第7章--控制系统接口技术——输入输出通道ppt课件(全)

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1、v7.1 模拟量输入接口技术v7.2 模拟量输出接口技术 v7.3 开关量输入接口技术v7.4 开关量输出接口技术v7.5 人-机接口v7.6 执行器第第7章章 控制系控制系统接口技接口技术输入入输出通道出通道7.1 模模拟量量输入接口技入接口技术 在计算机控制系统中，常常需要检测各种物理信号，如压力、温度、流量等，这些被测非电信号需经过传感器转换为模拟电压电流信号，才能被计算机系统识别与处理。模拟量输入通道的任务是把从控制中检测到的模拟信号，变成二进制数字信号，经接口送往计算机。 7.1.1 模模拟量量输入通道入通道结构构 图7.1 模拟输入通道 模拟量输入通道的一般结构如图7.1所示。过程

2、参数由传感器元件测量并转换为电流（或者电压）形式后，再送至多路开关；在计算机的控制下，由多路开关将各个过程参数切换到后级，进行A/D转换，实现参数循环检测。模拟量输入通道一般由信号调理、多路开关、前置放大器、采样保持器、A/D转换器和接口逻辑电路等组成，其核心是A/D转换器。7.1.2 信号信号调理理 信号调理电路的作用是抑制工业现场产生的各种干扰，保证A/D转换的精度。传感器输出信号多为直流电流信号，这就需要经过电流-电压变换处理，获得适于A/D转换器使用的电压信号。 无源电流-电压变换电路是利用无源精密电阻器件来实现，为了保证电路可靠运行，在电路中增加了二极管稳压及RC滤波保护电路，如图7

3、.2所示。该电路可以将010mA的电流信号转换为05V的电压信号。图7.2 无源电流-电压变换原理图 有源电流-电压变换电路是利用有源器件运算放大器和电阻电容来实现，如图7.3所示。利用同相放大电路，把电阻R上产生的输入电压变换为标准的输出电压。该同相电路的放大倍数为： 图7.3 有源电流-电压变换原理图 7.1.2 信号信号调理（理（续） 7.1.3 多路开关多路开关 由于计算机的工作速度远快于被测参数的变化，供多个检测回路使用。为了实现多路采样，要用到多路开关。多路开关的作用是用来将各路被测信号依次地或随机地切换到公共放大器或A/D转换上，其特点是开路阻抗为无穷大，导通阻抗为零；切换速度快

4、、噪声小、寿命长、工作可靠。 常用的多路开关分为8通道，16通道和32通道等多种。常用的多路开关芯片有CD4051、AD7501和LF13508等。CD4051是8路模拟开关，其结构原理如图7.-4所示，由电平转换、二进制一译码马驱动和开q22w关电路三部分组成。 图7.4 CD4051结构原理图 7.1.4 前置放大器前置放大器 前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到转换的量程范围之内。生产工业现场的传感器信号带有较大的共模干扰，单个运放的差动输入很难得到很好的干扰抑制作用。实际的电路设计中，往往采用图7.5所示的仪表放大电路。该测量放大电路由三个运算放大器组成对称结构，具有很高的阻抗和抑

5、制共模干扰能力。常用的集成电路芯片有AD521/AD522和INA102等。图7.5 仪表放大电路图 当多路输入的电平相差较悬殊时，用放大器去放大高电平和低电平的信号，可能使低电平信号测量精度降低，而高电平则有可能超出A/D转换器的输入范围。因此，可以设计可变增益放大器，对于各路不同大小的输入信号，测量放大电路的增益不相同。具有这种性能的放大器称为可变增益放大器或者可编程放大器，如图7.6所示。常用的集成电路芯片有AD612/AD614等。7.1.4 前置放大器（前置放大器（续）7.6 可变增益放大电路7.1.5 采采样保持器保持器 由于A/D转换需要一定的时间，如果输入信号变化频率比较高，就

6、会引起较大的转换误差。为了保证A/D转换的精度，需要用采样保持器。分别称为零阶保持器、一阶保持器和高阶保持器。 图7.7 零阶保持器电路组成7.1.6 A/D转换器器 A/D转换器是模拟量输入通道的核心部件，把输入的模拟电压转换成正比的数字量。实现A/D转换的方法比较多，常用的有计数比较法、双斜率积分法和逐次逼近法。逐次逼近法式在16位以下的A/D转换器广泛应用。1. ADC0809芯片及接口芯片及接口电路路ADC0809为8位逐次逼近式A/D转换器，模拟电压转换范围为5V，内部带8路模拟开关，输入8路模拟信号，采用28脚直插封装，其引脚如图7.8所示。ADC0809由8路模拟开关、地址锁存与

7、译码电路、8位逐次逼近A/D转换器和三态锁存输出4部分组成。 图7.8 ADC0809的原理框图及引脚 ADC0809与PC的接口电路如图7.9所示。ADC0809的ALE与START引脚相连接，将PC0PC2输出的3位地址锁存入0809的地址锁存器并启动A/D转换； ADC0809的EOC同OE输出控制端相连接，当转换结束时，开放数据输出缓冲器；EOC信号还连接到8255A的C口，CPU通过查询PC7的状态而控制数据的输入过程。图7.9 ADC0809与PC总线工业控制机接口电路1. ADC0809芯片及接口芯片及接口电路路(续）2. AD574A芯片及接口芯片及接口电路路 AD574A是1

8、2位逐次逐次逼近式A/D转换器，内部有时钟脉冲源和基准源，转换时间25微秒 ，适合于在高精度快速采样系统中使用。如图7.10所示，AD574A采用28脚双列直插封装，内部主要由12位A/D转换器、控制逻辑、三台输出锁存缓冲器与10V基准电压源构成，可直接与PC机数据总线连接，只能输入一路模拟量。图7.10 AD574A的原理框图及引脚图7.11 AD574A与PC总线工业控制机接口 2. AD574A芯片及接口芯片及接口电路（路（续）7.2 模模拟量量输出接口技出接口技术 模拟量输出通道的任务是把计算机处理后的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号，并输出给相应的执行机构，驱动执行机构实现所要求

9、的控制目的。模拟量输出通道一般由接口电路，D/A转换器和V/I变换器等构成，其核心是D/A转换器。 7.2.1 模模拟量量输出通道出通道结构构 模拟量输出通道可分为模拟量保持和数字保持两种结构形式。图7.12为多D/A的结构形式，每个输出通道使用独立的D/A转换器，每个通道输出的数据由D/A转换器的数据锁存器保持，控制作用保持到下一个输出时刻。优点是速度快，结构简单，工作可靠，精度高。缺点是，输出通路数量很多，将使用较多的D/A转换器。D/A转换芯片价格的不断下降图7.12 多D/A结构 图7.13为共享D/A的结构形式，多个输出通道共用一个D/A转换器。每个通路都设置一个采样保持器，还应有一

10、个多路转换开关，依次把输出的数据转换成模拟电压，通过多路开关传送给各路输出采样保持器。这种方案的优点是节省D/A转换器。缺点是，电路复杂，精度差，可靠性低，只适用于通路数量多且速度要求不高的场合。 图7.13 共享D/A结构7.2.1 模模拟量量输出通道出通道结构（构（续）7.2.2 D/A转换器及其接口器及其接口 模/数(A/D)和数模(D/A)转换技术是数字测量和数字控制领域的分支。D/A转换器输入的是数字量，经转换后输出的是量化的模拟量。有关D/A转换器的技术性能指标很多，例如绝对精度、相对精度、线性度、输出电压范围、温度系数、输入数字代码种类（二进制或BCD码）等。1. DAC0832

11、芯片及接口芯片及接口电路路 DAC0832是采用CMOS工艺制成的双列直插式单片8位D/A转换器，它可直接与CPU相连，也可同单片机相连，以电流形式输出；当需要转换为电压输出时，可外接运算放大器。DAC0832由两个数据锁存器、一个8位D/A转换器和控制电路等组成，DAC0832内部结构如图7.14所示。 图7.14 DAC0832原理框图及引脚 图7.15为 DAC0832与PC总线工业控制机接口电路。DAC0832工作在单缓冲寄存器方式。 图7.15 DAC0832的单缓冲接口电路2. DAC1210芯片及接口芯片及接口电路路图7.16 DAC1210原理框图及引脚 DAC1210与计算机

12、总线的连接如图7.17所示，由于片内有两级缓冲锁存器，直接与计算机总线连接。高8位数据输入线DI4DI11连接数据总线的D0D7；低4位数据输入线DI0DI3连接数据总线的D4D7。电流型输出接运放A1，输出负极性电压，经运算放大器A2进行反相，输出正极性电压。 图7.17 DAC1210转换器与计算机总线工业控制机接口2. DAC1210芯片及接口芯片及接口电路（路（续）7.3 开关量开关量输入接口技入接口技术 在计算机控制系统中，需要处理一些基本的输入输出信号，即开关量（数字量）信号。这些信号包括，开关的闭合与断开、继电器或接触器的吸合与释放、指示灯的亮与灭、阀门的打开与关闭和电机的启动与

13、停止等。这些信号都可以用二进制的 “1”和“0”来表示。 7.3.1 开关量开关量输入通道一般入通道一般结构构 其任务是接收生产过程中的数字信号或状态，并通过接口芯片经过电平转化、滤波和隔离等措施，转换成计算机能够接收的标准的逻辑信号电平，简称DI通道。主要由输入缓冲电路、输入调理电路和输入地址译码电路等组成，如图7.18所示。 图7.18 开关量输入通道一般结构7.3.2 开关量开关量输入信号的入信号的调理理 开关量输入通道的基本功能是接收外部装置的状态信号。这些状态信号的形式可能是电压、电流或开关触点的通断，这些信号状态容易引起瞬时高电压、过电压及接触抖动等现象。为了将外部开关量信号正确输

14、入到计算机，必须将现场输入的状态信号采用转换、保护、滤波、隔离等措施转换成计算机能够接受的裸机信号，这些功能电路称为信号调理电路。1. 开关消除抖开关消除抖动电路路 从开关和继电器等机械装置在接通或断开时候，会产生机械抖动。图7.19为开关量消除抖动电路。将接点的接通和断开动作，转换成TTL电平信号与计算机相连。为了清除由于接点的机械抖动而产生的振荡信号，通常采用积分电路或RS触发电路。 为了使大功率器件接点工作可靠，接点两端至少要加24V直流电压。因为直流电平的响应快，不易产生干扰，电路又简单，广泛采用。但容易带有干扰，通常采用光耦器件进行隔离。 光耦利用光信号的传送不受电磁场的干扰而完成隔

15、离功能的，利用光耦还可以起到电平转换的作用，如7.20所示。图7.20 开关量隔离及电平转换电路2. 开关量隔离开关量隔离电路路7.4 开关量开关量输出接口技出接口技术 其任务是把计算机输出的数字信号（或开关信号）传送给开关器件（如继电器或指示灯），控制它们的通、断或亮、灭，简称DO通道。 7.4.1 开关量开关量输出通道一般出通道一般结构构 主要由输出锁存器、输出驱动电路、输出地址译码电路等组成，如图7.21所示。其中，输出锁存器用于锁存CPU输出的数据；输出驱动器是用来驱动继电器或执行机构的功率放大器。 图7.21开关量输出通道结构 输出驱动电路的功能一是进行信号隔离，二是驱动开关器件。对

16、于小电流开关量，用功率三极管就可作开关驱动组件，其输出电流就是输入电流与三极管增益的乘积，如图7.22所示。当达到几百毫安时，如驱动中功率继电器、电磁开关等装置，输出电路必须采取多级放大或提高三极管增益的办法。达林顿阵列驱动器具有高输入阻抗、高增益、输出功率大及保护措施完善的特点，适用于计算机控制系统中的多路负荷。 7.4.2 开关量开关量输出出驱动电路路图7.22 三极管驱动电路 7.4.2 开关量开关量输出出驱动电路（路（续） 图7.23为达林顿阵列驱动中的一路驱动电路，当CPU数据线Di 输出数字“0”即低电平时，经反相锁存器变为高电平，使达林顿复合管导通，产生几百毫安集电极电流足以驱动

17、负载线圈，且利用复合管内的保护二极管构成负荷线圈断电时产生的反向电动势的泄流回路。 图7.23 达林顿管输出电路 7.5 人人-机接口机接口 人机接口是计算机与人机交互设备之间实现信息传输的控制电路。通过这些接口电路，操作人员可以实时了解到计算机控制的有关内容，并可以随时对计算机进行操作。一个安全可靠的控制系统必须具有方便的人机交互功能。 7.5.1 键盘接口技接口技术 键盘是计算机控制系统最常用和最简单的输入设备，用户能通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机通信。根据按键开关结构对键盘分类，有触点式和无触点式两大类。有触点式按键开关有机械式开关、薄膜开关、导电橡胶式开关和磁簧式开关等；无触点

18、式按键开关有电容式开关、电磁感应式开关和磁场效应式开关。有触点式键盘手感差、易磨损、故障率高；无触点式键盘手感好、寿命长。无论采用什么形式的按键，作用都是一个使电路接通或断开的开关。 7.5.1 键盘接口技接口技术（续） 在键盘中按键数量较多时，为减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。图7.24给出了51单片机的矩阵键盘接口电路。每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成44=16个按键，比直接将端口用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。 图7.24 矩阵键盘接口电

19、路 键码识别是指矩阵键盘识别被按键的方法，一般有行扫描法、行列反转法和行列扫描法。 1. 行行扫描法描法7.5.1 键盘接口技接口技术（续） 行扫描法的工作原理：CPU首先向所有行输出为低电平，如果没有按键按下，则所有得列线输出为高电平。如果有某一键按下，则该按键所在的列与行线低电平短路，该列线变为低电平。CPU在此时通过读取列线的值即可判断有无键按下。在有键按下的情况下，CPU再来确定是哪一个键按下，采用的方法是行扫描法。先向第0行输出低电平，其余行输出高电平，然后读取所有列线的电平值。如果有某一列为低电平，则说明0行和该列跨接位置的那个键被按下了。确定了键的位置就可以退出扫描了。 2. 行

20、列反行列反转法法行列反转法也是常用的识别闭合键的方法。其工作原理是：首先对所有行线输出低电平，列线输出高电平，同时读入列线。如果有键按下，则该键盘所在的列线为低电平，而其它列线为高电平。由此获得列号。然后向所有列线输出低电平，行线输出高电平，读行线，确定按键的行号。通过行号和列号确定按键的位置和编码。7.5.1 键盘接口技接口技术（续） 7.5.1 键盘接口技接口技术（续） 3. 行列行列扫描法描法 行列扫描法也是键盘使用的主要键码识别方法。其工作原理如下：首先向每一行依次输出低电平，其余各行为高电平，每扫描一行，读取一次列线。如果列线全为高电平，说明没有键按下，如果有一列为低电平，则说明有键

21、按下，此时可以确定行号和列号。行扫描完成。接下来依次向每一列输出低电平，读行线，再次确定按键的行号和列号。两次获得的行号和列号相同，则键码正确，即获得按下键的行列扫描码。7.5.2 显示器接口技示器接口技术 计算机控制系统中，显示器是人机信息交换的主要窗口，主要用来显示生产过程的工艺状况与运行结果，以便于现场工作人员的正确操作。常用的显示器件有显示记录仪、LED数码管 、LCD液晶显示器和CRT图形图像显示器。 1. LED数数码管管 七段数码管是一种常用的数字显示元件，可以用来显示数字09及相关符号。它具有功耗低、亮度高、寿命长、尺寸小等优点，在家电及工业控制中有广泛的应用，用来显示温度、数

22、字、重量、日期、时间等等。2. LCD显示器示器 液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。 液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动、单纯矩阵驱动和主动矩阵驱动三种。 图7.26 LCD显示接口原理图7.6 执行器行器 执行器作用是根据控制系统的最终计算结果，输出控制信号，实现对被控制对象的控制。 7.6.1 继电器器如图7.28所示，电磁继电器主要由线圈、铁心、衔铁和触点等部件组成，简称为继电器，它分为电压继电器、电流继电器、中间继电器等几种类型。 图7.28

23、继电器结构图 图7.29为经光耦隔离器的继电器输出驱动电路，当CPU数据线输出数字“1”即高电平时，光耦隔离器的发光二极管导通且发光，使光敏三极管导通，继电器线圈KA得电，动合触点闭合，从而驱动大型负荷设备。 图7.29 继电器输出接口电路 7.6.1 继电器器7.6.2 固固态继电器器 固态继电器是一种无触点开关的电子继电器，它利用电子技术实现了控制回路与负载回路之间的电隔离和信号耦合，而且没有任何可动部件或触点，却能实现电磁继电器的功能，故称为固态继电器。它具有体积小、开关速度快、无机械噪声、无抖动和回跳、寿命长等传统继电器无法比拟的优点。固态继电器是一种两个接线端为输入端，另外两个接线端

24、为输出端的4端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。图7.30所示为其结构原理图，共由五部分组成。光耦隔离电路的作用是在输入与输出之间起信号传递作用，同时使两端在电气上完全隔离； 图7.30 固态继电器结构图图7.31 固态继电器接口电路7.6.2 固固态继电器器 （续） 三、步进电机工作原理及控制技术三、步进电机工作原理及控制技术 步进电机又称为脉冲电动机，是计算机控制系统中常用的一种执行元件。其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电动机就转动一个角度或前进一步。按励磁方式分类，步进电动机可分为反应式、永磁式和感应式。其中反应式步进电动机用得比较普遍，结

25、构也较简单，所以本节仅介绍这类电机。7.6.3 电动机机执行器行器 1反应式步进电机典型结构和工作原理 （1）反应式步进电机典型结构 反应式步进电机又称为磁阻式步进电动机，其典型结构如图6-36所示。这是一台四相电机，定子铁心由硅钢片叠成，定子上有8个磁极(大齿)，每个磁极上又有许多小齿。四相反应式步进电动机共有4套定子控制绕组，绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相。转子也是由叠片铁心构成，沿圆周有很多小齿，转子上没有绕组。根据工作要求，定子磁极上小齿的齿距和转子上小齿的齿距必须相等，而且转 子的齿数有一定的限制。图中转子齿数为50个，定子每个磁极上小齿数为5个。 四相反应式步进电动机的结

26、构 （2）反应式步进电机工作原理 反应式步进电机的工作原理与反应式同步电动机一样，也是利用凸极转子横轴磁阻与直轴磁阻之差所引起的反应转矩而转动的。为了便于说清问题，先以最简单的三相反应式步进电动机为例。 图6-37是一台三相反应式步进电机，定子有6个极，不带小齿，每两个相对的极上绕有一相控制绕组，转子只有4个齿。三相单三拍运行(a) A相接通； (b) B相接通； (c) C相接通 当A相控制绕组通电，而B相和C相都不通电时，由于磁通具有走磁阻最小路径的特点，所以转子齿1和3的轴线与定子A极轴线对齐。同理，当断开A相接通B相时，转子便按逆时针方向转过30，使转子齿2和4的轴线与定子B极轴线对齐

27、。断开B相，接通C相，则转子再转过30，使转子齿1和3的轴线与C极轴线对齐。 如此按A - B - C - A顺序不断接通和断开控制绕组，转子就会一步一步地按逆时针方向连续转动，如图6-37所示。其转速取决于各控制绕组通电和断电的频率，即输入的脉冲频率，旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。如上述电机通电次序改为A - C - B - A 则电机转向相反，变为按顺时针方向转动。 这种按A - B - C - A 方式运行的称为三相单三拍运行。所谓“三相”，是指步进电动机具有三相定子绕组， “单”是 指每次只有一相绕组通电，“三拍”指三次换接为一个循环，第四次换接重复第一次的情况。 除了这种运行

28、方式外，三相步进电动机还可以以三相六拍和三相双三拍运行。三相六拍运行的供电方式是A - AB - B - BC - C - CA - A 这时，每一循环共有6种通电状态，这6种通电状态中有时只有一相绕组通电(如A相)，有时有两相绕组同时通电(如A相和B相)。图6-38表示按这种方式对控制绕组供电时转子位置和磁通分布的图形。 三相六拍运行 (a) A相通电； (b) A、 B相通电；(c) B相通电； (d) B、 C相通电 （3）反应式步进电机工作特点 步进电动机工作时，每相绕组由专门驱动电源通过“环形分配器”按一定规律轮流通电。例如一个按三相六拍运行的环形分配器输入是一路，输出有A、B、C三

29、路。若开始是A路有电压，输入一个控制电脉冲后，就变成A、B这两路有电压，再输入一个电脉冲，则变成B路有电压，再输入一个电脉冲，则变成B、C这两路有电压了，再输入一个电脉冲，则变成C路有电压，再输入一个电脉冲，则变成C、A两路有电压，再输入一个电脉冲，则变成A路有电压。 环形分配器输出的各路脉冲电压信号，经过各自的放大器放大后送入步进电动机的各相绕组，使步进电动机一步步转动。下图表示三相步进电动机控制方框图。 控制方框图 步进电动机这种轮流通电的方式称为“分配方式”。每循环一次所包含的通电状态数称为“状态数”或“拍数”。状态数等于相数的称为单拍制分配方式(如三相双三拍、四相双四拍等)，状态数等于

30、相数两倍的称为双拍制分配方式(如三相六拍，四相八拍等)。同一台电机可有多种分配方式。不管分配方式如何，每循环一次，控制电脉冲Uk的个数总等于拍数N，而加在每相绕组上的脉冲电压(或电流)个数却等于1，因而 控制电脉冲频率f是每相脉冲电压(或电流)频率fp的N倍，即： 每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角，用符号b表示。从上面分析可见，当电机按三相单三拍运行，即按A - B - C - A 顺序通电时，若开始是A相通电，转子齿轴线与A相磁极的齿轴线对齐；换接一次绕组，转子转过的角度为1/3齿距角；转子需要走3步，才转过一个齿距角；此时转子齿轴线又重新与A相磁极的 齿轴线对齐。当电机在三相六

31、拍运行，即按A - AB - B - BC - C - CA 顺序通电时，换接一次绕组，转子转过的角度为1/6齿距角；转子需要走6步才转过一个齿距角。若转子有个齿，则转子相邻两齿间的夹角，即齿距角为： 所以转子每步转过的空间角度(机械角度)，即步距角为： 式中，N为运行拍数，N=km(k=1，2；m为相数)。 为了提高工作精度，就要求步距角很小。由步距角公式可见，要减小步距角可以增加拍数N。相数增加相当于拍数增加，但相数越多，驱动电源及电机的结构也越复杂。 反应式步进电动机一般做到六相，个别的也有八相或更多相数。对同一相数既可以采用单拍制，也可采用双拍制。采用双拍制时步距角减小一半。所以一台步

32、进电动机可有两个步距角，如1.5/0.75、1.2/0.6、3/1.5等。 增加转子齿数ZR，步距角也可减小。所以反应式步进电动机的转子齿数一般是很多的。通常反应式步进电动机的步距角为零点几度到几度。 反应式步进电动机可以按特定指令进行角度控制，也可以进行速度控制。角度控制时，每输入一个脉冲，定子绕组就换接一次，输出轴就转过一个角度，其步数与脉冲数一致，输出轴转动的角位移量与输入脉冲数成正比。速度控制时，送入步进电动机的是连续脉冲，各相绕组不断地轮流通电，步进电机连续运转，它的转速与脉冲频率成正比。每输入一个脉冲，转子转过的角度是整个圆周角的1/(ZRN)，也就是转过1/(ZRN)转，因此每分

33、钟转子所转 过的圆周数，即转速n为： 式中，f为控制脉冲的频率，即每秒输入的脉冲数。 由上式可见，反应式步进电动机转速取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，而与电压、负载、温度等因素无关。当转子齿数一定时，转子旋转速度与输入脉冲频率成正比，或者说其转速和脉冲频率同步。 （r/min） 改变脉冲频率可以改变转速，故可进行无级调速，调速范围很宽。另外，若改变通电顺序，即改变定子磁场旋转的方向，就可以控制电机正转或反转。所以，步进电动机是用电脉冲进行控制的电机。改变电脉冲输入方式，就可方便地控制它，使它快速启动、反转、制动或改变转速。 步进电机具有自锁能力。当控制电脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组

34、继续通直流电时，电机可以保持在固定的位置上，即停在最后一个脉冲控制的 角位移的终点位置上。这样，步进电动机可以实现停车时转子定位。 综上所述，由于步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响(在允许负载范围内)，也不受环境条件(温度、压力、冲击、振动等)变化的影响，只与控制脉冲同步，同时它又能按照控制的要求，实现启动、停止、反转或改变转速。因此，步进电动机被广泛地应用于各种数字控制系统中。 2步进电机的控制系统 典型的步进电机控制系统如图6-40所示，主要由变频信号源、脉冲分配器、脉冲放大器和步进电机组成。变频信号源是一个脉冲频率由几Hz几十kHz连续变化的信号发生器，它为脉冲分

35、配器提供脉冲序列。脉冲分配器根据方向控制信号把脉冲信号按一定的逻辑关系加到脉冲放大器上进行放大，以驱动步进电机转动。 在这种控制方式中，时序脉冲完全由硬件产生，线路复杂，成本高，通用性差，因而限制了它的应用。如果采用计算机控制，用微机实现脉冲发生、脉冲分配和方向控制，再加上给步进电机提供驱动电路，就构成了计算机步进电机控制系统，其结构图如图6-41所示。用软件实现脉冲发生、脉冲分配和方向控制比较容易，本节只介绍驱动电路。步进电机控制系统方框图 计算机控制步进电机系统结构图 （1）单电压功率放大电路 电路原理如图6-42所示。电路的电压E一般选择在10100V左右，有的高达200V，这要视应用场

36、合、步进电机的功率和实际要求而定。这是步进电机控制中最简单的一种驱动电路，实质上它是一个简单的反相器。晶体管T起开关作用；L是步进电机的一相绕组电感；RL是绕组电阻；RC是外接电阻，也是限流电阻；D是续流二极管。步进电机一相绕组的开关电路图 单电压功率放大器的最大特点是结构简单，缺点是工作效率低，高频时效率尤其低。电阻RC消耗相当大的一部分能量，且RC的发热直接影响电路的稳定工作状态，所以单电压功率放大电路一般只用来驱动小功率步进电机。 上图给出了一种改进的单电压功率放大电路。在RC上并联电容C可以改善注入步进电机绕组的电流脉冲前沿，使注入电流的前沿明显变陡，从而提高了步进电机的高频性能。另外

37、在电压E和RC不变的条件下，在RC上并联电容C，使注入绕组的平均电流值相对增加了，因此提高了步进电机的转矩。改进的单电压功率放大器电路图 续流二极管D回路中串联电阻Rd，对改善回路的放电时间Td很有利，Rd越大，则Td越小，可减少回路的放电时间常数Td，这使绕组中电流脉冲的后沿变陡，电流下降时间变短，从而提高了高频工作时的性能。但若Rd选得太大，会使步进电机的低频性能明显变坏，电磁阻尼作用减弱，共振加剧，增加了晶体管T击穿的可能性。 此外还有其它类型的改进的单电压功率放大器，如单电压恒流功放电路，功耗较基本型低，电源的效率也提高了；再如晶闸管功率放大电路，由于晶闸管导通压降低，所以功耗低，且可

38、得到较大的驱动力矩。 （2）双电压功率放大电路 双电压功率放大电路就是采用两种电源电压的功放电路，其结构如下图所示。 双电压功率放大电路图 电路中的电源电压E1是高压，大约为80150V，E2为520V左右。双电压功放电路与单电压功放电路有很大区别，在单电压功放电路中，其工作控制信号是步进时一相所需的方波信号，而在双电压功放电路中，除了一相所需的方波信号外，还需要高压驱动控制信号Vh。 T1是高压电源开关管，T2是功率驱动管；D1是低压电源E2的箝位二极管，在T1导通时处于反向偏置而截止，在T1截止时则由于正偏而向电机的绕组提供低压E2；D2是续流二极管，在T1、T2都截止时向绕组提供放电回路

39、。 双电压功放电路的明显特点是功耗较低，效率较高，高频工作时有较大的转动力矩，所以多用于中功率和大功率步进电机中。（3）斩波型功率放大电路 双电压功率放大电路的缺点是在高低压连接处电流出现高、低谷点，这样必然引起力矩在谷点时下降。而斩波型功放电路可以克服这种缺点，并且能提高步进电机的效率和力矩。 斩波型功率放大电路有两种：一种是斩波恒流功放电路；另一种是斩波平滑功放电路。虽然前者应用较广泛，但电路结构复杂，它采用电流反馈来限定步进电机的绕组电流，使之保持在一定的范围内；而后者虽没有电流采样和反馈，但也可使绕组电流在一定范围内不变。因此下面我们介绍斩波型平滑功率放大电路。 斩波平滑功放电路和工作

40、原理如图6-45所示。斩波平滑电路的功率级由电机绕组L、绕组电阻RL、功放管T、泄放回路电阻Rd、二极管D组成，控制级由与门组成。 工作时，在与门的VIN端输入步进脉冲方波，在Vm端输入一个高频脉冲序列Vm，则在与门的输出端产生一个受控于VIN的间歇脉冲序列Vb，该脉冲序列驱动功放管T，使T处于高频开关斩波状态，而在步进电机的绕组上产生如图6-45所示的电流iL。iL的大小由电源E和高频脉冲序列的脉宽TON确定。要保持iL的值不变，在提高E的同时，应减小脉宽TON。由图6-45可见，电机绕组电流iL上升快，所以其高频性能较好，并且iL的上升过程平缓， 从而不会在电流上升的时间内产生过量的能量，

41、使电机的运行平稳得多，低频振荡的现象得到有效的抑制，这也正是称之为斩波平滑功放电路的原因。 斩波平滑功放电路图 3步进电机细分技术 所谓细分电路，把步进电机的步距角减小，把原来的一步再细分成若干步(如10步)，这样步进电机的运动近似地变为匀速运动，并能使它在任何位置停步。采用这种电路可以大大改善步进电机的低频特性，并能实现加工机械的微量进给。 因为一般的步进电机的步距角较大，在低速运转时具有明显的步进运动的特点(如图6-46所示)，因而使运转不平稳，并会产生振动和噪音，这对于精加工机械来说，势必要影响加工精度和表面光洁度。 另外，目前数控机床的脉冲当量为0.01mm/脉冲左右；如果要获得更高的加工精度，希望脉冲当量为0.001mm/脉冲，这就需要进一步减小步距角。但电机的步距角往往受到电机制造工艺的限制而难以减小，这时就需采用细分电路给予解决。 具有步进特征的运行 为了实现细分驱动目的，步进电机绕组用阶梯电流波供电，如下图所示。由图可以看出，电流波形从0经过10个等宽等高的阶梯上升到额定值，下降时又经过同样的阶梯从额定值下降至0。它与一般的由0值突跳至额定值，从额定值跳至0的通电方式相比，步距角缩小了1/10，因而使电机运转非常平滑，可以消除电机在低频段运转时产生的振动、噪音等现象。 阶梯电流波