《执行器控制》由会员分享，可在线阅读，更多相关《执行器控制（97页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第10讲 执行器控制,农机自动监测与控制技术,智能农业机械设备可以根据决策支持系统在农作物生产中生成的指令，来准确地调节各种农业资源的投入。主要有变量播种设备，变量施肥设备、变量喷药设备、变量灌溉设备等。,执行器的概念与分类,执行器，即执行装置就是按照电信号的指令，将来自电、液压和气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的装置。 按利用的能源来分类，主要可分为电动执行装置、液压执行装置和气动执行装置。,新型执行装置： 压电执行装置：利用在压电陶瓷等材料上施加电压而产生变形的压电效应。 形状记忆合金执行装置：利用镍钛合金等材料具有的形状随温度变化，温度恢复时形状也恢复的形状记忆
2、性质。,电动执行器,直流电机 交流电机 步进电机 舵机（伺服电机）,直流电机（DC motor）,1. 直流电机工作原理,止口,左手定则,直流电动机通过换向器将直流转换成电枢绕组中的交流，从而使电枢产生一个恒定方向的电磁转矩。,2. 矩频特性曲线：电流控制曲线和电压控制曲线。,3. 直流电机的控制方式 改变电压或电流控制转速和转距。,其中，KE为电动势常数， KF为转矩常数。,优点：调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好（启动转矩大，启动电流小），运行平稳，转矩和转速容易控制。,4. 直流电机的特点,缺点：换向器需经常维护，电刷极易磨损，必须经常更换，噪音比交流电机大。,低转速力矩大
3、调速简单,小型直流电机,9,直流电机是一种将直流电转换成机械能的装置。根据转速的不同，直流电机可分成直流高速、直流低速和直流减速电机等几种。电机底部一般会有两个管脚（或引线）用于供电。,直流电机的通断控制,10,需要根据电机的功率设计三极管开关电路。三极管TIP110最大可驱动额定电压60V、额定电流2A的直流电机，并且在大电流工作状态中三极管需要添加散热器。,直流电机调速原理,直流电机速度计算公式 n = (U - IR) / K 其中: U 电枢端电压 I 电枢电流 R 电枢电路总电阻 K 电机结构参数 每极磁通量,结论： 电枢端电压越高，电机转速越快,PWM (Pulse Width M
4、odulation)控制是利用脉宽调制器对大功率晶体管开关放大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的矩形波电压，加到直流电机的电枢两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制，改变电枢两端的平均电压达到调节电机转速的目的。,直流电机调速原理,PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制,直流电机调速原理,在周期一定的前提下，正脉冲越宽，平均直流电压越高，电机转速越快。,什么是PWM（脉宽调制）？ 平均电压概念,14,电池电压为10V，如果闭合开关50ms，在这50ms内电灯的电压为10V，接着断开开关50ms，在这50ms内电灯的电压为0V。显然，在这100ms之内，电灯的
5、平均电压为：,15,通过使开关闭合与断开的时间各为50%，使电灯亮度降低，从平均上看，电灯的供电电压变成了5V。如果使开关闭合与断开的时间分配成60%和40%，在ta时间段内，开关闭合的时间为ta60%，而断开的时间为ta40%，所以平均电压为6V。此时电灯比10V时暗，但是比5V时稍亮。,PWM与平均电压,PWM与平均电压,16,利用开关对通、断时间的控制来改变平均电压的方法称为PWM。PWM信号是一个数字信号，这是因为在某一时刻，直流电平要么出现，要么不出现。电源以一系列脉冲的形式向负载供电。在带宽足够的情况下，任何模拟信号平均电压都可由PWM信号产生。,直流电机的运行控制 PWM信号与直
6、流电机,17,把PWM信号应用到直流电机的转速控制中，如果PWM信号发生器输出的矩形波信号为12V、且占空比为50%，于是得到PWM信号的平均电压为6V，这与电池所提供的电压相同。所以在PWM信号平均电压为6V时电机无论使用电池供电还是PWM信号发生器其转速是相同的。,如何 利用单片机I/O口输出PWM信号？,方法一：利用软件延时。高电平延时时间到，端口输出电平取反；低电平延时时间到，端口输出电平再取反，如此循环 方法二：利用定时器 方法三：利用单片机自带的PWM控制器,带有PWM控制器的单片机,带有PWM控制器的单片机,直流电机控制电路,直流电机内阻10，串入电阻10，电机工作电流250mA
7、，不宜长时间运行,达林顿驱动器,直流电机调速周期的占空比,直流电机调速程序,#include sbit KEY1 = P32; sbit PWM = P10; unsigned char CYCLE; /定义周期 该数字X基准定时时间 /如果是10 则周期是10 x 0.1ms unsigned char PWM_ON ; /定义高电平时间 void delay(unsigned int cnt) /延时函数 while(-cnt); ,main() unsigned char PWM_Num; /定义档位 TMOD |=0x01; /定时器设置 1ms in 12M crystal TH0=
8、(65536-1000)/256; TL0=(65536-1000)%256; /定时1mS IE= 0x82; /打开中断 TR0=1; CYCLE = 10; / 调整周期10ms while(1) if(!KEY1) delay(30000); if(!KEY1) PWM_Num+; if(PWM_Num=4)PWM_Num=0; switch(PWM_Num) case 0:P0=0x06;PWM_ON=0;break; /高电平时长 case 1:P0=0x5B;PWM_ON=4;break; case 2:P0=0x4F;PWM_ON=5;break; case 3:P0=0x66
9、;PWM_ON=6;break; default:break; ,定时中断,void tim(void) interrupt 1 using 1 static unsigned char count; TH0=(65536-1000)/256; TL0=(65536-1000)%256; /定时1mS if (count=PWM_ON) PWM = 1; /高电平（电机绕组不通电） count+; if(count = CYCLE) count=0; if(PWM_ON!=0) /如果左右时间是0 保持原来状态 PWM = 0; /低电平（电机绕组通电） ,直流电机的转向控制：H桥,26,转向
10、控制：电机的两个管脚（+、-）和电源之间由4个开关A、B、C、D控制着。图（a）中，开关A和D闭合，开关B和C断开，这样电流从直流电机的+极流向-极，于是电机正转。图（b）中，开关A和D断开，而开关B和C闭合，则电流的方向与刚才正好相反，从电机的-极流向+极，于是电机反转。 至于说转速的控制，可在图（a）中，利用开关A、D的闭合与断开给电机提供PWM信号，以此就可以控制正转的转速。同理，在图（b）中利用开关B、C产生PWM信号来控制反转的转速。,直流电机的转向控制,27,这4个开关在实际当中由场效应管充当。如图（a）所示，场效应管Q1与Q4共G极，被置高电平，同时场效应管Q2与Q3共G极，被置
11、0，于是Q1、Q4导通而Q2、Q3截止，于是电流从直流电机的+极流向-极，于是电机正转。在图（b）中场效应管Q1与Q4截止而Q2与Q3导通，于是电流从电机的-极流向+极，电机反转。,给场效应管的D极和S极之间并联一个二极管，当直流电机的电感产生高压而形成电流时，可以通过二极管放电而不会进入场效应管，从而保护了场效应管。,单片机控制直流电机,28,单片机的I/O口直接去操作场效应管的G极有些“力不从心”，因为场效应管的导通需要G极上有一个稍高的电压。于是可以G极前添加一个驱动电路，三极管Q5和Q7驱动场效应管Q2与Q3的共G极，而三极管Q6和Q8驱动场效应管Q1与Q4的共G极。只要把单片机的I/
12、O口分别接到三极管Q7和Q8就可以用程序控制直流电机的转速与转向了。,直流电机的全面控制,30,B0=B1=B2=B3=0时，4个场效应管全部截止时，直流电机两端就好像悬空一样，可以自由地转动，此时为空转状态。电机会因为惯性自由转动，不久由于摩擦等阻力的存在会，电机渐渐停止下来。 如果B1=B3=1且B0=B2=0，场效应管Q3和Q4导通。这样，电机两端好像短路一样，如果电机因为惯性还在转动，则在两端所产生的电动势在电机线圈中产生电流，该电流在磁场（电机中有磁体）作用下产生一个与转动方向相反的力，从而阻止电机继续转动，起到了刹车的作用。,直流电机的全面控制,31,在实际应用中，可用直流电机控制
13、芯片L298，电源端+Vs的供电与电机的额定电压相同，最大不超过46V。L298已经集成了场效应管和相应的驱动电路，只要操作其控制端就可实现直流电机的控制。在使能端EN B（11管脚）置1后，电机的正转、反转、刹车、空转运行状态通过控制端IN3（10管脚）和IN4（12管脚）实现，如果用单片机控制时，只要只要把L298的以上控制端与单片机的I/O口连接，由程序选择运行状态即可。,交流电机（AC motor）,1. 工作原理,AC servomotor,止口,2.矩频特性曲线,同步电机：转子是永磁体，所谓同步是指转子速度与定子磁场速度相同。,异步电机：转子和定子上都有绕组，所谓异步是指转子磁场和
14、定子间存在速 度差（不是角度差）。,同步电机的特点：体积小。用途：要求响应速度快的中等速度以下的工业机器人；机床领域。,伺服电机的精度由编码器的精度决定。,3.交流电机的特点,4.交流电机的控制方式 改变定子绕组上的电压或频率，即电压控制或频率控制方式。,特点：无电刷和换向器，无产生火花的危险；比直流电机的驱动电路复杂、价格高。,异步电机的特点：转子惯量很小，响应速度很快。用途：中等功率以上的伺服系统。,步进电机（Stepper Motor）,步进电机驱动系统主要用于开环位置控制系统。 优点：控制较容易，维修也较方便，而且控制为全数字化。 缺点：由于开环控制，所以精度不高。,步进电机有三种：永
15、磁式PM（permanent magnet）；反应式（也称可变磁阻式）VR（variable reluctance），在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式 HB（hybrid），混合式是指混合了永磁式和反应式的优点，混合式步进电机的应用最为广泛。,步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。简单说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时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。,1.工作原理,PM式步进电机转子是永磁体，定子是绕组，在定子电磁铁
16、和转子永磁体之间的排斥力和吸引力的作用下转动，步距角一般为7.5o90o。,VR式步进电机用齿轮状的铁心作转子，定子是电磁铁。在定子磁场中，转子始终转向磁阻最小的位置。步距角一般为0.9o15o。,HB式步进电机是PM式和VR式的复合形式。在永磁体转子和电磁铁定子的表面上加工出许多轴向齿槽，产生转矩的原理与PM式相同，转子和定子的形状与VR式相似，步距角一般为0.9o15o。,相数：产生不同N、S对磁场的激磁线圈对数。,2. 相关术语,失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。,拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态。四相四拍运行方式：AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式： A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.,步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。一般步进电机的精度为步距角的3-5%，且不累积。,保持转距（HOLDING TORQUE）或静转矩是指电机
