计算机控制(第五章,开关IO,电机控制、步进电机)

1、一、开关量输入一、开关量输入/输出接口技术输出接口技术控制分为模拟量控制和开关量控制。计算机与外界交换信息是以二进制数的方式进行，在计算机控制系统中，二进制数的每一位可代表被控对象的一种状态，或作为外设的一种状态控制，如继电器的通断，电动机的启停，阀门的开关，指示灯的亮灭等。开关量控制电路中需要考虑抗干扰问题和功率驱动问题。（一）多路开关量信号输入接口技术（一）多路开关量信号输入接口技术检测的开关量信号路数较多时可用可编程芯片，如一片8255最多可输入24路开关信号。教材图217中用3片8255扩充64路输入接口。当输入开关量路数不很多时，可采用普通逻辑器进行输入接口的扩充。教材图218用3片

2、74LS244扩充24路输入接口。（二）光电隔离技术（二）光电隔离技术光电隔离器（光电耦合器）种类繁多，有发光二极管光电隔离器（光电耦合器）种类繁多，有发光二极管/光光敏三极管（光敏复合晶体管、光敏电阻、光触发可控硅等），常敏三极管（光敏复合晶体管、光敏电阻、光触发可控硅等），常用型号有用型号有4N25，TIL113，MOC3041等。等。 “电电光光电电”的联系方式。的联系方式。 下图为发光二极管下图为发光二极管/光敏三极管示意图。光敏三极管示意图。（三）电磁继电器输出接口技术（三）电磁继电器输出接口技术为触点式继电器，由线圈控制机械触点。线圈可由直流为触点式继电器，由线圈控制机械触点。线圈

3、可由直流低压控制，而触点输出部分可直接与高压相连。图中继电器为低压控制，而触点输出部分可直接与高压相连。图中继电器为常开型，其前面接有光电耦合器，二极管常开型，其前面接有光电耦合器，二极管D为续流二极管。为续流二极管。（四）固态继电器（四）固态继电器（SSR）输出接口技术）输出接口技术SSR用晶体管或可控硅代替常规继电器的触点，成为用晶体管或可控硅代替常规继电器的触点，成为无无触点开关触点开关，在前级中与光电耦合器融为一体。，在前级中与光电耦合器融为一体。1、直流型、直流型直流型直流型SSR用晶体管作无触点开关。主要用于带直流负用晶体管作无触点开关。主要用于带直流负载的场合，如直流电机控制，直

4、流步进电机控制和电磁阀等。载的场合，如直流电机控制，直流步进电机控制和电磁阀等。下图为三相直流步进电机控制，下图为三相直流步进电机控制，A、B、C三相均由直流三相均由直流型型SSR控制，分别接至控制，分别接至8031的的P1.0， P1.1， P1.2端。端。2、交流型、交流型交流型交流型SSR用双向可控硅作为无触点开关器件，用于交流用双向可控硅作为无触点开关器件，用于交流大功率驱动场合，如交流电机、交流电磁阀等。大功率驱动场合，如交流电机、交流电磁阀等。交流交流SSR又分为非过零型和过零型两类。又分为非过零型和过零型两类。下图为一交流过零型下图为一交流过零型SSR原理图。原理图。下图为一交流

5、下图为一交流SSR控制单向交流控制电机的实例。控制单向交流控制电机的实例。P1.0输出低电平时，输出低电平时，SSR 1#导通，导通， SSR 2#截止。截止。（五）大功率场效应管开关接口电路（五）大功率场效应管开关接口电路大功率场效应管表示符号如下图所示，大功率场效应管表示符号如下图所示，G为控制栅极，为控制栅极，D为为漏极，漏极，S为源极。对于为源极。对于NPN型场效应管来说，型场效应管来说，G为高电平时，为高电平时，D、S导通。在使用中场效应管前要加接光电隔离器。导通。在使用中场效应管前要加接光电隔离器。下图为步进电机的控制电路。下图为步进电机的控制电路。S（六）可控硅接口电路（六）可控

6、硅接口电路可控硅（可控硅（SCR）又叫作晶闸管，它在交直流电机调速系统、）又叫作晶闸管，它在交直流电机调速系统、调功系统，以及随动系统中都得到广泛应用。调功系统，以及随动系统中都得到广泛应用。1、单向可控硅、单向可控硅单向可控硅具有单向导通作用，其符号见下图，单向可控硅具有单向导通作用，其符号见下图，A为阳极，为阳极，K为阴极，为阴极，G为控制极。其工作特性与大功率场效应管有所不同，为控制极。其工作特性与大功率场效应管有所不同，其输出特性见下图所示。其输出特性见下图所示。2、双向可控硅、双向可控硅双向可控硅也叫三端双向可控硅，简称为双向可控硅也叫三端双向可控硅，简称为TRIAC，在结构上，在结

7、构上象是两个单向可控硅的反向连接，具有双向导通作用。对控制极象是两个单向可控硅的反向连接，具有双向导通作用。对控制极G加正（负）脉冲可使其正（反）向导通。加正（负）脉冲可使其正（反）向导通。为提高效率，要求触发脉冲与交流电压同步，常采用检测交为提高效率，要求触发脉冲与交流电压同步，常采用检测交流电过零点来实现。流电过零点来实现。（七）电磁阀接口技术（七）电磁阀接口技术电磁阀对气体、液体管道的开关进行控制。广泛应用于液电磁阀对气体、液体管道的开关进行控制。广泛应用于液压机械、空调系统、热水器、自动机床等系统中。压机械、空调系统、热水器、自动机床等系统中。电磁阀可分为交流和直流两类，根据其阀位和通

8、道数目有电磁阀可分为交流和直流两类，根据其阀位和通道数目有两位三通、两位四通、三位四通等。两位三通、两位四通、三位四通等。下图为电磁阀的结构原理图。下图为电磁阀的结构原理图。交流电电磁阀常要使用双向可控硅驱动或用一个直流继交流电电磁阀常要使用双向可控硅驱动或用一个直流继电器作为中间继电器控制。电器作为中间继电器控制。下图为交流电磁阀的接口电路。下图为交流电磁阀的接口电路。MOC3041为光电耦合为光电耦合器，用于触发双向晶闸管器，用于触发双向晶闸管KS，以及隔离单片机和电磁阀系统。，以及隔离单片机和电磁阀系统。（八）报警程序的设计（八）报警程序的设计常用的报警方式有：常用的报警方式有：1、 声

9、语言报警：电铃，电笛，频率可调的蜂鸣震声语言报警：电铃，电笛，频率可调的蜂鸣震荡音响，集成电子音乐芯片，语音芯片等。荡音响，集成电子音乐芯片，语音芯片等。2、 显示报警：显示报警：LED指示灯，闪烁的白炽电灯，指示灯，闪烁的白炽电灯，LED、LCD数码管，数码管，LED、LCD图形显示器，图形显示器，CRT显示器等。显示器等。3、 图形、声音的混合报警。图形、声音的混合报警。根据开关量状态进行报警时，可用硬件申请，软件根据开关量状态进行报警时，可用硬件申请，软件处理报警，程序设计简单。处理报警，程序设计简单。报警要求不是由软件程序不断报警要求不是由软件程序不断地比较产生，而是直接由传感器中进行

10、被测参数和给定值地比较产生，而是直接由传感器中进行被测参数和给定值比较，产生开关量信号，比较，产生开关量信号，如行程开关（限位开关）、电接如行程开关（限位开关）、电接点式压力报警装置等，再通过中断的方式对系统参数进行点式压力报警装置等，再通过中断的方式对系统参数进行检测处理。检测处理。下图中，下图中，SL1和和SL2分别为液位上、下限报警接点，分别为液位上、下限报警接点，SP为蒸汽压力下限报警接点，为蒸汽压力下限报警接点， ST为炉膛温度上限报警接为炉膛温度上限报警接点。输入对应位高电平表示正常，为低电平时表示越限。点。输入对应位高电平表示正常，为低电平时表示越限。程序清单：程序清单：ORG

11、0000HAJMP MAIN ；上电自动转向主程序；上电自动转向主程序ORG 0003H ；外部中断方式；外部中断方式0入口地址入口地址AJMP ALARMORG 0200HMAIN：SETB IT0 ；选择边沿触发方式；选择边沿触发方式SETB EX0 ；允许外部中断；允许外部中断0SETB EA ；CPU允许中断允许中断HERE： SJMP HERE ； 模拟主程序模拟主程序ORG 0210HALARM： MOV A，#0FFH ：设：设P1口为输入口口为输入口MOV P1， AMOV A，P1 ；取报警状态；取报警状态SWAP A ；ACC.7ACC.4ACC.3ACC.0MOV P1，

12、A ；输出报警信号；输出报警信号RETI三、电机控制接口技术三、电机控制接口技术电动机的应用非常广泛。电机分为动力电机和控制电机。电动机的应用非常广泛。电机分为动力电机和控制电机。现代化生产对电机的性能要求越来越高：精度、速度、带现代化生产对电机的性能要求越来越高：精度、速度、带负载能力、灵活性、智能化等。负载能力、灵活性、智能化等。电机的控制用自动化控制设备，朝向集成化、微型化、智电机的控制用自动化控制设备，朝向集成化、微型化、智能化方向发展。微机和单片机使电机控制产生革命性的飞跃。目能化方向发展。微机和单片机使电机控制产生革命性的飞跃。目前已研制出了许多微机或单片机控制电机的系统及专用控制

13、板。前已研制出了许多微机或单片机控制电机的系统及专用控制板。不远的将来，智能化调速系统、电机一体化等会广泛应用。不远的将来，智能化调速系统、电机一体化等会广泛应用。（一）小功率直流电机调速原理（一）小功率直流电机调速原理小功率直流电机的调速可通过控制电枢平均电压来实现。小功率直流电机的调速可通过控制电枢平均电压来实现。用微机或单片机控制，通过改变电枢电压接通时间与通电周期的用微机或单片机控制，通过改变电枢电压接通时间与通电周期的比值（即占空比）来控制电机速度比值（即占空比）来控制电机速度此即脉冲宽度调制此即脉冲宽度调制PWM。电机转速由电枢电压电机转速由电枢电压Ua决定，决定， Ua越大，电机

14、转速越高。越大，电机转速越高。电机通电时速度增加，断电时速度逐渐减小，控制通、断时间比电机通电时速度增加，断电时速度逐渐减小，控制通、断时间比即可控制电机转速。即可控制电机转速。设电机全通电时的转速为设电机全通电时的转速为Vmax，占空比为，占空比为D=t1/T,则电机的则电机的平均速度为：平均速度为：Vd=VmaxD （近似的线性关系）（近似的线性关系）（二）开环脉冲宽度调速系统（二）开环脉冲宽度调速系统开环脉冲宽度调速系统的原理，由五部分组成开环脉冲宽度调速系统的原理，由五部分组成（各部分（各部分的说明）。的说明）。 电机控制接口。下图为采用固态继电器的直流电机接口电机控制接口。下图为采用

15、固态继电器的直流电机接口连接方法。连接方法。（三）（三）PWM调速系统设计调速系统设计用微机或单片机实现用微机或单片机实现PWM很容易，只需改变电机定子绕很容易，只需改变电机定子绕组电压的通断电时间即可达到调节电机转速的目的。组电压的通断电时间即可达到调节电机转速的目的。由平均速度，及电机全通电时的最大速度由平均速度，及电机全通电时的最大速度Vmax求出占空比求出占空比D，由，由D值进一步求脉冲宽度（亦即通电时间）。值进一步求脉冲宽度（亦即通电时间）。电机控制程序的设计有两种方法：软件延时；计数法。电机控制程序的设计有两种方法：软件延时；计数法。带方向控制的带方向控制的PWM调速系统的原理图如

16、下所示。调速系统的原理图如下所示。实例：一个完整的双向直流电机控制接口电路如下图所示。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：型如下表所示：电机正转时，控制模型为电机正转时，控制模型为02H（PA1=1，PA0=0）；）；电机反转时，控制模型为电机反转时，控制模型为01H；电机刹车时，控制模型为电机刹车时，控制模型为03H；电机滑行时，控制模型为电机滑行时，控制模型为00H。PB口和口和PC口为输入方式：口为输入方式：PB口输入口输入8个开关提供的脉冲宽度给定值个开

17、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，口线的单刀双掷开关提供启停控制，PC1=0为启动，为启动，PC1=1为停止；为停止； PC0口线的单刀双掷开关提供正反转向控制，口线的单刀双掷开关提供正反转向控制，PC0=0时正时正转，转，PC0=1为反转。为反转。 控制系统软件设计：控制系统软件设计：8155初始化；读入给定值初始化；读入给定值N、方向控、方向控 制标志和启停控制标志。制标志和启停控制标志。 流程图如下：流程图如下：ORG 8000H START：MOV DPTR，#0FD00H ；8155控制口控制口MOV A，#01HMOVX DPTR，A ；设置；设置A口

18、输出，口输出，B、C口输入口输入 LOOP： MOV DPTR，#0FD02H ；8155 B口口MOVX A，DPTRMOV 20H，A ；（；（20H）=NCPL AINC A MOV 21H，A ；（；（21H）=n-N，n=256MOV DPTR，#0FD03H ；8155 C口口MOVX A，DPTRJB ACC.1，STOPJB ACC.0，INVERTMOV A，#02H ；正转；正转OUTPUT：MOV DPTR，#0FD01H ；8155 A口口MOVX DPTR，A程序清单：程序清单：MOV 22H，20H ；延时；延时t1DELAY1：ACALL DELAY0DJNZ 2

19、2H，DELAY1MOV A，#00H ；滑行；滑行MOVX DPTR，A MOV 23H，21H ；延时；延时t2DELAY2：ACALL DELAY0DJNZ 23H，DELAY2AJMP LOOPSTOP：MOV A，#03H ；刹车；刹车MOV DPTR，#0FD01HMOVX DPTR，AAJMP LOOPINVERT：MOV A，#01H ；反转；反转AJMP OUTPUTDELAY0： ；软件延时的单位时间；软件延时的单位时间（四）闭环脉冲宽度调速系统（四）闭环脉冲宽度调速系统闭环系统能提高电机闭环系统能提高电机PWM的调速系统的精度。它需的调速系统的精度。它需要在开环系统的基础

20、上增加电机速度检测回路，把检测到的要在开环系统的基础上增加电机速度检测回路，把检测到的速度值与给定值进行比较，再由数字调节器，如速度值与给定值进行比较，再由数字调节器，如PID调节器调节器或直接数字控制器进行调节。或直接数字控制器进行调节。如下图所示为电机速度微机闭环控制系统的组成结构。如下图所示为电机速度微机闭环控制系统的组成结构。电机速度的测量有：测速发电机，光电码盘等。电机速度的测量有：测速发电机，光电码盘等。（五）交流电机控制接口技术（五）交流电机控制接口技术微机与交流电机的接口技术注意：微机与交流电机的接口技术注意：1、交流电有正、反两个、交流电有正、反两个方向，要保证接口电路使电流

21、正负两个周期都能通过；方向，要保证接口电路使电流正负两个周期都能通过；2、需加隔、需加隔离器。下图为采用固态继电器的交流伺服电机控制电路。离器。下图为采用固态继电器的交流伺服电机控制电路。PC0，PC1控制电机的正反转和启停。控制电机的正反转和启停。四、步进电机控制接口技术四、步进电机控制接口技术（一）步进电机的工作原理（一）步进电机的工作原理工作原理以三相步进电机为例，见下图：工作原理以三相步进电机为例，见下图：步进电机的步距角为：步进电机的步距角为： Qs=360O/(kMZ)步进电机的特点：步进电机的特点： 能直接接收数字量，控制方便；能直接接收数字量，控制方便；快速启停能力，停止时有自

22、锁能力；快速启停能力，停止时有自锁能力；无步距误差的积累，精度高；无步距误差的积累，精度高；但带惯性负载能力较差；等等。但带惯性负载能力较差；等等。 定子上有三组绕组线圈，定子上有三组绕组线圈，转子一周上有转子一周上有40个矩形小齿。个矩形小齿。（二）步进电机控制系统的原理（二）步进电机控制系统的原理典型的步进电机控制系统如下图所示典型的步进电机控制系统如下图所示步进控制器的主要功能是实现脉冲的环行分配，可用各种步进控制器的主要功能是实现脉冲的环行分配，可用各种逻辑电路来实现逻辑电路来实现用计算机控制，以软件程序代替步进控制器的复杂硬件用计算机控制，以软件程序代替步进控制器的复杂硬件电路，可大

23、大提高经济性、可靠性、控制灵活性。控制正反转、电路，可大大提高经济性、可靠性、控制灵活性。控制正反转、步进速度、步进数很方便。步进电机的单片机控制系统如下图步进速度、步进数很方便。步进电机的单片机控制系统如下图所示：所示：步进电机控制原理：脉冲序列的生成；转动方向的控制；步进电机控制原理：脉冲序列的生成；转动方向的控制；速度控制；步数控制。速度控制；步数控制。以三相步进电机控制为例，设以三相步进电机控制为例，设A、B、C三相绕组分别与三相绕组分别与P1.0、P1.1、P1.2相连接。工作方式有：相连接。工作方式有：三相单三拍：三相单三拍：ABCABC三相双三拍：三相双三拍：ABBCCAABBCCA三相六拍：三相六拍：AABBBCCCA对应的控制模型分别为：对应的控制模型分别为：01H02H04H 03H06H05H 01H03H02H06H04H05H （三）步进电机与微机的接口与程序设计（三）步进电机与微机的接口与程序设计单片机与步进电机的接口电路用锁存器、可编程接口芯片单片机与步进电机的接口电路用锁存器、可编程接口芯片等。还需加接光电隔离器。驱动器可用大功率复合管或专用驱动等。还需加接光电隔离器。驱动器可用大功率复合管或专用驱动器。下图中用达林顿管驱动，某位为器。下图中用达林顿管驱动，某位为0时对应绕组通电。时对应绕组通电。下图加接光电隔离器，某位为下图加接光