电机驱动与控制的硬件软件设计

1、同时，传感器的信号处理和接口技术，传感器和控制器的接口电路主要由信号预处理电路、数据采集系统和控制器接口电路组成。 其中，预处理电路将传感器输出非电压量转换为具有一定振幅的电压量的数据收集系统中，将模拟电压量转换为数字量的控制器接口电路将A/D转换后的数字信号发送至控制器， 将来自控制器的控制信号传送到输入接口的每个功能部件的控制器还可以经由其他接口向监视器、控制器、打印机等发送信息数据。 由于信号预处理电路根据测量和传感器而不同，所以传感器的信号处理技术是构成不同系统的关键。 另外，应该检测的非电量的种类多，传感器的动作原理也不同，因此，当应该检测的物理量作用于传感器时，传感器输出的信号的种

2、类也是各种各样的。 常用传感器及其应用电路1传感器的种类介绍2光电传感器、应用电路3温度传感器、应用电路4超声波传感器、应用电路5接近开关和应用电路，1光电传感器、光电传感器是将光信号转换成电信号的传感器。 光电传感器具有高精度、高分辨率、高可靠性、非接触、响应快、结构简单等特征。 常用的光电传感器、光电二极管、光电晶体管、光电耦合元件和红外线传感器：图1光电二极管、图2光电晶体管、光电二极管的外形如图1所示。 光电晶体管的外形如图2所示。 (1)光电二极管的结构与一般的二极管相似，装在透明的玻璃外壳内。 电路中一般处于反向动作状态。 工作原理：因为光电二极管是在反向状态下工作的，当光照射不到

3、时，少数载流子会产生暗电流10-810-9安培，处于关断状态。 照射光后，在半导体内被激励产生电子-空穴对，少数载流子浓度大幅度增加，通过逆电压形成光电流，成为导通状态。 (2)光电晶体管：光电晶体管与一般的晶体管很相似，具有两个PN结。 在将光信号转换为电信号的同时放大电流，并且灵敏度比光电二极管高。 许多光电晶体管的基极没有引线，只有正负(c，e )两个引脚，所以其外形与光电二极管相似，难以从外观上区分。 结构上，基极区域大，发射极区域小，并被配置在基极区域的端部。 工作原理：无光时，集电耦合为反偏置，其反饱和电流Icbo通过辐射耦合放大为聚光间的透射电流Iceo暗电流，光电耦合元件、红外

4、线传感器红外线传感器是将红外线辐射能量转换为电能的受光元件。 在一般常温下，所有物体都是红外线辐射源。 红外线传感器也称为红外线传感器，一般由光学系统、传感器、信号调整电路、显示系统等构成。 红外线传感器是红外线传感器的核心，分为热电型和光子型。 用红外线传感器实现非电量的测定，比以可见光为介质的检测方法有更多的优点，它不受周围可见光的影响，昼夜可以测定的被测定对象本身放射红外线，因此不需要光源的大气很少吸收某一一定波长范围内的红外线，遥感器红外线传感器广泛应用于工业自动化、材料热处理和加工中的监测、防卫、航空、安全防卫、医学诊断、设备故障诊断等领域。 另外，在ST178中制作的反射型红外线传

5、感器、红外线光电传感器ST178、ST178由4个管脚构成，是聚光和受光一体化的传感器。 发送管和接收管分别由高发送功率红外线光电二极管和高灵敏度光电晶体管构成。 工作范围为4 mm10 mm左右，采用了非接触监视的方式。在ST178红外线光电传感器的发光管上施加500 的电阻来限制电流，在接收管上连接20 k的电阻，两管都连接5 V的电源，工作时的电压达到4.8 V，距发送头或接收头1cm左右的位置有障碍物的情况下，电压马上下降到1 V 具体电路如图所示。 2、温度传感器和应用电路、温度传感器是通过物体随着温度变化而改变某些特性间接测量的。 由于工业农业生产中的温度测量范围非常广，从零下几百

6、度到零上几千度，用各种材料制成的温度传感器只能在一定的温度范围内使用。 一般测温传感器的种类和测温范围如下表所示。 常用的数字输出式温度传感器DS18B20，模拟输出的温度传感器，如果温度传感器输出是模拟的话，可以进行滤波器、放大、AD转换、线性转换和非线性误差处理、3、超声波传感器和应用电路、常用的发送电路、4、接近开关和响应当开关靠近某个物体时，就发出控制信号。 接近开关也被称为无触点行程开关，除了可以完成行程控制和限位保护之外，还可以使用检测零件尺寸和速度等的非接触型检测装置，用于逆变器计数器、逆变器脉冲发生器、液面控制和加工程序的自动联系等。 具有工作可靠、寿命长、功耗低、再定位精度高

7、、操作频率高、适应苛刻的工作环境等特征。 位移传感器根据原理和方法而制作，位移传感器对物体的“感知”方法也不同，因此一般的接近开关有： 1、涡流式接近开关。 如果利用导电性物体，接近该电磁场接近开关，则在物体内部产生涡电流。 该涡电流作用于接近开关，通过改变开关内部的电路参数，识别导电物体有无接近，控制开关的接通/断开。 这个接近开关能检测到的物体必须是导电体。 2、所谓电容式接近开关的测定，通常是构成电容器的一个极板，另一个极板是开关的壳体。 该外壳通常在测量过程中接地或连接到设备的外壳。 当物体移动至接近开关时，无论其是否是导体，该接近均会使电容器的介电常数变化，从而电容器电容发生变化，连

8、接至测量端子的电路状态也发生变化，从而能够控制开关的接通/关断。 该接近开关的检测对象不限于导体，也可以是可绝缘的液体或粉体等。 3、霍尔接近开关霍尔元件是磁敏元件。 由霍尔元件形成的开关称为霍尔开关。 如果磁铁接近霍尔开关，开关检测面上的霍尔元件就会产生霍尔效应，开关内部的电路状态发生变化，由此识别出附近存在磁铁，控制开关的on/off。 这个接近开关的检测对象必须是磁性体。 4、光电式接近开关是利用光电效应制作的开关，称为光电开关。 发光元件和光电元件在同一头内沿一定方向搭载。 当反射面(被检测物体)接近时，光电元件接收反射光并输出信号，从而能够“感知”物体的接近。 5、热电式接近开关由可

9、以感知温度变化的元件制成的开关称为热电式接近开关。 该开关在开关的检测面安装焦电器部件，当不同于环境温度的物体接近时，焦电器部件的输出发生变化，从而可以检测出物体接近了。 6、其他类型的邻近开关，当观察者和系统改变距波源的距离时，邻近波的频率偏移的现象被称为多普勒效应。 声纳和雷达是利用这种效果的原理制作的。利用多普勒效应，可以制作超声波接近开关、微波接近开关等。 当物体接近时，接近开关接收到的反射信号能够多普勒移位，并识别物体是否接近。 常用的光电开关和接近开关的集电极开路输出多，需要规定的开关量，需要上拉电阻和下拉电阻。 电机驱动和控制的硬件软件设计，电机控制电机驱动电源的设计直流电机的驱

10、动设计步进电机的驱动设计，另一方面，电机控制，比赛中常用的电机控制类型：速度控制：电机的拖动结构在规定时间内按照规定的路径位置控制的重点是，通过固定轨迹或变化的轨迹进行直线或曲线运动，通过电动机运动可以正确地识别轨迹。 1、电机控制型、2、电机选定、竞赛中可以使用的电机主要包括带直流电机刷的直流电机无刷直流电机步进电机伺服电机、直流电机、直流电机主要包括带刷直流电机和无刷直流电机。 这里主要研究带刷直流电动机的直流电动机的参数是功率w输出转矩n最高转速rpm电压v电流I、直流电动机的动作特性：转速n=n0 - keI (n0是无负载转速，ke是转速常数，I是电流)输出转矩T=kmI (km是转

11、矩常数I 电动机电动势E=Cen电流I=(U-E)/r0 (U是施加在电动机两端的电压，r0是电动机线圈的内部电阻)、直流电动机的动作特性曲线、步进电动机是用电脉冲信号控制，并将电脉冲信号转换成对应的角位移和线位移的控制电动机，各脉冲、电动机其主要特征是，通过控制旋转的正确角度控制，容易实施速度，在不需要位置反馈停止的情况下，在具有自拍功能的情况下，步进电机专用驱动器、步进电机、伺服电机、伺服电机的功能将输入的电压信号改变为轴上的角位移或角速度输出目前常用的伺服电机的主要特点：实现了位置、速度和扭矩闭环控制，克服了步进电机失步问题的高速性能好，一般的额定转速能达到20003000转的抗过载能力

12、强，能承受额定扭矩的3倍以上的负载， 特别适用于要求瞬间负荷变动和急速起动的情况的低速运转很顺利，低速运转时不会发生步进电动机那样的步进运转现象。 有高速响应要求时适用的电动机加减速的动态相响应间短，一般在几十毫秒以内，发热和噪音显着降低。 二、电机驱动电源的设计，一、电源选择所采用的供电方式主要是电池供电和持续供电。 电池电源电池供电移动性强，波动小，但持续时间短。 一般的电池类型是碱性电池、镍氢电池、锂电池的电池选择的主要参数：电池组电压(V:12V )电池组的容量(2200mAH )电池组的最大输出电流(Imax:110A )、商用电源、商用电源一般与变压器交流/直流变化优点是对功耗的要

13、求低，缺点是移动性差。 电源处理的基本流程，2，降压的实现措施，通常，电机控制的主芯片需要5V或3.3V，甚至1.8V的电源。 因为在设计中不能配置独立的电源，所以需要使用降压电路来获得必要的电压。 降压电路具有线性降压电路的优点：简单、可靠性高的缺点：效率低、器件发热剧烈、功耗大的开关型降压电路的优点：效率高、器件发热小的缺点：电路复杂，用LM2576/LM2575得到5V电压的开关使用LM2576获得-12V电压的典型电路，3、电机工作电源与单片机电源的隔离，单片机电源主要是逻辑电路工作服务，很多逻辑电路频繁切换，对电源的冲击很大， 为了在电机工作精度高的同时电机线圈产生的感应电流不干扰数

14、字电路，一般将他们的电源隔离，简单的处理方法： 3，直流电机的驱动设计，1，直流电机控制方法： DA控制和PWM控制。 DA控制是直观的，但是需要追加配置DA转换芯片，控制精度低。 直流电机多用PWM (脉冲宽度调制)方式控制。 施加到电动机两端的电压为PWM波：占空比3360，电动机两端电压的直流分量：因此可知，电动机电压的平均值与PWM波的占空比成比例，通过调节占空比，能够进行直流电动机的调速。 通常，PWM波的频率是几十KHz。 PWM直流电动机调速的优点：如果以功耗小、效率高的高频脉冲电流向线圈供给电力，则由于线圈是感应性负载，脉冲电流被平滑化，因此波的系数小、电动机的发热量小的系统的

15、响应频带宽， 刹车非常快的系统具有抗负载扰动的性能，高频输出避免了电动机和传动机械的谐振点，所以运行平稳，噪音低的微机生成PWM波形的方法：程序延迟：高电平延迟低电平延迟=PWM周期时间； 定时器中断： PWM周期t的定时中断高电平t的定时中断，直流电机的PWM调速通常可以实现h桥。 常用的h桥芯片：L298N (电流2A )，其他h桥芯片，(1)驱动器芯片IR2110 :美国IR公司制造的IR2110驱动器兼具光耦合隔离和电磁隔离的优点，适合于中小功率转换装置的驱动装置。 IR2110的特点：具有独立的低端和高端输入通道的浮置电源采用自举电路，其高端工作电压达到500V输出的电源端电压范围为

16、10-20V。 逻辑电源的输入范围为5-15V，容易与TTL、CMOS电平一致的工作频率高，能够达到500KHz的导通、断开的延迟小，分别为120ns和94ns的图腾列输出峰值电流2A。 (2)LMD18200 LMD18200是美国国家半导体公司(NS )发布的直流电机驱动专用h桥部件。 在同一芯片上集成CMOS控制电路和DMOS功率器件，可以利用该CMOS控制电路和DMOS功率器件，构成主处理器、电动机、增量编码器和完整的运动控制系统。 LMD18200驱动直流电机、步进电机、伺服系统的位置和转速、机器人控制系统、数字控制系统。 峰值输出电流高达6A，连续输出电流高达3A，工作电压高达55

17、V，具有TTL/CMOS兼容水平的输入温度报警和过热和短路保护功能的芯片接合温度达到145，接合温度达到170时，芯片断开，具有良好的抗干扰性。 四、步进电机的驱动设计、脉冲分配器：确定步进电机定子线圈通电顺序和电机转速的电路。 功率放大器：分配器输出的脉冲信号为了作为励磁电流发送到步进电机的定子线圈，必须进行功率放大。 步进电机根据励磁相数分为两相、三相、五相，根据其工作原理，可分为反应式、永磁式、混合式三种。 单片机与步进电机驱动电路的连接，另一方面硬件完成脉冲分配的功能就以此形式，脉冲分配器、驱动电路就以硬件完成。 单片机只提供步进脉冲和正、反转控制信号，步进脉冲的产生和停止、步进脉冲的频率和个数可以通过软件控制。 2 .用软件完成脉冲分配的特征：用软件完成脉冲分配不仅可以简化线路、降低成本，还可以根据应用系统的需要灵活地变更步进电机的控制方案。步进电机的驱动注意事项、步进电机的功率驱动电路在大脉冲电流状态下工作，使用光耦合器将单片机和步进电机功率电路隔离，可以防止单片机和步进电机功率电路的共同干扰也不会把放大器中的高电压放入单片机中破坏。