直流电机控制电路专辑—1.doc

直流电机控制电路专辑1直流电机的类型 作者：木万 编译自ETI转贴自：实用电子文摘点击数：1007更新时间：2004-12-10文章录入：sydzdiy 按：直流电机在家用电器、电子仪器设备、电子玩具、录相机及各种自动控制中都有广泛的应用。但对它的使用和控制，很多读者还不熟悉，而且其技术资料亦难于查找。直流电机控制电路集锦，将使读者“得来全不费功夫”!在现代电子产品中，自动控制系统，电子仪器设备、家用电器、电子玩具等等方面，直流电机都得到了广泛的应用。大家熟悉的录音机、电唱机、录相机、电子计算机等，都不能缺少直流电机。所以直流电机的控制是一门很实用的技术。本文将详细介绍各种直流电机的控制技术。站长的几句说明：本文内容比较详实完整，但遗憾的是原稿的印刷质量和绘图的确很差，尽管采取了很多措施，有些图仍可能看不太清楚。直流电机，大体上可分为四类： 第一类为有几相绕组的步进电机。这些步进电机，外加适当的序列脉冲，可使主轴转动一个精密的角度(通常在1.8-7.5之间)。只要施加合适的脉冲序列，电机可以按照人们的预定的速度或方向进行连续的转动。步进电机用微处理器或专用步进电机驱动集成电路，很容易实现控制。例如常用的SAAl027或SAAl024专用步进电机控制电路。步进电机广泛用于需要角度转动精确计量的地方。例如：机器人手臂的运动，高级字轮的字符选择，计算机驱动器的磁头控制，打印机的字头控制等，都要用到步进电机。第二类为永磁式换流器直流电机，它的设计很简单，但使用极为广泛。当外加额定直流电压时，转速几乎相等。这类电机用于录音机、录相机、唱机或激光唱机等固定转速的机器或设备中。也用于变速范围很宽的驱动装置，例如：小型电钻、模型火车、电子玩具等。在这些应用中，它借助于电子控制电路的作用，使电机功能大大加强。第三类是所谓的伺服电机，伺服电机是自动装置中的执行元件，它的最大特点是可控。在有控制信号时，伺服电机就转动，且转速大小正比于控制电压的大小，除去控制信号电压后，伺服电机就立即停止转动。伺服电机应用甚广，几乎所有的自动控制系统中都需要用到。例如测速电机，它的输出正比于电机的速度；或者齿轮盒驱动电位器机构，它的输出正比于电位器移动的位置当这类电机与适当的功率控制反馈环配合时，它的速度可以与外部振荡器频率精确锁定，或与外部位移控制旋钮进行锁定。唱机或激光唱机的转盘常用伺服电机。天线转动系统，遥控模型飞机和舰船也都要用到伺服电机。最后一类为两相低电压交流电机。这类电机通常是直流电源供给一个低频振荡器，然后再用低频低压的交流去驱动电机。这类电机偶尔也用在转盘驱动机构中。 直流电机控制电路专辑2步进电机的基本工作原理 作者：木万 编译自ETI转贴自：实用电子文摘点击数：1165更新时间：2004-12-10文章录入：sydzdiy 步进电机有两种基本的形式：可变磁阻型和混和型。步进电机的基本工作原理，结合图1的结构示意图进行叙述。图1是一种四相可变磁阻型的步进电机结构示意图。这种电机定子上有八个凸齿，每一个齿上有一个线圈。线圈绕组的连接方式，是对称齿上的两个线圈进行反相连接，如图中所示。八个齿构成四对，所以称为四相步进电机。它的工作过程是这样的：当有一相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。在图1(a)中A相是被激励，转子上大箭头所指向的那个齿，与正向的A齿对准。从这个位置再对B相进行激励，如图1中的(b)，转子向反时针转过15。若是D相被激励，如图1中的(c)，则转子为顺时针转过15。下一步是C相被激励。因为C相有两种可能性：ABCD或ADCB。一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动15。电机步长(步距角)是步进电机的主要性能指标之一，不同的应用场合，对步长大小的要求不同。改变控制绕组数(相数)或极数(转子齿数)，可以改变步长的大小。它们之间的相互关系，可由下式计算：L360 PN式中：L为步长；P为相数；N为转子齿数。在图1中，步长为15，表示电机转一圈需要24步。混和步进电机的工作原理在实际应用中，最流行的还是混和型的步进电机。但工作原理与图1所示的可变磁阻型同步电机相同。但结构上稍有不同。例如它的转子嵌有永磁铁。激励磁通平行于X轴。一般来说，这类电机具有四相绕组，有八个独立的引线终端，如图2a所示。或者接成两个三端形式，如图2b所示。每相用双极性晶体管驱动，并且连接的极性要正确。图3所示的电路为四相混和型步进电机晶体管驱动电路的基本方式。它的驱动电压是固定的。表1列出了全部步进开关的逻辑时序。值得注意的是，电机步进为1234的顺序。在同一时间，有两相被激励。但是1相和2相，3相和4相绝对不能同时激励。四相混和型步进电机，有一特点很有用处。它可以用半步方式驱动。就是说，在某一时间，步进角仅前进一半。用单个混合或用双向开关即可实现，这种逻辑时序由表2列出。四相混和型步进电机，也能工作于比额定电压高的情况。这可以用串联电阻进行降压。因为1相和2相，3相和4相是不会同时工作的，所以每对仅一个降压电阻，串接在图3中的X和Y点之间。因此额定电压为6V的步进电机，就可以工作在12V的电源下。这时需串一个6W、6的电阻。 上一篇文章： 直流电机控制电路专辑1 下一篇文章： 直流电机控制电路专辑3 直流电机控制电路专辑3步进电机的控制电路 作者：木万 编译自ETI转贴自：实用电子文摘点击数：957更新时间：2004-12-10文章录入：sydzdiy 四相步进电机可用几种专用的集成电路驱动器，SAAl027是其中常用的一种，它的特点是工作电压范围宽9.5V18V；输出驱动电流大，可达500mA。它适合作四相全步步进电机的控制。图4是SAAl027的外形和引脚功能图。图5（下面）是它的内部原理方块图及基本应用。实际上，集成电路有三路缓冲输入，每一个缓冲输入都控制一个二位(四状态)的同步可逆计数器。它的输出送到一个编码变换器。然后用四路输出，去控制输出级的四个晶体管。输出级以集电极开路方式工作。电机的绕组线圈串入集电极。为防止反向电动势损坏晶体管，在绕组的两端并联一反向二极管。要特别注意的是：集成电路13脚和12脚是流过大电流的引脚。而14脚和5脚流过小电流。在使用时5脚和12脚都要接地。通常正12V直接接到13脚，然后经R1C1去耦电路接到14脚。正电压也必须经Rx送到4脚。Rx的作用是决定四个晶体管的最大输出驱动电流的容量。Rx的大小可由下式计算；Rx(4EI)6式中E为电源电压，I为所希望的电机最大相电流。当用12V时，Rx值取420、180或78)时，最大输出电流分别为100mA、200mA、或350mA。SAA1027集成电路有三个输入控制端：计数、方式和复位。复位端通常是高电平。计数器每次从低电平到高电平的跳变，将使集成电路改变状态。全部的工作状态已由表3列出。 在任何时候，每隔四步时序重复一次。但是复位端为低电平时，可以复位到起始状态。当方式控制输入端为低电平时，在一个方向上(通常为顺时针转动)顺序重复。反之，方式控制端为高电平时，则在另一个方向上(反时针转动)顺序重复。图6是SAAl027的驱动和试验电路。这个电路用于混和型四相步进电机，额定电流可达300mA。电机可用SW3进行手工的单步试验，或者用SW2经5557555无稳振荡器进行自动步进的试验。SW4可控制电机的方向。SW5用于复位控制试验。用SW1和RV1电位器，可使无稳电路的工作速度能在很宽的范围内变化。置位1档时为低速控制，频率范围从5Hz68Hz。SW2在2当和3档时，振荡频率分别为第1档的10倍和100倍。总的速度控制范围从68500转分。图6是一种基本电路。根据不同的使用场合，还有几种变化。图7是一种步进电机与微处理器的接口电路。计算机或微处理器的输出端口，通常终端驱动电压低于1V时，作为逻辑0状态；而高于3.5V时，作为逻辑1状态。这种逻辑称为正逻辑。不过图7中电路与上述相反。因此，步进电机输入端从高电平向低电平转换时，工作状态改变。复位端用高电平复位。方式输入端为低电平时，电机正转；而高电平时，电机反转。图6电路设计最大输出电流为300mA。如果希望把电流扩展5A，则采用图8中的两个电路。步进电机的每相都需要外加驱动电路，一个四相步进电机，需要增加四个这样的附加电路。图8(a)的电路用于驱动电路，一个四相步进电机，需要增加四个这样的附加电路。图8(a)的电路用于驱动四个完全独立的绕组。图8(b)的电路用于绕组具有公共点步进电机。D1和D2的作用是防止电机的反电动势损坏输出级晶体管。 直流电机控制电路专辑4永磁式换向器电机的工作原理 作者：木万 编译自ETI转贴自：实用电子文摘点击数：1101更新时间：2004-12-10文章录入：sydzdiy 永磁式换向器直流电机，是应用很广泛的一种。只要在它上面加适当电压。电机就转动。图9是这种电机的符号和简化等效电路。工作原理这种电机由定子、转子、换向器(又称整流子)、电刷等组成，定子用作产生磁场。转于是在定子磁场作用下，得到转矩而旋转起来。换向器及时改变了电流方向，使转子能连续旋转下去。也就是说，直流电压加在电刷上，经换向器加到转子线圈，流过电流而产生磁场，这磁场与定子的固定磁场作用，转子被强迫转动起来。当它转动时，由于磁场的相互作用，也将产生反电动势，它的大小正比于转子的速度，方向和所加的直流电压相反。图9(b)给出了等效电路。Rw代表转子绕组的总电阻，E代表与速度相关的反电动势。永磁式换流器电机的特点当电机负载固定时，电机转速正比于所加的电源电压。当电机直流电源固定时，电机的工作电流正比于转予负载的大小。加于电机的有效电压，等于外加直流电压减去反电动势。因此当用固定电压驱动电机时，电机的速度趋向于自稳定。因为负载增加时，转子有慢下来的倾向，于是反电动势减少，而使有效电压增加，反过来又将使转子有快起来的倾向，所以总的效果使速度稳定。当转子静止时，反电动势为零，电机电流最大。其最大值等于VRw(这儿V是电源电压)。最大电流出现在刚起动的条件。转子转动的方向，可由电机上所加电压的极性来控制。体积小，重量轻。起动转矩大。由于具备上述的那些特点，所以在医疗器械、小型机床、电子仪器、计算机、气象探空仪、探矿测井、电动工具、家用电器及电子玩具等各个方面，都得到广泛的应用。对这种永磁式电机的控制，主要有电机的起停控制、方向控制、可变速度控制和速度的稳定控制。1、电机的起停控制电机的起停控制，最简单最原始的方法是在电机与电源之间，加一机械开关。或者用继电器的触点控制。大家都比较熟悉，故不举例。现在比较流行的方法，是用开关晶体管来代替机械开关，无触点、无火花干扰，速度快。电路如图10(a)所示。当输入端为低电平时，开关晶体管Q1截止，电机无电流而处于停止状态。如果输入端为高电平时，Q1饱和导通，电机中有电流，因此电机起动运转。图中二极管D1和D2是保护二极管，防止反电动势损坏晶体管。电容C1是消除射频干扰而外加的。R1基极限流电阻，限制Q1的基极电流。在6V电源时，基极电流不超过52mA。在这种情况下，Q1提供电机的最大电流为1A左右。图10(a)的电路，因基极电流需外部驱动电路。如果再增加一级缓冲放大，如图10(b)的电路，驱动电流减少到2mA。R3限制Q1的基极电流到安全值。其他元件作用与(a)图中相同。2、电机的方向控制水磁式换流器电机的转动方向，可以用改变电源极性的方法，使电机反转。如果用正、负双极性电源，可用一个单刀进行转换，如图11(a)所示。因为电机的电流直接通过开关，容易烧坏开关接点。所以可以改用功率开关晶体管来代替机械开关，就可以克服上述缺点。电路如图11(b)所示。电路工作原理：当开关SW1置于“正转”位时，Q1和Q3的基极加上偏流；Q2和Q4的偏置电路被断开。所以Q1和Q3导通，Q2和Q4截止。电流从VQ3发射极Q3集电极电机正端电机负端地形成回路，此时电机正转。同理，如果SW1置于“反转位置时，Q2和Q4得到偏流而导通；01和Q3截止。电流从电源地端电机负端电机正端Q4集电极Q4发射极电源负端形成回路，故电机电源与上述情况相反，因此电机反转。而SW1置于断时，电机停止转动。图11(b)电路中SW1要转接正、负电源。在接口电路的应用中，用电子开关来代替SW1就比较困难。为了克服这个缺点，可用图11(c)的电路加以改进。图11(c)中的SW1就很容易用电子开关来代替。在这个电路中，SW1置于“正转”位置时，Q1和Q3导通，Q2和Q4截止。SW1置于“反转”位置时，Q2和Q4导通，Q1和Q3截止。3、单极性电源的方向控制如果电源为单极性，那么控制方向的开关就要双刀三掷。如图12(a)所示。不过用晶体管连接为桥式电路，也是最基本和最通用的形式。电路如图12(b)所示。从电路中可以看出，当SW1置于“正转”位置时，Q1和Q4导通，Q2和Q3截止。当SW1置于“反转”位置时，Q2和Q3导通，Q1和Q4截止。二极管D1D4是保护电路，防止电机反电动势可能损坏晶体管。图12(c)为图12(b)的改进电路。它使SW1只控制正转反转，而SW2只控制电机的起停。用简图指出了电路中的关键点。Q1或Q2总有一个是接通的，Q3或Q4是起通断作用。当电路被断开时，电机电流经Q1D2或Q2D1环路迅速减少，这是所谓的“飞轮效应”。如果SW2用脉冲调制的电子开关代替的话，就是需要这种“飞轮效应”。电机的速度可用脉宽控制。这种技术在本文后面将叙述。图12(b)的电路，需要大的驱动电流。如果需要更灵敏的控制电路，可以采用图13(a)的方案。在这个电路中，A、B、C和D的四个输入端，只需要几毫安的驱动电流。这个电路也可以像图13(b)那样，用人工进行控制。图中用CMOS集成电路CD4052B，作双刀四路双向开关。逻辑电平“0”或逻辑电平“1”加到A或B的输入端。正转反转，起动停止是相互独立的。这个电路也具有“飞轮效应”。图13(a)和图3(c)的电路工作的逻辑真值表如表4列出。4、电机的速度控制直流电机的转速与所加的电压有效值成正比。图14是12V直流电机的可变电压速度控制。图中Q1和Q2是复合管射极跟随器，电机的直流电压可从0V变到12v。这种电路的特点是：在中速和高速时，速度的控制和自动调节的性能很好。但是低速和慢启动特性比较差。用开关方式或脉宽调制，可以获得非常好的速度控制性能。电路图如15所示。图中IC1作为50Hz的无稳多谐振荡器，它产生一个矩形波输出，占空比可变从20比1到1比20，由RV1进行调节。这个波形经过Q1和Q2送到电机，电机上的电压有效值是随RV1的调节而变化的(总的周期是50HZ)。不过电机上所加上的电压，是具有峰值电压为12V的功率脉冲。因此在整个调速范围内；性能都非常好。即使在很低的速度，转矩也很大。速度控制的程度，正比于所加电压的有效值。5、模型火车速度控制器图16所示的电路是具有自动短路保护的模型火车速度控制器。电源用12V，最大输出电流为1.5A。如果轨道上出现短路时，控制单元上张有短路探测器和保护电路，自动将输出电流限制在100mA(有效值)这个电路的工作原理如下：交流电源经变压器T1降压后，经BR1进行全波桥式整流，得到一个未滤波的直流电压。通过一个串联的单向可控硅(SCR1)与方向控制开关SW3，将整流电压加在电机上。在整流输出直流的每个开始的半周，可控硅(SCR)是断开的。直流电压经R4和ZD1稳压后，加到双基极二极管(UJT)Q1及相关的定时电路C1和RV1上。当C1上的电压超过UJT发射极的门限值时，触发可控硅，使SCR1饱和导通。而另一半周期SCR1关断复位。电机的电源是经SCR1阴极、R2和R3、SW3而得到。未经滤波原整流后的频率为电源频率的二倍。电机通电时间的长短，受电位器RV1控制。所以模型火车的速度能在很宽的范围内变化。 还要提醒一下，输出电流流过了并联电阻R2和R3，电阻上的电压正比于电流。该电压经过一个峰值检波电路D1和C2，检波后妁直流电压馈送到Q2的基极。当输出电流的峰值超过1.5A或输出短路时， 由于C2的电压储能作用，使R8和R9的分压、正好能使Q2导通，将Q1的定时电路短路，停止几个半周不触发SCR1。如果出现短路情况，由电路内部电阻限流在几安的峰值电流，每15个半周触发一次SCR1，使输出电流的有效值限制在100mA，这就保护了电路的安全。6、自动轨道清洁机图17是典型的铁路轨道清洁机的电路原理图。电源部份与图16的整流部份相同。有了自动轨道清洁机，就可以保持模型火车与轨道之间有良好的电接触。因为车轮与轨道之间，容易被脏物或氧化造成接触障碍。这个问题的解决是经过一个高频高压小功率的信号发生器，把控制信号送至轨道，如果道轨上存在污物或氧化的危害时，将使其信号中断，高压发生器便工作。结合图17叙述其工作原理。电路的振荡频率大约为100KHz，由变压器T1的电感与C2的容量而定。C4是抵销不希望的轨道效应的分布电容。在T1的次级，峰值电压有几佰伏，但为高阻抗。如果负载是低阻抗时，振荡器就停止振荡不产生高压。变压器T1次级用粗漆包铜线绕制，通过火车控制信号送到道轨。当火车电机与道轨的电接触为低阻抗时，振荡停止。只有火车的控制信号送到轨道。然而，如果接触被污物中断，车轮与道轨的接触变成高阻抗；这时高压发生器迅速工作。建立起良好的电接触。排除了中断的障碍。当轨道清洁机有效时，T1次级的氖灯的亮度指示轨道的接触损失。R6限制振荡器只有很小的振荡电压送到火车的控制端。7电机速度控制及稳定电机速度稳定器，意味着控制电路的电压和电机的负载尽管在很大的范围内变化，电机的转速也能稳定不变。图18是一种简便的电机速度控制器和稳速电路。这个电路的特点是：不管电压和温度怎样变，加在电机上的电压都恒定不变，所以速度稳定。电路中317K为三端可调稳压器，当加上适当的散热器时，输出电流可达1.5A，并且317K稳压集成电路内具有短路和过载保护。对于图中的元件标值，输入电压从1.25V13.75V变化。为了确保电压的稳定，输入电压至少要比要求的输出电压大3V以上。图19所示电路为通用电机稳速器电路。这种电路应用范围很广。例如盒式录音机。它能自动补偿电池电压和电机负载的变化。 电机的电流受串联晶体管Ql的控制，而Q1的电流又受晶体管Q2的控制。如果电机的额定电压为6V，其他元件如图中标值，可获得100mA的电机电流。值得一提的是：Q2发射极的电压比电机电压低1.2v左右。D1、D2、和R3上面的电压之和等于电机上的电压。Q2的基极偏压，取自Q1的集电极。由R4、RV1和R5分压提供。由于某种因素电源电压下降，有使电机电压减小的趋势。这将引起Q2发射极电压的降低Q2基极电压也跟着降低，这又会引起Q2和Q1的集电极电流减小，其结果导致Q1集电极电位上升，这就自动补偿电源电压的降低。达到了稳速的目的。如果电源电压上升，原理与上述相同，不过变化方向相反而已。 D1和D2二极管起温度补偿作用。电机速度控制可由RV1调节。高性能可变速度稳定器电路如图20所示。它可用作宽范围速度可变的场合，例如12V微型电钻。图中电机的电源是经过317K三端稳压器集成电路输出。电机的电流经R5和RV2取样，把部份电压送到IC2和Q1组成的同相直流放大器。Q1发射极电压正比于电机负载电流。317K稳压器的输入电压，通常为1.2513.75V。在电路中，三端稳压器的输出电压等于本身的输出电压再加上Q1发射极上的电压。因此，当电机负载增加时，电路输出电压将自动上升，增加电机的驱动能力，保持电机速度不变。为了保持有负载与无负载时，电机的速度相同。首先调节RVl使电机的转速为最大转速的三分之一。然后调节RV2到额定转速。直流电机控制电路专辑5两相电机驱动器 作者：木万 编译自ETI转贴自：实用电子文摘点击数：970更新时间：2004-12-10文章录入：sydzdiy 两相(交流)电机有时用作精密唱机的转盘。它是一种低电压型的同步机构。图21为两相电机驱动器电路。这个电路能驱动8欧两相电机。每个绕组可达3瓦。频率在45Hz到65Hz。集成电路选用LM377双路3瓦音频功率放大器作驱动。电源用正负11V。电路工作原理。集成电路的左半部分接成文氏桥振荡器，频率可调由RV1调节，频率可变范围45Hz65Hz。振幅调节由RV2控制，灯泡LP1作稳定振幅用。IC1a的输出一路直接馈送电机的一相绕组。集成电路的另一半IC1b是作为85移相器用。C6、R6是85移相器。但是在60HZ时要乘以一个十倍的衰减因子，所以IC1b要乘以十倍的增益。电路稳定性经去耦网络C3R4R5，C4和C5保证。电机绕组与C8、C9所组成的谐振回路，调谐到中间频率值(55Hz)。 直流电机控制电路专辑6伺服电机系统 作者：木万 编译自ETI转贴自：实用电子文摘点击数：1816更新时间：2004-12-10文章录入：sydzdiy 伺服电机是一种传统的电机。它是自动装置的执行元件。伺服电机的最大特点是可控。在有控制信号时，伺服电机就转动，且转速大小正比于控制电压的大小。去掉控制电压后，伺服电机就立即停止转动。伺服电机的应用甚广，几乎所有的自动控制系统都需要用到。在家电产品中，例如录相机、激光唱机等都是不可缺少的重要组成部分。1简单伺服电机的工作原理图22示出了伺服电机的最简单的应用。电位器RV1由伺服电机带动。电机可选用电流不超过700mA，电压为1224V的任一种伺服电机。图中RV1和RV2是接成惠斯登(Wheatstone)电桥。集成电路LM378是双路4瓦功率放大器，也以桥接方式构成电机驱动差分放大器。当RV2的任意变化，都将破坏电桥的平衡，使RV1RV2之间产生一差分电压，并且加以放大后送至电机。电机将转动，拖动电位器RV1到新的位置，使电桥重新达到新的平衡。所以说，RV1是跟踪了RV2的运动。图23是用方块图形式，画出了测速传感器伺服电机系统，能用作唱机转盘精密速度控制的原理图。电机用传统的皮带机构驱动转盘。转盘的边缘，用等间隔反射条文图形结构。用光电测速计进行监视和检测。光电测速计的输出信号正比于转盘的转速。把光电测速计输出信号的相位和频率，与标准振荡器的相位和频率进行比较，用它的误差信号控制电机驱动电路。因此，转盘的转速就精确地保持在额定转速上。额定转速的换档，可由操作开关控制。这些控制电路，已有厂家做成专用的集成电路。2数字比例伺服电机伺服电机的最好类型之一，是用数字比例遥控系统。实际上这些装置是由三部份组成：采用集成电路、伺服电机、减速齿轮盒电位器机构。图24是这种系统的方块图。电路的驱动输入，是用周期为15ms而脉冲宽度为12ms的脉冲信号驱动。输入脉冲的宽度，控制伺服机械输出的位置。例如：1ms脉宽，位置在最左边；1.5ms在中是位置，2ms在最右边的位置。每一个输入脉冲分三路同时传送。一路触发1.5ms脉宽的固定脉冲发生器。一路输入触发脉冲发生器，第三路送入脉宽比较电路。用齿轮盒输出至RV1，控制可变宽度的脉冲发生器。这三种脉冲同时送到脉宽比较器后，一路确定电机驱动电路的方向。另一路送给脉宽扩展器，以控制伺服电机的速度，使得RV1迅速驱动机械位置输出跟随输入脉宽的任何变化。上述伺服电机型常用于多路遥控系统。图25示出了四路数字比例控制系统的波形图。从图中可以看出是串行数据输入，经过译码器分出各路的控制信号。每一帧包含4ms的同步脉冲，紧接在后面的是四路可变宽度(12ms)顺序的“路”脉冲。译码器将四路脉冲变换为并行形式，就能用于控制伺服电机。3数字伺服电机电路数字伺服电机控制单元，可以买到现成的集成电路。例如ZN409CE或NE544N型伺服电机放大器集成电路。图26和图27示出了这两种集成电路的典型应用。图中元件值适用于输入脉冲宽度为12ms，帧脉冲宽度大约为18ms的情况。图28是适用上述伺服电机型的通用测试电路。伺服电源电池通常为5V。输入脉冲经标准的伺服插座送到伺服电路。帧脉冲的宽度为1328ms；用RV1调节控制。RV2调节控制脉冲宽度在12ms之间。用RV4微调中间值为1.5ms输出电平由RV3进行调节。两个集成电路为时基电路CMOS7555型，电源电压可以低到3V仍然工作。IC1为无稳多谐振荡器，产生帧时间脉冲，它的输出触发IC2。而IC2是一个单稳电路，产生输出测试脉冲。 常用电机与控制伺服电动机伺服电动机又叫执行电动机，或叫控制电动机。在自动控制系统中，伺服电动机是一个执行元件，它的作用是把信号（控制电压或相位）变换成机械位移，也就是把接收到的电信号变为电机的一定转速或角位移。其容量一般在0.1-100W,常用的是30W以下。伺服电动机有直流和交流之分。一、交流伺服电动机交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似，如图1所示。其定子上装有两个位置互差90的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子，如图2所示。空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。图1 交流伺服电动机原理图图2 空心杯形转子伺服电动机结构交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点：1、起动转矩大由于转子电阻大，其转矩特性曲线如图3中曲线1所示，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S01，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。图3 伺服电动机的转矩特性2、运行范围较宽如图3所示，较差率S在0到1的范围内伺服电动机都能稳定运转。3、无自转现象正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（T1S1、T2S2曲线）以及合成转矩特性（TS曲线）如图4所示，与普通的单相异步电动机的转矩特性（图中TS曲线）不同。这时的合成转矩T是制动转矩，从而使电动机迅速停止运转。图4 伺服电动机单相运行时的转矩特性图5是伺服电动机单相运行时的机械特性曲线。负载一定时，控制电压Uc愈高，转速也愈高，在控制电压一定时，负载增加，转速下降。图5 伺服电动机的机械特性交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。当电源频率为50Hz，电压有36V、110V、220、380V；当电源频率为400Hz，电压有20V、26V、36V、115V等多种。交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于0.5-100W的小功率控制系统。二、直流伺服电动机直流伺服电动机的结构和一般直流电动机一样，只是为了减小转动惯量而做得细长一些。它的励磁绕组和电枢分别由两个独立电源供电。也有永磁式的，即磁极是永久磁铁。通常采用电枢控制，就是励磁电压f一定，建立的磁通量也是定值，而将控制电压Uc加在电枢上，其接线图如图6所示。图6 直流伺服电动机接线图直流伺服电动机的机构特性（n=f(T)）和直流他励电动机一样，也用下式表示：n=Uc/KE-Ra/KEKTT图7 是直流伺服电动机在不同控制电压下（Uc为额定控制电压）的机械特性曲线。由图可见：在一定负载转矩下，当磁通不变时，如果升高电枢电压，电机的转速就升高；反之，降低电枢电压，转速就下降；当Uc0时，电动机立即停转。要电动机反转，可改变电枢电压的极性。用微机串口实现对交流伺服电机的控制 MW35.com 2004-10-29 中国科学院电工研究所 闫献勇，吴岚军，王珺 摘要：交流伺服电机是自动控制系统中较为常用的部件。本文介绍了一种采用微机串口控制交流伺服电机的方法。选用LM628运动芯片，简化了系统软硬件设计。采用本方法可以低成本实现对交流伺服电机的控制。关键词：交流伺服电机；LM628；Mscomm；自动控制系统1引言在自动控制系统中，交流伺服电机的作用是把信号（控制电压或相位）变换成机械位移，也就是把接收到的电信号变为电机的一定转速或角位移。他具有精度高、低频特性好、额定转速高、速度响应时间短等特点，因而在自动控制系统中得到越来越广泛的应用。若用微机对交流伺服电机进行控制，现在采用较多的办法是选用现成的运动控制卡。微机通过对与控制卡配套的接口板通信，进而实现对电机的控制。这种控制简单可靠，但在一些对系统各轴联动要求不高的场合，选用现成的控制卡略显浪费（控制卡价格在万元左右）。下面介绍一种控制方法，他可以较低成本实现对伺服电机的控制。系统框图如图1所示。2串口通信系统首先要实现的任务是微机与计算机之间的串口通信。在DOS操作环境下，要实现单片机与微机的串行通信，只要直接对与微机接口的通信芯片8250进行口地址操作即可。然而在Windows环境下，由于系统硬件的无关性，不再允许用户直接操作串行口地址。如果用户要进行串行通信，可以调用Windows的API应用程序接口函数，但是由于其专业化程度较高，因而使用较为复杂。微软公司的VisualBasic提供了一个通讯控件（Mscomm），使用他就可以很容易地解决这一问题。新一代面向对象的程序设计语言VisualBasic（VB）是将Windows图形工作环境与Basic语言编程简便性的美妙结合。他简明易用，实用性强，因而得到了广泛的应用。VisualBasic 60提供了一个名为MSCOMM32OCX通信控件，他具备基本的串行通信能力：即通过串行端口传输和接收数据，为应用程序提供串行通讯功能。该控件可以从VB的TOOLBOX中加入到窗体FORM，若TOOLBOX中没有此控件，则用PROJECT的COMPONENT将他从Windows的SYSTEM目录中加入到VB60的TOOLBOX中。这样便可自由地设置他的属性，并用VisualBasic语句与串口沟通。MSComm控件有许多重要的属性，主要的有：（1）CommPort设置并返回通讯端口号。（2）Settings以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位。（3）PortOpen设置并返回通讯端口的状态。也可以打开和关闭端口。（4）Input从接收缓冲区返回和删除字符。（5）Output向传输缓冲区写一个字符串。借助这个控件可以很容易的实现上下位机之间的通信。3控制电路在控制电路中要想实现高精度伺服控制，其位置反馈装置必须有4倍频来提高码盘的分辨率，其输出的脉冲再由可逆计数器进行加减计数，计算机在每个采样周期内首先读取可逆计数器的值做为坐标轴实际运动位置，然后与差补程序所送出的坐标轴的期望位置命令相比较，算出当前坐标轴速度指令电压，实现位置控制。这种控制存在很多缺点主要有位置控制的电路采用元器件较多，电路复杂，调试比较困难，可靠性不是很高，容易出现脉冲丢失现象；控制算法全部由计算机软件完成，采样频率低，多轴控制较难实现。与此相比采用LM628专用控制芯片将会起到事半功倍的效果。LM628是美国国家半导体（NationalSemiconductor）公司生产的运动控制专用芯片，他具有32位的位置、速度、加速度寄存器；带有16位参数的可编程数字PID控制器，并对位置误差进行PID控制；具有速度与位置两种工作方式；他支持实时读取设定的和实际的运动参数（位置速度加速度）；可以自动产生梯形波速度曲线，使得加减速平稳并对码盘脉冲自动4倍频；具有可编程微分采样间隔；支持8位或12位DAC数据输出；具有8位并行异步主机接口；可实时编程的主机中断。LM628提供了23条自带指令，包括速度设置、加速度设置、停止运动、设置PID参数等，利用这些指令可简化软硬件的开发过程。控制过程如下所述，以三轴控制电路为例，89C52根据指令要求通过74LS138选定运动轴，将数据发给74LS245。74LS245再将数据发往LM628的8位双向数据输入输出口，LM628将指令处理后，通过DAC输出口将电压信号的数字量发往AD767；最后由AD767将数字量转为模拟量电压，控制电机转速。4软件开发为了使本控制系统具有一定通用性，使之今后可适用于其他三轴交流伺服电机控制，采用了开发控制库函数的方法。软件结构框图如图2所示。与控制电路上的接口相对应，将LM628提供的基本函数细化。诸如设置速度、设置加速度、急停等，这样在使用时，仅需将库函数调入，即可进行编程。在上位机软件系统设计中，首先建立一个基本模块Basicbas，也就是上文中提到的库函数。他包含运动控制 和IO开关量控制函数，通过调用这些函数可实现分别向X，Y，Z轴的LM628发出他所能识别的23条指令以及控制接口电路的IO口。这个模块为通用模块，不同的三轴系统使用本控制系统都可采用本模块。为了编程方便，再建一个类模块Specificbas，将Basicbas模块中的函数进一步细化，将命令具体化，使之成为本系统的专用模块。Specificbas是用VB面向对象的编程方式在Basicbas的基础上开发的类模块，其中定义了系统软件所需的函数，使得上位机的软件的编程无需直接调用Basicbas中较为抽象的函数。例如在系统中需要经常用的打开伺服函数这样编写： 打开IO口的函数为：在需要打开伺服时，直接调用OpenServe函数即可，这样具体的函数给编程带来很大的方便。5通信协议为使上下位机能很好的通信，制定合理高效的通信协议十分关键。通信协议可采用主从方式，上位PC机永远是主控者，单片机只是被动接收者。上下位机都采用数据帧的形式，按照下述帧的格式发送或接收数据。对PC机协议规定如下：（1）PC机每发一帧命令，采用如下过程：清空发送与接受缓冲区发送命令等待超时错退出报错接收到响应帧判断正误退出（2）PC机每发一帧命令必须收到响应帧后才能开始与单片机的下一次通讯。（3）PC机在不发命令字的期间与非等待响应期间，间隔一定时间间隔向单片机发送状态查询命令，显示当前系统状态。（下转第37页）PC方命令协议：帧头标志0x55（1B）命令标识（1B）命令字（1B）数据长度（1B）数据区（nB）校验字节（1B）结束标志0x05（1B）单片机方响应协议如下：帧头标志0x55（1B）命令标识（1B）命令字（1B）数据长度（1B）数据区（nB）校验字节（1B）结束标志（1B）PC机发出的指令分为2大类，一类是转发给LM628的，一类是发给接口电路的。指令发往哪里是通过命令标识字节中的高4位来识别的。如图3所示。 PC机发出一条指令给单片机后，经过一段时间，单片机应返回相应的响应指令。指令正常完成与否都在命令标识字节的最后一位表示。为了统一帧的格式，单字节指令的响应也需要包含数据长度项，只不过长度为0。6结语采用上述方法可在低成本的前提下实现通过微机串口对交流伺服电机的控制。LM628运动控制芯片的采用，减少了系统软硬件开发的工作量。故本系统可广泛适用于在对多轴联动要求不高的场合。但其也存在一定缺陷，即在实现多轴联动方面有一定难度，特别是在对多轴进行实时位置控制时，本系统就无法胜任。数控系统伺服电机控制技术发展动向广州电器科学研究院谭建成摘要(Abstract)伺服电机控制技术是数控系统的重要组成部分。为满足现代数控系统技术与市场发展需求，机床数控系统(包括进给控制和主轴控制)中的伺服电机和控制技术在现代电机控制理论、电力电子技术、微处理器技术等相关技术发展促进下也有了很大突破，近年来，数控系统进给控制和主轴控制用伺服电机控制技术正朝着交流化、数字化、智能化三个方向发展。关键词(Keywords)交流伺服电机电主轴直线电机直接驱动 现代电机控制理论发展使机床数控伺服系统实现交流化、数字化、智能化机床数控系统中，常用的伺服电机和控制系统有:开环控制系统 采用步进电机作为驱动器件，无须位置和速度检测器件，也没有反馈电路，控制电路简单，价格低廉。步进电机和普通电机的区别主要就在于它的脉冲控制，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。半闭环和闭环位置控制系统 采用直流伺服电机或交流伺服电机作为驱动部件，可以采用内装于电机内的脉冲编码器，无刷旋转变压器或测速发电机作为位置/ 速度检测器件来构成半闭环位置控制系统，也可以采用直接安装在工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器件，来构成高精度的全闭环位置控制系统。70年代，美国GATTYS公司发明了机床用直流力矩伺服电机，从此各国数控机床开始大量采用直流伺服电机驱动。开环系统逐渐由闭环系统取代。以直流伺服电机作为驱动器件的直流伺服系统，控制电路比较简单，价格较低。其主要缺点是直流伺服电机内部有机械换向装置，碳刷易磨损，维修工作量大，运行时易起火花，给电机的转速和功率的提高带来较大的困难。交流异步电机虽然价格便宜、结构简单，但早期由于控制性能差，所以很长时间没有在数控系统上得到应用。随着电力电子技术和现代电机控制理论的发展，1971年，德国西门子的Blaschke 发明了交流异步机的矢量控制法;1980年，德国人Leonhard为首的研究小组在应用微处理器的矢量控制的研究中取得进展，使矢量控制实用化。从70年代末，数控机床逐渐采用异步电机为主轴驱动电机。如果把直流电机结构进行“里翻外”的处理，即把电枢绕组装在定子，转子为永磁部分，并以转子轴上的编码器测出磁极位置控制电子开关进行电子换相，这就构成了永磁无刷直流电机。这种交流伺服电机具有良好的伺服性能。从80年代开始，逐渐应用在数控系统的进给驱动装置上。交流伺服系统采用交流伺服电机作为驱动器件，可以和直流伺服电机一样构成高精度、高性能的半闭环或全闭环控制系统，由于交流伺服电机内是无刷结构，几乎不需维修，体积相对较小，有利于转速和功率的提高。目前交流伺服系统已在很大范围内取代了直流伺服系统。在当代数控系统中，伺服技术取得的突破可以归结为:交流伺服取代直流伺服、数字控制取代模拟控制、或者把它称为软件控制取代硬件控制。这两种突破的结果产生了交流数字驱动系统，应用在数控机床的伺服进给和主轴装置上。由于电力电子技术及控制理论、微处理器等微电子技术的快速发展，软件运算及处理能力的提高，采用高速微处理器和专用数字信号处理器(DSP-Digital Signal Processor)的全数字化交流伺服系统出现后，使系统的计算速度大大提高，采样时间大大减少。原来的硬件伺服控制变为软件伺服控制，一些现代控制理论中的先进算法得到实现，进而大大地提高了伺服系统的性能，例如OSP-U10/U100网络式数控系统的伺服控制环就是一种高性能的伺服控制网，它对进行自律控制的各个伺服装置和部件实现了分散配置，网络连接，进一步发挥了它对机床的控制能力和通信速度。这些技术的突破，使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强，大大推动了高精高速加工技术的发展。 采用状态观察器和卡尔曼滤波器可以进行电动机参数的在线辨识;采用滑模变结构控制可增强电动机控制系统的鲁棒性。如能将各种智能控制理论有机地结合起来，必将开创交流伺服控制的新天地。如模糊控制和神经元网络控制都不需要精确的对象模型和参数，使系统具有很强的鲁棒性。 传感器检测技术的发展也极大地提高了交流电动机调速系统的动态响应性能和定位精度。普遍采用的霍尔传感器具有小于1s 的响应时间。交流电动机调速系统一般选用无刷旋转变压