电动机的单片机控制.pdf

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】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。:..电动机的单片机控制电动机调速系统可分成三大部分;即控制、驱动、反馈;一、单片机在电动机控制中主要作用1、PWM口广泛地应用在直流电动机控制中,它一经初始化设定后自动发出PWM控制信号,CPU只是在需要调整参数时才介入;2、新型单片机的捕捉功能在电动机控制中用于测频;它相当于老式单片机中用计数器与外中断联合测频功能;3、电动机是一个电磁干扰源,除了采用必要的隔离、屏蔽和电路板合理布线等措施外,看门狗的功能就会显得格外重要;看门狗在工作时不断地监视程序运行的情况;一旦程序“跑飞”,会立刻使单片机复位;4、功率集成电路是电力电子技术与微电子技术相结合的产物;它将半导体功率器件与驱动电路、逻辑控制电路、检测与诊断电路、保护电路集成在一块芯片上,使功率器件含有某种智能功能;二、机电传动系统的动力学基础1、反抗转矩的特点是:转矩的方向总是与转速的方问相反;;因摩擦和非弹性体的压缩、拉伸、扭转等作用所产生的负载转矩都属于反抗转矩;;2、;与运动方向无关;它是由物体的重力和弹性体的压缩、拉伸、扭转等作用所产生的负载转矩;位能转矩在某方向阻碍运动,在相反方向却促进运动;起重机起吊重物时,;3、电力拖动系统的稳定运行有两种含义:第一是应能以一定的速度匀速运转;第二是系统受到某种外部干扰如电压波动、负载转矩波动等使转速稍有变化时,应保证干扰消除后仍能以原来的转速运行;要做到第一点;就必须使电动机的电磁转矩与负载转矩大小相等,方向相反,相互平衡;这就意味着电动机的机械特性曲线与工作机械的特性曲线有—个交点;但是,有交点只是保证系统稳定的必要条件,它的充分条件是这个交点必须:..是稳定的平衡点;电力拖动系统稳定运行的必要充分条件是:①、电动机与工作机械的机械特性曲线要有一个交点;②、在这个交点对应的转速之上,必须要保证T<T;而在这个交点对应的Z转速之下要保证T>T;Z三、常用的电力电子器件1、典型驱动电路⑴、EXB840它主要由输入隔离电路、驱功放大电路、过流检测及保护电路以及电源组成;EXB840的引脚定义如下:引脚1用于连接反偏置电源的滤波电容;引脚2和引脚9分别是电源和地;引脚3为驱动输出;引脚4用于连接外部电容器,以防止过流保护误动作一般场合不需要这个电容;引脚5为过流保护输出;引脚6为IGBT集电极电压监视端;引脚14和引脚15为驱动信号输入端;其余引脚不用;EXB840集成电路驱功IGBT的典型应用电路::..2、M57962L集成电路四、单片机对电动机控制的支持1、C8051用于控制电动机时的输入输出端口设置在I/o口Po、P1、P2与内部资源之间是使用交叉开关进行连接的;当需要将某些内部资源与I/、xBRl、xBR2进行设置;设置交叉开关控制寄存器XBRo、xBRl、xDR2的作用是:确定被选择的资源;这些被选择的资源分配到哪些I/o引脚上去,则由交叉开关优先表根据排列的优先顺序来确定;2、电动机控制中的模/数转换在C805l中的实现:..ADC可编程窗口检测器在电动机控制应用中非常有用;它不停地、自动地将ADc输出与用户编程的极限值进行比较;并在检测到越限条件时通知系统控制器;3、,通过调节PwM信号的占空比来实现调速;因此,PwM波发生器在直流电动机的控制中是不可缺少的;此外,电动机控制中还经常需要对输出的频率信号进行测频例如,光电编码盘的输出,;c805l单片机有PwM功能和捕捉功能;这些功能都包含在一个称为可编程计数器列阵PcA当中;PcA除了有PwM功能和捕捉功能外,还有比较功能和高速输出功能;五、电动机控制中常用的位移、角度、转速检测传感器1、光栅位移检测传感器2、光电编码盘角度检测传感器编码盘方向的辨别:..经过放大整形后的A、—15a所示;因此,D触发器的cP端在A脉冲的上升沿触发;由于A、B脉冲相位相差90O;当正转时,B脉冲超前A脉冲90O;触发器总是在B脉冲处于高电平时触发,如图5—15b所示,这时Q=;,这时Q=0,表示反转;A、;这样,;;,计数值每次反映的都是相对与上次角度的增量,形成增量编码;3、测速发动机六、模拟PID控制原理在模拟PID控制器中,比例环节的作用是对偏差瞬间作出快速反应;偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,使控制量向减少偏差的方向变化;控制作用的强弱取决于比例系数Kp,K越大,控制越强,但过大的K会导致系统振荡,破坏系PP统的稳定性;由式4—,第一项才有控制量输出;所以,对大部分被控制对象如直流电机的调压调速,要加上适当的与转速和机械负载有关的控制常量u否则,比例环节将会产生静态误差;o:..积分环节的作用是把偏差的积累作为输出;在控制过程中,只要有偏差存在,积分环节的输出就会不断增大;直到偏差et=o,输出的ut才可能维持在某一常量,使系统在给定值rt不变的条件下趋于稳态;因此,即使不加控制常量u,也能消除系o统输出的静态误差;积分环节的调节作用虽然会消除静态误差,但也会降低系统的响应速度,增加系统的超调量;积分常数T越大,积分的积累作用越弱;增大积分常数T会减慢II静态误差的消除过程,但可以减少超调量,提高系统的稳定性;所以,必须根据实际控制的具体要求来确定T;I实际的控制系统除了希望消除静态误差外,还要求加快调节过程;在偏差出现的瞬间,或在偏差变化的瞬间,不但要对偏差量作出立即响应比例环节的作用,而且要根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正;,形成PID控制器;微分环节的作用是阻止偏差的变化;它是根据偏差的变化趋势变化速度进行控制;偏差变化得越快,微分控制器的输出就越大,并能在偏差值变大之前进行修正;微分作用的引入,将有肋于减小超调量,克服振荡,,它加快了系统的跟踪速度;但微分的作用对输人信号的噪声很敏感,对那些噪声较大的系统一般不用微分,或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波;适当地选择微分常数T,可以使微分的作用达到最忧;D七、直流电动机调速系统1、PwM调速原理:..占空比a表示了在一个周期T里,开关管导通的时间与周期的比值;a的变化范围为o≤a≤1;由式6—2可知,当电源电压Us不变的情况下,电枢的端电压的平均值Uo取决于占空比a的大小,改变a值就可以改变端电压的平均值,从而达到调速的目的,这就是PwM调速原理;在PwM调速时,占空比a是一个重要参数;以下3种方法都可以改变占空比的值;1定宽调频法这种方法是保持t不变,只改变t,这样使周期T或频率也随之改变;122调宽调频法这种方法是保持t不变,而改变t,这样使周期T或频率也随之改变;213定频调宽法这种方法是使周期T或频率保持不变,而同时改变t和t;12前2种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期或频率;当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时,将会引起振荡,因此这2种方法用得很少;目前,在直流电动机的控制中,主要使用定频调宽法;PwM控制信号的产生方法有4种;1分立电子元件组成的PwM信号发生器:..这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PwM信号电路,现已被淘汰了;2软件模拟法利用单片机的一个I/O引脚,通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PwM波输出;这种方法要占用cPu大量时间,使单片机无法进行其他工作,因此也逐渐被淘汰;3专用PWM集成电路从PwM控制技术出现之日起,就有芯片制造商生产专用的PwM集成电路芯片,现在市场上已有许多种;这些芯片除了有PWM信号发生功能外,还有“死区”调节功能、保护功能等;在用单片机控制直流电动机中,使用专用PwM集成电路可以减轻单片机负担、工作更可靠;4单片机的PwM口新一代的单片机增加了许多功能,其中包括PWM功能;单片机通过初始化设置,使其能自动地发出PwM脉冲波;只有在改变占空比时CPUu才进行干预;后2种方法是日前PwM信号获得的主流方法;2、直流电动机的不可逆PWM系统直流电动机PwM控制系统有可逆和不可逆系统之分;可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转;不可逆系统是指电动机只能单向放转;对于可逆系统,又可分为单极性驱动和双极性驱动两种方式;单极性驱动是指在一个PWM周期里,作用在电抠两端的脉冲电压是单一极性的;双极性驱动则是指在一个PwM周期里,作用在电枢两端的脉冲电压是正负交替的;1无制动的不可逆PwM系统电动机的电枢电流不能反向流动,因此它不能工作在制动状态;:..2有制动的不可逆PwM系统:..V,只在制动时起作用;开关管v1、v2的PwM信号电2平方向相反;:..PWM系统在每个PwM周期里,、v4导通,、v3截止,电枢绕组承受从A到B的正向电压;当控制信号Ui1低电平时,开关管vl、v4截止,、v3导通,电枢绕组承受从B到A的反向电压;这就是所谓的“双极”;,可用下式决定:O由式6—3可见,双极性可逆PwM驱动时,电枢绕组所受的平均电压取决于占:..当a=o时,uo=-Us,;当a==Us,电动机正转,转速最大,当a=l/2时,uo=o,电动机不转;,使电动机产生高频振荡,这种振荡有利于克服电动机负载的静摩擦,提高动态性能;当电动机在轻载下工作时,负载使电枢电流很小,电流波形基本上围绕横轴上下波动,电流的方向也在不断地变化,如图6—9c所示;在每个PwM周期的o—、V3截止;开始时,由于自感电动势的作用,电枢中的电流维持原流向——从B到A,电流线路如图6—8中虚线4,经二极管D4、D1到电源,电动机处于再生制动状态;由于二极管的D4、D1钳位作用,此时v1、v4不能导通;当电流衰减到零后,在电源电压的作用下,v1、v4开始导通;电流经V1、V4形成回路,如图6—8中虚线1;;在每个PwM周期的tl__t2区间,vl、v4截止;电枢电流在自感电动势的作用下继续从A到B,其电流流向如图6—;当电流衰减为零后v2、vI开始导通,电流线路如图6—8中的虚线3,电动机处于反接制动状态;所以,在轻载下工作时,电动机的工作状态呈电动和制动交替变化;4、直流电动机单极性驱动可逆PWM系统图6—14是受限单极可逆PwM驱动系统;它与双极可逆系统的驱动电路相同,只是控制方式不同;在要求电动机正转时,开关管vl受PwM控制信号控制,开关管v4施加高电平使其常开;开关管v2、v3施加低电平,使它们全都截止;如图6—14所示的状态;:..开关管受PwM控制信号控制,开关管v2施加高电平使其常开;开关管v1、v4施加低电平,使它们全都截止;八、交流异步电动机变频调速系统SPWM波发生器SA4828芯片:..由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统,既非常简单、廉价,又非常可靠;;步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比,因此;,具有良好的跟随型;步进电动机只能通过脉冲电源供电才能运行;它不能直接使用交流电源和直流电源;1、按A—B—C—A顺序轮流给各相绕组通电,磁场按A—B—C方向转过了3600;转子则沿相同方向转过—个齿距角;绕组通电一次的操作称为一拍,转子每拍走一步,转子走一步所转过的角度称为步距角:2、细分驱动细分步法是将步进电动机绕组中的稳定电流分成若干阶级,每进一步时,电流升一级;,使步进过程平稳进行;步进电动机各相绕组的电流是按照工作方式的节拍轮流通电的;绕组通电的过程非常简单,即通电——断电反复进行;现在我们设想将这一过程复杂化一些,例如,每次通电时电流的幅值并不是一次升到位;而是分成阶级,逐个阶级地上升;同样海次断电时电流也不是一次降到0,而是逐个阶级地下降;如果这样做会发生什么现象:..,电磁力的大小与绕组通电电流的大小有关;当通电相的电流并不马上升到位,而断电相的电流并不立即降为0时,它们所产生的磁场合力;会使转子有一个新的平衡位置,这个新的平衡位置是在原来的步距角范围内;也就是说,如果绕组中电流的波形不再是一个近似方波,而是一个分成N个阶级的近似阶梯波,;当转子按照这样的规律转过N小步时,实际上相当于它转过一个步距角;这种将一个步距角细分成若干小步的驱动方法,就称为细分驱动;细分驱动使实际步距角更小了,可以大大地提高对执行机构的控制精度;、噪声和转短矩动;目前,采用细分技术已经可以将原步距角分成数百份;恒频脉宽调制细分驱动电路:恒频脉宽调制细分驱动电路如图8—20a所示;单片机是控制主体;它通过定时器To输出20kHz的方波,送D触发器,作为恒频信号;同时,输出阶梯电压的数字信号到D/,都使转子走一细分步;恒频脉宽调制细分电路工作原理如下:当D/A转换器输出的ua不变时,、T2导通,绕组中的电流上升,取样电阻Rz上压降增加;当这个压降大于ua时,比较器输出低电平,:..、T2截止,绕组的电流下降;这使得Rz上的压降小于ua,比较器输出高电平,使D触发器输出高电平,T1、T2导通,绕组中的电流重新上升;这样的过程反复进行,使绕组电流的波顶锯齿形;因为cLK的频率较高,锯齿形波纹会很小;当ua上升突变时,取样电阻上的压降小于ua,电流有较长的上升时间,,如图8—20b所示;同样,当ua下降突变时,取样电阻上的压降有较长时间大于ua,比较器输出低电乎,CLK的上升沿即使使D触发器输出1也马上被清0;,降到新的阶级为止;以上过程重复进行;ua的每一次突变,就会使转子转过一个细分步;ucN5804B集成电路芯片适用于四相步进电动机的单极性驱动:图8—21是这种芯片的一个典型应用;结合图8—21可以看出芯片的各引脚功能为:4、5、12、13脚为接地引脚,1、3、6、8脚为输出引脚,电动机各相的接线如图;14脚控制电动机的转向,其中低电乎为正转,高电平为反转;11脚是步进脉冲的输入端;9、10脚决定工作方式;:..3、步进电动机的单片机控制1控制换相顺序2控制步进电动机的转向3控制步进电动机的速度脉冲的频率决定了步进电动机的转速;步进电动机的速度控制通过控制单片机发出的步进脉冲频率来实现;对于图8—22所示的软脉冲分配方式,可以采用调整两个控制字之间的时间间隔来实现调速;对于图8—23所示的硬脉冲分配方式,可以控制步进脉冲的频率来实现调速;第一种是通过软件延时的方法;改变延时的时间长度就可以改变输出脉冲的频率;但这种方法使cPu长时间等待,占用大量机时,因此没有实用价值;第二种是通过定时器中断的方法;;这种方法占用cPu时间较少,在各种单片机中部能实现,是一种比较实用的调速方法;4、脉冲分配1通过软件实现脉冲分配2通过硬件实现脉冲分配8713脉冲分配器与单片机的接口例子如图8—23所示,本例选用单时钟输入方式,8713的3脚为步进脉冲输入端,4脚为转向控制端,这两个引脚的输入均由单片机提供和控制;选用对四相步进电动机进行八拍方式控制,所以5、6、7脚均接高电乎;:..5、步进电动机的运行控制1步进电动机的位置控制需要两个参数;第一个参数是步进电动机控制的执行机构当前的位置参数,我们称为绝对位置;绝对位置是有极限的,其极限是执行机构运动的范围,超越了这个极限就应报警;第二个参数是从当前位置移动到目标位置的距离,我们可以用折算的方式将这个距离折算成步进电动机的步数;这个参数是外界通过键盘或可调电位器旋钮输入的,所以折算的工作应该在键盘程序或A/D转换程序中完成;2步进电动机的加、减速控制:..十、无刷直流电动机1、工作原理无刷直流电动机是由电动机本体、,这样的结构正好与普通直流电动机相反;然而,即使这样改变还不够,因为定子上的电枢通入直流电以后,只能产生不变的磁场,电动机依然转不起来;;这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化,使定子磁场与转子永磁磁场始终保持900左右的空间角,产生转矩推动转子旋转;图9—9是三相无刷直流电动机的工作原理因;采用光电式位置传感器,电动机的定子绕组分别为A相、B相、c相,因此,光电式位置传感器上也有3个光敏接收元件vl、vz、v3与之对应;3个光敏接收元件在空间上间隔1200,分别控制3:..个开关管vA、vB、vC本例为半桥式驱动,只用3个开关管;这3个开关管则控制对应相绕组的通电与断电;遮光板安装在转子上,安装的位置与图中转子的位置相对应;为了简化,转于只有一对磁极;当转子处于图9—l0a所示的位置时,遮光板遮住光敏接收元件v2、v3,只有v1可以透光;因此,、c两相处于断电状态;;当转子转到图9—10b的位置时,遮光板遮住vl,并使v2透光;因此,v1输出低电乎使开关管VA截止,A相断电;同时,V2输出高电平使开关管vB导通,B相通电,c相状态不变;这样由于通电相发生了变化,使定子磁场方向也发生了变化,与转子永磁磁场相互作用,;当转子转到图9—l0c的位置时,遮光板遮住V2,同时使v3透光;因此,B相断电、c相通电,定子磁场方向又发生变化,继续推动转子转到图9—10d的位置,使转子转过一周又回到原来位置;如此循环下去,电动机就转动起来了;:..2、无刷直流电动机的单片机控制c805l的P1口作为输出口,通过驱功器7407控制全桥驱动电路上桥臂的P沟道MOSFETV1、V3、、V6、:..V2;;;;;,转了每转600换—种状态;导通状态的转换通过软件来完成;、H2、H3,不断地取相应的控制字送P1口来实现;因此;如果采用霍尔式位置传感器,根据P1口与MosFET管的连接关系;;本例中,通过c8051的PwM口,控制3个与门7409的B输入端;,开关电路的MOSFET管v4、v6、v2被封锁;当PwM口输出高电平时,与门7409的输出状态取决于单片机的控制字,MOsFET管v4、v6、v2的导通与截止按正常换相状态进行;;:..;转向的控制可通过软件来完成的,通过送反转控制字到P1即可;—25的限流电路是由采样电阻R和比较器LM324硬件组成;当电动机启动时,启动电流增大,在采样电阻R上的压降增大,当压降等于给定电压u0时,比较器LM324输出低电平,使MosFET开关管v4、v6、v2被关断,R上的电流迅速减小;R上的压阵也减小,当压降降到小于给定电压u0时,比较器输出高电乎,使M0sFET刀:关管v4、v6、v2恢复正常的通断顺序;如此下去,电流被限制在u0/R上下,达到限流的目的;