第04章常用控制程序的设计

1、计算机控制系统计算机控制系统自动化教研室自动化教研室自动化专业主干课程自动化专业主干课程华北科技学院华北科技学院电子信息工程学院电子信息工程学院第第4 4章常用控制程序的设计章常用控制程序的设计n4.1 报警程序的设计n4.2 开关量输出接口技术 n4.3 电机控制接口技术n4.4 步进电机控制接口技术4.1 报警程序设计报警程序设计 在微型机控制系统中，为了安全， 对于一些重要的参数或系统部位， 都设有紧急状态报警系统， 以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。4.1.1 常用报警方式常用报警方式在控制系统中通常可采用 声音 如电铃、电笛发出，蜂鸣器， 集成电子音乐芯片， 光 发光二极管或闪烁

2、的白炽灯等 语音报警，语音芯片 图形与声音混合报警， 显示报警画面（如报警发生的顺序、报警发生 的时间、报警回路编号、报警内容及次数）。4.1.1常用报警方式常用报警方式1发光二极管及白炽灯驱动电路（1）报警方法不同采用的驱动电路方式也不同。 发光二极管的驱动电流一般在 2030mA， 不能直接由 TTL 电平驱动，常采用 OC 门驱动器。 如 74LS06/07 等。 白炽灯报警时，应该使用交流固态继电器进行控制。（2）为了能保持报警状态，常采用带有锁存器的I/O接口芯片， （ Intel 8155、8255A ） 也可选用一般的锁存器， （ 74LS273，74LS373，或 74LS37

3、7等）等）4.1.1常用报警方式常用报警方式图图4-1 LED4-1 LED报警接口电路报警接口电路4.1.1常用报警方式常用报警方式 2. 声音报警驱动电路 常采用模拟声音集成电路芯片， 如 KD-956X 系列， 采用CMOS工艺，软封装的报警IC芯片。KD-956X系列IC芯片具有以下共同特性：（1）工作电压范围宽；（2）静态电流低；（3）外接振荡电阻可调节模拟声音的放音节奏；（4）外接一只小功率三极管，便可驱动扬声器。 其功能如表4.1（P97） 所示。4.1.1常用报警方式常用报警方式VSS 空 消防车声VSS VSS 救护车声VSS VDD警备声VDD 空 机器声SEL2 SEL1

4、 选声端电平模拟声表表4.1 KD956X 4.1 KD956X 系列报警芯片功能表系列报警芯片功能表4.1.1常用报警方式常用报警方式nKD-9561 芯片内设： 振荡器、节拍器、音色发生器、 地址计数器、控制和输出级等部分。n根据内部程序，设有两个选声端 SELl和SEL2， 改变这两端的电平，便可发出各种不同的音响。nVDD提供电源正端电压，VSS指电源负端电压（地）。nKD-9561能发出4种不同的声音，且体积小，价格低廉，音响逼真，控制简便，所以，广泛应用于报警装置及电动玩具。 外形及报警器电路图，如图4.2所示。4.1.1常用报警方式常用报警方式图图4.2 KD-95614.2 K

5、D-9561的外形和报警电路图的外形和报警电路图4.1.2 简单报警程序的设计简单报警程序的设计（1）软件报警程序 这种方法的基本作法是把被测参数如温度、压力、这种方法的基本作法是把被测参数如温度、压力、流量、速度、成分等参数，经传感器，变送器、模数流量、速度、成分等参数，经传感器，变送器、模数转换器，送到微型机后，再与规定的上、下限值进行比转换器，送到微型机后，再与规定的上、下限值进行比较，根据比较的结果进行报警或处理，整个过程都由软较，根据比较的结果进行报警或处理，整个过程都由软件实现。这种报警程序又可分简单上、下限报警程序，件实现。这种报警程序又可分简单上、下限报警程序，以及上、下限报警

6、处理程序。以及上、下限报警处理程序。4.1.2 简单报警程序的设计简单报警程序的设计1. 软件报警程序设计 锅炉水位自动调节系统，如图4.3所示。 汽包水位是锅炉正常工作的重要指标。 液面太高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液液面太高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带液现象。水位过低，则由于汽包的水量较少，负荷又现象。水位过低，则由于汽包的水量较少，负荷又很大，水的汽化会很快。如果不及时调节液面，就很大，水的汽化会很快。如果不及时调节液面，就会使汽包内液体全部汽化，可能导致锅炉烧坏以至会使汽包内液体全部汽化，可能导致锅炉烧坏以至发生严重的爆炸事故。所以，锅炉液面是一个非常发生严重的爆炸事故。所以

7、，锅炉液面是一个非常重要的参数，一般采用双冲量或如图所示的三冲量重要的参数，一般采用双冲量或如图所示的三冲量自动调节系统。自动调节系统。4.1.2 简单报警程序的设计简单报警程序的设计图图4343锅炉三冲量调节系统锅炉三冲量调节系统4.1.2 简单报警程序的设计简单报警程序的设计 系统设计有 3 个报警参数： 水位上、下限， 炉膛温度上、下限， 蒸汽压力下限。 如图4.4中所示： 要求当各参数全部正常时，绿灯亮。 若某一个参数不正常，将发出声光报警信号。 4.1.2 简单报警程序的设计简单报警程序的设计图图44 44 锅炉报警系统图锅炉报警系统图4.1.2 简单报警程序的设计简单报警程序的设计

8、 程序设计思想： 设置一个报警模型标志单元 ALARM， 把各参数的采样值分别与上、下限值进行比较。 若某一位需要报警，则将相应位置1，否则，清0。 所有参数判断完毕后， 看报警模型单元 ALARM 的内容是否为00H。 若为 00H，说明所有参数均正常，使绿灯发光。 不等于00H，则说明有参数越限，输出报警模型。 程序流程图，如图4.5所示。 设 3个参数的采样值： X1（水位）、X 2（炉膛温度）、 X3（蒸汽压力） 依次存放在以 SAMP 为首地址的内存单元中， 相应的允许极限值依次放在以 LIMIT为首地址的内存区域内， 报警标志位单元为 ALARM。 4.1.2 简单报警程序的设计简

9、单报警程序的设计 图图45 45 软件报警程序模块流程图软件报警程序模块流程图 ORG 8000HALARM： MOV DPTR，#SAMP ；采样值存放地址DPTR MOVX A， DPTR ；取X1 MOV ALARM，#00H ；报警模型单元清0ALARM0: CJNE A，LIMIT，AA ；X1MAX1吗ALARM1: CJNE A，LIMIT+1，BB ；X1MAX2吗ALARM3: CJNE A，LIMIT+3，DD ；X2MIN2吗ALARM4: INC DPTR ；取X3 MOVX A， DPTR CJNE A，LIMIT+4，EE ；X3MAX1 转 AOUT1 AJMPA

10、LARM1 BB： JCAOUT2；X1MAX2转AOUT3 AJMPALARM3 DD： JCAOUT4；X2MIN2转AOUT4 AJMPALARM44.1.2 简单报警程序的设计简单报警程序的设计EE：JC AOUT5；X3MIN3转AOUT5AJMPDONEAOUT1： SETB00H；置X1超上限报警标志AJMPALARM2AOUT2： SETB01H；置X1超下限报警标志AJMPALARM2AOUT3： SETB02H；置X2超上限报警标志AJMPALARM4AOUT4： SETB03H；置X2超下限报警标志AJMPALARM4AOUT5： SETB04H；置X1超下限报警标志AJ

11、MPDONE4.1.2 简单报警程序的设计简单报警程序的设计2 2硬件报警程序设计硬件报警程序设计某些根据开关量状态进行报警的系统，为了使系统简某些根据开关量状态进行报警的系统，为了使系统简化，可以不用上面介绍的软件报警方法，而是采用硬化，可以不用上面介绍的软件报警方法，而是采用硬件申请中断的方法，直接将报警模型送到报警口中。件申请中断的方法，直接将报警模型送到报警口中。这种报警方法的前提条件是被测参数与给定值的比较这种报警方法的前提条件是被测参数与给定值的比较是在传感器中进行的。例如，电结点式压力计，电结是在传感器中进行的。例如，电结点式压力计，电结点式温度计，色带指示报警仪等，都属于这种传

12、感器。点式温度计，色带指示报警仪等，都属于这种传感器。不管原理如何，它们的共同点是，当检测值超过（或不管原理如何，它们的共同点是，当检测值超过（或低于）上、下限值时，结点开关闭合，从而产生报警低于）上、下限值时，结点开关闭合，从而产生报警信号。这类报警系统电路图，如图信号。这类报警系统电路图，如图4.64.6所示。所示。4.1.2 简单报警程序的设计简单报警程序的设计图图46 46 硬件直接报警系统原理图硬件直接报警系统原理图报报警警结结点点4.1.2 简单报警程序的设计简单报警程序的设计 图4.6中， SL1 和 SL2 分别为液位上、下限报警结点， SP 表示蒸汽压力下限报警结点， ST

13、是炉膛温度上限超越结点。 只要三个参数中的一个（或几个）超限（即结点闭合）， 管脚都会由高变低，向 CPU 发出中断申请。 CPU响应后，读入报警状态 P1.3P1.0，然后从P1口的高4 位输出，完成超限报警的工作。 采用中断工作方式，既节省了CPU计算的宝贵时间，又能不 失时机地实现参数超限报警。ORG 0000HAJMP MAIN；上电自动转向主程序ORG 0003H；外部中断方式0入口地址AJMP ALARMORG 0200H MAIN：SETB IT0；选择边沿触发方式SETB EX0；允许外部中断0SETB EA；CPU允许中断 HERE：SJMP HERE；模拟主程序ORG 02

14、10H ALARM：MOV A，#0FFH ；设P1口为输入口MOV P1，AMOV A，P1；取报警状态SWAP A；MOV P1，A；输出报警信号RETI根据图根据图4.64.6可写出报警程序如下：可写出报警程序如下：4.1.3 越限报警程序的设计越限报警程序的设计图图4.7 4.7 越限报警示意图越限报警示意图4.1.3 越限报警程序的设计越限报警程序的设计在图在图4.74.7中，中，H H是上限带，是上限带，L L为下限带。规定只有为下限带。规定只有当被测量值越过当被测量值越过A A点时，才认为越过上限；测量值点时，才认为越过上限；测量值穿越穿越H H带区，下降到带区，下降到B B点以

15、下才承认复限。同样道理，点以下才承认复限。同样道理，测量值在测量值在L L带区内摆动均不做超越下限处理；只有带区内摆动均不做超越下限处理；只有它回归于它回归于D D点之上时，才做超越下限后复位处理。点之上时，才做超越下限后复位处理。这样就避免了频繁的报警和复限，以免造成操作人这样就避免了频繁的报警和复限，以免造成操作人员人为的紧张。实际上，大多数情况下，如前面锅员人为的紧张。实际上，大多数情况下，如前面锅炉水位调节系统中所述，上、下限并非只是惟一的炉水位调节系统中所述，上、下限并非只是惟一的值，而是允许一个值，而是允许一个“带带”。在带区内的值都认为是。在带区内的值都认为是正常的。带宽构成报警

16、的灵敏区。上、下限带宽的正常的。带宽构成报警的灵敏区。上、下限带宽的选择应根据具体的被测参数而定。选择应根据具体的被测参数而定。4.1.3 越限报警程序的设计越限报警程序的设计下面重新对锅炉液位报警程序进行设计。设锅下面重新对锅炉液位报警程序进行设计。设锅炉水位采样并经滤波处理后的值存放在以炉水位采样并经滤波处理后的值存放在以SAMPSAMP为起为起始地址的内存单元中（设采样值为始地址的内存单元中（设采样值为1212位数，占用两位数，占用两个内存单元）。上、下限报警及上、下限复位门限个内存单元）。上、下限报警及上、下限复位门限值分别存放在以值分别存放在以ALADEGALADEG为首地址的内存单

17、元中。报为首地址的内存单元中。报警标志单元为警标志单元为FLAGFLAG，其中，其中D D2 2位为越上限标志位，位为越上限标志位，D D3 3位为越下限标志位。其内存分配，如图位为越下限标志位。其内存分配，如图4.84.8所示。所示。图图4.8 4.8 有关内存的分配有关内存的分配R0 R0 R1 R1 4.1.3 越限报警程序的设计越限报警程序的设计越限报警程序的基本思路是将采样、数字滤波越限报警程序的基本思路是将采样、数字滤波后的数据与该被测点上、下限给定值进行比较，检后的数据与该被测点上、下限给定值进行比较，检查是否越限；或与上限复位值、下限复位值进行比查是否越限；或与上限复位值、下限

18、复位值进行比较，检查是否复位上、下限。如越限，则分别置位较，检查是否复位上、下限。如越限，则分别置位越上、下限标志，并输出相应的声、光报警模型。越上、下限标志，并输出相应的声、光报警模型。如已复位上、下限，则清除相应标志。当上述报警如已复位上、下限，则清除相应标志。当上述报警处理完之后，返回主程序。如图处理完之后，返回主程序。如图4.94.9所示的是其程所示的是其程序的流程图。序的流程图。 图图4.9 4.9 越限报警子程序的流程越限报警子程序的流程BRAN1BRAN1DONEDONEBRAN4BRAN4BRAN2BRAN2BRAN3BRAN3 ORG 8000H ACACHE: MOV R0

19、，#SAMP ；采样值首地址 R0MOV A， R0；取采样值低8位MOV R1，#20H ；取上限报警值低8位ACALL DUBSUB；检查是否越上限JNC BRAN1 ；越上限，转BRAN1MOV A，R0；取采样值低8位ACALL DUBSUB；检查是否复位上限JNC DONE ；不复位上限，返回主程序JB 42H，BRAN2 ；上限若置位，则转BRAN2MOV A，RO；取采样值低8位ACALL DUBSUB；检查下限报警值JC BRAN3；越下限，转BRAN3根据图根据图4.9 4.9 可写出越限报警子程序如下：可写出越限报警子程序如下： MOV A，R0；取采样值低8位 ACALL

20、 DUBSUB ；检查复位下限值 JC DONE；不复位下限，返回主程序 JNB 43H，DONE CLR 43HBRAN4: INC 2AH；记录调整次数DONE: RETSAMP: EQU 30HBRAN1: 42H，DONE；判上限报警是否置位 SETB 42H；置上限报警标志 MOV A，#81H；输出越上限报警信号 MOV P1，A AJMP BRAN4JBJBBRAN2: CLR 42H；清上限报警标志 AJMP BRAN4BRAN3: JB 43H，DONE ；判下限报警是否置位 若置位，则转DONE SETB 43H；置下限报警标志 MOV A, #82H；输出越下限报警信号

21、AJMP BRAN4DUBSUB: CLR C；双字节减法子程序 SUBB A，R1 INCR0 INCR1 MOVA，R0 SUBB A，R1 INCR1 DECR0 RET4.2 开关量输出接口技术开关量输出接口技术n在过程控制系统中，被测参数经采样处理计算之后，常需要进行控制。n输出设备往往需大电压（或电流）来控制，而微型机 系统输出的开关量大都为TTL/CMOS 电平，一般不能 直接驱动外部设备开启或关闭。n许多外部设备(如大功率直流电机，接触器等)在开关过 程中会产生很强的电磁干扰信号，如不加隔离可能会使 微机控制系统中造成误动作或损坏。n开关量输出控制中必须认真考虑并设法解决的两个

22、问题放大，隔离，4.2.1 光电隔离技术光电隔离技术图图410 410 光电隔离器原理图光电隔离器原理图n 光电隔离器的种类繁多:n 发光二极管/光敏三极管n 发光二极管/光敏复合晶体管n 发光二极管/光敏电阻n 发光二极管/光触发可控硅等。4.2.1 光电隔离技术光电隔离技术 图图411 411 正确的隔离正确的隔离421 光电隔离技术光电隔离技术图图412 412 不正确的隔离不正确的隔离4.2.2 继电器输出接口技术n继电器是电气控制中常用的控制器件。一般由通电线圈和触点（常开或常闭）构成。 线圈通电时，开关触点闭合（或打开）。 线圈不通电时，则开关触点断开（或闭合）。n一般线圈可以用直

23、流低电压控制（直流 9V，12V，24V 等）；触点输出部分可以直接与市电（220V）连接；n虽然继电器本身有一定的隔离作用，但在与微型计算机接口连接时通常还是采用光电隔离器进行隔离。 4.2.2 继电器输出接口技术图4.13 继电器接口电路423 固态继电器输出接口技术固态继电器输出接口技术n固态继电器（Solid State Relay）简称SSR。 带光电隔离器的无触点开关 ( 用晶体管或可控硅代替常规继电器的触点开关， 在前级把光电隔离器熔为一体)。n固态继电器有直流型和交流型固态继电器之分。 n固态继电器输入控制电流小，输出无触点， 在微机控制系统中得到了广泛的应用，大有取代电磁 继

24、电器之势。423 固态继电器输出接口技术固态继电器输出接口技术 图图414 414 直流型直流型SSRSSR原理图原理图423 固态继电器输出接口技术固态继电器输出接口技术n直流SSR主要用于带有直流负载的场合， 如直流电机控制， 直流步进电机控制， 和电磁阀等。n图图415415所示为采用直流所示为采用直流SSRSSR控制三相步进电机控制三相步进电机 原理电路图。原理电路图。 图中图中 A、B、C为步进电机的三相，为步进电机的三相，只要按着一定的通电顺序，只要按着一定的通电顺序，即可实现步进电机控制即可实现步进电机控制 图图415 415 步进电机控制原理图步进电机控制原理图423 固态继电

25、器输出接口技术固态继电器输出接口技术 2. 交流型SSR (1) 采用双相可控硅作为开关器件. 用于交流大功率驱动场合， 如交流电机控制，交流电磁阀控制等。 (2)交流型SSR又可分为过零型和移相型两类。 非过零型SSR，在输入信号时，不管负载电流相位 如何，负载端立即寻通； 过零型必须在负载电源电压接近零且输入控制信号 有效时，输入端负载电源才导通。 当输入的控制信号撤消后，不论哪一种类型，它们 都是流过双向可控硅负载电流为零时才关断。423 固态继电器输出接口技术固态继电器输出接口技术 图图416 416 交流过零型交流过零型SSRSSR原理图原理图423 固态继电器输出接口技术固态继电器

26、输出接口技术 图图4-18 4-18 用交流用交流 SSR SSR 控制交流电机原理图控制交流电机原理图1 10 01 1423 固态继电器输出接口技术固态继电器输出接口技术 在图在图418418中，当控制端中，当控制端PC0PC0输出为低电平时，经反相后，使输出为低电平时，经反相后，使上边的上边的SSRSSR导通，下的导通，下的SSRSSR截止使交流电通过截止使交流电通过A A相绕组正转；反相绕组正转；反之，如果之，如果PC0PC0输出高电平，则上边输出高电平，则上边SSRSSR的截止，下边的的截止，下边的SSRSSR导通，导通，使交流电流经使交流电流经B B相，电机反转。图中相，电机反转。

27、图中RpRp、CpCp组成浪涌电压吸收组成浪涌电压吸收回路，通常回路，通常RpRp为为100100左右，左右，CPCP为为0 01F1F。RMRM为压敏电阻，用为压敏电阻，用做过电压保护。其电压取值范围通常为电源电压有效值的做过电压保护。其电压取值范围通常为电源电压有效值的1 16 61 19 9倍，市售有专门适用于交流倍，市售有专门适用于交流220V220V或或380V380V的压敏电阻。的压敏电阻。 交流型固态继电器选用时主要注意它的额定电压和额定工作交流型固态继电器选用时主要注意它的额定电压和额定工作电流电流424 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开关的

28、特点： 输入阻抗高 关断漏电流小 响应速度快 与同功率继电器相比，体积较小，价格便宜，所以在开关量输出控制中也常做为开关元件使用。 场效应管的种类非常多，如IRF系列，电流可从几个mA几十A，耐压可从几十V几百V，因此可以适合任何场合 。424 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 图图419 419 大功率场效应管的表示符号大功率场效应管的表示符号控制栅极控制栅极 G G漏极漏极 D D源极源极 S S1 1NPN NPN 型型 图图420 420 采用大功率场效应管的步进电机控制电路原理图采用大功率场效应管的步进电机控制电路原理图大功率大功率场场效效应应管管只作只作开关开关

29、4.2.5 可控硅接口技术 可控硅（Silicon Controlled Rectifier）, 简称 SCR，大功率电器元件，也称晶闸管。 它具有体积小，效率高，寿命长等优点。n在自动控制系统中，作为大功率驱动器件，实现用小功率控件控制大功率设备。n它在交直流电机调速系统、调功系统以及随动系统中得到了广泛的应用。4.2.5 可控硅接口技术可控硅分单向可控硅和双向可控硅两种。可控硅分单向可控硅和双向可控硅两种。1. 1. 单向可控硅单向可控硅单向可控硅的表示符号，如图单向可控硅的表示符号，如图4.214.21（a a）所示。它）所示。它有有3 3个引脚，其中个引脚，其中A A为阳极，为阳极，K

30、 K为阴极，为阴极，G G为控制极。为控制极。它由它由4 4层半导体材料组成，可等效于层半导体材料组成，可等效于P1N1P2P1N1P2和和N1P2N2N1P2N2两个三极管，如图两个三极管，如图4.214.21（b b）所示。）所示。4.2.5 可控硅接口技术图图4.21 4.21 可控硅结构可控硅结构4.2.5 可控硅接口技术从图从图4.214.21（a a）所示中看出，它的符号基本上与前）所示中看出，它的符号基本上与前面介绍过的大功率场效应开关管的符号相同，但它们面介绍过的大功率场效应开关管的符号相同，但它们的工作原理却有所不同。当阳极电位高于阴极电位且的工作原理却有所不同。当阳极电位高

31、于阴极电位且控制极电流增大到一定值（触发电流）时，可控硅由控制极电流增大到一定值（触发电流）时，可控硅由截止转为导通。一旦导通后，截止转为导通。一旦导通后， IgIg即使为零，可控硅即使为零，可控硅仍保持导通状态，直到阳极电位小于或等于阴极电位仍保持导通状态，直到阳极电位小于或等于阴极电位时为止。即阳极电流小于维持电流时，可控硅才由导时为止。即阳极电流小于维持电流时，可控硅才由导通变为截止。其特性曲线如图通变为截止。其特性曲线如图4.224.22所示。所示。 单向可控硅的单向导通功能，多用于直流大电流场合。单向可控硅的单向导通功能，多用于直流大电流场合。在交流系统中常用于大功率整流回路。在交流

32、系统中常用于大功率整流回路。 4.2.5 可控硅接口技术图4.22 可控硅输出特性4.2.5 可控硅接口技术2. 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，简称双向可控硅也叫三端双向可控硅，简称TRIACTRIAC。双向可控硅在结构上相当于两个单向可。双向可控硅在结构上相当于两个单向可控硅反向连接，如图控硅反向连接，如图4.234.23所示。这种可控硅具所示。这种可控硅具有双向导通功能。其通断状态由控制极有双向导通功能。其通断状态由控制极G G决定。决定。在控制极在控制极G G上加正脉冲（或负脉冲）可使其正向上加正脉冲（或负脉冲）可使其正向（或反向）导通。这种装置的优点是控制电路

33、（或反向）导通。这种装置的优点是控制电路简单，没有反向耐压问题，因此特别适合做交简单，没有反向耐压问题，因此特别适合做交流无触点开关使用。流无触点开关使用。 4.2.5 可控硅接口技术图图4.23 4.23 双向可控硅的符号、结构及伏安特性双向可控硅的符号、结构及伏安特性4.2.5 可控硅接口技术和大功率场效应管一样，可控硅在与微型计算和大功率场效应管一样，可控硅在与微型计算机接口连接时也需加接光电隔离器，触发脉冲电压机接口连接时也需加接光电隔离器，触发脉冲电压应大于应大于4V4V；脉冲宽度应大于；脉冲宽度应大于2020 s s。在单片机控制系。在单片机控制系统中，常用单片机的某一根接口线或外

34、接统中，常用单片机的某一根接口线或外接I/OI/O接口接口的某一位产生触发脉冲。为了提高效率，要求触发的某一位产生触发脉冲。为了提高效率，要求触发脉冲与交流电压同步，通常采用检测交流电过零点脉冲与交流电压同步，通常采用检测交流电过零点来实现。图来实现。图4.244.24所示为某电炉温度控制系统可控硅所示为某电炉温度控制系统可控硅控制部分的电路原理图。控制部分的电路原理图。4.2.5 可控硅接口技术图图4.24 4.24 可控硅加热炉控制系统的原理可控硅加热炉控制系统的原理426 电磁阀接口技术电磁阀接口技术 电磁阀是在气体或液体流动的管路中受电磁力控制开电磁阀是在气体或液体流动的管路中受电磁力

35、控制开闭的阀体。广泛应用于液压机械、空调系统、热水器、自闭的阀体。广泛应用于液压机械、空调系统、热水器、自动机床等系统中。其结构原理，如图动机床等系统中。其结构原理，如图425425所示。它由线所示。它由线圈、固定铁芯、可动铁芯及阀体等组成。当线圈不通电时，圈、固定铁芯、可动铁芯及阀体等组成。当线圈不通电时，可动铁芯受弹簧作用与固定铁芯脱离，阀门处于关闭状态。可动铁芯受弹簧作用与固定铁芯脱离，阀门处于关闭状态。当线圈通电时，可动铁芯克服弹簧的弹力作用而与固定铁当线圈通电时，可动铁芯克服弹簧的弹力作用而与固定铁芯吸合，阀门处于打开状态芯吸合，阀门处于打开状态。这样，就控制了液体和气体。这样，就控

36、制了液体和气体的流动。流体推动油缸或气缸转换为物体的机械运动，完的流动。流体推动油缸或气缸转换为物体的机械运动，完成往复运动。成往复运动。电磁阀有交流和直流两种。交流电磁阀使用方电磁阀有交流和直流两种。交流电磁阀使用方便，但容易产生颤动，启动电流大，并会引起发热。直流电磁便，但容易产生颤动，启动电流大，并会引起发热。直流电磁阀可靠，但需专门电源，如阀可靠，但需专门电源，如12V12V、24V24V、48V48V。 426 电磁阀接口技术电磁阀接口技术 图图425 425 电磁阀结构原理图电磁阀结构原理图426 电磁阀接口技术电磁阀接口技术 图图426 426 交流电磁阀接口电路交流电磁阀接口电

37、路426 电磁阀接口技术电磁阀接口技术 图中交流电磁阀圈由双向可控硅图中交流电磁阀圈由双向可控硅KSKS驱动。驱动。KSKS的选的选择要满足：额定工作电流为交流电磁阀线圈工作电流择要满足：额定工作电流为交流电磁阀线圈工作电流的的2 23 3倍；额定工作电压为交流电磁阀线圈电压的倍；额定工作电压为交流电磁阀线圈电压的2 23 3倍。对于中小尺寸倍。对于中小尺寸220V220V工作电压的交流电磁阀，工作电压的交流电磁阀，可以选择可以选择3A3A、600V600V的双向可控硅。的双向可控硅。 光电隔离器光电隔离器MOC 3041MOC 3041的作用是触发双向晶闸管的作用是触发双向晶闸管KSKS以及

38、隔离微型机和电磁阀系统。光电隔离器的输入端以及隔离微型机和电磁阀系统。光电隔离器的输入端接接74077407，电单片机，电单片机80318031的的P1.0P1.0脚控制。当脚控制。当P1.0P1.0输出为输出为低电平时，双向晶闸管低电平时，双向晶闸管KSKS导通，电磁阀吸合；导通，电磁阀吸合；PC0PC0输输出高电平时，双向晶闸管出高电平时，双向晶闸管KSKS关断，电磁阀释放。关断，电磁阀释放。MOC3041MOC3041内部带有过零电路，因此，双向晶闸管内部带有过零电路，因此，双向晶闸管KSKS工工作在过零触发方式作在过零触发方式 4.3 电机控制接口技术电机控制接口技术n工业企业中，常用

39、电机作原动机去拖动各种生产机械。如在机械工业、冶金工业、化学工业中，各种机床、电铲、吊车、轧钢机、抽水机、鼓风机、阀门、传送带等。n在自动控制系统中，各种类型小巧灵敏的控制电机广泛作为检验、放大、执行和解算元件。 n随着系统的发展，对电机拖动系统的要求愈来愈高。如:提高加工精度及工作速度、快速启动、制动及逆转、实现宽范围内的调速和整个生产过程自动化等。n要完成这些任务，除电机外，还必须有自动化控制设备来控制电机。4.3 电机控制接口技术电机控制接口技术n电机控制发展历程： 交流放大器磁放大器可控离子变速器可控硅计算机n控制装置向集成化、小型化、微型化、智能化方向发展。n微型计算机及单片机的发展

40、， 使电机控制发生了革命性的飞跃。 本节主要讲述小功率直流电机控制原理。本节主要讲述小功率直流电机控制原理。431 小功率直流电机调速原理小功率直流电机调速原理图图427 427 脉冲宽度调速系统原理图脉冲宽度调速系统原理图431 小功率直流电机调速原理小功率直流电机调速原理小功率直流电机结构与原理： 由定子和转子两大部分组成 定子上有一磁极，磁极上绕有励磁绕组。 转子由硅钢片叠压而成，转子外圆有槽，槽内装有电枢绕组，绕组通过换问器和电刷引出。431 小功率直流电机调速原理小功率直流电机调速原理n在励磁式直流伺服电机中，在励磁电压和负载转矩恒定时 电机转速由电枢电压 Ua 决定： 电枢电压越高

41、，电机转速就越快； 电枢电压 Ua 降至 0V 时，电机仃转； 改变电枢电压的极性，电机改变转向。n使用计算机控制小功率直流电机调速系统的方法: 改变电机电枢电压接通或断开时间的比值（即占空比）控制 马达转速，称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）, 简称 PWM。 PWMPWM调速原理如图调速原理如图427427所示。所示。431 小功率直流电机调速原理小功率直流电机调速原理 在通电脉冲作用下： 高电平时，马达速度增加； 低电平时，速度逐渐减少。 改变通、断电时间，可使马达速度达到一定的稳定性。 设电机永远接通电源时，转速为Vmax， 则电机的平均速度为 VdVma

42、xD (4-1) 式中，Vd 电机的平均速度； Vmax 电机全通电时的速度（最大）； D=t1/T 占空比。 平均速度Vd与占空比D的函数曲线，如图428所示。431 小功率直流电机调速原理小功率直流电机调速原理图图428 428 平均速度与占空比的关系平均速度与占空比的关系Vd Vd 与与占空比占空比 D D 不是完全不是完全线线性性关关系系近似近似线线性性关关系系432 开环脉冲宽度调速系统开环脉冲宽度调速系统图图429 429 开环脉冲宽度调速系统原理图开环脉冲宽度调速系统原理图1 1开环开环脉冲脉冲宽宽度度调调速系速系统统的的组组成成432 开环脉冲宽度调速系统开环脉冲宽度调速系统它

43、由五部分组成。（1）占空比D的设定 人工设定 通过开关给定(8位二进制数)。 改变开关的状态，即可改变占空比的大小。 用电位器给定 经 A/D 转换器接到微型机作为给定值。 由拨码键盘给定 每个拨码键盘给出一位 BCD 码（4位二进制数），若采用两 位BCD码数，则需并行用两个拨码开关。432 开环脉冲宽度调速系统开环脉冲宽度调速系统（2）脉冲宽度发生器 根据给定平均速度，计算出占空比，用软件方法实现。（3）驱动器 将计算机输出的脉冲宽度调制信号加以放大，控制电机定 子电压接通或断开的时间。 由放大器/继电器, TTL集成电路组成驱动器构成。（4）电子开关(大功率场效应管开关、固态继电器或可控

44、硅) 用来接通或断开电机电源。 一般需要加光电隔离器。（6）电机 被控对象，用以带动被控装置。 432 开环脉冲宽度调速系统开环脉冲宽度调速系统2电机控制接口 直流电流控制接口元器件: 固态继电器、大功率场效应管、 专用接口芯片（如L290、L291、L292）及接口板 所以直流电机与微型机接口可采用以下四种方法： 光电隔离器大功率场效应管； 固态继电器； 专用接口芯片； 专用接口板；成本低成本低, ,适用于适用于自行开发的微自行开发的微型机系统型机系统可靠可靠, , 贵贵适用于适用于STDSTD或或PCPC总线工业总线工业控制机系统控制机系统432 开环脉冲宽度调速系统开环脉冲宽度调速系统

45、图图430 430 采用固态继电器的直流电机接口方法采用固态继电器的直流电机接口方法432 开环脉冲宽度调速系统开环脉冲宽度调速系统 图图430430中，管脚经限流电阻中，管脚经限流电阻R R接接5V5V直流电流。直流电流。I/OI/O接口的控制管脚，例如接口的控制管脚，例如P1.0P1.0，经驱动器，经驱动器74067406接到接到固态继电器第固态继电器第管脚。当管脚。当P1.0P1.0输出为高平电时，经反输出为高平电时，经反问驱动器问驱动器74067406输出低电平，使固态继电器发光二极管输出低电平，使固态继电器发光二极管发光，并使光敏三极管导通，从而使直流电机绕组通发光，并使光敏三极管导

46、通，从而使直流电机绕组通电。反之，当电。反之，当P1.0P1.0输出为低电平时，发光二极管无电输出为低电平时，发光二极管无电流通过，不发光，光敏三极管随之截止，因而直流电流通过，不发光，光敏三极管随之截止，因而直流电机绕组没有电流通过。图中机绕组没有电流通过。图中D1D1为固态继电器内部的保为固态继电器内部的保护电路，护电路，D2D2为电机保护元件。使用时，应根据直流电为电机保护元件。使用时，应根据直流电机的工作电压、工作电流来选定合适的固态继电器。机的工作电压、工作电流来选定合适的固态继电器。 433 PWM 调速系统设计调速系统设计图431 带方向控制的直流电机控制原理图改改变电枢电压变电

47、枢电压的的极极性性, ,电电机机随随之改之改变转变转向向正正转转反反转转433 PWM调速系统设计调速系统设计1控制接口电路 如图4.32 中所示: 采用 8155 作为并行接口电路: 设 A口 为输出方式: PA1，PA0 经 4 总线缓冲门74LS125和 反向驱动器 74LS06 控制4个光电隔离器和 4个大功率场效应开关管 IRF 640 （图中用SW1SW4表示）。 B口为输入方式: 读入占空比。 C口为输入方式: 读入 启动/停止 和 正向/反向 状态。图图4.32 4.32 双向电机控制接口电路图双向电机控制接口电路图1 1控制接口控制接口电电路路1 10 0433 PWM调速系

48、统设计调速系统设计(1) 单片机经 8155 A口输出控制模型n输出 02H 控制模型时， 使 SW1、 SW4 导通； SW2、SW3 关断。 电流从左至右流过直流电机,使电机正转。n输出 01H 控制模型时， 使 SW2 和 SW3 接通；SW1 和 SW4 关断， 电流由右向左流过电机，使电机反转。n输出 03H 控制模型时,刹车, 00H 的控制模型,滑行。433 PWM调速系统设计调速系统设计(2)单片机从8155 B口读入 8个开关的状态, 作为脉冲宽度给定值 N 以实现脉冲宽度调速。(3)C口的PC0和PC1各接一个单刀双掷开关。nPC0 位为方向控制位： 当 PC00时，电机正

49、向运行； PC01时，电机反转。nPC1位用来控制电机的启动和停止： 若 PC10，电机启动； 当 PC11，电机停止。2控制系统软件设计(1)对 8155 初始化: 设其 A口 为输出方式，B口、C口为输入方式。(2)读入方向控制标志: 给定值 N n启动判断:决定是否启动电机。 如不需要启动，则继续检查；n需要启动，进一步判断设置的电机转动方向。(3)读入占空比 D 的给定值。 (4)按照要求输出正向（或反向）控制代码， 查对及判断脉冲宽度（单位脉冲个数）是否达到给定值: 如未达到要求，则继续输出控制代码； 达到给定值，便输出刹车（或滑行）代码。(5) 重复上述过程，即可达到给定的电机旋转

50、速度。 图图433 433 双向电机控制程序流程图双向电机控制程序流程图 ORG8000HSTART： MOVDPTR，#0FD00H；指向 8155 控制口 MOVA， #01H ；设A口为输出，B口、C口为输入 MOVXDPTR，ALOOP： MOVDPTR， #0FD02H ；从B口，读入并存储给定值 N MOVXA， DPTR MOV20H， A CPLA ；计算并存储 /N INCA MOV21H， A MOVDPTR， #0FD03H ；指向8155 C口，读入状态标志 MOVXA， DPTR JB ACC.0，INVERT ；判旋转方向。反向，转INVERT MOVA， #02H

51、 ；取正向代码OUTPUT：MOVDPTR，#0FD01H ；指向8155 A口，输出控制代码 MOVXDPTR，A MOV22H， 20H ；延时t1JB ACC.1, LOOPJB ACC.1, LOOPDELAY1：ACALL DELAY0 DJNZ 22H， DELAY1 MOV A， #00H ；输出滑行代码 MOVX DPTR，A MOV 23H， 21H ；延时t2DELAY2：ACALL DELAY0 DJNZ 23H， DELAY12 AJMP LOOPSTOP： MOV A， 03H ；输出刹车代码 MOV DPTR，#0FD01H ；指向8155 A口，输出刹车代码 MO

52、VX DPTR， A AJMP LOOPINVERT：MOV A，01H ；输出反向代码 AJMP OUTPUTDELAY0:（略） ；软件延时程序 4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统 n为了提高电机脉冲宽度调速系统的精度， 通常采用闭环调速系统。n在开环系统的基础上增加电机速度检测回路即构成闭环系统，意在将检测到的速度与给定值进行比较，并由数字调节器（PID调节器或直接数字控制）进行调节。n原理框图，如图4.34所示。4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统图图4.34 4.34 采用微型计算机的电机速度闭环控制系统的工作原理采用微型计算机的电机速度闭环控制系统

53、的工作原理 4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统电机转速测量方法:n模拟量速度测量传感器逐渐向数字式传感器发展。n常用的转速传感器: 测速发电机 光电码盘 电磁式码盘 光栅 霍尔元件 等。4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统1测速发电机(1)将转子转速转换成电信号的装置。(2)根据结构及工作原理不同测速发电机分: 直流测速发电机、交流测速发电机两种。(3)交流测速发电机分为 同步测速发电机、异步测速发电机两种形式。(4)同步测速发电机有永磁式、感应式和脉冲式； 异步测速发电机按其结构可分为鼠笼式和杯形转子两种。 由于杯形转子异步测速发电机精度高，所以应用最广。杯

54、形转子测速发电机的原理，如图4.35所示。图图4.35 4.35 杯形转子异步测速发电机原理图杯形转子异步测速发电机原理图激磁绕组激磁绕组右手定右手定则则：确定确定导导体在磁体在磁场场中中运动时导运动时导体中感生体中感生电电流流方向的定方向的定则则 。4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统 测速发电机 输出电压的幅值与转子的速度成正比输出电压的幅值与转子的速度成正比, , 转子转向相反时，输出电压的相位也相反。转子转向相反时，输出电压的相位也相反。 交流异步测速发电机的输出特性曲线，如图交流异步测速发电机的输出特性曲线，如图4.364.36所示。所示。4.3.4 闭环脉冲宽度调速

55、系统闭环脉冲宽度调速系统图4.36 交流异步测速发电机的输出特性理想的空载输出特性曲线理想的空载输出特性曲线实际输出电压与转速的关系实际输出电压与转速的关系在负载阻抗为在负载阻抗为Z1Z1时时, ,使其实际输出降低使其实际输出降低4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统n直流测速发电机也是一种测速传感器。n根据激磁方式不同，可分电磁式、永磁式两种。n按电枢结构不同又可分为： 普通有槽电枢、无槽电枢、 空心电枢和圆盘电枢等。n常用的为永磁式测速发电机。这些测速发电机的结构虽然不同，但原理基本一样。4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统图图4.37 4.37 所示为采用测

56、速发电机脉冲宽度调速系所示为采用测速发电机脉冲宽度调速系统的原理图。该图与图统的原理图。该图与图4.344.34所示的主要区别是，电所示的主要区别是，电机的速度不采用数字式的光电码盘，而是采用模拟机的速度不采用数字式的光电码盘，而是采用模拟量速度传感器量速度传感器测速发电机进行测量。因此系统增测速发电机进行测量。因此系统增加一个加一个A/DA/D转换器接口，用来将测速发电机的模拟转换器接口，用来将测速发电机的模拟输出电压转换成数字量，以便与数字式速度给定值输出电压转换成数字量，以便与数字式速度给定值加以比较。采用测速发电机的优点是分辨率比较高，加以比较。采用测速发电机的优点是分辨率比较高，且价

57、格比较便宜。且价格比较便宜。4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统图图4.37 4.37 直流脉宽可逆调速系统原理图直流脉宽可逆调速系统原理图V VD DD DV VCW3624CW36244.3.4 闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统2数字式转速传感器(1)数字式转速传感器 直接把旋转轴的转速变成数字量的一种装置。 计算机控制系统最常用的数字式转速传感器是码盘。(2)码盘为按一定规律分布着透明狭缝的圆盘， 码盘可做成增量式或绝对式。(目前应用最多)。(3)测量转速的码盘大部分采用光电式， 由两种码盘构成的数字转速传感器的结构， 如图4.38所示。4.3.4 闭环脉冲宽度调

58、速系统闭环脉冲宽度调速系统图4.38 透明式光电码盘的结构4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统如图4.38 中（a）增量式码盘结构 由光源、透镜、测量盘、读数盘及光敏元件组成。 光源发射出的光线 透镜聚焦 透过测量盘与读数盘光敏元件. 有光线透过时，光敏元件才发出一个脉冲，没有光线透过则不产生脉冲。 (送到数字式速度计，或送入计算机计量) 根据下面的公式求出转速。 （4-2） 式中， r 转速（每分钟转数）； N C 在 t1 时间内测得的脉冲数； n 码盘上的缝隙数； t1 测速时间。min)/(601rtnNrC4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统式（式（4

59、-24-2）中，当系统确定后，）中，当系统确定后，n n 即为已知。所即为已知。所以只要测出以只要测出t1t1时间内的脉冲数时间内的脉冲数N NC C，便可计算机出电，便可计算机出电机的转速。机的转速。采用增量式码盘的微型计算机系统，通常定时采用增量式码盘的微型计算机系统，通常定时时间及计数工作均由定时器时间及计数工作均由定时器/ /计数器来完成。定时计数器来完成。定时器器/ /计数器每隔计数器每隔t t1 1 时间向处理器申请一次中断，时间向处理器申请一次中断，CPUCPU在中断服务程序中读取脉冲的计数值在中断服务程序中读取脉冲的计数值N NC C，再按，再按式（式（4-24-2）计算出转速

60、）计算出转速r r。当然，也可以采用软件的。当然，也可以采用软件的方法记录方法记录t t1 1 时间内的脉冲个数。时间内的脉冲个数。4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统(b)绝对式光电码盘上分透明和不透明两种区域，按一定方式进行编码。码盘上黑色部分表示遮光部分，白色则表示透明部分，用狭窄的光束来代替电刷。当码盘随轴转动时，将输出相应的光束（光束的数量与码盘的位数相同），然后通过光敏元件转换成相应的代码。只要把码盘中的每一位输出均通过I/O接口（如8255），即可与微型计算机相连。每隔一定的时间，采样一次码盘的输出数值。 4.3.5 交流电机控制接口技术n在微型计算机控制系统中，