第四章 常用控制程序的设计

1、第第4章常用控制程序的设计章常用控制程序的设计 开关量输出接口开关量输出接口2 电机控制接口技术电机控制接口技术3报警程序设计报警程序设计1本章要点步进电机控制接口技术步进电机控制接口技术4第第4章常用控制程序的设计章常用控制程序的设计课程索引课程索引 课前思考课前思考 1. 1.工业控制系统中常用报警方式有几种工业控制系统中常用报警方式有几种? ? 2.PWM 2.PWM调速系统的工作原理调速系统的工作原理? ? 教学要求教学要求 掌握：掌握：报警程序设计、开关量输出接口技术、报警程序设计、开关量输出接口技术、电动机控制接口技术、步进电机控制接口技电动机控制接口技术、步进电机控制接口技术术4

2、.1 报警程序设计报警程序设计引言引言报警程序报警程序是计算机控制程序中必不可少的一部分。在控制是计算机控制程序中必不可少的一部分。在控制过程中，有一些参数被限定在某一范围，超出之后轻则会造成次过程中，有一些参数被限定在某一范围，超出之后轻则会造成次品、浪费等，重则造成设备损坏、人员伤亡等。报警程序就是提品、浪费等，重则造成设备损坏、人员伤亡等。报警程序就是提醒操作人员注意或采取紧急处理措施。醒操作人员注意或采取紧急处理措施。本节主要内容本节主要内容常用报警方式常用报警方式简单报警程序设计简单报警程序设计越限报警程序设计越限报警程序设计4.1 报警程序设计报警程序设计4.1.1 常用报警方式常

3、用报警方式4.1.1 常用报警方式常用报警方式一、发光报警一、发光报警在设备中常用发光二极管（在设备中常用发光二极管（LED）发光报警，其电路如下。）发光报警，其电路如下。LED驱动电流一般为驱动电流一般为5-30mA，74LS373（273、377， 或或8255等）为等）为数据锁存，数据锁存，74LS06（或（或74LS07 ）为驱动器，为驱动器，R为限流电阻。为限流电阻。R=（V-0.5）/ I0.5为为LED的结电压。的结电压。R：2004501000I ：22.5104.5（mA）若用白炽灯报警，则需用继电器若用白炽灯报警，则需用继电器进行控制，只需将电路中的进行控制，只需将电路中的

4、LED换成换成继电器、电阻换小一些的即可。继电器、电阻换小一些的即可。4.1 报警程序设计报警程序设计4.1.1 常用报警方式常用报警方式二、发声报警二、发声报警在设备中，发声报警的方法有多种，可用报警喇叭发声、发在设备中，发声报警的方法有多种，可用报警喇叭发声、发声芯片发声、编程发声、可编程语音芯片发声等。声芯片发声、编程发声、可编程语音芯片发声等。1、报警喇叭发声、报警喇叭发声有一种压电式蜂鸣器，加上有一种压电式蜂鸣器，加上324V直流电压，便发出直流电压，便发出“嘟、嘟、嘟、嘟嘟、嘟”的报警声，电压越高，声音越大。的报警声，电压越高，声音越大。2、编程发声、编程发声用计算机，或者利用设备

5、中单片机，编程发声程序，使喇叭用计算机，或者利用设备中单片机，编程发声程序，使喇叭发出各种各样的报警声，甚至音乐。发出各种各样的报警声，甚至音乐。3、可编程语音芯片发声、可编程语音芯片发声使用时先录制声音，然后编写程序，可根据不同的情况，发使用时先录制声音，然后编写程序，可根据不同的情况，发出不同的语音提示。如出不同的语音提示。如ZY1420A语音模块，分为语音模块，分为160段，每段可录段，每段可录制制0.125s，录音总长度为，录音总长度为20s。4.1 报警程序设计报警程序设计4.1.1 常用报警方式常用报警方式4、发声芯片发声、发声芯片发声用发声芯片发声报警，是常用的方法，如汽车倒车、

6、汽车洒用发声芯片发声报警，是常用的方法，如汽车倒车、汽车洒水、门铃、玩具发声等，都是使用的发声芯片发声。如下表所示水、门铃、玩具发声等，都是使用的发声芯片发声。如下表所示的的KD-956X系列报警声音芯片（见表系列报警声音芯片（见表4-1）。）。 型型 号号声声 光光 性性 能能KD-9561KD-9561机枪、警笛、救护车、消防车声机枪、警笛、救护车、消防车声KD-9561BKD-9561B嘟嘟嘟嘟嘟嘟声声KD-9562KD-9562机枪、炮弹等八种声音机枪、炮弹等八种声音KD-9562BKD-9562B光控报警声光控报警声KD-9562CKD-9562C单键八音单键八音KD-9563KD-

7、9563三声二闪光三声二闪光KD-9565KD-9565六声五闪光六声五闪光4.1 报警程序设计报警程序设计4.1.1 常用报警方式常用报警方式 KD-956X系列声音芯片主要特性：系列声音芯片主要特性：1）工作电压范围宽（）工作电压范围宽（3-4.5V）2）静态电流低；）静态电流低；3）外接振荡电阻可调节模拟声音的放音节奏；）外接振荡电阻可调节模拟声音的放音节奏；（R1R1发生频率发生频率 ， R1R1：180k180k -290k -290k ）4 4）外接一只小功率三极管便可驱动扬声器。）外接一只小功率三极管便可驱动扬声器。 KD 956X系列声音芯片的内部结构：包含有振荡器、节拍器、音

8、色发生系列声音芯片的内部结构：包含有振荡器、节拍器、音色发生器、地址计数器、控制和输出等部分。器、地址计数器、控制和输出等部分。 下面为下面为KD 9561声音芯片的外形图、应用电路图和接线图。声音芯片的外形图、应用电路图和接线图。4.1 报警程序设计报警程序设计4.1.2 简单报警程序设计简单报警程序设计简单报警程序设计方法可以分两种简单报警程序设计方法可以分两种全软件报警程序：全软件报警程序：对测量的参数（温度、压力、流量、速度、成分等）与规定对测量的参数（温度、压力、流量、速度、成分等）与规定的上、下限进行比较，根据比较结果做报警（声、光）和处理。的上、下限进行比较，根据比较结果做报警（

9、声、光）和处理。硬件申请、软件处理报警程序：硬件申请、软件处理报警程序：这种方法的报警判断不是程序完成的，而是直接由电路或设这种方法的报警判断不是程序完成的，而是直接由电路或设备完成的，超过限定值时向备完成的，超过限定值时向CPU发出中断请求，发出中断请求，CPU响应中断后响应中断后进行报警（声、光）和处理。进行报警（声、光）和处理。4.1 报警程序设计报警程序设计4.1.2 简单报警程序设计简单报警程序设计一、软件报警程序设计一、软件报警程序设计如锅炉水位自动调节系统，主要参数：水位、进水流量、蒸如锅炉水位自动调节系统，主要参数：水位、进水流量、蒸汽流量。汽流量。根据锅炉中的水位、进水流量和

10、蒸汽流量，调节进水阀门，根据锅炉中的水位、进水流量和蒸汽流量，调节进水阀门，以保持锅炉中的水位。以保持锅炉中的水位。4.1 报警程序设计报警程序设计4.1.2 简单报警程序设计简单报警程序设计锅炉报警参数：锅炉报警参数：X1X1：水位（高、低）；：水位（高、低）； X2X2：炉膛温度；（高、低）：炉膛温度；（高、低） X3X3：蒸汽压力（低）：蒸汽压力（低）4.1 报警程序设计报警程序设计4.1.2 简单报警程序设计简单报警程序设计软件报警子程序流程图。软件报警子程序流程图。X1X1：水位（高、低）：水位（高、低） X2X2：炉膛温度（高、低）：炉膛温度（高、低）X3X3：蒸汽压力（低）：蒸汽

11、压力（低）4.1 报警程序设计报警程序设计4.1.2 简单报警程序设计简单报警程序设计二、硬件直接报警程序设计二、硬件直接报警程序设计对于某些根据开关量对于某些根据开关量状态进行报警的系统，为状态进行报警的系统，为了使系统简化，可以不用了使系统简化，可以不用上面所说的软件编程判断上面所说的软件编程判断报警方法，而是采用硬件报警方法，而是采用硬件申请申请 中断的方法，进行报中断的方法，进行报警设计。警设计。右图为硬件直接报警右图为硬件直接报警系统原理图。系统原理图。04为反相器。为反相器。有参数超限便向有参数超限便向CPU产生中断请求，从产生中断请求，从C口输入、口输入、高低高低4位交换、再从位

12、交换、再从C口输口输出。出。4.1 报警程序设计报警程序设计4.1.3 越限报警程序设计越限报警程序设计前面讲的报警程序比较简单，实际中测量值在某一个范围上前面讲的报警程序比较简单，实际中测量值在某一个范围上下摆动，为了避免测量值在极限值附近摆动造成频繁的报警，因下摆动，为了避免测量值在极限值附近摆动造成频繁的报警，因此在上下限附近设定一个回差带，如下图所示。此在上下限附近设定一个回差带，如下图所示。4.1 报警程序设计报警程序设计4.1.3 越限报警程序设计越限报警程序设计程序基本思想：程序基本思想：（1 1）比较判断：）比较判断：将采样、数字滤波后的将采样、数字滤波后的数据与数据与该被测点

13、上、该被测点上、下限给定值进行比较，下限给定值进行比较，检查是否越限；检查是否越限； 或或与上限复位值、下限复与上限复位值、下限复位值进行比较，检查是位值进行比较，检查是否复限。否复限。（2 2）处理：）处理： 如越限，则分如越限，则分别置上、下限标志，并别置上、下限标志，并输出相应的声光报警信输出相应的声光报警信号；号；如复限，则清除如复限，则清除相应标志。相应标志。4.2 开关量输出接口技术开关量输出接口技术引言 接口接口在工业上，被控制的对象中的执行机构的动力部分，一般都是强在工业上，被控制的对象中的执行机构的动力部分，一般都是强电，但计算机系统是弱电，要弱电去控制强电，就需要接口。电，

14、但计算机系统是弱电，要弱电去控制强电，就需要接口。 对于只进行通断控制的机构对于只进行通断控制的机构，如电机的启停，照明的开关，报警的控，如电机的启停，照明的开关，报警的控制等，只需要制等，只需要开关量开关量来进行控制，接口常用的器件是来进行控制，接口常用的器件是继电器或可控硅继电器或可控硅。 在实际应用中，因为执行机构中的强电在开、关过程中会产生很强的在实际应用中，因为执行机构中的强电在开、关过程中会产生很强的电磁干扰，若在强电和弱电之间不加隔离，就会对计算机系统造成误动电磁干扰，若在强电和弱电之间不加隔离，就会对计算机系统造成误动作和损坏。因此在接口电路中，作和损坏。因此在接口电路中，一是

15、要放大（驱动），二是要隔离一是要放大（驱动），二是要隔离。本节主要内容本节主要内容1、光电隔离技术、光电隔离技术2、继电器输出接口技术、继电器输出接口技术3、固态继电器输出接口技术、固态继电器输出接口技术4、大功率场效应管开关接口技术、大功率场效应管开关接口技术5、可控硅接口技术、可控硅接口技术6、电磁阀接口技术、电磁阀接口技术4.2 开关量输出接口技术开关量输出接口技术4.2.1 光电隔离技术光电隔离技术 常用的光电隔离器的种类有：发光二极管常用的光电隔离器的种类有：发光二极管/光敏三极管（光敏复合光敏三极管（光敏复合晶体管、光敏电阻、光触发可控硅）等，其工作原理如下图所示。晶体管、光敏电阻

16、、光触发可控硅）等，其工作原理如下图所示。 工作原理：工作原理： 隔离电压隔离电压：塑料封装一般为：塑料封装一般为2500V左右左右 陶瓷封装一般为陶瓷封装一般为5000-10000V左右左右 输入驱动电流输入驱动电流：一般为：一般为10mA左右，左右， 常用常用7404、7406、7407等芯片驱动。等芯片驱动。 常用的光电隔离器有常用的光电隔离器有4N25等等， 隔离电压为隔离电压为2500V，驱动电流为，驱动电流为10mA-15mAout三极管三极管4.2 开关量输出接口技术开关量输出接口技术4.2.1 光电隔离技术光电隔离技术光电耦合隔离器的几种类型光电耦合隔离器的几种类型 4.2 开

17、关量输出接口技术开关量输出接口技术4.2.1 光电隔离技术光电隔离技术光电耦合隔离器的结构原理光电耦合隔离器的结构原理端入输端出输V5+V5+图 4 - 2 光 电 耦 合 隔 离 器 的 结 构 原 理+ce4.2 开关量输出接口技术开关量输出接口技术4.2.1 光电隔离技术光电隔离技术 图图415 415 正确的隔离正确的隔离 P107P107 4.2 开关量输出接口技术开关量输出接口技术4.2.1 光电隔离技术光电隔离技术图图416 416 不正确的隔离不正确的隔离 P107P1074.2 开关量输出接口技术开关量输出接口技术4.2.1 光电隔离技术光电隔离技术光电耦合隔离电路光电耦合隔

18、离电路路电离隔合耦电光3 - 4图递传相同量字数递传相反量字数+ 5 V+ 5 V+ 5 V+ 5 Vccee+-D7 D07 4 L S 2 7 3数据缓冲器选 通 脉 冲b (a (D7 D07 4 L S 2 7 3数据缓冲器选 通 脉 冲4.2 开关量输出接口技术开关量输出接口技术4.2.2 继电器输出接口技术继电器输出接口技术电磁式继电器的工作原理和应用电路如下图所示。电磁式继电器的工作原理和应用电路如下图所示。 驱动电流一般为驱动电流一般为100mA左右，直流电压左右，直流电压5V、9V、12V、24V等等 选用时应考虑：选用时应考虑： 1、额定工作电压、电流、额定工作电压、电流

19、2、接点负荷、接点负荷 3、接点的数量与种类、接点的数量与种类 （动断或动开）（动断或动开） 4、体积、封装、工作、体积、封装、工作 环境、延迟时间等环境、延迟时间等为高时继为高时继电器闭合电器闭合保护保护二极管二极管继电器继电器线圈线圈光电光电隔离器隔离器4.2 开关量输出接口技术开关量输出接口技术4.2.3 固态继电器输出接口技术固态继电器输出接口技术 电磁式继电器在通断过程中会产生电磁干扰，并且触点容易氧电磁式继电器在通断过程中会产生电磁干扰，并且触点容易氧化而影响可靠性。化而影响可靠性。 固态继电器（固态继电器（Solid State Relay）SSR是用是用晶体管或可控硅晶体管或可

20、控硅代替代替电磁式继电器，电磁式继电器，SSR无无触点，响应快触点，响应快，并且将，并且将光电隔离集成光电隔离集成到一到一起。起。 SSR分为直流型的和交流型的。分为直流型的和交流型的。 一、直流型一、直流型SSR 结构与工作原理如下图结构与工作原理如下图4.2 开关量输出接口技术开关量输出接口技术4.2.3 固态继电器输出接口技术固态继电器输出接口技术 直流直流SSR主要用于直流负载的场合主要用于直流负载的场合 输出工作电压输出工作电压30-180V（5V开始工作）开始工作） SSR控制步进电机（下图）。控制步进电机（下图）。PCx=1时导通时导通，对应绕组通电。，对应绕组通电。保护保护二极

21、管二极管步进电机步进电机绕组绕组C4.2 开关量输出接口技术开关量输出接口技术4.2.3 固态继电器输出接口技术固态继电器输出接口技术二、交流型二、交流型SSR 用可控硅作开关器件用可控硅作开关器件。分为过分为过零型和移相型两类零型和移相型两类。用于控制交流用于控制交流大功率设备大功率设备，如控制交流电动机、，如控制交流电动机、交流电磁阀等。交流电磁阀等。 SSR结构与工作原理如下图结构与工作原理如下图4.2 开关量输出接口技术开关量输出接口技术4.2.3 固态继电器输出接口技术固态继电器输出接口技术 交流交流SSR输出波形如下图所示输出波形如下图所示非过零型非过零型导通时间导通时间立即导通立

22、即导通过零型导过零型导通时间通时间过零型导过零型导通时间通时间关断时间关断时间相同，在相同，在过零时过零时交流电源交流电源波形波形控制信号控制信号SSR两端的两端的电压在导通电压在导通时为时为0。非过零型非过零型SSR，加上控制信号便导通，加上控制信号便导通必须在负载电源电必须在负载电源电压接近零且输入控压接近零且输入控制信号有效制信号有效, ,负载负载才导通才导通4.2 开关量输出接口技术开关量输出接口技术4.2.3 固态继电器输出接口技术固态继电器输出接口技术 交流交流SSR控制交流电机原理图如下图所示。控制交流电机原理图如下图所示。 RP、CP组成浪涌电压保护电路组成浪涌电压保护电路（对

23、（对50Hz的阻抗约为的阻抗约为32K），），RM为压敏电阻，用作过压保护（保护为压敏电阻，用作过压保护（保护SSR）。）。 PC0=0，A绕组通电绕组通电电机正转电机正转；PC0=1，B绕组通电绕组通电电机反转电机反转交流固态交流固态继电器继电器4.2 开关量输出接口技术开关量输出接口技术4.2.4 大功率场效应管开关接口技术大功率场效应管开关接口技术 场效应管特点场效应管特点：输入阻抗高、关断漏电流小、响应快，体积小、：输入阻抗高、关断漏电流小、响应快，体积小、价格低。价格低。 IRF系列场效应管特性系列场效应管特性： 电流从几毫安电流从几毫安-几十安；耐压从几十伏几十安；耐压从几十伏-几

24、百伏。几百伏。 使用时注意加光电保护使用时注意加光电保护，如用，如用4N25等光电隔离器。等光电隔离器。 G：栅极，控制端；：栅极，控制端；D：漏极，接电源正极：漏极，接电源正极 S：源极，接电源负极：源极，接电源负极 主要用于直流设备主要用于直流设备4.2 开关量输出接口技术开关量输出接口技术4.2.4 大功率场效应管开关接口技术大功率场效应管开关接口技术 大功率场效应管控制步进电机原理图大功率场效应管控制步进电机原理图 场效应管型号为场效应管型号为IRF640，PCx为为1时时对应绕组导通对应绕组导通，为，为0时对应绕组关闭。时对应绕组关闭。三个绕组按规律三个绕组按规律交替导通，步进电机交

25、替导通，步进电机才会旋转。才会旋转。场效应管场效应管开关开关光电光电隔离器隔离器浪涌电压保浪涌电压保护电路，保护电路，保护场效应管护场效应管步进电机步进电机绕组绕组A保护保护二极管二极管4.2 开关量输出接口技术开关量输出接口技术4.2.5 可控硅接口技术可控硅接口技术 可控硅可控硅（Silicon Controlled Rectifier(整流器整流器)）SCR，也叫晶闸管，是一，也叫晶闸管，是一种大功率器件。种大功率器件。 特点特点：效率高、寿命长、体积小。：效率高、寿命长、体积小。 应用应用：作大功率驱动器件，实现以小功率控制大功率。在直流电机调速系：作大功率驱动器件，实现以小功率控制大

26、功率。在直流电机调速系统、调功系统、随动系统应用广泛。统、调功系统、随动系统应用广泛。 分类分类：分为单向可控硅和双向可控硅。：分为单向可控硅和双向可控硅。 一、单向可控硅一、单向可控硅 A阳极、阳极、K阴极、阴极、G控制极控制极4.2 开关量输出接口技术开关量输出接口技术4.2.5 可控硅接口技术可控硅接口技术 几个参量几个参量： 触发电流触发电流IT：Ig IT时导通；时导通；控制角控制角；导通角导通角；Ig为栅极电流为栅极电流 截止截止：UAUK。 单向可控硅的单向导通功能，单向可控硅的单向导通功能，多用于直流大电流场合的开关多用于直流大电流场合的开关。在交流系。在交流系统中用做统中用做

27、大功率整流大功率整流。IT导通导通4.2 开关量输出接口技术开关量输出接口技术4.2.5 可控硅接口技术可控硅接口技术 二、双向可控硅二、双向可控硅 又叫三端双向可控硅，简称又叫三端双向可控硅，简称TRIAC。 工作原理工作原理：控制极：控制极G加正向脉冲则正向导通，加反向脉冲则反加正向脉冲则正向导通，加反向脉冲则反向导通。也会截止。向导通。也会截止。 特点与应用特点与应用：控制简单，无耐压问题，作交流无触点开关。：控制简单，无耐压问题，作交流无触点开关。G4.2 开关量输出接口技术开关量输出接口技术4.2.5 可控硅接口技术可控硅接口技术 用双向可控硅控制交流电加热炉的原理图：用双向可控硅控

28、制交流电加热炉的原理图：上半部分为可控硅控制电路上半部分为可控硅控制电路，下半部分为交流电过零探测电下半部分为交流电过零探测电路路，每过一次零便产生一个脉冲的下降沿，向，每过一次零便产生一个脉冲的下降沿，向CPUCPU发出中断请求，发出中断请求，CPUCPU响应后，向响应后，向D0D0发出同步触发脉冲，使可控硅导通。发出同步触发脉冲，使可控硅导通。注意：每半个周期给可控硅一个同步脉冲，电压不小于注意：每半个周期给可控硅一个同步脉冲，电压不小于4V4V，脉冲宽度不小于脉冲宽度不小于2020 s s。D0为低时导通。为低时导通。 此电路复杂，采用图此电路复杂，采用图4-264-26电路简单。电路简

29、单。光电光电隔离器隔离器产生中断请产生中断请求信号求信号 此电路复杂，采用图此电路复杂，采用图4-264-26电路简单。电路简单。4.2 开关量输出接口技术开关量输出接口技术4.2.5 可控硅接口技术可控硅接口技术VbVctt4.2 开关量输出接口技术开关量输出接口技术4.2.6 电磁阀接口技术电磁阀接口技术 电磁是受通电线圈电磁力控制开闭的阀体。广泛应用于气体、电磁是受通电线圈电磁力控制开闭的阀体。广泛应用于气体、液体开关阀门。液体开关阀门。 结构原理图如下图所示。结构原理图如下图所示。4.2 开关量输出接口技术开关量输出接口技术4.2.6 电磁阀接口技术电磁阀接口技术 电磁阀的种类：有交流

30、和直流两种。电磁阀的种类：有交流和直流两种。 交流电磁阀交流电磁阀使用方便，但容易震动、启动电流大；使用方便，但容易震动、启动电流大；直流电磁阀直流电磁阀需专门电源，如需专门电源，如12V12V、24V24V、48V48V等。等。 交流电磁阀的接口电路如下图所示。交流电磁阀的接口电路如下图所示。 双向可控硅的选择双向可控硅的选择：对中小型的交流电磁阀，可选：对中小型的交流电磁阀，可选3A3A、600V600V的。的。为过零触发光电为过零触发光电耦合双向可控硅耦合双向可控硅驱动芯片驱动芯片为低时可为低时可控硅导通控硅导通4.3 电动机控制接口技术电动机控制接口技术电动机控制技术概述电动机控制技术

31、概述 电动机是被广泛应用的原动机电动机是被广泛应用的原动机 电动机的控制要求越来越高：电动机的控制要求越来越高： 启、停、逆转快速，调速快、准。启、停、逆转快速，调速快、准。 电动机控制器的发展：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。速器、可控硅、计算机控制。 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。板卡等，并且采用了复杂的控制算法。 脉冲宽度调制技术脉冲宽度调制技术，在直流小功率

32、电动机调速中已经成熟，在，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。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电动机调速的发展趋势：微型化、智能化、一体化，即将以微：微型化、智能化、一体化，即将以微型计算机（单片机）为核心的控制器做到电动机上。型计算机（单片机）为核心的控制器做到电动机上。4.3 电动机控制接口技术电动机控制接口技术电动机控制技术概述电动机控制技术概述本节主要内容本节主要内容1、小功率直流电动机调速原理、小功率直流电

33、动机调速原理2、开环脉冲宽度调速系统、开环脉冲宽度调速系统3、脉冲宽度调速系统设计、脉冲宽度调速系统设计4、闭环脉冲宽度调速系统、闭环脉冲宽度调速系统5、交流电动机控制接口技术、交流电动机控制接口技术4.3 电动机控制接口技术电动机控制接口技术4.3.1小功率直流电动机调速原理小功率直流电动机调速原理 脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation ）PWM原理原理 小功率直流电动机小功率直流电动机由转子和定子组成由转子和定子组成，定子可以是磁极或励磁绕组。，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其转速与加在转子电枢上的电压Ua有关，有关， Ua转速

34、转速V；所加电压极性；所加电压极性改变，则电动机反转。改变，则电动机反转。 据此原理，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，控制电动机的转速，这种方法就称为脉冲宽度调制这种方法就称为脉冲宽度调制PWM。 脉宽调制转速公式（平均转速）：脉宽调制转速公式（平均转速）： Vd=Vmax * D Vd-电动机平均转速电动机平均转速 Vmax全通电时速度（最大）全通电时速度（最大） D= t1 /T-占空比，占空比， t1是通电时间，是通电时间，T是脉宽周期。是脉宽周期。D1。 Vd D，与单纯的周期，与单

35、纯的周期T无关无关 Vd与与D的关系如下页图所示的关系如下页图所示4.3 电动机控制接口技术电动机控制接口技术4.3.1小功率直流电动机调速原理小功率直流电动机调速原理定子绕组及定子绕组及产生的磁场产生的磁场转子转子电枢电枢4.3 电动机控制接口技术电动机控制接口技术4.3.2开环脉冲宽度调速系统开环脉冲宽度调速系统 1、开环脉冲宽度调速系统的组成、开环脉冲宽度调速系统的组成 由五部分组成：由五部分组成： （1）占空比）占空比D的的 设定设定 1）用电位器调节、）用电位器调节、2）用拨码开关、）用拨码开关、3）用数字键盘）用数字键盘 （2）脉冲宽度发生器）脉冲宽度发生器 软件编程软件编程 （3

36、）驱动器）驱动器 TTL放大电路放大电路 （4）电子开关）电子开关 用晶体管、场效应管、可控硅、继电器用晶体管、场效应管、可控硅、继电器 （5）电动机）电动机4.3 电动机控制接口技术电动机控制接口技术4.3.2开环脉冲宽度调速系统开环脉冲宽度调速系统 Vd与与D只是近似的线性关系，只是近似的线性关系，与单纯的周期与单纯的周期T无关无关（与步进电（与步进电机的调速脉冲不同，步进电机的转速与脉冲频率成正比）。在机的调速脉冲不同，步进电机的转速与脉冲频率成正比）。在D不变的情况下，不变的情况下，T越小，电机转速越平稳。越小，电机转速越平稳。4.3 电动机控制接口技术电动机控制接口技术4.3.2开环

37、脉冲宽度调速系统开环脉冲宽度调速系统 2、电动机控制接口、电动机控制接口 上图中的第上图中的第3、4两部分即为接口部分。直流电机与微机的接口两部分即为接口部分。直流电机与微机的接口有以下有以下4种方法：种方法： （1）光电隔离器）光电隔离器+大功率场效应管大功率场效应管 适用于自己开发的系统，价格低适用于自己开发的系统，价格低 （2）固态继电器）固态继电器 适用于自己开发的系统，价格低适用于自己开发的系统，价格低 （3）专用接口芯片）专用接口芯片 如如L290、L291、L292等，价高、但可靠等，价高、但可靠 （4）专用接口板）专用接口板 如如7501、7502，主要用于，主要用于STD或或

38、PC机系统机系统 如用单片机控制，即可产生并输出调制脉冲，再加上如用单片机控制，即可产生并输出调制脉冲，再加上光电隔离光电隔离器器+大功率场效应管大功率场效应管，或者加上，或者加上固态继电器固态继电器就构成了就构成了接口部件和脉接口部件和脉宽调速控制器。宽调速控制器。4.3 电动机控制接口技术电动机控制接口技术4.3.3脉冲宽度调速系统设计脉冲宽度调速系统设计 一、脉宽占空比设计一、脉宽占空比设计 由脉宽调制转速公式：由脉宽调制转速公式： Vd=Vmax * D 电动机平均转速电动机平均转速Vd、全通电时速度、全通电时速度 Vmax 已知已知，对于给定的平，对于给定的平均转速均转速Vd ，便可

39、计算出占空比，便可计算出占空比D。 占空比占空比D= t1 /T ， t1是通电时间，是通电时间， t2是断电时间。是断电时间。 脉宽周期脉宽周期T= t1 + t2 1、软件计数法、软件计数法 设单位时间（设单位时间（ t0 ）计一个数，则通电时间）计一个数，则通电时间t1计数计数N1= t1 / t0 ， 断电时间断电时间t2计数计数N2= t2 / t0 ，在脉冲输出端，输出高电平计数，在脉冲输出端，输出高电平计数N1，输出低电平计数输出低电平计数N2，并让输出端如此循环输出即可。，并让输出端如此循环输出即可。 2、硬件计数法、硬件计数法 用硬件计数器计数，分别输出高电平和低电平，也如此

40、循环输用硬件计数器计数，分别输出高电平和低电平，也如此循环输出即可。出即可。4.3 电动机控制接口技术电动机控制接口技术4.3.3脉冲宽度调速系统设计脉冲宽度调速系统设计 二、电动机转动控制原理二、电动机转动控制原理 正转：正转：SW1SW1、SW4SW4闭合闭合 反转：反转：SW2SW2、SW3SW3闭合闭合 刹车：刹车：SW2SW2、SW4SW4闭合闭合（或（或SW1SW1、SW3SW3闭合）闭合） 滑行：滑行：SW1SW1、SW2SW2、SW3SW3、 SW4SW4全部断开全部断开 4.3 电动机控制接口技术电动机控制接口技术4.3.3脉冲宽度调速系统设计脉冲宽度调速系统设计控制数据控制

41、数据运转运转状态状态开关状态开关状态PA1 PA0SW1 SW2 SW3 SW410正转正转100101反转反转011011刹车刹车010100滑行滑行0000双向控制电动机工作状态真值表双向控制电动机工作状态真值表 PA0、PA1为为0时，时，SW1、SW3才有可能导通才有可能导通 SWx状态：状态：PA0、1为为1时导时导通，为通，为0时截止时截止 SWx用的是场效应管用的是场效应管PB0-PB7：设置脉冲宽度，：设置脉冲宽度， 即方波的占空比即方波的占空比74LS125：四总线三态缓冲器：四总线三态缓冲器三、电动机控制接口电路三、电动机控制接口电路4.3 电动机控制接口技术电动机控制接口

42、技术4.3.3脉冲宽度调速系统设计脉冲宽度调速系统设计 四、控制系统的软件设计四、控制系统的软件设计1、流程图（右图）、流程图（右图）2、8086汇编程序汇编程序 4.3 电动机控制接口技术电动机控制接口技术4.3.4闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统 为了提高电动机脉冲宽度为了提高电动机脉冲宽度调速系统的精度，通常采用调速系统的精度，通常采用闭环脉冲宽度调速系统。闭环脉冲宽度调速系统。 闭环系统是在开环系统的闭环系统是在开环系统的基础上增加了电动机的速度基础上增加了电动机的速度检测回路检测回路，意在将检测到的，意在将检测到的速度与给定值比较，并由数速度与给定值比较，并由数字调节器（字调

43、节器（PID）进行调节。）进行调节。其原理框图如左图所示。其原理框图如左图所示。4.3 电动机控制接口技术电动机控制接口技术4.3.4闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统 一、测速发电机一、测速发电机 1、测速发电机的工作原理、测速发电机的工作原理 测速发电机是一种将转子转速转换成电信号的装置。根据结测速发电机是一种将转子转速转换成电信号的装置。根据结构及工作原理的不同，分为直流和交流测速发电机。构及工作原理的不同，分为直流和交流测速发电机。 测速发电机的工作原理测速发电机的工作原理：用被控制的电动机，带动测速发电机：用被控制的电动机，带动测速发电机的转子在定子所形成的磁场中旋转，转子绕组

44、切割磁力线，便产的转子在定子所形成的磁场中旋转，转子绕组切割磁力线，便产生了感应电动势，即有电压。转速越高，电压越高。电压便与电生了感应电动势，即有电压。转速越高，电压越高。电压便与电动机的转速成正比，由此得到电动机的转速信息。动机的转速成正比，由此得到电动机的转速信息。 测速发电机的特点是分辨率较高，价格较低测速发电机的特点是分辨率较高，价格较低。4.3 电动机控制接口技术电动机控制接口技术4.3.4闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统 2、直流闭环脉冲宽度调速系统原理图、直流闭环脉冲宽度调速系统原理图4.3 电动机控制接口技术电动机控制接口技术4.3.4闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度

45、调速系统 二、数字式转速传感器二、数字式转速传感器 数字式转速传感器，是把旋转轴的转速直接转换成数字量的一数字式转速传感器，是把旋转轴的转速直接转换成数字量的一种装置。计算机控制系统最常用的是码盘式转速传感器。种装置。计算机控制系统最常用的是码盘式转速传感器。 下图为增量式和绝对式码盘。下图为增量式和绝对式码盘。4.3 电动机控制接口技术电动机控制接口技术4.3.4闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统 1、增量式码盘的工作原理、增量式码盘的工作原理 增量式码盘的脉冲输入到计算机的计数器，其转速公式为：增量式码盘的脉冲输入到计算机的计数器，其转速公式为： nm=60*Nc/n/t1（转（转/

46、分）分）式中：式中：nm -转速，单位为转速，单位为r/min Nc -在在t1时间内测得的脉冲数时间内测得的脉冲数 n-码盘上一周的缝隙数码盘上一周的缝隙数 t1 -测速时间，单位为秒测速时间，单位为秒Nc/n：为在为在t1时间内码盘转的总圈数时间内码盘转的总圈数4.3 电动机控制接口技术电动机控制接口技术4.3.4闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统 2、绝对式码盘的工作原理、绝对式码盘的工作原理 有数字的方格示透光，无数字的方格示不透光，透光的地方经光有数字的方格示透光，无数字的方格示不透光，透光的地方经光敏元件输出敏元件输出1，不透光的地方经光敏元件输出，不透光的地方经光敏元件输出

47、0。 每一个位圈需要一个光敏元件，每一个位圈需要一个光敏元件，8个位圈需要个位圈需要8个光敏元件，可以个光敏元件，可以计数计数256。 8位光敏元件输出的数据，可以直接接到计算机的数字量输入端位光敏元件输出的数据，可以直接接到计算机的数字量输入端口。每隔一段时间读一次数据，口。每隔一段时间读一次数据，两次的数据差除以码盘上的缝隙数，两次的数据差除以码盘上的缝隙数，即为转的圈数。转速即为转的圈数。转速=两次的数据差两次的数据差/码盘上外圈的缝隙数码盘上外圈的缝隙数/时间时间11111111118888888812345678910111213141516171819202222222222444

48、4444441616161616转速仍然可转速仍然可以用前面的以用前面的公式，公式， Nc理理解为数据差解为数据差D0位圈位圈D1位圈位圈D2位圈位圈D3位圈位圈D4位圈位圈最外圈最外圈有数字的格为透光有数字的格为透光总格数总格数4.3 电动机控制接口技术电动机控制接口技术4.3.5交流电动机控制接口技术交流电动机控制接口技术 1、交流电动机的调速正在研究发展中、交流电动机的调速正在研究发展中 交流电动机的调速比较复杂，是一个非常活跃的领交流电动机的调速比较复杂，是一个非常活跃的领域，有待进一步研究和开发。此处作简单介绍。域，有待进一步研究和开发。此处作简单介绍。 2、交流电动机调速的的特点、

49、交流电动机调速的的特点 1）电流作正反两个方向流动；）电流作正反两个方向流动；2）电压较高（）电压较高（220V-380V）需要加光电隔离，常用交流固态继电器。）需要加光电隔离，常用交流固态继电器。 3、采用固态继电器与交流伺服电机的接口电路、采用固态继电器与交流伺服电机的接口电路4.3 电动机控制接口技术电动机控制接口技术4.3.5交流电动机控制接口技术交流电动机控制接口技术 3、采用固态继电器与交流伺服电机的接口电路、采用固态继电器与交流伺服电机的接口电路 PC0=1，PC1=0，A相相导通，电动机导通，电动机正转正转。 PC0=0，PC1=1，B相相导通，电动机导通，电动机反转反转。 P

50、C0=0，PC1=0，A相相与与B相均关闭，电动机相均关闭，电动机不不运转。运转。 R4与电容与电容C的作用的作用是是消除伺服电机关断时的消除伺服电机关断时的浪涌电压。浪涌电压。 光敏电阻光敏电阻R2和电阻和电阻R3的作用的作用是组成过零检测是组成过零检测电路，产生双向触发脉电路，产生双向触发脉冲。冲。4.4步进电机控制接口技术步进电机控制接口技术 步进电机运转精度高步进电机运转精度高 旋转单位是旋转单位是“步步”，一步的最小转角可，一步的最小转角可以小到以小到0.36度（最大转角达到度（最大转角达到90度）。步进电机若前进一定的步度）。步进电机若前进一定的步数，然后再后退相同的步数，则可精确

51、的回到原来的位置。数，然后再后退相同的步数，则可精确的回到原来的位置。 步进电机启、停速度快步进电机启、停速度快 能够在能够在“一刹那一刹那”间使步进电机启动间使步进电机启动或停止，在快速启停时不会失掉一步。一般转速为或停止，在快速启停时不会失掉一步。一般转速为200-1000步步/秒。秒。 步进电机在定位场所得到了广泛的应用步进电机在定位场所得到了广泛的应用 如：在绘图仪、打印如：在绘图仪、打印机、扫描仪、复印机等设备及光学仪器中应用。其定位不需要位机、扫描仪、复印机等设备及光学仪器中应用。其定位不需要位移传感器测定位置。移传感器测定位置。 概述概述-步进电机的特点及应用步进电机的特点及应用

52、 本节内容本节内容1、步进电机工作原理、步进电机工作原理2、步进电机控制系统原理、步进电机控制系统原理3、步进电机与微机的接口及程序设计、步进电机与微机的接口及程序设计4、步进电机步数及速度的计算方法、步进电机步数及速度的计算方法5、步进电机的变速控制、步进电机的变速控制4.4步进电机控制接口技术步进电机控制接口技术4.4.1步进电机的工作原理步进电机的工作原理 步进电机实际上是一个步进电机实际上是一个数字数字/ /角度转换器角度转换器。其结构如下图所示。其结构如下图所示（是一个三相步进电机）。（是一个三相步进电机）。 1、结构、结构 1）定子）定子 是磁极，相对着的是是磁极，相对着的是 一对

53、（一对（三相步进电机有三三相步进电机有三 对磁极对磁极），每个磁极外形），每个磁极外形 是均匀的是均匀的5个矩形小齿。个矩形小齿。 2）转子）转子 转子上无线圈，外形是转子上无线圈，外形是 分布均匀的分布均匀的40个矩形小齿个矩形小齿， 相邻两齿的相邻两齿的夹角为夹角为9度度。4.4步进电机控制接口技术步进电机控制接口技术4.4.1步进电机的工作原理步进电机的工作原理 2、工作原理、工作原理 定子各相（定子各相（AA、BB、CC）相差）相差120度依次单独通电，则定子度依次单独通电，则定子所产生的磁场按所产生的磁场按AA、BB、CC、AA、BB、顺序旋转。顺序旋转。 转子旋转原理转子旋转原理

54、AA上通电时上通电时 为了构成闭合的磁力线、为了构成闭合的磁力线、并且使磁阻最小，转子上的齿要与定子并且使磁阻最小，转子上的齿要与定子AA上的齿对齐。设转子与定子上的齿对齐。设转子与定子A相中间相中间的齿相对的齿记为的齿相对的齿记为0号齿号齿。 BB上通电时上通电时 为了构成闭合的磁力线、为了构成闭合的磁力线、并且使磁阻最小，转子上的齿也要与定子并且使磁阻最小，转子上的齿也要与定子BB上的齿对齐。上的齿对齐。 转子上与定子转子上与定子B相中间应该对齐的齿号相中间应该对齐的齿号为为120/9=13.33，不是整数，即转子与，不是整数，即转子与定子上的齿未对齐，则磁阻大，为减小磁定子上的齿未对齐，

55、则磁阻大，为减小磁阻，转子要旋转。第阻，转子要旋转。第13、14号齿距离号齿距离B相相中间的角度分别为中间的角度分别为3和和6，因此，因此13号齿号齿顺时针旋转顺时针旋转3与定子齿对齐。与定子齿对齐。 CC相通电相通电 同样的道理，转子仍然顺时针旋转同样的道理，转子仍然顺时针旋转3。 定子按定子按AB C A B 通电时，则转子按顺时针方通电时，则转子按顺时针方向旋转。向旋转。 步距角步距角 每步的转角为每步的转角为3，即步距角为即步距角为3。 通电一周的旋转角度通电一周的旋转角度 按照按照AB C A顺序顺序通电一周，则转子旋转通电一周，则转子旋转9。 反转方法反转方法 若通电顺序反过来若通

56、电顺序反过来， 按按CB A C通电，通电，则转子旋转方向相则转子旋转方向相反。反。 3、步距角、步距角Qs计算公式计算公式 Qs=360/(N*Zr)式中：式中： Zr为转子齿数；为转子齿数； N=Mc*C为通电一周的拍数，叫为通电一周的拍数，叫运行拍数运行拍数。 其中其中Mc为绕组相数；为绕组相数；C为状态数，采用（单、双）三拍时为状态数，采用（单、双）三拍时C=1，采用（单、双）六拍时采用（单、双）六拍时C=2。 如三相三拍，步距角为如三相三拍，步距角为3；三相六拍，步距角为；三相六拍，步距角为1.5。括号内为每转括号内为每转一圈的步数一圈的步数4.4步进电机控制接口技术步进电机控制接口

57、技术4.4.1步进电机的工作原理步进电机的工作原理 典型的步进电机控制系统如下图所示，主要有三部典型的步进电机控制系统如下图所示，主要有三部分组成。分组成。 步进控制器步进控制器由缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑、由缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑、正反控制门等组成。正反控制门等组成。 步进控制器线路复杂、成本高。步进控制器线路复杂、成本高。 计算机控制系统计算机控制系统 用软件编程代替了步进控制器，用软件编程代替了步进控制器，可靠、成本低、控制方便，应用广泛。可靠、成本低、控制方便，应用广泛。4.4步进电机控制接口技术步进电机控制接口技术4.4.2步进电机控制系统原理步进电机控制系统原理 典

58、型的典型的微机控制步进电机原理微机控制步进电机原理系统如下图所示系统如下图所示 计算机控制步进电机需要解决的问题：计算机控制步进电机需要解决的问题： 1）脉冲序列的产生）脉冲序列的产生 2）方向控制）方向控制 3）程序设计）程序设计4.4步进电机控制接口技术步进电机控制接口技术4.4.2步进电机控制系统原理步进电机控制系统原理 1、脉冲序列的生成、脉冲序列的生成 脉冲序列如右图所示脉冲序列如右图所示 1）脉冲周期的实现）脉冲周期的实现 脉冲周期脉冲周期=通电时间通电时间+断电时间。断电时间。 通电时通电时，计算机输出高电平使开，计算机输出高电平使开 关闭合；关闭合；断电时断电时，计算机输出低电

59、平使开关断开。，计算机输出低电平使开关断开。 通电和断电时间的控制通电和断电时间的控制，可以用定时器，也可以用软件延时。，可以用定时器，也可以用软件延时。 周期决定了步进电机的转速；占空比决定了功率周期决定了步进电机的转速；占空比决定了功率。 2）脉冲高度）脉冲高度 脉冲高度决定于元器件，对脉冲高度决定于元器件，对TTL电平为电平为0-5V，对，对CMOS电平一电平一般为般为0-10V。常用的接口电路多为常用的接口电路多为0-5V。4.4步进电机控制接口技术步进电机控制接口技术4.4.2步进电机控制系统原理步进电机控制系统原理 2、方向控制、方向控制 常用的步进电机有三相、四相、五相、六相。常

60、用的步进电机有三相、四相、五相、六相。 旋转方向与内部绕组的旋转方向与内部绕组的通电顺序通电顺序有关。以三相步进电机为例有关。以三相步进电机为例 三相步进电机有三种工作方式三相步进电机有三种工作方式： 1）单三拍）单三拍，通电顺序为，通电顺序为 ABC 2）双三拍）双三拍，通电顺序为，通电顺序为 ABBCCA 3）单双交替六拍）单双交替六拍，通电顺序为，通电顺序为 AABBBCCCA 若按上述通电顺序为正转，则反向通电步进电机反转若按上述通电顺序为正转，则反向通电步进电机反转。 关于四相、五相、六相步进电机的通电方式与此相似，从略。关于四相、五相、六相步进电机的通电方式与此相似，从略。4.4步