电机驱动与控制的硬件软件设计

传感器接口和电机控制技术1xm一、传感器的信号处理与接口技术传感器与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，预处理电路把传感器输出的非电压量转换成具有一定幅值的电压量；数据采集系统把模拟电压量转换成数字量；控制器接口电路把A/D转换后的数字信号送入控制器，并把控制器发出的控制信号送至输入接口的各功能部件；控制器还可通过其他接口把信息数据送往显示器、控制器、打印机等等。由于信号预处理电路随被测量和传感器而不同，因此传感器的信号处理技术则是构成不同系统的关键。传感器接口和电机控制技术2xm由于待检测的非电量种类繁多，传感器的工作原理也各不相同，因此待检测物理量作用于传感器后，传感器输出的相应信号种类亦各式各样。传感器接口和电机控制技术3xm常用传感器及其应用电路1传感器的种类介绍2光电传感器与应用电路3温度传感器与应用电路4超声波传感器与应用电路5接近开关与应用电路传感器接口和电机控制技术4xm传感器接口和电机控制技术5xm1、光电传感器光电传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器。光电传感器具有高精度、高分辨率、高可靠性、非接触、响应快和结构简单等特点。传感器接口和电机控制技术6xm常用的光电传感器光敏二极管、光敏三极管、光电耦合器件和红外传感器：图1光敏二极管图2光敏三极管光敏二极管的外形见图1所示。光敏三极管的外形见图2所示。传感器接口和电机控制技术7xm传感器接口和电机控制技术8xm(1)光敏二极管的结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中。在电路中一般是处于反向工作状态。工作原理：光敏二极管由于工作在反向状态，无光照时，少数载流子产生暗电流10-8～10-9安培，处于截止状态。有光照时，半导体内受激发产生电子—空穴对，少数载流子浓度大大增加，在反向电压的作用下，形成光电流，处于导通状态。(2)光敏三极管：光敏三极管与一般晶体三极管很相似，具有两个PN结。它把光信号转换为电信号的同时，又将电流加以放大，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。在结构上，它的基区较大，发射区很小，并安置在基区的边缘。工作原理：无光照时，集电结反偏，其反向饱和电流Icbo经发射结放大为集射之间的穿透电流Iceo——暗电流传感器接口和电机控制技术9xm光电耦合器件红外传感器红外传感器是将红外辐射的能量转换成电能的光敏器件。在一般的常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。传感器接口和电机控制技术10xm红外传感器也称红外探测器，一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示系统等组成。红外探测器是红外传感器的核心，它分为热电型和光子型两类。用红外传感器来实现某些非电量的测量，比用可见光作媒介的检测方法有许多优点，它不受周围可见光的影响，可昼夜进行测量；由于待测对象本身辐射红外线，因此不需要光源；大气对某些持定波长范围内的红外线吸收甚少，适用于遥感、遥测。红外传感器广泛应用于工业自动化、材料的热处理和加工过程中的监测、国防、航空、安全保卫、医学诊断、设备故障诊断等领域。传感器接口和电机控制技术11xmST178制作的反射式红外传感器红外线光电传感器ST178，ST178由4个管脚组成，是集发射和接收于一体的传感器。发射和接收管分别采用高发射功率红外线光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。工作的范围可达到4mm～10mm左右,采用非接触监测的方式。传感器接口和电机控制技术12xmST178红外线光电传感器的发射管要加500Ω的电阻用来限流，而接收管则要接20kΩ上拉电阻，两管均接5V电源，工作时电压达到4.8V，当距离发射头或接收头1cm左右的位置有障碍物阻挡时电压迅速降到1V。具体电路如图所示。传感器接口和电机控制技术13xm2、温度传感器与应用电路温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性间接测量的。由于工农业生产中温度测量的范围极宽，从零下几百度到零上几千度，而各种材料做成的温度传感器只能在一定的温度范围内使用。常用的测温传感器的种类与测温范围如下表所示。传感器接口和电机控制技术14xm传感器接口和电机控制技术15xm传感器接口和电机控制技术16xm常用的数字输出式温度传感器DS18B20传感器接口和电机控制技术17xm模拟量输出的温度传感器如果温度传感器输出为模拟量，需要经过滤波，放大，AD转换，线性变换和非线性误差处理传感器接口和电机控制技术18xm3、超声波传感器与应用电路传感器接口和电机控制技术19xm常用的发射电路传感器接口和电机控制技术20xm常用的接收电路传感器接口和电机控制技术21xm4、接近开关与应用电路一种用于工业自动化控制系统中以实现检测、控制并与输出环节全盘无触点化的新型开关元件。当开关接近某一物体时，即发出控制信号。接近开关又称无触点行程开关，它除可以完成行程控制和限位保护外，还是一种非接触型的检测装置，用作检测零件尺寸和测速等，也可用于变频计数器、变频脉冲发生器、液面控制和加工程序的自动衔接等。特点有工作可靠、寿命长、功耗低、复定位精度高、操作频率高以及适应恶劣的工作环境等。传感器接口和电机控制技术22xm因为位移传感器可以根据不同的原理和不同的方法做成，而不同的位移传感器对物体的“感知”方法也不同，所以常见的接近开关有以下几种：1、涡流式接近开关这种开关有时也叫电感式接近开关。它是利用导电物体在接近这个能产生电磁场接近开关时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参数发生变化，由此识别出有无导电物体移近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是导电体。2、电容式接近开关这种开关的测量通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外壳。这个外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相连接。当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体，由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。这种接近开关检测的对象，不限于导体，可以绝缘的液体或粉状物等。传感器接口和电机控制技术23xm3、霍尔接近开关霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。4、光电式接近开关利用光电效应做成的开关叫光电开关。将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个检测头内。当有反光面（被检测物体）接近时，光电器件接收到反射光后便在信号输出，由此便可“感知”有物体接近。传感器接口和电机控制技术24xm5、热释电式接近开关用能感知温度变化的元件做成的开关叫热释电式接近开关。这种开关是将热释电器件安装在开关的检测面上，当有与环境温度不同的物体接近时，热释电器件的输出便变化，由此便可检测出有物体接近。6、其它型式的接近开关当观察者或系统对波源的距离发生改变时，接近到的波的频率会发生偏移，这种现象称为多普勒效应。声纳和雷达就是利用这个效应的原理制成的。利用多普勒效应可制成超声波接近开关、微波接近开关等。当有物体移近时，接近开关接收到的反射信号会产生多普勒频移，由此可以识别出有无物体接近。传感器接口和电机控制技术25xm传感器接口和电机控制技术26xm注意常用的光电开关或接近开关多为集电极开路输出，需要得到确定的开关量，需要上拉电阻或下拉电阻。传感器接口和电机控制技术27xm传感器接口和电机控制技术28xm传感器接口和电机控制技术29xm电机驱动与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动设计步进电机的驱动设计传感器接口和电机控制技术30xm一、电机控制竞赛中常用的电机控制类型：速度控制：要求电机拖动结构在规定时间沿着规定路径运行到目标，通常时间要求严格，需要进行电机加速、检索控制。位置控制在固定轨迹或变化的轨迹中做直线或曲线运动，重点是电机运动中能够准确识别轨迹。1、电机控制类型传感器接口和电机控制技术31xm2、电机选取竞赛中可能用到的电机包括：直流电机有刷直流电机无刷直流电机步进电机伺服电机传感器接口和电机控制技术32xm直流电机直流电机主要包括有刷直流电机和无刷直流电机。这里主要讨论有刷直流电机直流电机的参数主要有：功率W输出力矩N最高转速rpm电压V电流I传感器接口和电机控制技术33xm直流电机的工作特性:转速n=n0–ke·I(n0是空载转速，ke是转速常数，I是电流）输出转矩T=km·I(km是转矩常数，I是电流）电机电动势E＝Ce·n电流I＝（U－E）/r0(U是加在电机两端的电压，r0是电机绕组的内阻）nn0T直流电机的工作特性曲线传感器接口和电机控制技术34xm步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的控制电机，每一个脉冲，电机旋转一个固定的角度，电机旋转位置与脉冲数相关，电机速度与脉冲频率相关。其主要特点有：可以根据控制转过精确的角度控制容易实施速度、位置无需反馈停止时有自锁功能多数情况下需要使用步进电机专用驱动器步进电机传感器接口和电机控制技术35xm伺服电机伺服电动机的功能是将所输入的电压信号转换为轴上的角位移或角速度输出，其转速和转向随输入电压信号的大小和方向变化而改变的控制电机。现常用伺服电机的主要特点：实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题；高速性能好，一般额定转速能达到2000～3000转；抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象。适用于有高速响应要求的场合；电机加减速的动态相响应间短，一般在几十毫秒之内；发热和噪音明显降低。传感器接口和电机控制技术36xm二、电机驱动电源的设计1、电源的选择采用的供电方式主要是电池供电和持续供电。电池供电电池供电移动性强，纹波小，但持续时间较短。常用的电池类型有：碱性电池，镍氢电池，锂电池电池选取的主要参数：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：1~10A）传感器接口和电机控制技术37xm市电供电市电供电一般通过变压器和交/直流转换器(整流桥)来产生需要的电源。优点是对功耗要求较低，缺点是移动性差。传感器接口和电机控制技术38xm市电220V变压、整流需要的12～36V的直流电降压处理电池模块电源处理的基本流程传感器接口和电机控制技术39xm2、降压的实现措施通常情况下，对于电机控制的主要芯片需要5V或3.3V，甚至1.8V的电源。在设计中不可能为其在配置一个独立的电源，因此需要采用降压电路来得到需要的电压。降压电路分为两类：线性降压电路优点：简单，可靠性较高缺点：效率低，器件发热厉害，功耗大开关型降压电路优点：效率高，器件发热量小缺点：电路较为复杂传感器接口和电机控制技术40xm采用LM2576/LM2575得到＋5V电压的开关式降压电路传感器接口和电机控制技术41xm传感器接口和电机控制技术42xm负电压的措施如果控制过程中需要使用负电压，常用Buck－Boost型开关变换电路实现。采用LM2576得到－12V电压的典型电路传感器接口和电机控制技术43xm3、电机工作电源与单片机电源的隔离单片机的电源主要为逻辑电路工作服务，存在大量的逻辑电路频繁切换，对电源冲击较大，为使电机工作精度高，同时避免由电机线圈产生的感应电流对数字电路干扰，一般要将他们的电源进行隔离，简单的处理方法：传感器接口和电机控制技术44xm三、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控制直观，但通常需要额外配置DA转换芯片，控制精度较低。传感器接口和电机控制技术45xmU0VHtLtHLTttHtDT直流电机多采用PWM（脉宽调制）方式进行控制。其加在电机两端的电压为PWM波：占空比