4.3 电机控制接口技术

1. 4.3 电机控制接口技术 • 工业企业中，常用电机作原动机去拖动各种生产机械。 如各种机床、电铲、吊车、轧钢机、抽水机、鼓风机、阀门、 传送带等。 • 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。 • 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。 • 要完成这些任务，还必须有自动化控制设备来控制电机。 微机控制技术

2. 4.3 电机控制接口技术 • 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 • 控制装置向集成化、小型化、微型化、智能化方向发展。 • 微型计算机及单片机的发展， 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。 微机控制技术

3. 4.3 电机控制接口技术 4.3.1 小功率直流电机调速原理 4.3.2 开环脉冲宽度调速系统 4.3.3 PWM调速系统设计 4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统 4.3.5 交流电机的控制接口技术

4. 4．3．1 小功率直流电机调速原理 图4—31 脉冲宽度调速系统原理图 微机控制技术

5. 4．3．1 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。 微机控制技术

6. 4．3．1 小功率直流电机调速原理 • 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，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。 • 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。 PWM调速原理如图4—31所示。 微机控制技术

7. 4．3．1 小功率直流电机调速原理 ⒈ 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。 ⒉ 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 Vd＝Vmax·D (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4—32所示。 微机控制技术

8. 4．3．1 小功率直流电机调速原理 Vd 与占空比 D 不是完全线性关系 近似线性关系 图4—32 平均速度与占空比的关系 微机控制技术

9. 4．3．2 开环脉冲宽度调速系统 1．开环脉冲宽度调速系统的组成 图4—33 开环脉冲宽度调速系统原理图 微机控制技术

10. 4．3．2 开环脉冲宽度调速系统 它由五部分组成。 （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。 ② 用电位器给定 经 A/D 转换器接到微型机作为给定值。 ③ 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。 微机控制技术

11. 4．3．2 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）电子开关(大功率场效应管开关、固态继电器或可控硅) 用来接通或断开电机定子电源。 一般需要加光电隔离器。 （4）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。 （6）电机 被控对象，用以带动被控装置。 微机控制技术

12. 4．3．2 开环脉冲宽度调速系统 2．电机控制接口 ① 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 ② 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,适用于自行开发的微型机系统 可靠, 贵 适用于STD或PC总线工业控制机系统 微机控制技术

13. 4．3．2 开环脉冲宽度调速系统 图4—34 采用固态继电器的直流电机接口方法 微机控制技术

14. 4．3．2 开环脉冲宽度调速系统 图4—34中，管脚经限流电阻R接＋5V直流电流。I/O接口的控制管脚，例如PC0，经驱动器7406接到固态继电器第④管脚。当PC0输出为高平电时，经反问驱动器7406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电。反之，当PC0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，因而直流电机绕组没有电流通过。图中D1为固态继电器内部的保护电路，D2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。 微机控制技术

15. 4．3．3 PWM 调速系统设计 改变电枢电压的极性,电机随之改变转向 图4—35 带方向控制的直流电机控制原理图 微机控制技术

16. 4．3．3 PWM调速系统设计 由图4.35，双向直流电机控制原理 ★ 开关SW1和SW4闭合时，电机全速正转； ★ 开关SW2和SW3闭合时，马达全速反转。 ★SW2 和 SW4（或SW1和SW4）闭合时， 电机绕组被短路，电机处于刹车状态。 ★ 将四个开关全部打开，电机自由滑行。 微机控制技术

17. 4．3．3 PWM调速系统设计 1．控制接口电路 一个完整的双向直流电机控制接口电路如图4.32所示。 如图4.36中所示，采用8155作为并行接口电路。设8155 A口为输出方式，B口和C口为输入方式。A口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SW1～SW4表示）。 微机控制技术

18. 1．控制接口电路 1 0 图4.36 双向电机控制接口电路图 微机控制技术

19. 4．3．3 PWM调速系统设计 (1) 单片机经 8155 A口输出控制模型 • 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。 • 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。 • 输出03H 控制模型时,刹车, 00H 的控制模型,滑行。 微机控制技术

20. 4．3．3 PWM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。 • PC0 位为方向控制位： 当 PC0＝0时，电机正向运行； PC0＝1时，电机反转。 • PC1位用来控制电机的启动和停止： 若 PC1＝0，电机启动； 当 PC1＝1，电机停止。 微机控制技术

21. 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和。 • 启动判断:决定是否启动电机。 如不需要启动，则继续检查； • 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速度。 微机控制技术

22. 图4—37 双向电机控制程序流程图 微机控制技术

23. ORG 8000H START： MOV DPTR，#0FD00H ；指向8155控制口 MOV A， #01H ；设A口为输出，B口、C口为输入 MOVX @DPTR，A LOOP：MOV DPTR， #0FD02H ；从B口，读入并存储给定值 N MOVX A， @DPTR MOV 20H， A CPL A ；计算并存储 /N INC A MOV 21H， A MOV DPTR， #0FD03H ；指向8155 C口，读入状态标志 MOVX A， @DPTR JB ACC.0，INVERT ；判旋转方向。反向，转INVERT MOV A， #02H ；取正向代码 OUTPUT：MOV DPTR，#0FD01H ；指向8155 A口，输出控制代码 MOVX @DPTR，A MOV 22H， 20H；延时t1 微机控制技术

24. DELAY1：ACALL DELAY0 DJNZ 22H， DELAY1 MOV A， #00H ；输出滑行代码 MOVX @DPTR，A MOV 23H， 21H；延时t2 DELAY2：ACALL DELAY0 DJNZ 23H， DELAY12 AJMP LOOP STOP： MOV A， 03H ；输出刹车代码 MOV DPTR，#0FD01H ；指向8155 A口，输出刹车代码 MOVX @DPTR， A AJMP LOOP INVENT：MOV A，01H ；输出反向代码 AJMP OUTPUT DELAY0:（略）；软件延时程序 微机控制技术

25. 4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统 • 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。 • 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。 • 原理框图，如图4.38所示。 微机控制技术

26. 4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统 图4.38 采用微型计算机的电机速度闭环控制系统的工作原理

27. 4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统 电机转速测量方法: • 模拟量速度测量传感器逐渐向数字式传感器发展。 • 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。 微机控制技术

28. 4.3.4 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。 杯形转子测速发电机的原理，如图4.39所示。 微机控制技术

29. 图4.39 杯形转子异步测速发电机原理图 微机控制技术

30. 4.3.4 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, 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4.40所示。 微机控制技术

31. 4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统 理想的空载输出特性曲线 图4.340 交流异步测速发电机的输出特性 实际输出电压与转速的关系 在负载阻抗为Z1时,使其实际输出降低 微机控制技术

32. 4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统 • 直流测速发电机也是一种测速传感器。 • 根据激磁方式不同，可分电磁式、永磁式两种。 • 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。 • 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。 微机控制技术

33. 4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统 图4.41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4.34所示的主要区别是，电机的速度不采用数字式的光电码盘，而是采用模拟量速度传感器—测速发电机进行测量。因此系统增加一个A/D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加以比较。采用测速发电机的优点是分辨率比较高，且价格比较便宜。 微机控制技术

34. 4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统 图4.41 直流脉宽可逆调速系统原理图 微机控制技术

35. 4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统 微型计算机按PID调节算式计算的结果，经D/A转换器转换成模拟量，再经电压变换器转换成脉宽调制发生器需要的电压。脉宽调制发生器采用CW3524集成电路，其最高频率可调至100kHz以上。调制后的脉冲宽度控制信号经脉冲分配器、驱动器输出后，用来控制直流可逆电机。 微机控制技术

36. 4.3.4 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4.42所示。 微机控制技术

37. 4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统 图4.42 透明式光电码盘的结构 微机控制技术1

38. 4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统 如图4.42 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）； NC——在t1时间内测得的脉冲数； n ——码盘上的缝隙数； t1 ——测速时间。 微机控制技术

39. 4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统 式（4-2）中，当系统确定后，n 即为已知。所以只要测出t1时间内的脉冲数NC，便可计算机出电机的转速。 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/计数器来完成。定时器/计数器每隔t1 时间向处理器申请一次中断，CPU在中断服务程序中读取脉冲的计数值NC，再按式（4-2）计算出转速r。当然，也可以采用软件的方法记录t1 时间内的脉冲个数。 微机控制技术

40. 4.3.4 闭环脉冲宽度调速系统 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。 微机控制技术

41. 4.3.5 交流电机控制接口技术 • 在微型计算机控制系统中，除了直流电机以外，交流 电机的应用也非常普遍。 • 交流电机控制技术近年来已经成为微型计算机控制技 术中一个非常活跃的领域。 • 交流调速问题更是一个比较复杂的问题。有待于今后 进一步研究和开发。 • 只介绍交流电机与微型计算机的接口技术及其在自动 控制系统中的应用。 微机控制技术

42. 4.3.5 交流电机控制接口技术 • 由于交流电机所通过的电流有正、反两个方向，因此其接口电路必须保证电流正、负两个周期都能有电流流过。 • 交流电机的电压都比较高，一般为 220V～380V，所以在交流电机与微型计算机接口连接时，更需要光电隔离器。 • 通常选用交流固态继电器作为隔离器。(第4.2节) • 介绍采用光敏电阻作为光电转换元件的交流电机专用集成块。 图4.43所示为采用固态继电器的交流伺服电机控制电路。 微机控制技术

43. 4.3.5 交流电机控制接口技术 提高系统的抗干扰能力 消除伺服电机关断时产生的浪涌电压 图4.43 采用固态继电器的交流伺服电机控制电路 微机控制技术

44. 4.3.5 交流电机控制接口技术 为了提高系统的抗干扰能力，该电路采用固态继电器作为光电隔离器件。图中的电阻电容为消除伺服电机关断时产生的浪涌电压而设，其开关元件用三端双向可控硅。该元件高压电压可达几百伏，电流可从几安培到几十安培。 控制接通电压为 3V，断开电压为 1V， 控制电压范围为3～32V， 因此可用于 TTL/CMOS 和 HMOS 等接口电路。 微机控制技术

45. 4.3.5 交流电机控制接口技术 此系统中，单片机通过8155实现控制。当3号管脚接+5V电压，控制输出管脚PC0输出高电平且PC1输出低电平时，经反向器使上边固态继电器4端为低电平时，发光二极管发光。由于过零触发电路是由一个光敏电阻分压电路组成的，所以发光二极管将引起过零触发电路至可控硅的控制电压升高，使可硅管导通。此时电机A相通电，电机正转。同理，当控制输出管脚PC1输出高电平且PC0输出低电平时，电机B相通电，电机反转。从而达到电机伺服控制的目的。反之，当PC0（或PC1）为低电平，经反向后使4端为高电平时，发光二极管熄灭，通过光敏电阻使过零触发电路至可控硅的控制电压下降，使可控硅关断。由此可控制交流电机的启动和停止。 微机控制技术