智能儀器第四

1、第四章 控制接口技術及其應用控制閥一般需要電動執(zhí)行機構，通常由D/A轉(zhuǎn)換器輸出來控制。而控制通、斷電一般采用繼電器或可控硅來完成。前者屬模擬量控制，后者屬于開關量控制。所謂開關量控制就是通過控制設備的“開”或“關”狀態(tài)的時間來達到控制的目的。例如在溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，為使溫度能穩(wěn)定在給定值上，往往需要控制加熱爐的閥門，調(diào)節(jié)進入爐中的煤氣量，對于電爐來講，則需要控制通、斷電的時間。 由于輸出設備往往需大電壓（或電流）來控制，而微型計算機系統(tǒng)輸出的開關量大都為TTL（或CMOS）電平，這種電平一般不能直接驅(qū)動外部設備開啟或關閉。另一方面，許多外部設備，如大功率直流電機、接觸器等在開關過程中會產(chǎn)生很強的

2、電磁干擾信號，如不加以隔離，可能會使微型計算機控制系統(tǒng)造成誤動作乃至損壞。因此，在接口設計處理中，一要放大，二要隔離，這是開關量輸出控制中必須認真考慮并設法解決的兩個問題。在這一節(jié)中，主要介紹開關量的接口問題。4. 1 光電隔離技術 在開關量控制中，最常用的器件是光電隔離器。光電隔離器的種類繁多，常用的有發(fā)光二極管/光敏三極管、發(fā)光二極管/光敏復合晶體管、發(fā)光二極管/光敏電阻，以及發(fā)光二極管/光觸發(fā)可控硅等。其原理電路，如圖4.10所示。 如圖4.10所示，光電隔離器由GaAs紅外發(fā)光二極管和光敏三極管組成。當發(fā)光二極管有正向電流通過時，即產(chǎn)生人眼看不見的紅外光，其光譜范圍為7001 000

3、nm。 光敏三極管接收光照以后便導通。而當該電流撤去時，發(fā)光二極管熄滅，三極管隨即截止。利用這種特性即可達到開關控制的目的。由于該器件是通過電光電的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)對輸出設備進行控制的，彼此之間沒有電氣連接，因而起到隔離作用。 隔離電壓與光電隔離器的結構形式有關。雙列直插式塑料封裝形式的隔離電壓一般為2 500V左右；陶瓷封裝形式的隔離電壓一般為5 00010 000V。不同型號的光電隔離器輸入電流也不同，一般為10mA左右。其輸出電流的大小將決定控制輸出外設的能力。一般負載電流比較小的外設可直接帶動，若負載電流要求比較大時可在輸出端加接驅(qū)動器。 在一般微型計算機控制系統(tǒng)中，由于大都采用TTL電平，

4、不能直接驅(qū)動發(fā)光二極管，所以通常加一級驅(qū)動器，如7406和7407等。需要注意，輸入、輸出端兩個電源必須單獨供電4.2 繼電器輸出接口技術繼電器輸出接口技術 4.2.1 繼電器簡介繼電器簡介 一般線圈可以用直流低電壓控制（常用的有直流一般線圈可以用直流低電壓控制（常用的有直流9V，12V，24V等）；而觸點輸出部分可以直接與市電（等）；而觸點輸出部分可以直接與市電（220V）連接；有）連接；有時繼電器也可以與低壓電器配合使用。雖然繼電器本身有一定時繼電器也可以與低壓電器配合使用。雖然繼電器本身有一定的隔離作用，但在與微型計算機接口連接時通常還是采用光電的隔離作用，但在與微型計算機接口連接時通常

5、還是采用光電隔離器進行隔離。隔離器進行隔離。 圖中所示電阻圖中所示電阻R1 為限流電阻，二極管為限流電阻，二極管V的作用是保護晶體的作用是保護晶體管管T。當繼電器。當繼電器J吸合時，二極管吸合時，二極管V截止，不影響電路工作。繼截止，不影響電路工作。繼電器釋放時，由于繼電器線圈存在電感，這時晶體管電器釋放時，由于繼電器線圈存在電感，這時晶體管T已經(jīng)截已經(jīng)截止，所以會在線圈的兩端產(chǎn)生較高的感應電壓。此電壓的極性止，所以會在線圈的兩端產(chǎn)生較高的感應電壓。此電壓的極性為上負下正，正端接在晶體管的集電極上。當感應電壓與為上負下正，正端接在晶體管的集電極上。當感應電壓與VCC 之和大于晶體管之和大于晶體

6、管T的集電極反向電壓時，晶體管的集電極反向電壓時，晶體管T有可能損壞。有可能損壞。加入二極管加入二極管V后，繼電器線圈產(chǎn)生的感應電流從二極管后，繼電器線圈產(chǎn)生的感應電流從二極管V流過，流過，從而使晶體管從而使晶體管T得到保護。得到保護。不同的繼電器，其線圈驅(qū)動電流的大小，以及帶動負載的能不同的繼電器，其線圈驅(qū)動電流的大小，以及帶動負載的能力不同，選用時應考慮下列因素：力不同，選用時應考慮下列因素：（1）繼電器額定工作電壓（或電流）；）繼電器額定工作電壓（或電流）；（2）接點負荷）接點負荷 ；（3）接點的數(shù)量或種類（常閉或常開）；）接點的數(shù)量或種類（常閉或常開）；（4）繼電器的體積、封裝形式、工

7、作環(huán)境、接點吸合或釋）繼電器的體積、封裝形式、工作環(huán)境、接點吸合或釋放時間等。放時間等。4.2.2 固態(tài)繼電器輸出接口技術固態(tài)繼電器輸出接口技術 在繼電器控制中，由于采用電磁吸合方式，在開關瞬間，觸點容易產(chǎn)生火花，從而引起干擾；對于交流高壓等場合，觸點還容易氧化，影響系統(tǒng)的可靠性。所以隨著微型計算機控制技術的發(fā)展，又研制出一種新型的輸出控制器件固態(tài)繼電器。 固態(tài)繼電器（Solid State Relay）簡稱SSR。它是用晶體管或可控硅代替常規(guī)繼電器的觸點開關，而在前級中與光電隔離器融為一體。因此，固態(tài)繼電器實際上是一種帶光電隔離器的無觸點開關。根據(jù)結構形式，固態(tài)繼電器有直流型固態(tài)繼電器和交流

8、型固態(tài)繼電器之分。 由于固態(tài)繼電器輸入控制電流小，輸出無觸點，所以與電磁式繼電器相比，具有體積小，重量輕，無機械噪聲，無抖動和回跳，開關速度快，工作可靠等優(yōu)點。在微型計算機控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，大有取代電磁繼電器之勢。1直流型SSR 由圖由圖4.14所示可以看出，固態(tài)繼電器的輸入部分是一個光電隔離器，因此，所示可以看出，固態(tài)繼電器的輸入部分是一個光電隔離器，因此，可用可用OC門或晶體管直接驅(qū)動。它的輸出端經(jīng)整形放大后帶動大功率晶體管門或晶體管直接驅(qū)動。它的輸出端經(jīng)整形放大后帶動大功率晶體管輸出，輸出工作電壓可達輸出，輸出工作電壓可達30180V（5V開始工作）。開始工作）。直流型直流型S

9、SR主要用于帶直流負載的場合，如直流電機控制，直流步進電機主要用于帶直流負載的場合，如直流電機控制，直流步進電機控制和電磁閥等。控制和電磁閥等。采用直流型采用直流型SSR控制三相步進電機的原理電路圖控制三相步進電機的原理電路圖 圖中A，B，C為步進電機的三相，每相由一個直流型SSR控制，分別由8031的P1.0、P1.1和P1.2控制。只要按著一定的順序通電，即可實現(xiàn)步進電機控制.2. 交流型SSR交流型SSR又可分為過零型和移相型兩類。 交流型交流型SSR又可分為過零型和移相型兩類。它采用雙向可又可分為過零型和移相型兩類。它采用雙向可控硅作為開關器件，用于交流大功率驅(qū)動場合，如交流電機、控硅

10、作為開關器件，用于交流大功率驅(qū)動場合，如交流電機、交流電磁閥控制等。交流電磁閥控制等。其原理電路，如圖4.16所示。 對于非過零型SSR，在輸入信號時，不管負載電流相位如何，負載端立即導通； 而過零型必須在負載電源電壓接近零且輸入控制信號有效時，輸入端負載電源才導通。 當輸入的控制信號撤銷后，不論哪一種類型，它們都只在流過雙向可控硅負載電流為零時才關斷。其波形如圖4.17所示。如圖4.18中所示，當控制端P1.0輸出為低電平時，經(jīng)反相后，使SSR 1# 導通，SSR 2#截止，交流電通過A相繞組，電機正轉(zhuǎn)；反之，如果P1.0輸出高電平，則SSR 1# 截止，SSR 2# 導通，交流電流經(jīng)B相繞

11、組，電機反轉(zhuǎn)。圖中所示的Rp，Cp 組成浪涌電壓吸收回路。通常Rp 為100歐左右，CP 為0.1F。RM 為壓敏電阻，用做過電壓保護。其電壓取值范圍通常為電源電壓有效值的1.61.9倍。4.3 大功率場效應管開關接口技術 由于場效應管輸入阻抗高，關斷漏電流小，響應速度快，而且與同功率繼電器相比，體積較小，價格便宜，所以在開關量輸出控制中也常作為開關元件使用。 場效應管的種類非常多，如IRF系列，電流可從幾毫安（mA）到幾十安（A）耐壓可從幾十伏（V）到幾百伏（V），因此可以適合各種場合。 大功率場效應管的表示符號，如圖4.19所示。其中G為控制柵極，D為漏極，S為源極。對于NPN型場效應管來

12、講，當G為高電平時，源極與漏極導通，允許電流通過，否則，場效應管關斷。 值得說明的是，由于大功率場效應管本身沒有隔離作用，故使用時為了防止高壓對微型計算機系統(tǒng)的干擾和破壞，通常在它的前邊加一級光電隔離器，如4N25，TIL113等。利用大功率場效應管可以實現(xiàn)如圖4.15所示的步進電機控制。其原理電路如圖4.20所示。4.4 可控硅接口技術可控硅接口技術 可控硅（Silicon Controlled Rectifier）簡稱SCR，是一種大功率電器元件，也稱晶閘管。它具有體積小，效率高，壽命長等優(yōu)點。在自動控制系統(tǒng)中，可作為大功率驅(qū)動器件，實現(xiàn)用小功率控件控制大功率設備。它在交直流電機調(diào)速系統(tǒng)、

13、調(diào)功系統(tǒng)以及隨動系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。1. 單向可控硅 單向可控硅的表示符號，如圖4.21（a）所示。它有3個引腳，其中A為陽極，K為陰極，G為控制極。它由4層半導體材料組成，可等效于P1N1P2 和N1P2N2 兩個三極管。當陽極電位高于陰極電位且控制極電流增大到一定值（觸發(fā)電流）時，可控硅由截止轉(zhuǎn)為導通。一旦導通后，Ig 即使為零，可控硅仍保持導通狀態(tài)，直到陽極電位小于或等于陰極電位時為止。即陽極電流小于維持電流時，可控硅才由導通變?yōu)榻刂埂蜗蚩煽毓璧膯蜗驅(qū)üδ?，多用于直流大電流場合。在交流系統(tǒng)中常用于大功率整流回路。2. 雙向可控硅 雙向可控硅也叫三端雙向可控硅，簡稱TRIAC。雙向

14、可控硅在結構上相當于兩個單向可控硅反向連接，如圖4.23所示。這種可控硅具有雙向?qū)üδ堋Ｆ渫〝酄顟B(tài)由控制極G決定。在控制極G上加正脈沖（或負脈沖）可使其正向（或反向）導通。這種裝置的優(yōu)點是控制電路簡單，沒有反向耐壓問題，因此特別適合做交流無觸點開關使用。和大功率場效應管一樣，可控硅在與微型計算機接口連接時也需加接光電隔離器，觸發(fā)脈沖電壓應大于4V；脈沖寬度應大于20s。在單片機控制系統(tǒng)中，常用單片機的某一根接口線或外接I/O接口的某一位產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。為了提高效率，要求觸發(fā)脈沖與交流電壓同步，通常采用檢測交流電過零點來實現(xiàn)。圖4.24所示為某電爐溫度控制系統(tǒng)可控硅控制部分的電路原理圖。這里，為

15、了提高熱效率，要求每隔半個交流電的周期輸出一個觸發(fā)脈沖。為此，把交流電經(jīng)全波整流后通過三極管變成過零脈沖，再反相后加到8031的中斷控制端作為同步基準脈沖。使用定時器T0計時移相時間Ta，然后發(fā)出觸發(fā)脈沖，通過光電隔離器控制雙向可控硅，實現(xiàn)對電爐絲加熱。4.5 電磁閥接口技術電磁閥接口技術電磁閥有交流和直流兩類。交流電磁閥使用方便，但容易產(chǎn)生顫動，啟動電流大，并會引起發(fā)熱。直流電磁閥可靠，但需專用電源，如12V，24V，48V等。電磁閥種類很多，常用的換向閥有兩位三通、兩位四通、三位四通等。這里所謂的“位”是指滑閥位置，“通”指流體的通路。由于電磁閥也是由線圈的通斷電來控制的，其工作原理與繼電

16、器基本相通，只是帶動活動閥芯運動而已，故其與微型計算機的接口與繼電器相同，也是由光電隔離及開關電路等來控制的。關于直流型電磁閥的應用請參閱本節(jié)繼電器接口部分。對于交流電磁閥由于線圈要求使用交流電，所以通常使用雙向可控硅驅(qū)動或使用一個直流繼電器作為中間繼電器控制。圖4.26所示為交流電磁閥接口電路圖。4.6 電機的控制接口技術電機的控制接口技術 在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，電機的應用是非常廣在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，電機的應用是非常廣泛的。在工業(yè)企業(yè)中，大量應用電機作為泛的。在工業(yè)企業(yè)中，大量應用電機作為原動機去拖動各種生產(chǎn)機械。如在機械工原動機去拖動各種生產(chǎn)機械。如在機械工業(yè)、冶金工業(yè)、化學工業(yè)中，各種機床、業(yè)、冶

17、金工業(yè)、化學工業(yè)中，各種機床、電鏟、吊車、軋鋼機、抽水機、鼓風機、電鏟、吊車、軋鋼機、抽水機、鼓風機、閥門、傳送帶等，都要用大大小小的電機閥門、傳送帶等，都要用大大小小的電機來拖動；來拖動； 在自動控制系統(tǒng)中，各種類型小巧靈在自動控制系統(tǒng)中，各種類型小巧靈敏的控制電機廣泛作為檢驗、放大、執(zhí)行敏的控制電機廣泛作為檢驗、放大、執(zhí)行和解算元件。和解算元件。 目前，國內(nèi)的小功率直流電機調(diào)速中采用的脈目前，國內(nèi)的小功率直流電機調(diào)速中采用的脈沖寬度調(diào)速技術已經(jīng)日臻成熟。在中、小功率范沖寬度調(diào)速技術已經(jīng)日臻成熟。在中、小功率范圍內(nèi)應用越來越廣泛。圍內(nèi)應用越來越廣泛。4.6.1 小功率直流電機調(diào)速原理小功率直

18、流電機調(diào)速原理 小功率直流電機由定小功率直流電機由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。在定子上裝有一磁極，電在定子上裝有一磁極，電磁式直流電機的定子磁極磁式直流電機的定子磁極上繞有勵磁繞組。其轉(zhuǎn)子上繞有勵磁繞組。其轉(zhuǎn)子由硅鋼片選壓而成，轉(zhuǎn)子由硅鋼片選壓而成，轉(zhuǎn)子外圓有槽，槽內(nèi)嵌有電樞外圓有槽，槽內(nèi)嵌有電樞繞組，繞組通過換向器和繞組，繞組通過換向器和電刷引出。電刷引出。 在勵磁式直流伺服電機中，電機轉(zhuǎn)速由電樞電壓Ua決定。在勵磁電壓ur 和負載轉(zhuǎn)矩恒定時，電樞電壓越高，電機轉(zhuǎn)速就越快；電樞電壓Ua降至0V時，電機停轉(zhuǎn)；改變電樞電壓的極性，電機隨之改變轉(zhuǎn)向。因此，小功率直流電機的調(diào)速可以

19、通過控制電樞平均電壓來實現(xiàn)。 對小功率直流電機調(diào)速系統(tǒng)，使用微型計算機或單片機是極為方便的。其方法是通過改變電機電樞電壓接通時間與通電周期的比值（即占空比）來控制電機速度。這種方法稱為脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation），簡稱PWM。PWM調(diào)速原理如圖4.27所示。 在脈沖作用下，當電機通電時，速度增加；電機斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電時間，即可讓電機轉(zhuǎn)速得到控制。設電機永遠接通電源時，其轉(zhuǎn)速最大為Vmax，設占空比為 D=t1/T，則電機的平均速度為 VdVmaxD （4-1）式中，Vd電機的平均速度；Vmax電機全通電時的速度（最大）；D=t1

20、/T占空比。平均速度Vd 與占空比D的函數(shù)曲線，如圖4.28所示。由圖由圖4.28所示可以看出，所示可以看出，Vd 與占空比與占空比D并不是完全線性關系并不是完全線性關系（圖中實線）；當系統(tǒng)允許時，可以將其近似地看成線性關系（圖中實線）；當系統(tǒng)允許時，可以將其近似地看成線性關系（圖中虛線）。（圖中虛線）。4.6.2 開環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)1開環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)的組成（1）占空比D的設定 占空比D由人工設定，一般通過開關給定，用每位開關的狀態(tài)表示“1”或“0”組成8位二進制數(shù)。改變開關的狀態(tài)，即可改變占空比的大小。 占空比也可以從電位器中取一電位，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器接到微型計算機的I/O接口（如8

21、155），把模擬量電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量作為給定值，改變電位器滑動端的位置，即可改變占空比給定值的大小； 另一種方法是由撥碼鍵盤給定，每個撥碼鍵盤給出一位BCD碼（4位二進制數(shù)），若采用兩位BCD碼數(shù)，則需并行用兩個撥碼開關。（2）脈沖寬度發(fā)生器 由計算機根據(jù)給定的平均速度，計算出占空比，用軟件程序來實現(xiàn)。（3）電子開關 用來接通或斷開電機定子電源，可以由晶體管或場效應管開關組成，也可以通過繼電器或固態(tài)繼電器控制。（4）驅(qū)動器 將計算機輸出的脈沖寬度調(diào)制信號加以放大，以便用來控制電機定子電壓接通或斷開的時間。通常由放大器或繼電器組成，也可由TTL集成電路驅(qū)動器構成。（5）電機被控對象，用以帶動被控裝

22、置。2電機控制接口（1）光電隔離器大功率場效應管；（2）固態(tài)繼電器；（3）專用接口芯片；（4）專用接口板；如圖4.30中所示，管腳3接5V直流電壓。8031的P1.0，經(jīng)驅(qū)動器7406接到固態(tài)繼電器第4腳。當P1.0輸出為高平電時，經(jīng)反相驅(qū)動器7406輸出低電平，使固態(tài)繼電器內(nèi)部發(fā)光二極管發(fā)光，并使光敏三極管導通，從而使直流電機繞組通電。反之，當P1.0輸出為低電平時，發(fā)光二極管無電流通過，不發(fā)光，光敏三極管隨之截止，因而直流電機繞組沒有電流通過。圖中V1為固態(tài)繼電器內(nèi)部的保護電路，V2為電機保護元件。使用時，應根據(jù)直流電機的工作電壓、工作電流來選定合適的固態(tài)繼電器。4.6.3 PWM調(diào)速系統(tǒng)

23、設計由已知的平均速度及電機全通電時最大速度Vmax，通過公式（4-1）可求出占空比D，由占空比D進一步求出脈沖寬度（亦即通電時間）。 電機控制程序的設計有兩種方法，一種是軟件延時法，一種是計數(shù)法。軟件延時法的基本思想是，首先求出占空比D，再根據(jù)周期T分別給電機通電N1個單位時間（t0）即 N1=t1/t0， 然后再斷電N2個單位時間，即 N2=t2/t0（參看圖4.27）。t1+t2=T計數(shù)法的基本思想是，當單位延時個數(shù)N求出之后，將其作為給定值存放在某存儲單元中。在通電過程中對通電單位時間（t0）的次數(shù)進行計數(shù)，并與存儲器的內(nèi)容進行比較。若不相等，則繼續(xù)輸出控制脈沖，直到計數(shù)值與給定值相等，

24、使電機斷電。關于計數(shù)法的詳細內(nèi)容可查閱參考文獻（2）。當單片機經(jīng)8155接口輸出02H控制模型（PA11，PA00）時，由于鎖存器74LS125中三態(tài)門2# 是打開的，所以光電隔離器LEI4 導通并發(fā)光，光敏三極管輸出為高電平，因而使大功率場效應開關管IRF 640（SW4）導通。同理，74LS125 4# 三態(tài)門輸出為“0”，使得3# 門的控制端也為“0”電平，因此，3# 三態(tài)門打開，使光電隔離器LEI1 發(fā)光并導通，因而使SW1導通。同理可分析，此時SW2 和SW3 是關斷的。因此，電流從左至右流過直流電機，使電機正轉(zhuǎn)。當PA1 和PA0 端口輸出為01H控制模型時，則鎖存器74LS125

25、中的2#，3# 三態(tài)門打開，使得SW2 和SW3 接通，SW1 和SW4 關斷，電流由右向左流過電機，使電機反轉(zhuǎn)。 同理可決定出剎車及滑行時的模型分別為03H，00H。 為了實現(xiàn)脈沖寬度調(diào)速，用8155 B口控制的8個開關提供脈沖寬度給定值N。C口的PC0 和PC1 各接一個單刀雙擲開關。PC0 位為方向控制位，當PC00時，電機正向運行；PC01時，電機反轉(zhuǎn)。PC1 位用來控制電機的啟動和暫停。4.6.4 閉環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器 這種轉(zhuǎn)速傳感器所用的碼盤一般為按一定規(guī)律分布著透明狹縫的圓盤，這些碼盤可做成增量式或絕對式。由于增量式碼盤量具有結構簡單，價格低，而且精度容易保證等優(yōu)

26、點，所以目前應用最多。 測量轉(zhuǎn)速的碼盤大部分采用光電式，由兩種碼盤構成的數(shù)字轉(zhuǎn)速傳感器的結構，如圖4.38所示。如圖4.38（a）所示為增量式碼盤結構示意圖，它由光源、透鏡、測量盤、讀數(shù)盤及光敏元件組成。由光源發(fā)射出的光線，經(jīng)透鏡聚焦后，透過測量盤與讀數(shù)盤照射到光敏元件上。有光線透過時，光敏元件才發(fā)出一個脈沖，沒有光線透過則不產(chǎn)生脈沖。此脈沖一方面可以送到數(shù)字式速度計進行計量，另一方面，也可以送入計算機，根據(jù)下面的公式求出轉(zhuǎn)速。式（4-2）中，當系統(tǒng)確定后，n即為已知。所以只要測出t1 時間內(nèi)的脈沖數(shù)NC，便可計算機出電機的轉(zhuǎn)速。采用增量式碼盤的微型計算機系統(tǒng)，通常定時時間及計數(shù)工作均由定時器

27、/計數(shù)器來完成。定時器/計數(shù)器每隔t1 時間向處理器申請一次中斷，CPU在中斷服務程序中讀取脈沖的計數(shù)值NC，再按式（4-2）計算出轉(zhuǎn)速r。當然，也可以采用軟件的方法記錄t1 時間內(nèi)的脈沖個數(shù)。絕對式光電碼盤上分透明和不透明兩種區(qū)域，按一定方式進行編碼。碼盤上黑色部分表示遮光部分，白色則表示透明部分，用狹窄的光束來代替電刷。當碼盤隨軸轉(zhuǎn)動時，將輸出相應的光束（光束的數(shù)量與碼盤的位數(shù)相同），然后通過光敏元件轉(zhuǎn)換成相應的代碼。只要把碼盤中的每一位輸出均通過I/O接口（如8255），即可與微型計算機相連。每隔一定的時間，采樣一次碼盤的輸出數(shù)值。4.7 步進電機的控制接口技術 步進電機是工業(yè)過程控制及

28、儀表中的主要控制元件之一。例如，在機械結構中，可以用絲杠把角位移變成直線位移，也可以用它帶動螺旋電位器，調(diào)節(jié)電壓或電流，從而實現(xiàn)對執(zhí)行機構的控制。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，由于它可以直接接受計算機來的數(shù)字信號，不需要進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，所以用起來更方便。步進電機角位移與控制脈沖間精確同步。若將角位移的改變轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性位移、位置、體積、流量等物理量的變化，便可實現(xiàn)對它們的控制。 步進電機作為執(zhí)行元件的一個顯著特點，就是具有快速啟停能力。如果負荷不超過步進電機所提供的動態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能夠在“一剎那”間使步進電機啟動或停轉(zhuǎn)。一般，步進電機的步進速率為2001 000步每秒。如果步進電機以逐漸加速到最高轉(zhuǎn)速，然后再逐漸

29、減速到零的方式工作，即使其步進速率增加12倍，仍然不會失掉一步。 步進電機的另一顯著特點是精度高。在沒有齒輪傳動的情況下，步距角(即每步所轉(zhuǎn)過的角度)可以由每步90到每步0.36。另一方面，無論變磁阻式步進電機還是永磁式步進電機，它們都能精確地返回到原來的位置。如一個24步(每步為15)的步進電機，當其向正方向步進48步時，剛好轉(zhuǎn)兩轉(zhuǎn)。如果再反方向轉(zhuǎn)48步，電機將精確地回到原始的位置。正因為步進電機具有快速啟停，精確步進以及能直接接收數(shù)字量等特點，所以使其在定位場合中得到了廣泛的應用。如在繪圖機、打印機及光學儀器中都采用步進電機來定位繪圖筆、印字頭或光學鏡頭。特別在工業(yè)過程控制的位置控制系統(tǒng)中

30、，由于步進電機精度高以及不用位移傳感器即可達到精確的定位，所以應用越來越廣泛。4.4.1 步進電機的工作原理 步進電機實際上是一個數(shù)字角度轉(zhuǎn)換器，也是一個串行的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。其結構原理，如圖4.40所示。從圖4.40所示可以看出，電機的定子上有6個等分的磁極，即A，A，B，B，C，C。相鄰兩個磁極間的夾角為60。相對的兩個磁極組成一相，如圖4.40所示的結構為三相步進電機(A-A相，B-B相，C-C相)。當某一繞組有電流通過時，該繞組相應的兩個磁極立即形成N極和S極，每個磁極上各有5個均勻分布的矩形小齒。 步進電機的轉(zhuǎn)子上沒有繞組，而是由40個矩形小齒均勻分布在圓周上，相鄰兩齒之間的夾角為9。當

31、某相繞組通時，對應的磁極就會產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。若此時定子的小齒與轉(zhuǎn)子的小齒沒有對齊，則在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一定的角度，使轉(zhuǎn)子齒和定子齒對齊。由此可見，錯齒是促使步進電機旋轉(zhuǎn)的根本原因。 例如，在單三拍控制方式中，假如A相通電，B，C兩相都不通電，在磁場的作用下，使轉(zhuǎn)子齒和A相的定子齒對齊。若以此作為初始狀態(tài)，設與A相磁極中心對齊的轉(zhuǎn)子齒為0號齒，由于B相磁極與A相磁極相差120，且120913 (余3/9）不為整數(shù)，所以，此時轉(zhuǎn)子齒不的中心線，與中心能與B相定子齒對齊，只是13號小齒靠近B相磁極線相差3。如果此時突然變?yōu)锽相通電，而A，C兩相都不通電，則B相磁極迫使13號轉(zhuǎn)子齒與

32、之對齊，整個轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動3。此時，稱電極走了一步。 同理，我們按照ABCA順序通電一周，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動9。磁阻式步進電機的步距角（QS）可由下邊的公式求得：式中，NMcC為運行拍數(shù)，其中Mc為控制繞組相數(shù)，C為狀態(tài)系數(shù)。采用單三拍或雙三拍時，C1；采用單六拍或雙六拍時，C2。Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。4.4.2 步進電機控制系統(tǒng)的原理典型的步進電機控制系統(tǒng)，如圖4.41所示。步進電機控制是由緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯及正、反轉(zhuǎn)控制門等組成的。它的作用就是能把輸入的脈沖轉(zhuǎn)換成環(huán)型脈沖，以便控制步進電機，并能進行正、反向控制。功率放大器的作用就是把控制器輸出的環(huán)型脈沖加以放大，以驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。在這種控制

33、方式中，由于步進控制器線路復雜，成本高，因而限制了它的應用。但是，如果采用計算機控制系統(tǒng)，由軟件代替上述步進控制器，則問題將大大簡化。這不僅簡化了線路，降低了成本，而且可靠性也大為提高。特別是采用微型計算機控制，更可以根據(jù)系統(tǒng)的需要，靈活改變步進電機的控制方案，使用起來很方便。典型的單片機控制步進電機系統(tǒng)原理圖，如圖4.42所示。將圖4.42與圖4.41相比，主要區(qū)別在于用單片機代替了步進控制器。因此，單片機的主要作用就是把并行二進制碼轉(zhuǎn)換成串行脈沖序列，并實現(xiàn)方向控制。每當步進電機脈沖輸入線上得到一個脈沖，它便沿著方向控制線信號所確定的方向走一步。只要負載在步進電機允許的范圍之內(nèi)，那么，每個

34、脈沖將使電機轉(zhuǎn)動一個固定的步距角度。根據(jù)步距角的大小及實際走的步數(shù)，只要知道初始位置，便可知道步進電機的最終位置。主要解決如下幾個問題：（1）用軟件的方法實現(xiàn)脈沖序列（2）步進電機的方向控制；（3）步進電機控制程序的設計。1脈沖序列的生成在步進電機控制軟件中必須解決的一個重要問題，就是產(chǎn)生一個如圖4.43所示的周期性脈沖序列。 對于一個數(shù)字線來說，脈沖高度是由使用的數(shù)字元件電平來決定的，如一般TTL電平為05V，CMOS電平為010V等。在常用的接口電路中，所用電平多為05V。接通和斷開時間可用延時的辦法來控制。例如，當向步進電機相應的數(shù)字線送高電平（表示接通）時，步進電機便開始步進。 用軟件

35、實現(xiàn)脈沖波的方法是先輸出一高電平，然后再利用軟件延長一段時間，而后輸出低電平，再延時。延時時間的長短由步進電機的工作速率來決定。2方向控制常用的步進電機有三相、四相、五相、六相4種，其旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序有關。下邊以三相步進電機為例進行講述。三相步進電機有3種工作方式： （1）單三拍，通電順序為ABC ；（2）雙三拍，通電順序為ABBCCA；（3）三相六拍，通電順序為AABBBCCCA。 如果按上述3種通電方式和通電順序進行通電，則步進電機正向轉(zhuǎn)動。反之，如果通電方向與上述順序相反，則步進電機反向轉(zhuǎn)動。例如在單三拍中反相的通電順序為ACBA，其他兩種方式可以依次類推。步進電機的方向控制

36、方法是：（1）用單片機輸出接口的每一位控制一相繞組。例如，用8位單片機8031控制三相步進電機時，可用P1.0，P1.1，P1.2分別接至步進電機的A，B，C三相繞組。（2）根據(jù)所選定的步進電機及控制方式，寫出相應控制方式的數(shù)學模型。如上面講的三種控制方式的數(shù)學模型分別為如下所述。 以上為步進電機正轉(zhuǎn)時的控制順序及數(shù)學模型。如果按上述逆順序進行控制，則步進電機將向相反方向轉(zhuǎn)動。由此可知，所謂步進電機的方向控制，實際上就是按照某一控制方式（根據(jù)需要進行選定）所規(guī)定的順序發(fā)送脈沖序列，達到控制步進電機方向的目的。 由于步進電機需要的驅(qū)動電流比較大，所以單片機與步進電機的連接都需要專門的接口電路及驅(qū)

37、動電路。接口電路可以是鎖存器，也可以是可編程接口芯片，如8255，8155等。 驅(qū)動器可用大功率復合管，也可以是專門的驅(qū)動器。有時為了抗干擾，或避免一旦驅(qū)動電路發(fā)生故障，造成功率放大器中的高電平信號進入單片機而燒毀器件，因而在驅(qū)動器與單片機之間加一級光電隔離器。2. 步進電機程序設計 步進電機程序設計的主要任務是：判斷旋轉(zhuǎn)方向；按順序傳送控制脈沖；判斷所要求的控制步數(shù)是否傳送完畢。因此，步進電機控制程序就是完成環(huán)型分配器的任務，從而控制步進電機轉(zhuǎn)動，達到控制轉(zhuǎn)動角度和位移之目的。首先要進行旋轉(zhuǎn)方向的判別，然后轉(zhuǎn)到相應的控制程序。正反向控制程序分別按要求的控制順序輸出相應的控制模型，再加上脈寬延

38、時程序即可。脈沖序列的個數(shù)可以用累加器進行計數(shù)?？刂颇Ｐ涂梢砸粤⒓磾?shù)的形式一一給出。下面以三相雙三拍為例說明這類程序的設計。設所要求的步數(shù)為N?？刂茦酥締卧?0H的D0 位為1時，表示正轉(zhuǎn)；該位為0時，表示反轉(zhuǎn)。其程序流程圖，如圖4.46所示。 以上程序設計方法對于節(jié)拍比較少的程序是可行的。但是，當步進電機的節(jié)拍數(shù)比較多（如三相六拍、六相十二拍等）時，用這種立即數(shù)傳送法將會使程序很長，因而占用很多個存儲器單元。所以，對于節(jié)拍比較多的控制程序，通常采用循環(huán)程序進行設計。 所謂循環(huán)程序，就是把環(huán)型節(jié)拍的控制模型按順序存放在內(nèi)存單元中，然后逐一從單元中取出控制模型并輸出。如此可簡化程序。節(jié)拍越多，優(yōu)

39、越性越顯著。下面以三相六拍為例進行設計，其流程圖如圖4.47所示。4.4.4 步進電機步數(shù)及速度的確定方法 要想使步進電機按一定的速率精確地到達指定的位置（角度或位移），前邊講的子程序ROUTNl和ROUTN2中，步進電機的步數(shù)N和延時時間DELAY是兩個重要的參數(shù)。前者用來控制步進電機的精度，后者則控制其步進的速率。那么，如何確定這兩個參數(shù)，將是步進電機控制程序設計中十分重要的問題。1. 步進電機步數(shù)的確定步進電機常被用來控制角度和位移，例如，用步進電機控制旋轉(zhuǎn)變壓器或多圈電位器的轉(zhuǎn)角。此外，穿孔機的進給機構、軟盤驅(qū)動系統(tǒng)、光電閱讀機、打印機、數(shù)控機床等也都用步進電機精確定位。例如，用步進電

40、機帶動一個10圈的多圈電位計來調(diào)整電壓。假定其調(diào)壓范圍為010V，現(xiàn)在需要把電壓從2V升到2.1V，此時，步進電機的行程角度為 10 V:3 600(2.1V-2V) :X X36 如果用三相三拍的控制方式，由公式(4-3)可計算出步距角為3，由此可計算出步進電機的步數(shù)N36/312(步)。但如果用三相六拍的控制方式，則步距角為1.5，其步數(shù)為N36/1.524(步)。由此可見，改變步進電機的控制方式，可以提高精度，但在同樣的脈沖周期下，步進電機的速率將降低。 同理，也可以求出位移量與步數(shù)之間的關系。 2. 步進電機控制速度的確定 步進電機的步數(shù)是保證精度的重要參數(shù)之一。在某些場合，不但要求能

41、精確定位，而且還要求在一定的時間內(nèi)到達預定的位置，這就要求控制步進電機的速率。 步進電機速率控制的方法就是改變各通電脈沖的時間間隔，亦即改變程序ROUTN1和ROUTN2中的延時時間。例如，在ROUTN2程序中，步進電機轉(zhuǎn)動10圈需要2秒鐘，則每步進一步需要的時間為所以，只要在輸一個脈沖后，延時833s，即可達到上述之目的。4.4.5 步進電機的變速控制 要求步進電機的速率盡可能快一些。但如果速度太快，則可能產(chǎn)生失步。此外，一般步進電機對空載最高啟動頻率都有所限制。所謂空載最高啟動頻率是指電機空載時，轉(zhuǎn)子從靜止狀態(tài)不失步地步入同步（即電機每秒鐘轉(zhuǎn)過的角度和控制脈沖頻率相對應的工作狀態(tài)）的最大控

42、制脈沖頻率。當步進電機帶負載時，它的啟動頻率要低于最高空載啟動頻率。 根據(jù)步進電機的矩頻特性可知，啟動頻率越高，啟動轉(zhuǎn)矩越小，帶負載的能力越差；當步進電機啟動后，進入穩(wěn)態(tài)時的工作頻率又遠大于啟動頻率。由此可見，一個靜止的步進電機不可能一下子穩(wěn)定到較高的工作頻率，必須在啟動的瞬間采取加速的措施。一般來說，升頻的時間約為0.11s之間。反之，從高速運行到停止也應該有減速的措施。減速時的加速度絕對值常比加速時的加速度大。 為此，引進一種變速控制程序，該程序的基本思想是，在啟動時，以低于響應頻率fs的速度運行；然后慢慢加速，加速到一定速率fe 后，就以此速率恒速運行。當快要到達終點時，又使其慢慢減速，

43、在低于響應頻率fs 的速率下運行，直到走完規(guī)定的步數(shù)后停機。 這樣，步進電機便可以最快的速度走完所規(guī)定的步數(shù)，而又不出現(xiàn)失步。上述變速控制的過程，如圖4.48所示。1. 改變控制方式的變速控制 最簡單的變速控制可利用改變步進電機的控制方式實現(xiàn)。例如，在三相步進電機中，啟動或停止時，用三相六拍，大約在0.1s以后，改用三相三拍的分配方式；在快達到終點時，再度采用三相六拍的控制方式，以達到減速控制的目的。 2. 均勻地改變脈沖時間間隔的變速控制 步進電機的加速（或減速）控制，可以用均勻地改變脈沖時間間隔來實現(xiàn)。例如，在加速控制中，可以均勻地減少延時時間間隔；在減速控制時，則可均勻地增加延時時間間隔。具體