电机控制接口技术

第8章电机控制接口技术1.直流电机控制2.步进电机控制直流电机控制直流电机是一种常用的机电转换器件，常在自动控制系统中用做执行元件。在直流电机控制中，主要涉及的控制有正、反转控制与速度控制。正、反转控制是改变直流工作电压极性来实现的，而速度控制可使用PWM方式进行控制，即在单位周期时间内，调整通、断电时间来实现。使用单片机产生PWM脉冲可简化硬件电路、节约成本。•正、反转控制电路•用单片机输出PWM脉冲•思考与实践正、反转控制电路如图所示为直流电机正反转控制、功率驱动原理图。直流电机驱动原理图正、反转控制电路（1）若ZDJ_A为高电平，ZDJ_B为低电平时，电机正转。因为，此时Q12、Q13导通，进而Q9导通、Q18截止；而Q19、Q21截止，进而Q10截止、Q20导通，电机两端的电压为左正、右负，电机正转。（2）若ZDJ_A为低电平、ZDJ_B为高电平时，电机反转。因为此时Q12、Q13截止，进而Q9截止、Q18导通；而Q19、Q21导通，进而Q10导通、Q20截止，电机两端的电压为左负、右正，电机反转。（3）若ZDJ_A、ZDJ_B同时为高电平或为低电平时，电机不转。用单片机输出PWM脉冲1.程序功能P1.0输出周期为1/250Hz=4000s、占空比可变的PWM脉冲，P1.1接按键KEY1用于增加占空比，P1.2接按键KEY2用于减小占空比。2.程序说明设机器振荡频率为12MHz，则机器周期为1s，用定时器T0产生200s定时时间作为定时脉冲，一个PWM周期为20个定时脉冲，通过控制高电平与低电平的脉冲数即可改变PWM输出的占空比。（1）程序入口地址。MAIN：主程序入口地址INTT0：定时器T0中断服务子程序入口地址DELAY10：键盘去抖动延时程序（2）变量说明。PWMH：高电平脉冲个数存储变量PWM：PWM周期脉冲个数存储变量COUNTER：定时脉冲计数器存储变量（3）程序清单。实践与思考1.上机实践按上节程序功能在DP-51PRO单片机实验仪或其他单片机实验装置完成硬件电路连接以及软件的调试。2.设计一直流控制电路（1）功能要求。具有正、反转控制，有LED指示。PWM周期可调：1～20ms，调节间隔为1ms，超限有报警声。占空比可调：1/100～99/100，调节间隔为1/100，超限有报警声。（2）实践要求。按要求完成设计，撰写工程设计报告。在DP-51PRO单片机实验仪或其他单片机实验装置上实践。步进电机控制•步进电机的控制原理•步进电机与单片机的接口•应用ULN2003的步进电机控制电路•实践与思考步进电机是一种可将电脉冲信号转变成角位移或线位移的电磁机械装置，可以对其旋转角度和旋转速度进行高精度的控制，是工业过程控制和仪表中常用的执行部件之一。步进电机可以直接接收数字信号，不必进行数模转换，具有快速启停、精确步进和定位，步进的角距或电机的转速只受输入脉冲个数或脉冲频率控制，与电压的波动、负载变化、环境温度和振动等因素无关。步进电机的控制原理1.步进电机的工作原理三相步进电机结构示意图如图所示。当某一相绕组通电时，与之对应的两个磁极形成N极和S极，产生磁场与转子形成磁路。当通电的一相对应的定子和转子的齿未对齐时，则在磁场的作用下，转子将转动一定的角度，使转子和定子的齿相互对齐。同时该相的定子和转子的齿对齐后，相邻两相的齿又变成没有对齐，这时再对错磁相进行通电，又会转动一定的角度。依次对各相通电，就会使步进电机连续转动。可见错齿是使步进电机旋转的原理。错齿现象步进电机的控制原理错齿现象电机的定子上有6个等间距的磁极A、C′、B、A′、C、B′，相对两个磁极形成一相（A－A′、B－B′、C－C′），相邻的两个磁极之间夹角为60°，每个磁极上有5个分布均匀的矩形小齿。电机的转子上共有40个矩形小齿均匀地分布在圆周上，相邻两个小齿之间的夹角为9°。由于相邻的定子磁极之间的夹角为60°，而定子和转子的齿宽和齿距都相同，所以定子磁极所对应的转子上的小齿数为个，这样一来，定子和转子就存在错齿现象。步进电机的控制原理2.步进电机的控制原理三相三拍控制方式若A相通电，B、C相不通电，在磁场的作用下使转子的齿和A相的齿对齐，以此作为初始状态，此时B相和C相又与转子的齿错开1/3个齿距，即3°；接着如果B相通电，磁场作用又使转子的齿与B相的齿对齐，则此时转子转过了3°，即走了一步。同时又产生A相和C相的齿与转子的齿错开了1/3个齿距；若再使C相通电，又会使转子转动3°。这样依次按A→B→C→A的顺序轮流对各相磁极通以脉冲电流，则转子就会按每个脉冲转过3°的角度进行转动。改变输入各相的脉冲电流的频率，可以控制步进电机的转速，但过高的脉冲频率可能导致步进电机的失步现象。如果以C→B→A→C的顺序通以脉冲电流，则步进电机将反方向转动。从一相通电转到另一相通电称为一拍，故上述的通电方式称为三相三拍控制方式。步进电机的控制原理三相六拍控制方式以A→AB→B→BC→C→CA→A的顺序对磁极通电，一个循环共有6拍，每拍的转动角度为1.5°。可见步进电机的定位精度提高了1倍，同时也使步进电机的转动变得平稳柔和。若通电顺序为A→AC→C→CB→B→BA→A时，则步进电机按反方向转动。步进电机与单片机的接口•步进电机与单片机的接口电路•步进电机的控制子程序步进电机与单片机的接口电路三相步进电机与8031单片机的接口电路如图所示。该接口电路是采用软件方式控制步进电机的旋转。步进电机的驱动脉冲由8031单片机编程产生，并从P1口输出。步进电机的控制子程序1.程序功能采用三相六拍控制方式，完成三相步进电机方向、速度与总步数控制。2.程序说明（1）任务分析主要任务就是完成环形分配器的功能，从而控制步进电机的旋转，达到对旋转角度和位移的控制。按三相六拍控制模式设置，由于8031单片机的P1.0、P1.1和P1.2分别控制步进电机的A、B、C三相，则其正转模型为01H、03H、02H、06H、04H、05H，反转模型为01H、05H、04H、06H、02H、03H。步进电机步进的步数采用寄存器进行计数达到控制。BJDJKZ1：步进电机控制子程序入口地址（2）子程序入口地址。步进电机的控制子程序（3）步进电机控制子程序入口参数说明R4：存放步进电机要走的步数PSW.5：存放步进电机的旋转方向标志，0为正转，1为反转R5：存放速度控制数据，R2值控制节拍宽度，值越大，旋转速度越慢（4）子程序中有关变量说明R3：记录拍数，初值为0，最大值为6ADT：正转控制模型表首地址AET：反转控制模型表首地址DELAY：步进电机速度控制延时子程序入口地址3.程序清单应用ULN2003的步进电机控制电路•ULN2003与二相六线制步进电机•应用ULN2003的步进电机控制电路ULN2003与二相六线制步进电机1.ULN2003管脚与技术参数管脚分布图如图所示。主要技术指标如下：•工作电压：50V•连续工作电流：50mAULN2003与二相六线制步进电机2.二相六线制步进电机二相六线制步进电机共有4“相”控制，则有单四拍、双四拍和单双八拍三种控制方式。•单四拍：黄→橙→红→蓝→黄。•双四拍：黄橙→橙红→红蓝→蓝黄→黄橙。•单双八拍：黄→黄橙→橙→橙红→红→红蓝→蓝→蓝黄→黄。如图所示为步进电机激励驱动电路图。应用ULN2003的步进电机控制电路应用ULN2003的步进电机控制电路1.电路功能通过按键开关控制步进电机的启、停与旋转方向，用按键开关状态设置步进电机的旋转速度，分16挡。2.控制程序（1）程序说明。节拍控制是采用单四拍控制，是通过直接编程P1.0～P1.3输出节拍控制信号。速度控制是通过控制延时时间来实现的，SPEED是速度控制延时子程序，读取P2口输入状态，取低四位作为速度挡位数据。（2）程序清单。实践与思考DP-51PRO单片机实验仪步进电机驱动电路如图所示。DP-51PRO单片机实验仪步进电机驱动电路实践与思考（1）运行上述单四拍控制程序，观察步进电机的转动情况，并分析、计算步进电机每步的转角角度以及电机的最小转速与最大转速（转/分）。（2）修改电路，调速按键开关改用两个按钮：一个用于增加速度，一个用于减小速度。速度挡位设置为100挡；增加速度显示装置；采用单双八拍控制方式编程。撰写工程设计报告并上机测试、分析步进电机的运行状况。