工程控制技术.doc

工程控制技术第一章 绪 论1.1工程控制技术简介 历史悠久的工程技术是建筑工程技术，它的理论依据是理论力学。随着国防的需要，出现了军事工程技术，它综合了不同行业的工程技术。近年来，随着科学理论的不断发展工程技术，工程技术的类别也越来越多，如基因工程技术，信息工程技术，系统工程技术，卫星工程技术等等。 技术研究的组织系统也采用工程技术和科学技术两个系统，属于工程技术系统的如：中国工程院，国家工程技术研究中心等，属于科学技术系统的如：与中国科学院，中国科技大学。 与科学技术一词不同，工程和技术几乎属于同一范畴，例如，建筑工程与建筑技术相差甚少，信息工程与信息技术没有大的差别。在某些时候，工程可以指某一个项目，而技术则强调该项目的属性。 1.2涵义工程技术亦称生产技术，是在工业生产中实际应用的技术。就是说人们应用科学知识或利用技术发展的研究成果于工业生产过程，以达到改造自然的预定目的的手段和方法。 随着人类改造自然界所采用的手段和方法以及所达到的目的不同，形成了工程技术的各种形态。例如，研究矿床开采的工具设备和方法的采矿工程；研究金属冶炼设备和工艺的冶金工程；研究电厂和电力网的设备及运行的电力工程；研究材料的组成、结构、功能的材料工程，等等。 近几十年来，随着科学与技术的综合发展，工程技术的概念、手段和方法已渗透到现代科学技术和社会生活的各个方面，从而出现了生物遗传工程、医学工程、教育工程、管理工程、军事工程、系统工程，等等。工程技术已经突破了工业生产技术的范围，而展现出它的广阔前景。1.3基本特点1、实用性人们改造客观自然界的活动，都是为了人类的生存和社会的需要，所以就要运用工程术的手段和方法，按照人的用途，去选择、强化和维持客观物质的运动为人类造福，而要限制、排除那些不利于人类和社会需要的可能性。例如，水有多种利，也有多种害，水利工程建设的任务是兴利除害。水利工程技术就是体现了这个实用性。人们创造和使用每一种工具和机器也都有明确的具体用途，而每一种工具和机器也都是以物质形态来体现人的用途。工具、机器等劳动资料已经不是天然形态存在的自然工程技术产物，而是人造的自然物。它们要按照自然规律而运动，然而这种运动必须符合人的一种特定用途。如果它们的运动不符合人的用途，就会出工程事故；如果完全脱离人的用途，它就成为一堆废铁，会慢慢地腐蚀掉。因此，工程技术必须有实用性，离开了实用性，它就没有生命力。2、可行性任何工程技术项目，都有具体目标，但这个目标的实现，要受许多条件的约束，即受工程技术项目的选择、规模、发展速度、资金、能源、材料、设备、人力、工艺、环境等条件的约束。某项工程技术在设计的构思阶段，都必须考虑国家经济和社会发展的需要和可能，而往往可以形成几种方案。然后对各种方案要一一进行分析和评价，从中选出既满足实用性要求，又能满足上述约束条件的最佳方案，才是可行的。当然，工程技术的可行性，也是一个动态的概念，某项工程在一个时期是不可行的，到了另一个时期就是可行的。各种约束条件也是可变化的，通过采取各种措施，可以积极创造条件。因此，一定要根据实际的具体情况，尽量最佳地确定适合经济、社会的适用技术。3、 经济性工程技术必须把促进经济、社会发展作为首要任务，并要有好的经济效果，从而达到技术先进和经济效益的统一。因为工程技术的物化形态既是自然物，又是社会经济物。它不仅要受自然规律的支配，而且还要受社会规律，特别是经济规律的支配。某项工程技术，尽管它符合最新科学所阐明的自然规律，如果它不符合社会要求不能提高劳动生产率，不能带来经济效益，缺乏竞争力，它就不能存在或发展。例如，机械工业产品是现代化生产的重要物质技术装备。近二、三十年来，机械产品也日新月异、国民经济各部门要求不断提供效率高、质量好、性能完善、操作方便、经久耐用的新产品，尤其要求产品必须具有特定的功能。所谓功能，是指产品所具有的特定用途和使用价值。设计机械工业产品时，就要运用科学的方法进行周密的、细致的技术经济的功能分析。通过功能分析，可以发现哪些功能必要，哪些功能过剩，哪些功能不足。在改进方案中，就可以去掉不必要的功能，削弱过剩的功能，补充不足的功能，使产品有个合理的功能结构。在保证实现产品功能的条件下，最大限度地降低成本，或在成本不变的情况下，提高功能，使成本与功能得到最佳结合，这样才能为社会提供物美价廉、经久耐用的先进技术装备。4、综合性工程技术通常是许多学科的综合运用。它不仅要运用基础科学、应用科学等知识，同 时也要运用社会科学的理论成果。并根据当前我国的国情，还应采用多种水平的技术同时并举。随 着工程技术的发展和进步，它的综合性愈来愈显著。现代工程技术都综合运用多种学机系统、物料系统（材料、设科，综合多种技术和技术手段。现代大的工程项目是由人备、资金、能源等）、信息系统（指标、进度、数据、图纸、方案、决策等）和控制系统组成的复杂的综合系统。即使是单项工程技术，不仅它本身往往是综合的，而且也要着眼在整个系统中进行综合的考虑和评价。 总之，上述这些特点，反映了工程技术的本质特征，它体现客观和主观、自然规律和社会经济规律、局部和整体的辩证统一。因而工程技术在国民经济发展中有其重要的地位和作用。1.4产生与发展1、第一次技术革命（1）工程技术变革的社会条件 十八世纪六十年代开始的工业革命，是人类历史上使用铁器之后的第一次技术革命。它开始于纺织工业的机械化，以蒸汽机的发明和广泛使用为主要标志，从而促进了近代工程技术的产生和发展。 近代工程技术产生于资本主义革命时代，这个革命主要是以英国工业革命和法国资产阶级革命载入史册的。在封建社会中工程技术的发展促成了资产阶级的产生，并使他成为新社会的统治阶级。资产阶级在推翻了封建制度以后，也推动了工程技术的进一步发展。资产阶级需要科学技术的发现和发明，是由资本主义生产决定的。资本主义生产是以追求剩余价值为目的的商品生产，资本家之间的竞争是资本主义生产方式的内在规律。资本家要赚钱，要在竞争中战胜对方，就必须不断扩大生产规模，不断地改进生产工具和技术设备，用机器生产代替手工劳动，用新的机器代替旧的机器。英国在十八世纪开始的工业革命，是资本主义制度下生产力大发展的开端和准备，从而推动了工程技术的变革。工程技术的变革最先是从棉纺织业的工作机开始的。由于制造了新的工作机，动力机的革命已成为必要，并使传动装置相应也发生了变革。 （2）蒸汽机的发明和改进 蒸汽机的发明主要是由于英国的纺织业和采矿业的需求，但它的技术的应用则要广泛得多。原始的蒸汽机，最早是在十八世纪纽柯门的一个雏型技术中诞生的。以后英国工匠瓦特应用布拉克工程技术的“比热”和“潜热”理论做指导，改进了纽柯门蒸汽机，解决了汽缸漏水的问题，发明了冷凝器。后来他又发明离心调速器和飞轮，这样才从理论上和实际上加以完善，提高了蒸汽机的效率，并使蒸汽机成为适用于一切工业部门的原动机，从此工作机便以蒸汽机作为主要动力。恩格斯指出：“蒸汽和新的工具机把工场手工业变成了现代的大工业，从而把资产阶级社会的整个基础革命化了。” 蒸汽机的发明和改进是工业革命的决定因素它大大加速了从手工生产过渡到机器生产的工业革命的进程，推动了工业生产技术的全面变革。相继发明了蒸汽轮船（1807年）和蒸汽机车（1817年），使交通运输事业发生了革命。同时，冶金业特别是炼铁、炼钢技术也得到极大发展。美国机械师亨利莫兹利（1771年-1831年）把旧式车床全部改为铁制的，并于1797年制成带滑动刀架的车床，这是机床发展史上的一个重大突破。从此以后，在机械加工过程中人手可以不直接握持刀具，而只要操纵刀架就行了。车床能够按指定尺寸自动加工圆柱体或螺丝，这是机械加工技术发展史上的重要创造，它标志着切削加工完成了一个质的飞跃，从此形成了机械操作的金属切削机床，使机床迅速得到发展，推动了机器的进一步完善。图1-1为旧式车床照片。图1-1 旧式车床2、第二次技术革命（1）电机的产生和电能的应用 十九世纪七十年代是电力时代的开始。电力的应用是继蒸汽机的使用之后的第二次技术革命。这次技术革命固然是大工业对动力提出的新的要求，但它的出现不是直接来源于生产，而是来源于科学实验，来源于对电磁现象研究的结果。电和磁是早在两千多年前就已发现了的自然现象，但在十九世纪以前，人们把它们两者看做是各不相关的。到了十九世纪，意大利的物理学家伏特（1745年-1827年）首次制成了能运用于实际目的的化学电池（1800年）；丹麦的奥斯特发现了电流的磁效应（1819年），电和磁的研究得到迅速开展。1831年英国工人出身的科学家法拉第发现了电磁感应定律，它是发电机的理论基础。图2-2为现代电机的外形图。图2-2 现代电机1832年法国的皮克希按照电磁感应定律，用永久磁铁做转子，制成了发电机。后来人们1840年-1865年间，制成了电磁电机，并把它用于电镀工对转子和定子作了多次改进，而在1867年德国的西门子首先制成自激式直流发电机，它使用了由发电机本身产生的电流供电的强有力的电磁铁，效率比早期的电磁机高得多。以后，1870年格拉姆发明了环状转子1872年德国的阿尔特涅克又发明了鼓状转子，发电机就进入了实用阶段、有实用价值的电动机已经制成，从此开始用电力代替蒸汽动力。八十年代又解决了远距离输电的问题，从实用发电机和电动机的制造，到配电网络和远距离输电在技术上的成功，电力工业便开始建立起来，开辟了电气化的新时代。1844年美国的莫尔斯（1791年-1872年）发明了电报.1876年美国的贝尔发明了电话。十九世纪末出现的无线电技术，是在原来已经广泛使用的有线电报和电话之后，又添加了更为有力的通讯工具。这样，人类历史上就出现了以电为基础的现代物质文明，广泛应用于动力、照明、通讯等社会生产和社会生活的各个领域。电力的应用使整个工业生产面貌大为改观，电力所创造的社会生产力比蒸汽时代要高得多。 从电磁学的实验和理论的发展到电力时代的出现，生动地表明了，在科学进入比较成熟的阶段后，科学不仅对生产的发展能起直接的推动作用，而且已经走在生产的前面，起着指导作用。使工程技术从主要以劳动者的经验和技能的阶段，发展到了以科学在工业生产中的应用为主要特征的阶段。这是科学与生产之间关系的一个新的开端。（2）内燃机的发明和使用 随着资本主义大工业的发展，蒸汽机已不能满足动力的需要。通过对提高热机效率和热力学的研究，导致内燃机的发明。十九世纪末，在德国科学家奥托制成煤气机后，又发明了汽油机和重油机。1892年德国的狄塞尔制成了可用低级燃油的高压缩型自动点火内燃机，使之成为实用的动力机。如果说，发电机首先是有利于城市工业，内燃机的发明和应用则使农业生产技术发生重大革命。拖拉机的使用，促进了农用工作机的大量制造和农业机械化的进程。内燃机的发明，使汽车制造业也发展起来。汽车的普遍应用，公路网的兴建，使生产和社会的联系大为增强。大工业和城市的发展，打破了农村的闭塞状况，汽车成了重要的交通。 1913年美国福特汽车工厂采用专用机床生产汽车，它在专业化、标准化和流水作运输工具。使生产过程方面有了重大的工艺改进，它是现代化生产的先驱。内燃机的发明和应用还改变了铁路运输状况，并已成为各种运输的强大动力。更重要的是，于1903年人类第一架飞机装上汽油机飞翔于长空，人类几千年来的幻想终于实现了。 总之，电机、内燃机的生产技术的迅速发展，不仅引起了大工业的日益兴起，而且大大改变了社会的落后面貌，加速了历史发展的进程。3、二十世纪第三次技术革命二十世纪四十到五十年代，出现以原子能工业、电子计算机和空间技术为主要标志的第三次技术革命。这次技术革命的内容比前两次技术革命更为丰富，影响更为深远。它还包括自动控制、遥感、激光以及合成材料等技术，同时又产生了新型的综合性的基础理论一控制论、信息论和系统论等等。 （1）原子能的开发和利用原子能的开发和利用，是近三十年来发展很快的技术前沿。因进入三十年代后，由于电力工业和无线电的发展，发明了可产生六十万伏的高压倍加器、静电加速器和回旋加速器，使人们在核反工程技术应实验方面取得了巨大进展。早在1922年，英国科学家阿斯屯根据同位素的理论明确地预言：原子核中所蕴藏的能量在将来可以作为工厂的动力或用于制造核弹。1932年，利用加速器实现了原子核的蜕变，同年又发现了中子，它立即就被人们用作炮弹以实现核反应。1933年德国的哈恩、施特拉斯曼等人，发现用中子轰击铀原子核，可使铀核分裂成为两块，同时释放出能量，这种能量称为原子能。实验证实了利用原子能的实际可能性，并已估计出一克铀在裂变中能释放出多大的能量。铀原子核裂变现象的发现，揭开了原子能利用的新时代。（2）电子计算机的出现和发展 电子计算机，通常是指电子数字存储程序计算机。它是一种能自动、高速地对数据进行计算和对信息进行加工的电子装置。电子计算机最初是由军事的需要而发展起来的，第二次世界大战期间，出现了高速飞行的喷气飞机和导弹。雷达能发现目标，但如果没有一种快速的计算工具来进行弹道计算和控制空防火力，那么防空雷达的性能再好也是没有意义的，只能发现却来不及反击，电子计算机正是在这种情况下应运而生。 目前，电子计算机正向巨型、微型、网络、智能模拟等方面发展。电子计算机广泛应用于自动控制，促使工业生产和工程技术迅速实现自动化。五十年代初，电子计算机已开始用于喷气式飞机，随后用于导弹等战略武器，以及发射人造卫星。随着电子计算机技术的发展，特别是微型电子计算机大量出现，用电子计算机进行自动控制也越来越广泛，在宇宙空间、工业生产、交通运输和商业部门等方面，建立起各种各样的自动机、自动仪表、自动化工厂、车间，以致大型自动化系统。不仅节省了人力，提高劳动生产率，使工厂企业得到根本的技术改造，而且还创造出具有一定人类智能的机器人，可以用它在海底、高山以及其它人类无法工作和生活的地方进行自动化生产，收集资料。并利用空间所具有的特殊条件，建立自动化的空间实验室和空间工厂。电子计算机还广泛应用于经济、军事、交通运输、科研、文教、医疗、科技情报资料及图书管理等方面。电子计算机技术是一种在本质上不同于以前的技术，因为它带来人类智力和思维即脑力劳动的的解放。以电子计算机为基本手段的现代化信息技术的发展，是人类历史上又一次重大技术革命，它日益深刻地影响着现代生产、经济、科学和人类社会生活各方面的变革。 （3）空间科学技术的诞生 空间科学技术，是本世纪五十年代逐渐形成的一门独立的科学技术。它是围绕人造卫星（工程技术包括宇宙飞船）的研制、发射和应用的一门综合性的科学技术。空间科学技术是衡量一个国家科学技术发展程度的重要标志。目前卫星技术已达到了能实际使用的阶段，应用卫星的种类很多，如侦察卫星、地球资源卫星、气象卫星、通讯卫星、科学卫星等。空间科学技术已广泛用于军事，国民经济和科学研究的许多方面，并已进入了无限广阔的宇宙空间，从而扩大了人们的眼界，为人类认识和改造自然开辟了新的场所。综上所述，工程技术诞生以来，已经历了有划时代意义的三次技术革命。以蒸汽机的广泛应用为主要标志的第一次技术革命，对发展生产力起了巨大的作用。以电力的广泛应用为主要标志的第二次技术革命，使生产领域发生了深刻的革命性变化，大大发展了社会生产力，使劳动生产率有了大幅度提高，促进人类物质文明的进步。以原子能利用、电子计算机和空间技术的出现为主要标志的第三次技术革命，使社会化的大生产与现代科学技术更加密切地结合在一起，从而使生产规模和劳动对象发生了更加深刻的变化，社会生产力和劳动生产率有了更快的发展和更大的提高。现在人们正力争在2000年左右实现第四次技术革命，它将是以电子为中心，以能源、材料、遗传工程等新的突破为主要标志。我们可以期望，那时人类认识自然和改造自然的能力必将获得巨大的提高。社会生产力的迅猛发展，将对社会生活的各个方面发生更加深刻的影响，使人类的体力和智力也将获得更大的解放。 工程技术发展的历史表明，它的发展固然受生产、科学、生产关系和上层建筑的强烈影响。然而，一旦在工程技术上取得重大突破，就会带来经济发展的繁荣。实践告诉我们，人类只有依靠技术的进步才是促进社会生产力迅速发展的根本途径。在当代，一个国家的科学技术水平和运用科学技术的能力，日益成为衡量这个国家实力（包括经济实力、国防实力）的一个极其重要的标志。任何一个国家，不管它的国情如何，也不管它是什么样的社会制度，不重视科学技术，不重视科学研究成果的推广应用，其经济就不可能有长足的发展。我国要进行社会主义四个现代化的建设，也必须依靠科学技术，尤其是要重视应用技术和生产技术的研究和应用。因此，我国要实现四化必须发展工程科学技术，因为工程科学技术是发展工业、增加生产，提高产品质量和降低成本的关键。工业发达国家的经验已证明了这一点，这是值得我们认真借鉴的。第二章 工程控制技术基本应用实例2.1项目要求设计并制作一电机控制系统，要求：1 具备步进电机及直流电机双重控制功能；2 可实现正反转、加速、减速、制动、任意角度转动等控制功能；3 设计小功率电机驱动电路；4 具备转速检测及闭环调速功能；5 具备数码管、液晶显示屏或LED点阵实时显示电机状态功能；6 具备串口、USB或SPI数据通信功能；7 编写上位机应用控制软件；8 具备红外或无线电遥控功能；9 具备温度感应及光感应控制等功能；10具备语音播报电机当前状态等功能；11其他。2.2 项目规划根据工程项目要求，我们可先将系统的大致组成以原理框图的形式表示出来，如图2-1所示：图2-1 电机控制系统原理框图2.3 电机选型及驱动电路设计2.3.1直流电机：定义输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。直流电机在数控机床、光缆线缆设备、机械加工、印制电路板设备、焊接切割、机牛车辆、医疗设备、通讯设备、卫星地面接受系统等行业广泛应用。按结果主要分为直流电动机和直流发电机；按类型主要分为直流有刷电机和直流无刷电机：直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的问题。按励磁方式主要分为他励直流电机、并励直流电机、串励直流电机和复励直流电机。图2-2展示了电机的外形、构造及驱动形式等。图2-2 电机的外形、构造及驱动形式一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，这种原理在电机理论中称为可逆原理。当原动机驱动电枢绕组在主磁极N、S之间旋转时，电枢绕组上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载（或电网），对外供电，此时电机作直流发电机运行。如用外部直流电源，经电刷换向器装置将直流电流引向电枢绕组，则此电流与主磁极NS产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动转子与连接于其上的机械负载工作！此时电机作直流电动机运行。如图2-3为直流电机内部结构解剖图。图2-3 直流电机内部结构解剖图直流电动机的转速N和其他参量的关系可表示为：N（a一Ia*Ra）CE*；式中a电枢供电电压（）；Ia电枢电流（A）：励磁磁通（Wb）；Ra电枢回路总电阻（）；CE一电势系数。可以看出，式中a、Ra、三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种塞本调速方法：（1）改变电枢回路总电阻口Ra；（2）改变电枢供电电压a；（3）改变励磁磁通。当分别改变a、Ra和时，可以得到不同的转速N，从而实现对速度的调节。由于F（Ia），当改变励磁电流Ia时，可以改变磁通量的大小，从而达到调速的目的。但由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流Ia和磁通量只能在低于其额定值的范围内调节，故只能弱磁调速。而对于调节电枢外加电阻Ra时，会使机械特性变软，导致电机带负载能力减弱。所以调速时，改变电枢电压，实现对直流电机速度调节的方法被广泛采用。改变电枢电压可通过多种途径实现，如晶闸管供电速庋控制系统、大功率晶体管速度控制系统、直流发电机供电速度控制系统及晶体管直流脉宽调运系统等。PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。2.3.2步进电动机 步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，在自动化仪表、自动控制、机器人、自动生产流水线等领域的应用相当广泛。它的用途是将电脉冲转化为角位移，通俗的说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（步进角）。通过控制脉冲个数即可控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。常用的步进电机分三种：永磁式（PM）、反应式（VR）和混合式（HB）。永磁式一般为两相，转矩和体积较小，步进角为15和7.5：反应式一般为三相，可以实现大转矩输出，步进角为1.5，但噪声和震动较大；混合式是指混合了永磁式和反应式的优点，分为两相和五相，步进角分别为18和0.72，应用最为广泛。图2-4所示为步进电机外形、分解图及驱动电路。图2-4 步进电机外形、分解图及驱动电路图2-5为步进电机转动原理分析图。图2-5 步进电机转动原理分析图2.3.3伺服电机伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要的特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。通常采用晶体管直流脉宽调速系统控制（PWM脉宽调制）。图2-6为各类伺服电机的外形结构图。图2-6 各类伺服电机的外形结构图2.3.4直流电机驱动电路设计1继电器控制：继电器是我们生活中常用的一种控制设备，通俗的意义上来说就是开关，在条件满足的情况下关闭或者开启。继电器的开关特性在很多的控制系统尤其是离散的控制系统中得到广泛的应用。从另一个角度来说，由于为某一个用途设计使用的电子电路，最终或多或少都需要和某一些机械设备相交互，所以继电器也起到电子设备和机械设备的接口作用。 最常见的继电器要数热继电器，通常使用的热继电器适用于交流50Hz、60Hz、额定电压至660V、额定电流至80A的电路中，供交流电动机的过载保护用。它具有差动机构和温度补偿环节，可与特定的交流接触器插接安装。 时间继电器也是很常用的一种继电器，它的作用是作延时元件，通常它可在交流50Hz、60Hz、电压至380V、直流至220V的控制电路中作延时元件，按预定的时间接通或分断电路。可广泛应用于电力拖动系统，自动程序控制系统及在各种生产工艺过程的自动控制系统中起时间控制作用。 在控制中常用的中间继电器通常用作继电控制，信号传输和隔离放大等用途。此外还有电流继电器用来限制电流、电压继电器用来控制电压、静态电压继电器、相序电压继电器、相序电压差继电器、频率继电器、功率方向继电器、差动继电器、接地继电器、电动机保护继电器等等。正是有了这些不同类型的继电器，我们才有可能对不同的物理量作出控制，完成一个完整的控制系统。除了传统的继电器之外，继电器的技术还应用在其他的方面，比如说电机智能保护器是根据三相交流电动机的工作原理，分析导致电动机损坏的主要原因研制的，它是一种设计独特，工作可靠的多功能保护器，在故障出现时，能及时切断电源，便于实现电机的检修与维护，该产品具有缺相保护，短路、过载保护功能，适用于各类交流电动机，开关柜，配电箱等电器设备的安全保护和限电控制，是各类电器设备设计安装的优选配套产品。该技术安装尺寸、接线方式、电流调整与同型号的双金属片式热继电器相同。是直接代替双金属片式热继电器的更新换代的先进电子产品。而其真正的原理还是继电器技术。 继电器技术发展到现在，已经和计算机技术结合起来，产生了可编程控制器的技术。可编程控制器简称作PLC。它是将微电脑技术直接用于自动控制的先进装置。它具有可靠性高，抗干扰性强，功能齐全，体积小，灵活可扩，软件直接、简单，维护方便，外形美观等优点；以往继电器控制的电梯有几百个触点控制电梯的运行。有一个触点接触不良，就会引起故障，维修也相当麻烦，而PLC控制器内部有几百个固态继电器，几十个定时器/计数器，具备停电记忆功能，输入输出采用光电隔离，控制系统故障仅为继电器控制方式的10%。正因为如此，国家有关部门已明文规定从97年起新产电梯不得使用继电器控制电梯，改用PLC微电脑控制电梯。 继电器的正确使用方法是： （1）继电器额定工作电压的选择继电器额定工作电压是继电器最主要的一项技术参数。在使用继电器时，应该首先考虑所在电路(即继电器线圈所在的电路)的工作电压，继电器的额定工作电压应等于所在电路的工作电压。一般所在电路的工作电压是继电器额定工作电压的0.86。注意所在电路的工件电压千万不能超过继电器额定工作电压，否则继电器线圈容易烧毁。另外，有些集成电路，例如NE555电路是可以直接驱动继电器工作的，而有些集成电路，例如COMS电路输出电流小，需要加一级晶体管放大电路方可驱动继电器，这就应考虑晶体管输出电流应大于继电器的额定工作电流。（2）触点负载的选择触点负载是指触点的承受能力。继电器的触点在转换时可承受一定的电压和电流。所以在使用继电器时，应考虑加在触点上的电压和通过触点的电流不能超过该继电器的触点负载能力。例如，有一继电器的触点负载为28V(DC)10A，表明该继电器触点只能工作在直流电压为28V的电路上，触点电流为10A，超过28V或10A，会影响继电器正常使用，甚至烧毁触点。（3）继电器线圈电源的选择这是指继电器线圈使用的是直流电(DC)还是交流电(AC)。通常，初学者在进行电子制作活动中，都是采用电子线路，而电子线路往往采用直流电源供电，所以必须是采用线圈是直流电压的继电器。继电器的三种附加电路：继电器是电子电路中常用的一种元件，一般由晶体管、继电器等元器件组成的电子开关驱动电路中，往往还要加上一些附加电路以改变继电器的工作特性或起保护作用。继电器的附加电路主要有如下三种形式：（1）继电器串联RC电路：电路形式如图2-7左，这种形式主要应用于继电器的额定工作电压低于电源电压的电路中。当电路闭合时，继电器线圈由于自感现象会产生电动势阻碍线圈中电流的增大，从而延长了吸合时间，串联上RC电路后则可以缩短吸合时间。原理是电路闭合的瞬间，电容C两端电压不能突变可视为短路，这样就将比继电器线圈额定工作电压高的电源电压加到线圈上，从而加快了线圈中电流增大的速度，使继电器迅速吸合。电源稳定之后电容C不起作用，电阻R起限流作用。图2-7 继电器附加电路图（2）继电器并联RC电路：电路形式见图2-7中，电路闭合后，当电流稳定时RC电路不起作用，断开电路时，继电器线圈由于自感而产生感应电动势，经RC电路放电，使线圈中电流衰减放慢，从而延长了继电器衔铁释放时间，起到延时作用。（3）继电器并联二极管电路：电路形式见图2-7右，主要是为了保护晶体管等驱动元器件。当图中晶体管VT由导通变为截止时，流经继电器线圈的电流将迅速减小，这时线圈会产生很高的自感电动势与电源电压叠加后加在VT的c、e两极间，会使晶体管击穿，并联上二极管后，即可将线圈的自感电动势钳位于二极管的正向导通电压，此值硅管约0.7V，锗管约0.2V，从而避免击穿晶体管等驱动元器件。并联二极管时一定要注意二极管的极性不可接反，否则容易损坏晶体管等驱动元器件。继电器电路小改进继电器常安装在电器设备的内部，其工作状态不直观，笔者将其作如下图2-8改进。在线圈两端接发光二极管VD1，当控制电压为正时，三极管导通，继电器J吸合，同时发光二极管被点亮，表明继电器线圈已加上电源。发光二极管可装在外壳显眼之处。图2-8 继电器电路改进图2三极管H桥驱动电路（1）桥式电机驱动电路图2-9所示为一个典型的H桥直流电机控制电路。电路得名于“H桥式驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：图2-9及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。图2-9 一个典型的H桥直流电机控制电路要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图2-10所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1、从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。图2-10 H桥电路驱动电机顺时针转动图2-11所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）图2-11 H桥电路驱动电机逆时针转动使用控制和方向逻辑驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大植（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。图2-12所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。4个与门同一个“使能”向导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输入，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。图2-12 改进后的H桥电路采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。如果DIR-L信号为0，DIR-R信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如图2-13所示）：如果DIR-L信号变为1，DIR-R信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。实际使用的时候，用分立件制作H桥式是很麻烦的，好在现在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了。在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等图2-13 H桥电路正转分析3L298N集成驱动模块（1）L298N模块介绍L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。图2-14为L298N的内部电路结构图。图2-14 L298N内部电路结构图L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接457 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2546 V。输出电流可达25 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。表2-1是L298N功能逻辑图。 表2-1 L298N功能逻辑图 L298N外形封装及管脚定义可见图2-15。图2-15 L298N外形封装及管脚定义实际应用中，典型的L298N与单片机的接口电路可参考图2-16。图2-16 典型的L298N与单片机的接口电路 通过控制使能端使L298N处于工作和不工作状态 VSS-9引脚为芯片供电 VS-4引脚为电机供电 ENA-6引脚为通道1使能端 利用单片机CCP模块等产生一定频率的脉冲作用于ENA，根据脉冲占空比不同就可以得到不同的输出电压，从而达到调速目的 比如在VS引脚加10V的电机供电电压，ENA端脉冲占空比为100%，那么OUT1和OUT2之间将输出10V电压，占空比为50%,那么输出为5V电压，占空比为10%，则为1V 单通道时配置如下 VSS-9为5V芯片电源 vs-4为电机供电电源 in1/2-5/7为电机正反转电平输入端 OUT1/2-2/3为电机接线端 gnd-8为接地 1和15可直接接地。图2-17为L298N电机驱动的成品PCB电路板。图2-17 L298N电机驱动的成品PCB电路板（2）L298N模块与单片机接口编程及仿真源程序：#include /*头文件*/sbit start=P10; sbit direction=P11; sbit pwmup=P12; sbit pwmdown=P13; sbit pwmout=P24; sbit in1=P20; sbit in2=P21;unsigned char timebit=0,pwm=50; /*定义变量*/void ys()unsigned char aaa,bbb; for(aaa=200;aaa0;aaa-) for(bbb=0;bbb200;bbb+); time0() interrupt 1 using 0 if(timebit99)timebit=0;/*主程序*/void main(void) TMOD=0x02;TH0=0x9c;TL0=0x9c;EA=1;ET0=1;TR0=1; /12MHz晶振在方式2下，9C初值对应定时时间为100us。 while(1) while(start)in1=1;in2=1; if(direction=0)in1=1;in2=0; elsein1=0;in2=1; if(pwmdown=0)ys();pwm-; if(pwmup=0)ys();pwm+; P3=pwm/10*16+pwm%10; 根据程序定义，将硬件图在Proteus 7中连接如下：其中，IN1和IN2为电机状态控制端，ENA为电机使能端，通入PWM脉冲可对电机调速，按键排列分别是：启动/刹停、方向、加速、减速。数码管用于显示PWM信号占空比。PWM信号频率为100Hz，分辨率为1%。下图为通过示波器观察到的信号波形情况。2.3.5步进电机驱动电路设计步进电机需要提供具有一定驱动能力的脉冲信号才能正常工作，脉冲信号由单片机输出的激励信号经过脉冲分配产生。脉冲分配可以通过硬件模拟分配电路实现，也可以利用软件方便地实现。一个完整的驱动电路不仅需要激励信号，还需有足够的功率。在一般的电路驱动中，需将由CPU产生的脉冲信号经过功率放大后，再接到步进电机输入端。随着大规模集成电路技术的发展，逐渐出现了很多专门用于步进电机控制的脉冲分配芯片，它们配合功率放大的驱动电路可以实现步进电机的驱动。1. 一般步进电机驱动电路在专门的步进电机驱动集成芯片出现以前，一般都是采用电路来驱动步进电机工作。在电路设计中，必须要考虑的是驱动信号的分配和放大。在信号分配方面，采用的均是单片机统一分配的形式；在信号放大方面，则是由各种放大电路来完成的。下面介绍一种利用硬件电路连接而成的脉冲分配驱动电路。 （1）电路驱动的工作原理 图2-18所示是一个四相步进电机的驱动电路。A、B、C、D分别接到P1口的P1.4P1.7。通过软件控制一组脉冲序列，控制步进电机的转速、方向和步距。在步进电机的驱动线路中，主CPU发出的控制信号经U1放大，传到复合三极管前一级的基极。若CPU送出的数据为0，则前级三极管BG5作为开关三极管不导通，BG1也处于截止状态，电机内的线圈不得电；若CPU送出的数据为1，则前级三极管BG5的基极有了驱动电流，12V电压经电机的线圈、限流电阻和三极管形成通路。在电路图中的A、B、C、D分别代表电机内部的4个线圈，在驱动线中的R5R8作为限流电阻来限制线圈中的电流值。在电阻和线圈两侧有并联的单向二极管，当CPU信号由1跳变为0时，三极管截止，电机的线圈会产生很大的感应电动势，这时线圈、限流电阻和单向二极管形成回路，保护三极管不被线圈的瞬时感应电动势烧坏。二极管D1D4也称回流二极管，在选择时要考虑到电源电压及线圈电流。R1R4和D1D4组成一条支路，在对应的线圈突然不通电时能够和线圈构成一组循环回路。该电阻的作用是分担支路中的电压，保护二极管。在每个集成放大器的输出端接有一个LED，作为脉冲信号输入的显示器件。CPU送入的数据为0时，LED下端的电位也为低，LED被导通发光；CPU送入的数据为1时，LED的下端电位为高，LED无法导通，不发光。R9R12为限流电阻，使三极管基极的流入电流不至于过大而烧毁。图2-18 基于复合三极管的四相步进电机驱动电路在步进电机工作时，对P1口依次写入1FH、3FH、5FH、7FH，电机正转4步；对P1口依次写入7FH、5FH、3FH、1FH，电机反转4步。 （2）控制程序 为方便初学者了解步进电机驱动电路的控制方式，对于每一种驱动电路都给出对应的控制参考程序。 电机正转控制参考程序如下：电机反转控制参考程序如下：该程序实现的是在工作时四相线圈中的每一相分别通电，即为四相四拍工作方式。可通过改变脉冲输入方式来改变电机的工作状态（如四相八拍工作方式）。2. 基于UCN5804芯片的步进电机驱动电路随着大规模集成电路技术的发展，越来越多的厂家生产出专门用于驱动步进电机的脉冲分配芯片，配合用于功率放大的驱动电路就可以实现步进电机的驱动。下面以UCN5804驱动芯片为例，介绍集成芯片驱动步进电机的工作原理。图2-19所示为UCN5804芯片引脚图。（1）UCN5804芯片引脚介绍引脚1：对应四相脉冲输出的B相。主CPU给UCN5804输送脉冲，芯片按顺序输出A、B、C、D脉冲信号，该信号接到步进电机的脉冲输入端。 引脚2：接+12V电源。引脚3：对应四相脉冲输出的D相。引脚4：接地。引脚5：接地。引脚6：对应四相脉冲输出的C相。引脚7：接+12V电源。引脚8：对应四相脉冲输出的A相。引脚9：控制电机脉冲输出方式，若9脚为低电平，则脉冲每次输出两相脉冲信号若9脚为高电平，则芯片每次输出两相脉冲信号（A-B-C-D-A），即主CPU图2-19 UCN5804芯片引脚图每送入一个脉冲，芯片向电机输出两相电脉冲。引脚10：控制电机接收脉冲后的步长，若10脚为低电平，则芯片控制电机每步运行一整个步长，即芯片送出的脉冲顺序为A-B-C-D-A或AB-BC-CD-DA-AB；若10脚为高电平，则芯片控制电机每步运行半个步长，即芯片送出的脉冲顺序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。引脚11：5804芯片的脉冲输入端，信号由主CPU送入。每送入一个信号，芯片送出一个控制信号。CPU不产生输入信号时，芯片不产生输出脉冲。 引脚12：接地。 引脚13：接地。 引脚14：控制电机的正反转，若14脚为低电平，则电机正转；若该脚为高电平，则电机反转。 引脚15：5804芯片的片选信号，该脚为低时芯片可以工作，为高时芯片不工作。 引脚16：接+5V电源。（2）UCN5804芯片概述与工作特点 UCN5804芯片是一块集成步进电机驱动芯片，它的输出引脚可以接到步进电机的输入端，直接驱动步进电机工作。其工作电路如图2-20所示。在信号输出端接一反向二极管后连接到步进电机上，芯片可以承受最大1.5A的反向电流以及最大35V的电压。图2-20 基于UCN5804芯片的驱动电路图在实际应用中，UCN5804芯片有多种驱动工作方式，利用9脚和10脚的高低电平组合（见表2-2），可将四相步进电机的运行分为以下几种方式。表2-2 UCN5804芯片驱动方式真值表 在单脉冲输出状态下，9脚为低电平，10脚为高电平，电机按四相四拍的工作方式（见表2-3）运行（A-B-C-D-A或A-D-C-B-A）。表2-3 单相驱动脉冲顺序（9脚=L，10脚=H） 在双脉冲输出状态下，若9脚和10脚均为低电平，则电机按四相四拍的工作方式（见表2-4）运行（AB-BC-CD-DA-AB或AD-DC-CB-BA）；若9脚为高电平，10脚为低电平，则步进电机将按四相八拍的工作方式（见表12-4）运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A或A-DA-D-CD-C-BC-B-AB-A）。表2-4 双相驱动脉冲顺序（9脚=L，10脚=L）表2-5 单双相半步驱动脉冲顺序（9脚=H，10脚=L）UCN5804芯片驱动脉冲时序分配如图2-21所示。图2-21 驱动脉冲时序UCN5804芯片的连接电路以图2-20为例：芯片的脉冲输入端、方向控制