第二章电机控制技术(新教材)

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1、电动机控制接口技术,电动机控制接口技术,直流电动机控制接口技术 步进电机控制接口技术,电动机控制技术概述,电动机是被广泛应用的原动机 电动机的控制要求越来越高：启、停、逆转快速，调速快、准。 电动机控制器的发展：电机控制元件经历了从交流放大器到磁放大器、可控离子变速器、可控硅、计算机控制。 计算机控制又分为微机控制系统、单片机控制装置和专用控制板卡等，并且采用了复杂的控制算法。 脉冲宽度调制技术，在直流小功率电动机调速中已经成熟，在直流中、小功率方面正在迅速取代可控硅SCR直流调速系统，但在交流和大功率电动机调速方面尚属研究中。 电动机调速的发展趋势：微型化、智能化、一体化，即将以微型计算机（

2、单片机）为核心的控制器做到电动机上。,电动机控制接口技术,1、小功率直流电动机调速原理 2、开环脉冲宽度调速系统 3、脉冲宽度调速系统设计 4、闭环脉冲宽度调速系统 5、交流电动机控制接口技术,小功率直流电动机调速原理 脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation ）PWM原理,小功率直流电动机由转子和定子组成，定子可以是磁极或励磁绕组。 其转速与加在转子电枢上的电压Ua有关， Ua转速V；所加电压极性改变，则电动机反转。,小功率直流电动机调速原理,定子绕组及产生的磁场,转子,电枢,脉冲宽度调速系统原理图,PWM原理,据此原理，通过改变电动机电枢电压接通和断开的时间比（即占空比）

3、来控制电动机的转速，这种方法就称为脉冲宽度调制PWM。 脉宽调制转速公式（平均转速）： Vd=Vmax * D 其中，Vd-电动机平均转速； Vmax全通电时速度（最大）； D= t1 /T-占空比， t1是通电时间，T是脉宽周期。D1。 Vd D，与单纯的周期T无关,Vd与D只是近似的线性关系，与单纯的周期T无关（与步进电机的调速脉冲不同，步进电机的转速与脉冲频率成正比）。在D不变的情况下，T越小，电机转速越平稳。,平均速度与占空比的关系,PWM原理,开环脉冲宽度调速系统,1、开环脉冲宽度调速系统的组成 （1）占空比D的设定 1）用电位器调节、2）用拨码开关、3）用数字键盘 （2）脉冲宽度发

4、生器 ：软件编程 （3）驱动器:TTL放大电路 （4）电子开关 :用晶体管、场效应管、可控硅、继电器 （5）电动机,2、电动机控制接口 上图中的第3、4两部分即为接口部分。直流电机与微机的接口有以下4种方法： （1）光电隔离器+大功率场效应管 :适用于自己开发的系统，价格低 （2）固态继电器 :适用于自己开发的系统，价格低 （3）专用接口芯片 :如L290、L291、L292等，价高、但可靠 （4）专用接口板:如7501、7502，主要用于STD或PC机系统 如用单片机控制，即可产生并输出调制脉冲，再加上光电隔离器+大功率场效应管，或者加上固态继电器就构成了接口部件和脉宽调速控制器。,开环脉冲

5、宽度调速系统,一、脉宽占空比设计 由脉宽调制转速公式： Vd=Vmax * D 电动机平均转速Vd、全通电时速度 Vmax 已知，对于给定的平均转速Vd ，便可计算出占空比D。 占空比D= t1 /T ， t1是通电时间， t2是断电时间。 脉宽周期T= t1 + t2 设单位时间（ t0 ）计一个数，则通电时间t1计数 N1= t1 / t0 ， 断电时间t2计数N2= t2 / t0(即N1补) ， 1、软件延时法P119 2、计数法P119,脉冲宽度调速系统设计,二、电动机转动控制原理 正转：SW1、SW4闭合 反转：SW2、SW3闭合 刹车：SW2、SW4闭合 （或SW1、SW3闭合）

6、 滑行：SW1、SW2、SW3、 SW4全部断开,脉冲宽度调速系统设计,双向控制电动机工作状态真值表,PA0、PA1为0时，SW1、SW3才有可能导通 SWx状态：PA0、1为1时导通，为0时截止 SWx用的是场效应管 PB0-PB7：设置脉冲宽度， 即方波的占空比 74LS125：四总线三态缓冲器,脉冲宽度调速系统设计,四、控制系统的软件设计 1、流程图（右图） 2、汇编程序:见教材P122 （略）,设定占空比 （或转速）,通电时间,断电时间,脉冲宽度调速系统设计,闭环脉冲宽度调速系统,为了提高电动机脉冲宽度调速系统的精度，通常采用闭环脉冲宽度调速系统。 闭环系统是在开环系统的基础上增加了电

7、动机的速度检测回路，意在将检测到的速度与给定值比较，并由数字调节器（PID）进行调节。其原理框图如左图所示。,采用微型机的电动机速度控制系统原理图,一、测速发电机 1、测速发电机的工作原理 测速发电机是一种将转子转速转换成电信号的装置。根据结构及工作原理的不同，分为直流和交流测速发电机。 测速发电机的工作原理：用被控制的电动机，带动测速发电机的转子在定子所形成的磁场中旋转，转子绕组切割磁力线，便产生了感应电动势，即有电压。转速越高，电压越高。电压便与电动机的转速成正比，由此得到电动机的转速信息。 测速发电机的特点是分辨率较高，价格较低。,闭环脉冲宽度调速系统,2、直流闭环脉冲宽度调速系统原理图

8、,直流脉宽可逆调速系统原理图,闭环脉冲宽度调速系统,二、数字式转速传感器 数字式转速传感器，是把旋转轴的转速直接转换成数字量的一种装置。计算机控制系统最常用的是码盘式转速传感器。 下图为增量式和绝对式码盘。,透明式光电码盘的结构,闭环脉冲宽度调速系统,1、增量式码盘的工作原理 增量式码盘的脉冲输入到计算机的计数器，其转速公式为： nm=60*Nc/n/t1（转/分） 式中：nm -转速，单位为r/min Nc -在t1时间内测得的脉冲数 n-码盘上一周的缝隙数 t1 -测速时间，单位为秒 Nc/n：为在t1时间内码盘转的总圈数,闭环脉冲宽度调速系统,2、绝对式码盘的工作原理 有数字的方格示透光

9、，无数字的方格示不透光，透光的地方经光敏元件输出1，不透光的地方经光敏元件输出0。 每一个位圈需要一个光敏元件，8个位圈需要8个光敏元件，可以计数256。 8位光敏元件输出的数据，可以直接接到计算机的数字量输入端口。每隔一段时间读一次数据，两次的数据差除以码盘上的缝隙数，即为转的圈数。转速=两次的数据差/码盘上外圈的缝隙数/时间,转速仍然可以用前面的公式， Nc理解为数据差,D0位圈,D1位圈,D2位圈,D3位圈,D4位圈,最外圈,有数字的格为透光,总格数,闭环脉冲宽度调速系统,交流电动机控制接口技术,1、交流电动机的调速正在研究发展中 交流电动机的调速比较复杂，是一个非常活跃的领域，有待进一

10、步研究和开发。此处作简单介绍。 2、交流电动机调速的的特点 1）电流作正反两个方向流动；2）电压较高（220V-380V）需要加光电隔离，常用交流固态继电器。 3、采用固态继电器与交流伺服电机的接口电路,PC0=1，PC1=0，A相导通，电动机正转。 PC0=0，PC1=1，B相导通，电动机反转。 PC0=0，PC1=0，A相与B相均关闭，电动机不运转。 R4与电容C的作用是消除伺服电机关断时的浪涌电压。 光敏电阻R2和电阻R3的作用是组成过零检测电路，产生双向触发脉冲。,采用固态继电器的交流伺服电动机控制电路,交流电动机控制接口技术,步进电机控制接口技术,一般电机都是连续旋转，而步进电机却是

11、一步一步地转动，故叫步进电机。具体而言，每当步进电机的驱动器接收到一个驱动脉冲信号后，步进电机将会按照设定的方向转动一个固定的角度（有的步进电机可以直接输出线位移，称为直线电动机）。因此，步进电机是一种将电脉冲转化为角位移（或直线位移）的执行机械。对于经常使用的角位移步进电机，用户可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时还可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。,步进电机的特点及应用,步进电机运转精度高 旋转单位是“步”，一步的最小转角可以小到0.36度（最大转角达到90度）。步进电机若前进一定的步数，然后再后退相同的步数，则可精确的回到

12、原来的位置。 步进电机启、停速度快 能够在“一刹那”间使步进电机启动或停止，在快速启停时不会失掉一步。一般转速为200-1000步/秒。 步进电机在定位场所得到了广泛的应用 如：在绘图仪、打印机、扫描仪、复印机等设备及光学仪器中应用。其定位不需要位移传感器测定位置。,步进电机的工作原理,步进电动机分为机电式、磁电式及直线式三种基本类型。 磁电式步进电动机主要有反应式（简称VR）、永磁式（简称PM）和永磁感应式（又称为混合式步进电机，简称HB）三种。,反应式步进电机的工作原理,反应式步进电动机在定、转子铁心的内外表面上设有按一定规律分布的相近齿槽，利用这两种齿槽相对位置变化引起磁路磁阻的变化产生

13、转矩。 反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步矩角一般为1.5，精度容易保证，起动和运行频率较高，但噪声和振动都很大，在欧美等发达国家在20世纪80年代已被淘汰。,反应式步进电机的工作原理,1、结构 电机的定子上有6个等分的磁极，即A、A、B、B、C、C。相邻两个磁极间的夹角为60。相对的两个磁极组成一相，图示结构为三相步进电机(AA相，BB相，CC相)。当某一绕组有电流通过时，该绕组相应的两个磁极立即形成N极和S极，每个磁极上各有5个均匀分布的矩形小齿。 步进电机的转子上没有绕组，它是由40个矩形小齿均匀分布在圆周上，相邻两齿之间的夹角为9。当某相绕组通电时，对应的磁极就会产生磁场，

14、并与转子形成磁路。若此时定子的小齿与转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子转动一定的角度，使转子齿和定子齿对齐。由此可见，错齿是促使步进电机旋转的根本原因。,反应式步进电机的工作原理,2、工作原理 定子各相（AA、BB、CC）相差120度依次单独通电，则定子所产生的磁场按AA、BB、CC、AA、BB、顺序旋转。,转子旋转原理 AA上通电时 为了构成闭合的磁力线、并且使磁阻最小，转子上的齿要与定子AA上的齿对齐。设转子与定子A相中间的齿相对的齿记为0号齿。 BB上通电时 为了构成闭合的磁力线、并且使磁阻最小，转子上的齿也要与定子BB上的齿对齐。 转子上与定子B相中间应该对齐的齿号为120/9

15、=13.33，不是整数，即转子与定子上的齿未对齐，则磁阻大，为减小磁阻，转子要旋转。第13、14号齿距离B相中间的角度分别为3和6，因此13号齿顺时针旋转3与定子齿对齐。,CC相通电 同样的道理，转子仍然顺时针旋转3。 定子按AB C A B 通电时，则转子按顺时针方向旋转。 步距角： 每步的转角为3，即步距角为3。 通电一周的旋转角度：照AB C A顺序通电一周，则转子旋转9。 反转方法：若通电顺序反过来， 按CB A C通电，则转子旋转方向相反。 3、步距角Qs计算公式 Qs=360/(N*Zr) 式中： Zr为转子齿数； N=Mc*C为通电一周的拍数，叫运行拍数。 其中，Mc为绕组相数；

16、C为状态数，采用（单、双）三拍时C=1，采用（单、双）六拍时C=2。 如三相三拍，步距角为3；三相六拍，步距角为1.5。,括号内为每转一圈的步数,步进电机的工作原理,永磁式步进电机包括一个永磁转子、线圈绕组和导磁定子。激励一个线圈绕组将产生一个电磁场，分为北极和南极。图示为一个线圈激励而产生电磁场。 定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对置，通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。,永磁式步进电机的工作原理,两相步进电机的典型步序（单相通电时）：,永磁式步进电机的工作原理,在第1步中，两相定子的A相通电，因异性相吸，其磁场将转子固定在图示位置。 当A相关闭，B相通电时，转子顺时针旋转90度。 第3步中，B相关闭，A相通电，但极性与第1步相反，这促使转子再次旋转90度。 在第4步中，A相关闭，