計算機控制系統(tǒng)-6程序順序控制-第13講-電動機控制.ppt
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1、計算機控制技術(shù),第6章 順序控制與數(shù)字程序控制,重點,電動機控制接口技術(shù) 步進電機控制接口技術(shù) 難點 交流電動機控制接口技術(shù) 步進電機與微機的接口及程序設(shè)計,第6章 順序控制與數(shù)字程序控制,章節(jié)內(nèi)容,微機順序控制 開環(huán)數(shù)值控制 1、直線逐點比較法插補 2、圓弧逐點比較法插補,第6章 順序控制與數(shù)字程序控制,6.3 電動機控制接口技術(shù) 1、小功率直流電動機調(diào)速原理 2、開環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng) 3、閉環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng) 4、交流電動機控制接口技術(shù) 6.4 步進電機控制接口技術(shù) 1、步進電機工作原理 2、步進電機的控制 3、步進電機步數(shù)及速度的計算方法 4、步進電機的變速控制,電動機控制技術(shù)概述
2、電動機是被廣泛應(yīng)用的原動機。 電動機的控制要求越來越高:啟、停、逆轉(zhuǎn)快速,調(diào)速快、準。 電動機控制器的發(fā)展: 電機控制元件經(jīng)歷了從交流放大器到磁放大器、可控離子變速器、可控硅、計算機控制。 計算機控制又分為微機控制系統(tǒng)、單片機控制裝置和專用控制板卡等,并且采用了復(fù)雜的控制算法。 脈沖寬度調(diào)制技術(shù),在直流小功率電動機調(diào)速中已經(jīng)成熟,在直流中、小功率方面正在迅速取代可控硅SCR直流調(diào)速系統(tǒng),但在交流和大功率電動機調(diào)速方面尚屬研究中。 電動機調(diào)速的發(fā)展趨勢:微型化、智能化、一體化。,,6.3 電動機控制接口技術(shù),本節(jié)主要內(nèi)容 1、小功率直流電動機調(diào)速原理 2、開環(huán)脈
3、沖寬度調(diào)速系統(tǒng) 3、閉環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng) 4、交流電動機控制接口技術(shù),,6.3 電動機控制接口技術(shù),6.3 電動機控制接口技術(shù),一、 小功率直流電動機調(diào)速原理 1、脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation )PWM原理 小功率直流電動機由轉(zhuǎn)子和定子組成,定子可以是磁極或勵磁繞組。 其轉(zhuǎn)速與加在轉(zhuǎn)子電樞上的電壓Ua有關(guān), Ua轉(zhuǎn)速V;所加電壓極性改變,則電動機反轉(zhuǎn)。 據(jù)此原理,通過改變電動機電樞電壓接通和斷開的時間比(即占空比)來控制電動機的轉(zhuǎn)速,這種方法就稱為脈沖寬度調(diào)制PWM。,,設(shè)電機永遠接通電源,其轉(zhuǎn)速最大為Vmax,設(shè)占空比為D=t1/T,則電機
4、的平均速度為,改變電樞電壓的極性,電機隨時改變轉(zhuǎn)向。,2、開環(huán)PWM調(diào)速系統(tǒng),按電路設(shè)計,0832的端口地址為3000H,PWM調(diào)速程序設(shè)計如下 DAMOD: MOV DPTR, #3000H ;指向0832 MOV A, #80H ;輸出0V電平 MOVX DPTR, A ACALL DELAY1 ;調(diào)用t2延時程序 MOV A, #0FFH ;輸出+5V電平 MOVX DPTR, A ACALL DELAY2 ;調(diào)用t1延時程序 AJMP DAMOD ;循環(huán)控制,利用89S51-0832結(jié)構(gòu)實現(xiàn)小功率直流電機開環(huán)PW
5、M調(diào)速的系統(tǒng),6.3 電動機控制接口技術(shù),1、控制接口 圖中的第3、4兩部分 即為接口部分。,直流電機與微機的接口有以下4種方法: (1)光電隔離器+大功率場效應(yīng)管 適用于自己開發(fā)的系統(tǒng),價格低 (2)固態(tài)繼電器 適用于自己開發(fā)的系統(tǒng),價格低 (3)專用接口芯片 如L290、L291、L292等,價高、但可靠 (4)專用接口板 如7501、7502,主要用于STD或PC機系統(tǒng) 如用單片機控制,即可產(chǎn)生并輸出調(diào)制脈沖,再加上光電隔離器+大功率場效應(yīng)管,或者加上固態(tài)繼電器就構(gòu)成了接口部件和脈寬調(diào)速控制器。,二、開環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng),6.3 電動機
6、控制接口技術(shù),雙向直流電動機轉(zhuǎn)動控制原理 正轉(zhuǎn):SW1、SW4閉合 反轉(zhuǎn):SW2、SW3閉合 剎車:SW2、SW4閉合 (或SW1、SW3閉合) 滑行:SW1、SW2、SW3、 SW4全部斷開,,電機正轉(zhuǎn)時,控制模型為02H(PA1=1,PA0=0); 電機反轉(zhuǎn)時,控制模型為01H; 電機剎車時,控制模型為03H; 電機滑行時,控制模型為00H。 PB口和PC口為輸入方式: PB口輸入8個開關(guān)提供的脈沖寬度給定值N; PC1口線的單刀雙擲開關(guān)提供啟停控制,PC1=0為啟動,PC1=1為停止; PC0口線的單刀雙擲開關(guān)提供正反轉(zhuǎn)向控制,PC0=0時正轉(zhuǎn),PC0=1為反轉(zhuǎn)。,實例:一個
7、完整的雙向直流電機控制接口電路如下圖所示。 8155A口為輸出方式,電機工作狀態(tài)真值表和電機的控制模型如下表所示:,三態(tài)門在雙向端口中運用時, 如圖所示,設(shè)置控制項, 當控制項=1時,三態(tài)門呈高阻狀態(tài),輸出無效。 當控制項=0時,三態(tài)門呈正常高低電平的輸出狀態(tài),輸出跟隨輸入。,,,,,控制系統(tǒng)軟件設(shè)計:8155初始化;讀入給定值N、方向控 制標志和啟??刂茦酥?。 流程圖如下:,ORG 8000H START:MOV DPTR,#0FD00H ;8155控制口 MOV A,#01H MOVX DPTR,A ;設(shè)置A口輸出,B、C口輸入 LOOP: MOV DPTR,#0FD02H ;
8、8155 B口 MOVX A,DPTR MOV 20H,A ;(20H)=N CPL A INC A MOV 21H,A ;(21H)=n-N,n=256 MOV DPTR,#0FD03H ;8155 C口 MOVX A,DPTR JB ACC.1,STOP JB ACC.0,INVERT MOV A,#02H ;正轉(zhuǎn) OUTPUT:MOV DPTR,#0FD01H ;8155 A口 MOVX DPTR,A,程序清單:,MOV 22H,20H ;延時t1 DELAY1:ACALL DELAY0 DJNZ 22H,DELAY1 MOV A,#00H ;滑行 MOVX DPTR,A MOV 23
9、H,21H ;延時t2 DELAY2:ACALL DELAY0 DJNZ 23H,DELAY2 AJMP LOOP STOP:MOV A,#03H ;剎車 MOV DPTR,#0FD01H MOVX DPTR,A AJMP LOOP INVERT:MOV A,#01H ;反轉(zhuǎn) AJMP OUTPUT DELAY0: ;軟件延時的單位時間,為了提高電動機脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)的精度,通常采用閉環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)。 閉環(huán)系統(tǒng)是在開環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了電動機的速度檢測回路,意在將檢測到的速度與給定值比較,并由數(shù)字調(diào)節(jié)器(PID)進行調(diào)節(jié)。其原理框圖如左圖所示。,三、 閉環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng),6.3 電動
10、機控制接口技術(shù),2、采用固態(tài)繼電器與交流伺服電機的接口電路,,PC0=1,PC1=0,A相導通,電動機正轉(zhuǎn)。 PC0=0,PC1=1,B相導通,電動機反轉(zhuǎn)。 PC0=0,PC1=0,A相與B相均關(guān)閉,電動機不運轉(zhuǎn)。 R4與電容C消除伺服電機關(guān)斷時的浪涌電壓。 光敏電阻R2和電阻R3組成過零檢測電路,產(chǎn)生雙向觸發(fā)脈沖。,1、交流電動機調(diào)速的的特點 1)電流作正反兩個方向流動;2)電壓較高(220V---380V)需要加光電隔離,常用交流固態(tài)繼電器。,四、 交流電動機控制接口技術(shù),,本節(jié)內(nèi)容 1、步進電機工作原理 2、步進電機控制系統(tǒng)的接口及程序設(shè)計 3、步進電機步數(shù)及速度的計算方法
11、4、步進電機的變速控制,6.4 步進電機控制接口技術(shù),1步進電機的特點: 快速啟停; 步進速率為2001000步秒; 步進速率增加12倍,仍然不會失掉一步; 定位準確,例如,先正轉(zhuǎn)24步,再反轉(zhuǎn)24步,電機將精確地回到原始的位置。 精度高,可以由每步90低到每步0.36; 能直接接收數(shù)字量。 2步進電機的應(yīng)用: 步進電機具有快速啟停,精確步進以及能直接接收數(shù)字量的特點,在定位場合廣泛應(yīng)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。 在工業(yè)過程控制的位置控制系統(tǒng)中,做位移傳感器。 計算機的軟驅(qū)、光盤驅(qū)動器,用步進電機作精確定位。,6.4 步進電機控制接口技術(shù)
12、,6.4.0 概述---步進電機的特點及應(yīng)用,641 步進電機工作原理,圖6.4.1 步進電機原理圖,,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。,641 步進電機工作原理,1步進電機的構(gòu)成 (1)定子 有6個等分的磁極,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6.4.1所示的結(jié)構(gòu)為三相步進電機(AA相,BB相,CC相)。當某一繞組有電流通過時,該繞組相應(yīng)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。,,641 步進電機工作原理,(2)轉(zhuǎn)子 沒有繞組,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。當某
13、相繞組通電時,對應(yīng)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。,,6.4.1 步進電機工作原理,2運行 (1)A相通電時,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(shè)與A相磁極中心對齊 的轉(zhuǎn)子齒為0號齒; (2)由于B相磁極與A相磁極相差120,且120913 3/9 不為整數(shù),所以,此時轉(zhuǎn)子齒不能與B相定子齒對齊,只是13號小齒靠近B相磁極的中心線,與中心線相差3,如果此時突然變?yōu)锽相通電,而A、C兩相都不通電,則
14、B相磁極迫使13號轉(zhuǎn)子齒與之對齊,整個轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動3,此時,稱電極走了一步。 (3) 按照ABCA順序通電一周,則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動9。,,641 步進電機工作原理,3.幾點說明 (1)步進電機旋轉(zhuǎn)的根本原因是錯齒; (2) 齒距角= (Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)) (3) 步距角 式中,N=McC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,C=1,采用單六拍或雙六拍時,C2。 (4)通電一周,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距角,N為幾,一個齒距角分幾步走完。,轉(zhuǎn)子有40個齒且采用三拍方式的 步進電機,其齒距角是,其步距角是,(1)、步進電機與微機的接口電路 1)接口電路之一--
15、--無光電隔離 PCx=0導通,對應(yīng)繞組通電 PCx=1截止,對應(yīng)繞組斷電,大功率復(fù)合管, 起開關(guān)作用。 為達林頓管,6.4.2. 步進電機的控制,2)接口電路之二----有光電隔離 PCx=1導通,對應(yīng)繞組通電 PCx=0截止,對應(yīng)繞組斷電,,,(2)三相六拍控制方式步進電機控制的輸出字表,假定數(shù)據(jù)輸出為“1”時,相應(yīng)的繞組通電;為“0”時,相應(yīng)的繞組斷電。 若要控制步進電機正轉(zhuǎn),則按ADXlADX2ADX6和ADYlADY2 ADY6順序向PA口和PB口送輸出字即可; 若要控制步進電機反轉(zhuǎn),則按相反的順序送輸出字。,,AABBBCCCAA,,表 6-7 三相六拍控制方式輸出字表,
16、AABBBCCCAA,(3)步進電機控制程序設(shè)計,對步進電機的控制,步數(shù)控制的目的是精確地到達指定的位置;速度的控制是通過單位時間的步數(shù)實現(xiàn)的,主要是計算相鄰兩個脈沖之間的時間。 (1)步進電機步數(shù)的確定 由給出的轉(zhuǎn)角或位移量,計算出步數(shù)。 1)轉(zhuǎn)角與步數(shù)的關(guān)系 如:用步進電機帶動一個能夠旋轉(zhuǎn)10圈的電位器來調(diào)整電壓,假定調(diào)節(jié)范圍是0---10V,現(xiàn)在要求把電壓從2V升到2.1V,計算旋轉(zhuǎn)的步數(shù)N。 先計算需要轉(zhuǎn)過的角度X X=(2.12)*((360*10)10)36 若用三相三拍方式控制,其步距角為3,所以步數(shù)N為 N=36/3=12(步),括號內(nèi)為每1伏
17、電壓轉(zhuǎn)過的角度,6.4.3 步進電機步數(shù)及速度的計算方法,2)同理可以求出位移量與步數(shù)之間的關(guān)系 先計算每轉(zhuǎn)一圈的位移量,再計算每一步的位移量,最后算總步數(shù)。 (2)步進電機速度的確定 步進電機速度控制的方法就是控制脈沖之間的時間間隔。只要速度給定,便可計算出脈沖之間的時間間隔。 如要求步進電機2秒鐘轉(zhuǎn)10圈,則每一步需要的時間T為 T每圈時間每圈的步數(shù) (2000ms/10)(N*Zr) 200ms(3*2*40) 833s 只要在輸出一個脈沖后延時833s,即可滿足速度之要求。,,括號內(nèi)為每一圈的步數(shù),N=Mc*C,三相六拍,,多數(shù)任務(wù)都希望能盡
18、快地達到控制終點。 要求步進電機的速率盡可能快一些。 速度太快,可能產(chǎn)生失步。 一般步進電機對空載最高啟動頻率 都有所限制。 帶負載時,它的啟動頻率要低于最高空載啟動頻率。 步進電機的矩頻特性:啟動頻率越高,啟動轉(zhuǎn)矩越小,帶負載的能力越差。,,即電機每秒鐘轉(zhuǎn)過的角度和控制脈沖頻率相對應(yīng)的工作狀態(tài),轉(zhuǎn)子從靜止狀態(tài)不失步地步入同步狀態(tài)的最大控制脈沖頻率。,6.4.4 步進電機的變速控制,幾種變速控制的方法。 1. 改變控制方式的變速控制 例如: 在三相步進電機中,啟動/停止時,用三相六拍,高速運行時改用三相三拍的分配方式。,,2. 均勻改變脈沖時間間隔的變速控制 步進電機的加速/減速控制,可用
19、均勻地改變脈沖時間間隔來實現(xiàn)。 ( 即均勻地減少(或增加)延時程序中的延時時間常數(shù) )。 優(yōu)點:由于延時的長短不受限制,使步進電機的工作頻率變化范圍較寬。,3. 采用定時器的變速控制 將定時器初始化,每隔一定的時間,向CPU申請一次中斷。CPU 響應(yīng)中斷后,便發(fā)出一次控制脈沖。只要均勻地改變定時器時間常數(shù),即可達到均勻加速(或減速)的目的。,(1)變速方法之一----改變控制方式 如在三相步進電機中,啟動或停止時,用三相六拍控制,大約經(jīng)過0.1s后改為三相三拍控制。 (2)變速方法之二----改變脈沖時間間隔控制 剛啟動時脈沖間隔長,啟動過程脈沖間隔均勻變短,直到速度達正常值
20、;停止時,在停止過程脈沖間隔均勻變短,直到停止。 DELY: PUSH BX PUSH CX MOV BX, 100 ;延時子程序 DELY1: MOV CX,10000 LOOP $ DEC BX JNZ DELY1 POP CX POP BX RET,DELY: PUSH BX PUSH CX MOV BX, NUM ;延時子程序 DELY1: MOV CX,10000 LOOP $ DEC BX JNZ DELY1 POP CX POP BX RET,,變延時程序段: NUMDB120 啟動時NUM值不斷減小
21、,直至到1: DECNUM 停止時NUM值不斷增大,直至到120 : INCNUM (3)變速方法之三----用定時器改變脈沖頻率控制 如用8253定時,啟動時,初值不斷減小,使脈沖頻率不斷增加;停止時,初值不斷增大,使脈沖頻率不斷降低。,,DELY: PUSH BX PUSH CX MOV BX, NUM ;延時子程序 DELY1: MOV CX,10000 LOOP $ DEC BX JNZ DELY1 POP CX POP BX RET,,;讀取控制方向狀態(tài),使電機正反轉(zhuǎn)動 ORG 0000H MOV SP,#5FH LOOP1: JB
22、 P3.0, LOOP0 ;判斷P3.0狀態(tài) MOV P1,#03H ;正轉(zhuǎn) LCALL DELY MOV P1,#06H LCALL DELY MOV P1,#0CH LCALL DELY MOV P1,#09H LCALL DELY SJMP LOOP1 LOOP0: MOV P1,#09H ;反轉(zhuǎn) LCALL DELY,,MOV P1,#0CH LCALL DELY MOV P1,#06H LCALL DELY MOV P1,#03H LCALL DELY SJMP LOOP1 DELY: MOV R2,#1H ;延時子程序 DELY2: MOV R3,#80H DELY3: MOV R4,#80H DELY1: DJNZ R4, DELY1 DJNZ R3, DELY3 DJNZ R2, DELY2 RET,,,
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