn)的速率。

對步進(jìn)電機(jī)的控制，步數(shù)控制的目的是精確地到達(dá)指定的位置；速度的控制是通過單位時間的步數(shù)實現(xiàn)的，主要是計算相鄰兩個脈沖之間的時間。

1、步進(jìn)電機(jī)步數(shù)的確定

由給出的轉(zhuǎn)角或位移量，計算出步數(shù)。

1）轉(zhuǎn)角與步數(shù)的關(guān)系如：用步進(jìn)電機(jī)帶動一個能夠旋轉(zhuǎn)10圈的電位器來調(diào)整電壓，假定調(diào)節(jié)范圍是0---10V，現(xiàn)在要求把電壓從2V升到2.1V，計算旋轉(zhuǎn)的步數(shù)N。

先計算需要轉(zhuǎn)過的角度X

X=（2.1－2）*（（360*10）／10）＝36°若用三相三拍方式控制，其步距角為3°，所以步數(shù)N為N=36/3=12（步）括號內(nèi)為每1伏電壓轉(zhuǎn)過的角度4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.4步進(jìn)電機(jī)步數(shù)及速度的計算方法

2）同理可以求出位移量與步數(shù)之間的關(guān)系

先計算每轉(zhuǎn)一圈的位移量，再計算每一步的位移量，最后算總步數(shù)。2、步進(jìn)電機(jī)速度的確定步進(jìn)電機(jī)速度控制的方法就是控制脈沖之間的時間間隔。只要速度給定，便可計算出脈沖之間的時間間隔。如要求步進(jìn)電機(jī)2秒鐘轉(zhuǎn)10圈，則每一步需要的時間T為

T＝每圈時間／每圈的步數(shù)＝（2000ms/10）／（N*Zr）＝200ms／（3*2*40）＝833μs只要在輸出一個脈沖后延時833μs，即可滿足速度之要求。括號內(nèi)為每一圈的步數(shù)N=Mc*C三相六拍4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.4步進(jìn)電機(jī)步數(shù)及速度的計算方法

1）必須要變速運行步進(jìn)電機(jī)在啟動和停止過程時的速度應(yīng)該比正常運轉(zhuǎn)時的速度低，特別是剛啟動和最后停下來時，速度應(yīng)該更低，否則由于慣性步進(jìn)電機(jī)會出現(xiàn)“失步”（多走了步或少走了步），失去其精確性。為確保步進(jìn)電機(jī)運行的精確性和快速，必須變速運行。

2）變速原理在啟動過程脈沖周期由長（頻率低）變短，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢上升到正常運轉(zhuǎn)時的速度；在停止過程脈沖周期由短變長，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速從正常轉(zhuǎn)速緩慢下降至0。變化時間約0.1---1s。正常運轉(zhuǎn)時脈沖周期要短（頻率高），速度要高。右圖為變速運行控制脈沖頻率變化曲線。4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.5步進(jìn)電機(jī)的變速控制

1、變速方法之一----改變控制方式如在三相步進(jìn)電機(jī)中，啟動或停止時，用三相六拍控制，大約經(jīng)過0.1s后改為三相三拍控制。

2、變速方法之二----改變脈沖時間間隔控制剛啟動時脈沖間隔長，啟動過程脈沖間隔均勻變短，直到速度達(dá)正常值；停止時，在停止過程脈沖間隔均勻變短，直到停止。DELY:PUSHBXPUSHCX MOVBX,100;延時子程序DELY1: MOVCX,10000 LOOP$ DEC BX JNZDELY1 POPCX POPBXRETDELY:PUSHBXPUSHCX MOVBX,NUM;延時子程序DELY1: MOVCX,10000 LOOP$ DEC BX JNZDELY1 POPCX POPBXRET4.4步進(jìn)電機(jī)控制接口技術(shù)4.4.5步進(jìn)電機(jī)的變速控制變延時程序段： NUM DB 120

啟動時NUM值不斷減小，直至到1：

DEC NUM停止時NUM值不斷增大，直至到120：

INC NUM

3、變速方法之三----用定時器改變脈沖時間間隔控制如用8253定時，啟動時，初值不斷減小，使脈沖頻率不斷增加；停止時，初值不斷增大，使脈沖頻率不斷降低。DELY:PUSHBXPUSHCX MOVBX,NUM;延時子程序DELY1: MOVCX,10000