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电动机控制接口技术电动机控制接口技术直流电动机控制接口技术步进电机控制接口技术电动机控制技术概述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：启、停、逆转快速，调速快、准。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、可控离子变速器、可控硅、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板卡等，并且采用了复杂的控制算法。脉冲宽度调制技术，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SCR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。电动机调速的发展趋势：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。电动机控制接口技术1、小功率直流电动机调速原理2、开环脉冲宽度调速系统3、脉冲宽度调速系统设计4、闭环脉冲宽度调速系统5、交流电动机控制接口技术小功率直流电动机调速原理脉冲宽度调制（PulseWidthModulation）PWM原理小功率直流电动机由转子和定子组成，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Ua有关，Ua↑→转速V↑；所加电压极性改变，则电动机反转。小功率直流电动机调速原理定子绕组及产生的磁场转子电枢脉冲宽度调速系统原理图PWM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）来控制电动机的转速，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）：Vd=Vmax*D其中，Vd----电动机平均转速；Vmax全通电时速度（最大）；D=t1/T----占空比，t1是通电时间，T是脉宽周期。D≤1。Vd∝D，与单纯的周期T无关Vd与D只是近似的线性关系，与单纯的周期T无关（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D不变的情况下，T越小，电机转速越平稳。平均速度与占空比的关系PWM原理开环脉冲宽度调速系统1、开环脉冲宽度调速系统的组成（1）占空比D的设定1）用电位器调节、2）用拨码开关、3）用数字键盘（2）脉冲宽度发生器：软件编程（3）驱动器:TTL放大电路（4）电子开关:用晶体管、场效应管、可控硅、继电器（5）电动机2、电动机控制接口上图中的第3、4两部分即为接口部分。直流电机与微机的接口有以下4种方法：（1）光电隔离器+大功率场效应管:适用于自己开发的系统，价格低（2）固态继电器:适用于自己开发的系统，价格低（3）专用接口芯片:如L290、L291、L292等，价高、但可靠（4）专用接口板:如7501、7502，主要用于STD或PC机系统如用单片机控制，即可产生并输出调制脉冲，再加上光电隔离器+大功率场效应管，或者加上固态继电器就构成了接口部件和脉宽调速控制器。开环脉冲宽度调速系统一、脉宽占空比设计由脉宽调制转速公式：Vd=Vmax*D电动机平均转速Vd、全通电时速度Vmax已知，对于给定的平均转速Vd，便可计算出占空比D。占空比D=t1/T，t1是通电时间，t2是断电时间。脉宽周期T=t1+t2设单位时间（t0）计一个数，则通电时间t1计数N1=t1/t0，断电时间t2计数N2=t2/t0(即N1补)，1、软件延时法P1192、计数法P119脉冲宽度调速系统设计二、电动机转动控制原理正转：SW1、SW4闭合反转：SW2、SW3闭合刹车：SW2、SW4闭合（或SW1、SW3闭合）滑行：SW1、SW2、SW3、SW4全部断开脉冲宽度调速系统设计控制数据运转状态开关状态PA1PA0SW1SW2SW3SW410正转100101反转011011刹车010100滑行0000双向控制电动机工作状态真值表PA0、PA1为0时，SW1、SW3才有可能导通SWx状态：PA0、1为1时导通，为0时截止SWx用的是场效应管PB0---PB7：设置脉冲宽度，即方波的占空比74LS125：四总线三态缓冲器脉冲宽度调速系统设计四、控制系统的软件设计1、流程图（右图）2、汇编程序:见教材P122（略）设定占空比（或转速）通电时间断电时间脉冲宽度调速系统设计闭环脉冲宽度调速系统为了提高电动机脉冲宽度调速系统的精度，通常采用闭环脉冲宽度调速系统。闭环系统是在开环系统的基础上增加了电动机的速度检测回路，意在将检测到的速度与给定值比较，并由数字调节器（PID）进行调节。其原理框图如左图所示。采用微型机的电动机速度控制系统原理图一、测速发电机1、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：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。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脉宽可逆调速系统原理图闭环脉冲宽度调速系统二、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。透明式光电码盘的结构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脉冲输入到计算机的计数器，其转速公式为：nm=60*Nc/n/t1（转/分）式中：nm----转速，单位为r/minNc----在t1时间内测得的脉冲数n----码盘上一周的缝隙数t1----测速时间，单位为秒Nc/n：为在t1时间内码盘转的总圈数闭环脉冲宽度调速系统2、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，透光的地方经光敏元件输出1，不透光的地方经光敏元件输出0。每一个位圈需要一个光敏元件，8个位圈需要8个光敏元件，可以计数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，即为转的圈数。转速=两次的数据差/码盘上外圈的缝隙数/时间111111111188888888123456789101112131415161718192022222222224444444441616161616转速仍然可以用前面的公式，Nc理解为数据差D0位圈D1位圈D2位圈D3位圈D4位圈最外圈有数字的格为透光总格数闭环脉冲宽度调速系统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。2、交流电动机调速的的特点1）电流作正反两个方向流动；2）电压较高（220V---380V）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PC0=1，PC1=0，A相导通，电动机正转。PC0=0，PC1=1，B相导通，电动机反转。PC0=0，PC1=0，A相与B相均关闭，电动机不运转。R4与电容C的作用是消除伺服电机关断时的浪涌电压。光敏电阻R2和电阻R3的作用是组成过零检测电路，产生双向触发脉冲。采用固态继电器的交流伺服电动机控制电路交流电动机控制接口技术步进电机控制接口技术一般电机都是连续旋转，而步进电机却是一步一步地转动，故叫步进电机。具体而言，每当步进电机的驱动器接收到一个驱动脉冲信号后，步进电机将会按照设定的方向转动一个固定的角度（有的步进电机可以直接输出线位移，称为直线电动机）。因此，步进电机是一种将电脉冲转化为角位移（或直线位移）的执行机械。对于经常使用的角位移步进电机，用户可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时还可以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。步进电机的特点及应用步进电机运转精度高旋转单位是“步”，一步的最小转角可以小到0.36度（最大转角达到90度）。步进电机若前进一定的步数，然后再后退相同的步数，则可精确的回到原来的位置。步进电机启、停速度快能够在“一刹那”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200---1000步/秒。步进电机在定位场所得到了广泛的应用如：在绘图仪、打印机、扫描仪、复印机等设备及光学仪器中应用。其定位不需要位移传感器测定位置。步进电机的工作原理步进电动机分为机电式、磁电式及直线式三种基本类型。磁电式步进电动机主要有反应式（简称VR）、永磁式（简称PM）和永磁感应式（又称为混合式步进电机，简称HB）三种。反应式步进电机的工作原理反应式步进电动机在定、转子铁心的内外表面上设有按一定规律分布的相近齿槽，利用这两种齿槽相对位置变化引起磁路磁阻的变化产生转矩。反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步矩角一般为1.5°，精度容易保证，起动和运行频率较高，但噪声和振动都很大，在欧美等发达国家在20世纪80年代已被淘汰。反应式步进电机的工作原理1、结构电机的定子上有6个等分的磁极，即A、A‘、B、B’、C、C‘。相邻两个磁极间的夹角为60°。相对的两个磁极组成一相，图示结构为三相步进电机(A—A'相，B—B'相，C—C'相)。当某一绕组有电流通过时，该绕组相应的两个磁极立即形成N极和S极，每个磁极上各有5个均匀分布的矩形小齿。步进电机的转子上没有绕组，它是由40个矩形小齿均匀分布在圆周上，相邻两齿之间的夹角为9°。当某相绕组通电时，对应的磁极就会产生磁场，并与转子形成磁路。若此时定子的小齿与转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子转动一定的角度，使转子齿和定子齿对齐。由此可见，错齿是促使步进电机旋转的根本原因。反应式步进电机的工作原理2、工作原理定子各相（AA’、BB’、CC’）相差120度依次单独通电，则定子所产生的磁场按AA’、BB’、CC’、AA’、BB’、……顺序旋转。转子旋转原理AA’上通电时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AA’上的齿对齐。设转子与定子A相中间的齿相对的齿记为0号齿。BB’上通电时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BB’上的齿对齐。转子上与定子B相中间应该对齐的齿号为120°/9°=13.33，不是整数，即转子与定子上的齿未对齐，则磁阻大，为减小磁阻，转子要旋转。第13、14号齿距离B相中间的角度分别为3°和6°，因此13号齿顺时针旋转3°与定子齿对齐。CC’相通电同样的道理，转子仍然顺时针旋转3°。定子按A→B→C→A→B→……通电时，则转子按顺时针方向旋转。步距角：每步的转角为3°，即步距角为3°。通电一周的旋转角度：照A→B→C→A顺序通电一周，则转子旋转9°。反转方法：若通电顺序反过来，按C→B→A→C通电，则转子旋转方向相反。3、步距角Qs计算公式Qs=360°/(N*Zr)式中：Zr为转子齿数；N=Mc*C为通电一周的拍数，叫运行拍数。其中，Mc为绕组相数；C为状态数，采用（单、双）三拍时C=1，采用（单、双）六拍时C=2。如三相三拍，步距角为3°；三相六拍，步距角为1.5°。括号内为每转一圈的步数步进电机的工作原理永磁式步进电机包括一个永磁转子、线圈绕组和导磁定子。激励一个线圈绕组将产生一个电磁场，分为北极和南极。图示为一个线圈激励而产生电磁场。定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对置，通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。永磁式步进电机的工作原理两相步进电机的典型步序（单相通电时）：永磁式步进电机的工作原理在第1步中，两相定子的A相通电，因异性相吸，其磁场将转子固定在图示位置。当A相关闭，B相通电时，转子顺时针旋转90度。第3步中，B相关闭，A相通电，但极性与第1步相反，这促使转子再次旋转90度。在第4步中，A相关闭，B相通电，极性与第2步相反。重复该顺序促使转子按90度的步距角顺时针旋转。尽管步距角相同，但力矩增加，输入功率提高1倍。永磁式步进电机的工作原理如果在电机转换相位之间插入一个半闭状态而走“半步”，这将步进电机的整个步距角一分为二。例如，一个90度的步进电机将每半步移动45度。永磁式一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为或，消耗功率