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在控制系統(tǒng)中 被測參數(shù)經A D采樣進入微型計算機 經數(shù)據處理后 一方面送顯示 另一方面要進行報警處理 以便操作人員及時采取相應的措施 同時 還要把被測參數(shù)與給定值進行比較 根據偏差進行自動調整 如在加熱爐自動控制系統(tǒng)中 當被測溫度高于給定值時 需把閥門關小 減小煤氣進給量 反之 如果被測溫度低于給定值 則開大閥門 用來控制閥門動作的裝置稱為執(zhí)行機構 帶動執(zhí)行機構動作往往要用電機或步進電機 而電機或步進電機通常需要較大電流來驅動 為此 如何把微型計算機系統(tǒng)的輸出與強電執(zhí)行機構進行連接 是微型計算機控制技術的重要課題之一 第四章內容簡介 第4章常用控制程序的設計 4 1報警程序的設計4 2開關量輸出接口技術4 3電機控制接口技術4 4步進電機控制接口技術 4 1報警程序設計 在微型機控制系統(tǒng)中 為了安全 對于一些重要的參數(shù)或系統(tǒng)部位 都設有緊急狀態(tài)報警系統(tǒng) 以便提醒操作人員注意 或采取緊急措施 4 1報警程序設計 4 1 1常用報警方式4 1 2簡單報警程序的設計4 1 3越限報警程序的設計4 1 4遠程自動報警系統(tǒng)的設計 4 1 1常用報警方式 聲音 電鈴 電笛 蜂鳴器 集成電子音樂芯片燈光 發(fā)光二極管或閃爍的白熾燈等語音報警 語音芯片圖形與聲音混合報警顯示報警畫面 如報警發(fā)生的順序 報警發(fā)生的時間 報警回路編號 報警內容及次數(shù)等 1 發(fā)光二極管及白熾燈驅動電路 1 報警方法不同采用的驅動電路方式也不同 發(fā)光二極管的驅動電流一般在20 30mA 不能直接由TTL電平驅動 常采用OC門驅動器 如74LS06 74LS07等 白熾燈報警時 應該使用交流固態(tài)繼電器進行控制 LED報警接口電路 2 為了能保持報警狀態(tài) 常采用帶有鎖存器的I O接口芯片 Intel8155 8255A 也可選用一般的鎖存器 74LS273 74LS373 或74LS377等 驅動器 鎖存器 1 0 亮 2 聲音報警驅動電路 常采用模擬聲音集成電路芯片 如KD 956X系列 采用CMOS工藝 軟封裝的報警IC芯片 其功能表如表4 1 P97 所示 KD 956X系列報警芯片功能表 1 KD 956X系列IC芯片具有以下共同特性 工作電壓范圍寬 靜態(tài)電流低 外接振蕩電阻可調節(jié)模擬聲音的放音節(jié)奏 外接一只小功率三極管 便可驅動揚聲器 2 KD 956X的結構及使用方法 以KD 9561為例 KD 9561芯片內設 振蕩器 節(jié)拍器 音色發(fā)生器 地址計數(shù)器 控制和輸出級等部分 根據內部程序 設有兩個選聲端SEL1和SEL2 改變這兩端的電平 便可發(fā)出各種不同的音響 詳見表4 2 KD 9561能發(fā)出4種不同的聲音 且體積小 價格低廉 音響逼真 控制簡便 所以 廣泛應用于報警裝置及電動玩具 VDD提供電源正端電壓 VSS指電源負端電壓 地 KD 9561的外形和報警電路圖 如圖4 2所示 如圖4 2 b 中所示 當系統(tǒng)檢查到報警信號以后 使三極管9013導通 發(fā)出報警聲音 圖中的R1選值一般在180K 290K 之間 R1的阻值愈大 報警聲愈急促 反之 報警聲音節(jié)奏緩慢 b OUT 4 1 2簡單報警程序的設計報警程序的設計方法根據報警參數(shù)及傳感器的具體情況可分為兩種 1 軟件報警程序這種方法的基本作法是把被測參數(shù)如溫度 壓力 流量 速度 成分等參數(shù) 經傳感器 變送器 模 數(shù)轉換器 送到微型機后 再與規(guī)定的上 下限值進行比較 根據比較的結果進行報警或處理 整個過程都由軟件實現(xiàn) 這種報警程序又可分簡單上 下限報警程序 以及上 下限報警處理程序 2 硬件申請 軟件處理報警程序報警要求直接由傳感器產生 例如 電接點式壓力報警裝置當壓力高于 或低于 某一極限值時 接點即閉合 正常時則打開 利用這些開關量信號 通過中斷的方法來實現(xiàn)對參數(shù)或位置的檢測 鍋爐水位自動調節(jié)系統(tǒng)設計有3個報警參數(shù) 水位上 下限爐膛溫度上 下限蒸汽壓力下限 鍋爐報警系統(tǒng)圖 如圖4 4中所示 要求當各參數(shù)全部正常時 綠燈 正常運行燈 亮 若某一個參數(shù)不正常 將發(fā)出聲光報警信號 1 0 燈亮 1 0 電笛響 1 軟件報警程序設計 程序設計思想設置一個報警模型標志單元ALARM把各參數(shù)的采樣值分別與上 下限值進行比較 若某一位需要報警 則將ALARM相應位置1 否則 清0 所有參數(shù)判斷完畢后 看報警模型單元ALARM的內容是否為00H 若為00H 說明所有參數(shù)均正常 使綠燈發(fā)光 不等于00H 則說明有參數(shù)越限 輸出報警模型 程序流程圖 如圖4 5所示 設3個參數(shù)的采樣值 X1 水位 X2 爐膛溫度 X3 蒸汽壓力 依次存放在以SAMP為首地址的內存單元中 相應的允許極限值依次存放在以LIMIT為首地址的內存區(qū)域內 報警標志位單元為ALARM 20H 8100H 軟件報警程序模塊流程圖 軟件報警程序框架介紹 設置電笛及指示燈狀態(tài) 設置電笛及指示燈狀態(tài) 設置電笛及指示燈狀態(tài) 設置電笛及指示燈狀態(tài) 置電笛響標志位 設置電笛及指示燈狀態(tài) 輸出電笛及指示燈狀態(tài) 軟件報警程序細節(jié)介紹 不要使用該名稱 與報警標志位單元名稱ALARM沖突 ALARMEQU20H CJNE A MAX1 AA JNC A MAX1 CF 產生符號位 CJNE A MIN1 BB JC A MIN1 CF 產生符號位 MOVA 00 2 硬件報警程序設計 某些根據開關量狀態(tài)進行報警的系統(tǒng) 為了使系統(tǒng)簡化 可以不用上面介紹的軟件報警方法 而是采用硬件申請中斷的方法 直接將報警模型送到報警口中 這種報警方法的前提條件是被測參數(shù)與給定值的比較是在傳感器中進行的 例如 電結點式壓力計 電結點式溫度計 色帶指示報警儀等 都屬于這種傳感器 不管原理如何 它們的共同點是 當檢測值超過 或低于 上 下限值時 結點開關閉合 從而產生報警信號 這類報警系統(tǒng)電路圖 如圖4 6所示 硬件直接報警系統(tǒng)原理圖 該圖中 SL1和SL2分別為液位上 下限報警結點 SP表示蒸汽壓力下限報警結點 ST是爐膛溫度上限超越結點 只要參數(shù)中的一個 或幾個 超限 即結點閉合 管腳都會由高變低 向CPU發(fā)出中斷申請 CPU響應后 讀入報警狀態(tài)P1 3 P1 0 然后從P1口的高4位輸出 完成超限報警的工作 采用中斷工作方式 既節(jié)省了CPU計算的寶貴時間 又能不失時機地實現(xiàn)參數(shù)超限報警 報警結點 0 報警 0 1 讀入報警狀態(tài) 輸出報警狀態(tài) 根據圖4 6寫出的報警程序如下 4 1 3越限報警程序的設計為了避免測量值在極限值附近擺動造成頻繁報警 可以在上 下限附近設置一個回差帶 如圖4 7所示 在圖4 7中 H是上限帶 L為下限帶 規(guī)定只有當被測量值越過A點時 才認為越過上限 測量值穿越H帶區(qū) 下降到B點以下才承認復限 同樣道理 測量值在L帶區(qū)內擺動均不做超越下限處理 只有它回歸于D點之上時 才做超越下限后復位處理 這樣就避免了頻繁的報警和復限 以免造成操作人員人為的緊張 實際上 大多數(shù)情況下 如前面鍋爐水位調節(jié)系統(tǒng)中所述 上 下限并非只是唯一的值 而是允許一個 帶 在帶區(qū)內的值都認為是正常的 帶寬構成報警的靈敏區(qū) 上 下限帶寬的選擇應根據具體的被測參數(shù)而定 復限指的是參數(shù)恢復到正常值 運行恢復到正常狀態(tài) 下面重新對鍋爐液位報警程序進行設計 設鍋爐水位采樣并經濾波處理后的值存放在SAMP為起始地址的內存單元中 設采樣值為12位數(shù) 占用兩個內存單元 上 下限報警及上 下限復位門限值分別存放在以ALADEG為首地址的內存單元中 報警標志單元為FLAG 其中D2位為越上限標志位 D3位為越下限標志位 其內存分配 如圖4 8所示 有關內存的分配 越限報警程序的基本思路將采樣 數(shù)字濾波后的數(shù)據與該被測點上 下限給定值進行比較 檢測是否越限 或與上限復位值 下限復位值進行比較 檢測是否復位上 下限 如越限 則分別置位越上 下限標志 并輸出相應的聲 光報警模型 如已復位上 下限 則清除相應標志 當上述報警處理完之后 返回主程序 如圖4 9所示的是其程序的流程圖 A X A B X B C X C D X D 本程序輸出的報警模型及接口電路 可參看4 4自行設計 報警標志單元FLAG 28H 和越限 復位上 下限處理次數(shù)單元 2AH 在初始化程序中應首先清零 除了上面講的這種帶上 下限報警帶的報警處理程序外 還有各種各樣的報警處理程序 讀者可根據需要自行設計 4 1 4遠程自動報警系統(tǒng)的設計 適用范圍 距離太遠 或是無人職守場合 方法 1 直接撥號 手機或固定電話 2 網絡 MODEM 4 1 4遠程自動報警系統(tǒng)的設計 1 SS173K222AL芯片簡介SS173K222AL是TDK公司產品 高集成度的單片MODEM芯片 該芯片的主要特點是 1 可與8051系列單片機對接 接口電路簡單 2 串行口數(shù)據傳輸 3 采用同步方式或異步方式工作 4 與CCITTV 22 V 21 BELL212A 103標準兼容 5 具有呼叫進程 載波 應答音 長回環(huán)檢測等功能 6 通過編程產生DTMF信號及550 1800Hz防衛(wèi)音信號 7 具有自動增益控制 動態(tài)范圍達45dB 8 采用CMOS技術 低功耗 單電源供電 引腳 圖4 10 VDD GND D電源和地 AD0 AD7 地址 數(shù)據線 ALE 地址鎖存控制信號 與單片機ALE相連接 用于鎖存地址信號 WR和RD 讀 寫控制信號 低電平有效 CLK 時鐘信號 XTL1 XTL2 外接晶體震蕩器 TXD RXD 用來發(fā)射和接收數(shù)據 TXA RXA 發(fā)射和接收響應管腳 與外部收發(fā)裝置相連 CS 片選信號 低電平有效 VREF 參考電平 RESET 復位信號 2 直接撥通手機號碼報警 設本例中所撥打的手機號碼為 13231502165WAN JNBP1 3 DT 監(jiān)視P1 3口SJMPWANDT ACALLDLY2 延時50毫秒JNBP1 3 ARM 確認有報警信號 轉處理程序 SJMPWANARM CLRP1 7 吸合繼電器J1ACALLDLY2 延時50毫秒MOVR6 0BH 撥打11位手機號碼 予置初值 MOVDPTR 7FF8H 地址指針指向R0MOVA 31H R0 按始發(fā)方式 FSK模式設置 但禁止發(fā)送 MOVX DPTR ALOOP MOVDPTR 7FFBH 地址指針指向TRMOVA 0FHADDA R6 取出電話號碼 MOVCA A PCMOVX DPTR A 設置TRMOVDPTR 7FF8H 地址指針指向R0MOVA 33H 允許發(fā)送MOVX DPTR AACALLDLY3 延時250毫秒MOVA 31H 停止發(fā)送MOVX DPTR AACALLDLY3 延時250毫秒DJNZR6 LOOP 撥號未完 再撥出一個號碼 DB95H 96H 91H 92H 9AH 95H 91H 93H 92H 93H 91H TR設置及手機號碼DTA MOVDPTR 7FFAH 地址指針指向DRMOVXA DPTR 監(jiān)視DRJNBACC 2 DTA 檢測應答音MOVDPTR 7FF9H 地址指針指向R1MOVA 04HMOVX DPTR A 復位MODEMSETBP1 7 釋放J1RET 3 在接收端采用MODEM和單片機顯示裝置的報警 4 2開關量輸出接口技術 在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中 被測參數(shù)經采樣處理之后 還需要計算并輸出控制模型 達到自動控制的目的 輸出設備往往需大電壓 或電流 來控制 而微型計算機系統(tǒng)輸出的開關量大都為TTL 或CMOS 電平 這種電平一般不能直接驅動外部設備開啟或關閉 另一方面 許多外部設備 如大功率直流電機 接觸器等在開關過程中會產生很強的電磁干擾信號 如不加以隔離 可能會使微型計算機控制系統(tǒng)造成誤動作乃至損壞 開關量輸出控制中必須認真考慮并設法解決的兩個問題 放大 隔離 4 2 1光電隔離技術 1 光電隔離器的種類 發(fā)光二極管 光敏三極管發(fā)光二極管 光敏復合晶體管發(fā)光二極管 光敏電阻發(fā)光二極管 光觸發(fā)可控硅等 4 2 1光電隔離技術 2 工作原理 當發(fā)光二極管有正向電流通過時 即產生人眼看不見的紅外光 光敏三極管接收光照以后便導通 而當該電流撤去時 發(fā)光二極管熄滅 三極管隨即截止 利用這種特性即可達到開關控制的目的 由于該器件是通過電 光 電的轉換來實現(xiàn)對輸出設備進行控制的 彼此之間沒有電氣連接 因而起到隔離作用 4 2 1光電隔離技術 隔離電壓與光電隔離器的結構形式有關 雙列直插式塑料封裝形式的隔離電壓一般為2500V左右 陶瓷封裝形式的隔離電壓一般為5000 10000V 在一般微型計算機控制系統(tǒng)中 由于大都采用TTL電平 不能直接驅動發(fā)光二極管 所以通常加一級驅動器 如7406和7407等 輸入 輸出端兩個電源必須單獨供電 如圖4 11 數(shù)字量Pi輸出為高電平經反相驅動器后變?yōu)榈碗娖桨l(fā)光二極管有電流通過并發(fā)光光敏三極管導通 從而在集電極上產生輸出電壓V0 此電壓即可用來控制外設 使用同一電源 或共地的兩個電源 外部干擾信號可能通過電源串到系統(tǒng)中來 1 0 4 2 2繼電器輸出接口技術 繼電器是電氣控制中常用的控制器件 一般由通電線圈和觸點 常開或常閉 構成 線圈通電時 由于磁場的作用 使開關觸點閉合 或打開 線圈不通電時 則開關觸點斷開 或閉合 一般線圈可以用直流低電壓控制 常用的有直流9V 12V 24V等 而觸點輸出部分可以直接與市電 220V 連接 雖然繼電器本身有一定的隔離作用 但在與微型計算機接口連接時通常還是采用光電隔離器進行隔離 4 2 2繼電器輸出接口技術 如圖4 17中所示 當開關量P1 0輸出為高電平時 經反相驅動器7406變?yōu)榈碗娖?使發(fā)光二極管發(fā)光 從而使光敏三極管導通 進而使三極管9013導通 因而使繼電器J的線圈通電 繼電器觸點J1 1閉合 使 220V電源接通 反之 當P1 0輸出低電壓時 使J1 1斷開 1 0 4 2 2繼電器輸出接口技術 如圖4 13中所示 當開關量P1 0輸出為高電平時 經反相驅動器7406變?yōu)榈碗娖?使發(fā)光二極管發(fā)光 從而使光敏三極管導通 進而使三極管9013導通 因而使繼電器J的線圈通電 繼電器觸點J1 1閉合 使 220V電源接通 反之 當P1 0輸出低電壓時 使J1 1斷開 圖中所示電阻R1為限流電阻 二極管D的作用是保護晶體管T 當繼電器J吸合時 二極管D截止 不影響電路工作 繼電器釋放時 由于繼電器線圈存在電感 這時晶體管T已經截止 所以會在線圈的兩端產生較高的感應電壓 此電壓的極性為上負下正 正端接在晶體管的集電極上 當感應電壓與VCC之和大于晶體管T的集電極反向電壓時 晶體管T有可能損壞 加入二極管D后 繼電器線圈產生的感應電流從二極管D流過 從而使晶體管T得到保護 4 2 2繼電器輸出接口技術 如圖4 13中所示 當開關量P1 0輸出為高電平時 經反相驅動器7406變?yōu)榈碗娖?使發(fā)光二極管發(fā)光 從而使光敏三極管導通 進而使三極管9013導通 因而使繼電器J的線圈通電 繼電器觸點J1 1閉合 使 220V電源接通 反之 當P1 0輸出低電壓時 使J1 1斷開 圖中所示電阻R1為限流電阻 二極管D的作用是保護晶體管T 當繼電器J吸合時 二極管D截止 不影響電路工作 繼電器釋放時 由于繼電器線圈存在電感 這時晶體管T已經截止 所以會在線圈的兩端產生較高的感應電壓 此電壓的極性為上負下正 正端接在晶體管的集電極上 當感應電壓與VCC之和大于晶體管T的集電極反向電壓時 晶體管T有可能損壞 加入二極管D后 繼電器線圈產生的感應電流從二極管D流過 從而使晶體管T得到保護 4 2 2繼電器輸出接口技術 如圖4 13中所示 當開關量P1 0輸出為高電平時 經反相驅動器7406變?yōu)榈碗娖?使發(fā)光二極管發(fā)光 從而使光敏三極管導通 進而使三極管9013導通 因而使繼電器J的線圈通電 繼電器觸點J1 1閉合 使 220V電源接通 反之 當P1 0輸出低電壓時 使J1 1斷開 圖中所示電阻R1為限流電阻 二極管D的作用是保護晶體管T 當繼電器J吸合時 二極管D截止 不影響電路工作 繼電器釋放時 由于繼電器線圈存在電感 這時晶體管T已經截止 所以會在線圈的兩端產生較高的感應電壓 此電壓的極性為上負下正 正端接在晶體管的集電極上 當感應電壓與VCC之和大于晶體管T的集電極反向電壓時 晶體管T有可能損壞 加入二極管D后 繼電器線圈產生的感應電流從二極管D流過 從而使晶體管T得到保護 0 1 0 4 2 2繼電器輸出接口技術 不同的繼電器 其線圈驅動電流的大小 以及帶動負載的能力不同 選用時應考慮下列因素 1 繼電器額定工作電壓 或電流 2 接點負荷 3 接點的數(shù)量或種類 常閉或常開 4 繼電器的體積 封裝形式 工作環(huán)境 接點吸合或釋放時間等 4 2 3固態(tài)繼電器輸出接口技術 固態(tài)繼電器 SolidStateRelay 簡稱SSR 它是帶光電隔離器的無觸點開關 用晶體管或可控硅代替常規(guī)繼電器的觸點開關 在前級中與光電隔離器融為一體 根據結構形式 固態(tài)繼電器有直流型固態(tài)繼電器和交流型固態(tài)繼電器之分 固態(tài)繼電器輸入控制電流小 輸出無觸點 所以與電磁式繼電器相比 具有體積小 重量輕 無機械噪聲 無抖動和回跳 開關速度快 工作可靠等優(yōu)點 在微型計算機控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用 大有取代電磁繼電器之勢 4 2 3固態(tài)繼電器輸出接口技術 1 直流型SSR 圖4 18 P135 輸入部分是一個光電隔離器 可用OC門或晶體管直接驅動 輸出端經整形放大后帶動大功率晶體管輸出 輸出工作電壓可達30 180V 5V開始工作 4 2 3固態(tài)繼電器輸出接口技術 直流型SSR主要用于帶直流負載的場合 如直流電機控制 直流步進電機控制 電磁閥等 圖4 19所示為采用直流型SSR控制三相步進電機的原理電路圖 圖中A B C為步進電機的三相 每相由一個直流型SSR控制 分別由8031的P1 0 P1 1和P1 2控制 只要按著一定的順序通電 即可實現(xiàn)步進電機控制 詳見本章4 4節(jié) 1 直流型SSR輸入部分是一個光電隔離器 可用OC門或晶體管直接驅動 輸出端經整形放大后帶動大功率晶體管輸出 輸出工作電壓可達30 180V 5V開始工作 0 1 1 0 1 0 4 2 3固態(tài)繼電器輸出接口技術 2 交流型SSR 1 采用雙向可控硅作為開關器件 用于交流大功率驅動場合 如交流電機 交流電磁閥控制等 2 交流型SSR又可分為過零型和移相型兩類 非過零型SSR 在輸入信號時 不管負載電流相位如何 負載端立即導通 過零型必須在負載電源電壓接近零且輸入控制信號有效時 輸出端負載電源才導通 當輸入的控制信號撤銷后 不論哪一種類型 它們都只在流過雙向可控硅負載電流為零時才關斷 過零觸發(fā)型交流固態(tài)繼電器 AC SSR 的內部電路 主要包括輸入電路 光電耦合器 過零觸發(fā)電路 開關電路 包括雙向可控硅 保護電路 RC吸收網絡 當加上輸入信號VI 一般為高電平 并且交流負載電源電壓通過零點時 雙向可控硅被觸發(fā) 將負載電源接通 4 2 3固態(tài)繼電器輸出接口技術 一個交流型SSR控制單向交流控制電機的實例如圖4 22所示 圖中 改變交流電機通電繞組 即可控制電機的旋轉方向 例如用它控制流量調節(jié)閥的開和關 從而實現(xiàn)控制管道中流體流量的目的 如圖4 22中所示 當控制端P1 0輸出為低電平時 經反相后 使SSR1 導通 SSR2 截止 交流電通過A相繞組 電機正轉 反之 如果P1 0輸出高電平 則SSR1 截止 SSR2 導通 交流電流經B相繞組 電機反轉 0 1 0 電機正轉 4 2 3固態(tài)繼電器輸出接口技術 一個交流型SSR控制單向交流控制電機的實例如圖4 18所示 圖中 改變交流電機通電繞組 即可控制電機的旋轉方向 例如用它控制流量調節(jié)閥的開和關 從而實現(xiàn)控制管道中流體流量的目的 如圖4 18中所示 當控制端P1 0輸出為低電平時 經反相后 使SSR1 導通 SSR2 截止 交流電通過A相繞組 電機正轉 反之 如果P1 0輸出高電平 則SSR1 截止 SSR2 導通 交流電流經B相繞組 電機反轉 圖中所示的Rp Cp組成浪涌電壓吸收回路 通常Rp為100 左右 CP為0 1 F RM為壓敏電阻 用做過電壓保護 其電壓取值范圍通常為電源電壓有效值的1 6 1 9倍 市售有專門適用于交流220V或380V的壓敏電阻 選用交流型固態(tài)繼電器時主要注意它的額定電壓和額定工作電流 1 0 1 電機反轉 4 4步進電機控制接口技術 步進電機是工業(yè)過程控制及儀表中的主要控制元件之一 1 步進電機的特點 快速啟停能力步進速率為200 1000步每秒 步進速率增加1 2倍 仍然不會失掉一步定位準確 例如 先正轉24步 再反轉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 步進電機的應用 正因為步進電機具有快速啟停 精確步進以及能直接接收數(shù)字量等特點 所以使其在定位場合中得到了廣泛的應用 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 光盤驅動器 用步進電機作精確定位 4 4 1步進電機工作原理步進電機實際上是一個數(shù)字 角度轉換器 也是一個串行的數(shù) 模轉換器 其結構原理 如圖4 44所示 1 步進電機的構成 1 定子有6個等分的磁極 即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4 40所示的結構為三相步進電機 A A 相 B B 相 C C 相 當某一繞組有電流通過時 該繞組相應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 圖4 44步進電機原理圖P152 4 4 1步進電機工作原理步進電機實際上是一個數(shù)字 角度轉換器 也是一個串行的數(shù) 模轉換器 其結構原理 如圖4 40所示 1 步進電機的構成 圖4 44步進電機原理圖P152 2 轉子步進電機的轉子上沒有繞組 而是由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 當某相繞組通電時 對應的磁極就會產生磁場 并與轉子形成磁路 若此時定子的小齒與轉子的小齒沒有對齊 則在磁場的作用下 轉子轉動一定的角度 使轉子齒和定子齒對齊 由此可見 錯齒是促使步進電機旋轉的根本原因 2 運行 步進電機的工作方式可分為 三相單三拍 三相單雙六拍 三相雙三拍等 一 三相單三拍 1 三相繞組中的通電順序為 2 工作過程 A相通電使轉子1 3齒和AA 對齊 B相通電 轉子2 4齒和B相軸線對齊 相對A相通電位置轉30 B相通電 轉子2 4齒和B相軸線對齊 相對A相通電位置轉30 C相通電再轉30 2 工作過程 這種工作方式 因三相繞組中每次只有一相通電 而且 一個循環(huán)周期共包括三個脈沖 所以稱三相單三拍 三相單三拍的特點 每來一個電脈沖 轉子轉過30 此角稱為步距角 用QS表示 轉子的旋轉方向取決于三相線圈通電的順序 改變通電順序即可改變轉向 二 三相單雙六拍 1 三相繞組的通電順序為 A AB B BC C CA A共六拍 二 三相單雙六拍 1 三相繞組的通電順序為 A AB B BC C CA A共六拍 2 工作過程 A相通電轉子1 3齒和A相對齊 A B相同時通電 1 BB 磁場對2 4齒有磁拉力 該拉力使轉子順時針方向轉動 2 AA 磁場繼續(xù)對1 3齒有拉力 3 所以轉子轉到兩磁拉力平衡的位置上 相對AA 通電 轉子轉了15 總之 每個循環(huán)周期 有六種通電狀態(tài) 所以稱為三相六拍 步距角為15 B相通電轉子2 4齒和B相對齊 又轉了15 A B相同時通電 1 BB 磁場對2 4齒有磁拉力 該拉力使轉子順時針方向轉動 2 AA 磁場繼續(xù)對1 3齒有拉力 3 所以轉子轉到兩磁拉力平衡的位置上 相對AA 通電 轉子轉了15 三 三相雙三拍 1 三相繞組的通電順序為 AB BC CA AB共三拍 2 工作過程 以上三種工作方式 三相雙三拍和三相單雙六拍較三相單三拍穩(wěn)定 因此較常采用 工作方式為三相雙三拍時 每通入一個電脈沖 轉子也是轉30 即步距角 30 3 小步距角的步進電機 實際采用的步進電機步距角多為3 和1 5 步距角越小 加工的精度就越高 為使轉 定子的齒對齊 定子磁極上的小齒 齒寬和齒槽和轉子相同 A相和B相間 轉子含有40個齒 3 小步距角的步進電機 實際采用的步進電機步距角多為3 和1 5 步距角越小 加工的精度就越高 A相和B相間 3 小步距角的步進電機 工作原理 A相通電時 定子A相的五個小齒與轉子對齊 此時 B相和A相空間差120 含120 9 131 3齒 A相和C相差240 含240 9 262 3個齒 所以 A相的轉子 定子的五個小齒對齊 B相 C相不能對齊 B相的轉子 定子相差1 3個齒 3 C相的轉子 定子相差2 3個齒 6 A相斷電 B相通電后 轉子只需轉過1 3個齒 3 使B相轉子 定子對齊 同理 C相通電再轉3 按照A B C A順序通電一周 則轉子轉動9 實際采用的步進電機步距角多為3 和1 5 步距角越小 加工的精度就越高 4 幾點說明 1 步進電機旋轉的根本原因是錯齒 2 步距角 步進電機通過一個電脈沖轉子轉過的角度 稱為步距角 式中 N McC為一個周期的運行拍數(shù) 即通電狀態(tài)循環(huán)一周需要改變的次數(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 C 2 Zr為轉子齒數(shù) 拍數(shù)與相數(shù)相同 拍數(shù)是相數(shù)2倍 舉例 某步進電機工作方式為三相單三拍 分別求取Zr為4和40時的步距角 解 三相單三拍 N McC 3 1 3 當Zr 4 Qs 360 3 4 30 當Zr 40 Qs 360 3 40 3 4 4 2步進電機控制系統(tǒng)的原理 典型的步進電機控制系統(tǒng)主要由步進控制器 功率放大器及步進電機組成 圖4 45步進電機控制系統(tǒng)的組成P153 1 步進控制器是由緩沖寄存器 環(huán)形分配器 控制邏輯及正 反轉控制門等組成的 作用 把輸入的脈沖轉換成環(huán)型脈沖 以便控制步進電機 并能進行正 反向控制 4 4 2步進電機控制系統(tǒng)的原理 典型的步進電機控制系統(tǒng)主要由步進控制器 功率放大器及步進電機組成 圖4 45步進電機控制系統(tǒng)的組成P153 2 功率放大器把控制器輸出的環(huán)型脈沖加以放大 以驅動步進電機轉動 采用計算機控制系統(tǒng) 由軟件代替上述步進控制器 簡化了線路 降低了成本 提高可靠性 采用微型計算機控制 可根據系統(tǒng)的需要 靈活改變步進電機的控制方案 使用起來很方便 典型的微型機控制步進電機系統(tǒng)原理圖 如圖4 46所示 圖4 46與圖4 45相比 用微型機代替了步進控制器 把并行二進制碼轉換成串行脈沖序列 并實現(xiàn)方向控制 每當步進電機脈沖輸入線上得到一個脈沖 它便沿著方向控制線信號所確定的方向走一步 只要負載在步進電機允許的范圍之內 那么 每個脈沖將使電機轉動一個固定的步距角度 根據步距角的大小及實際走的步數(shù) 只要知道初始位置 便可知道步進電機的最終位置 圖4 46用微型機控制步進電機原理系統(tǒng)圖p153 本章節(jié)主要解決如下幾個問題 1 用軟件的方法實現(xiàn)脈沖序列 2 步進電機的方向控制 3 步進電機控制程序的設計 1 脈沖序列的生成 步進電機控制軟件中必須解決的一個重要問題 就是產生一個如圖4 47所示的周期性脈沖序列 圖4 47脈沖序列 脈沖是用周期 脈沖高度 接通與斷開電源的時間來表示 脈沖幅值由數(shù)字元件電平決定 TTL0 5VCMOS0 10V接通和斷開時間可用延時的辦法控制 要求 確保步進到位 但由于步進電機的 步進 是需要一定的時間的 所以在送一高脈沖后 需延長一段時間 以使步進電機達到指定的位置 由此可見 用計算機控制步進電機實際上是由計算機產生一系列脈沖波 2 方向控制 常用的步進電機有三相 四相 五相 六相4種 其旋轉方向與內部繞組的通電順序相關 三相步進電機有三種工作方式 單三拍 通電順序為A B C 雙三拍 通電順序為AB BC CA 三相六拍 通電順序為A AB B BC C CA 改變通電順序可以改變步進電機的轉向 關于四相 五相 六相的步進電機 其通電方式和通電順序與三相步進電機相似 讀者可自行分析 本書主要以三相步進電機為例進行講述 3 步進電機的方向控制方法 1 用微型機輸出接口的每一位控制一相繞組 例如 用8255控制三相步進電機時 可用Pc 0 Pc 1 Pc 2分別接至步進電機的A B C三相繞組 2 根據所選定的步進電機及控制方式 寫出相應控制方式的數(shù)學模型 如上面講的三種控制方式的數(shù)學模型分別為 三相單三拍 三相雙三拍 3 步進電機的方向控制方法 以上為步進電機正轉時的控制順序及數(shù)學模型 如果按上述逆順序進行控制 則步進電機將向相反方向轉動 三相六拍 4 4 3步進電機與微型機的接口及程序設計 1 步進電機與單片機的接口電路 圖4 48步進電機與單片機接口電路之一 在圖4 48中 當8031的P1口的某一位 如P1 0 輸出為0時 經反相驅動器變?yōu)楦唠娖?使達林頓管導通 A相繞組通電 反之 當P1 0 1時 A相不通電 由P1 1和P1 2控制的B相和C相亦然 總之 只要按一定的順序改變P1 0 P1 2三位通電的順序 則可控制步進電機按一定的方向步進 由于步進電機的驅動電流較大 所以微型機與步進電機的連接都需要專門的接口及驅動電路 接口電路可以是鎖存器 也可以是可編程接口芯片 如8255 8155等 驅動器可用大功率復合管 也可以是專門的驅動器光電隔離器 加在驅動器與微型機之間 一是抗干擾 二是電隔離 其接口電路原理如圖4 48和4 49所示 0 1 4 4 3步進電機與微型機的接口及程序設計 圖4 49步進電機與單片機接口電路之二 圖4 49所示與圖4 48所示的區(qū)別是在單片機與驅動器之間增加一級光電隔離 當P1 2輸出為1時 發(fā)光二極管不發(fā)光 因此光敏三極管截止 從而使達林頓管導通 C相繞組通電 反之 當P1 2 0時 經反相后 使發(fā)光二極管發(fā)光 光敏三極管導通 從而使達林頓管截止 C相繞組不通電 0 0 1 0 1 1 1 0 0 現(xiàn)在 已經生產出許多專門用于步進電機或交流電機的接口器件 或接口板 用戶可根據需要選用 4 4 3步進電機與微型機的接口及程序設計 2 步進電機程序設計 因此 步進電機控制程序就是完成環(huán)型分配器的任務 從而控制步進電機轉動 達到控制轉動角度和位移之目的 步進電機程序設計的主要任務是 判斷旋轉方向 按順序傳送控制脈沖 判斷所要求的控制步數(shù)是否傳送完畢 1 程序框圖以三相雙三拍為例說明這類程序的設計 2 程序 以上程序設計方法對于節(jié)拍比較少的程序是可行的 但是 當步進電機的節(jié)拍數(shù)比較多 如三相六拍 六相十二拍等 時 用這種立即數(shù)傳送法將會使程序很長 因而占用很多個存儲器單元 所以 對于節(jié)拍比較多的控制程序 通常采用循環(huán)程序進行設計 3 循環(huán)程序 作法 把環(huán)型節(jié)拍的控制模型按順序存放在內存單元中 逐一從單元中取出控制模型并輸出 節(jié)拍越多 優(yōu)越性越顯著 以三相六拍為例進行設計 其流程圖如圖4 47所示 ROUTN2 LOOP0 LOOP2 LOOP1 4 4 4步進電機步數(shù)及速度的確定方法 兩個重要的參數(shù) 步數(shù)N控制步進電機的定位精度 延時時間DELAY控制其步進的速率 1 步進電機步數(shù)的確定步進電機常被用來控制角度和位移 用步進電機控制旋轉變壓器或多圈電位器的轉角 穿孔機的進給機構 軟盤驅動系統(tǒng) 光電閱讀機 打印機 數(shù)控機床等也都用步進電機精確定位 例 用步進電機帶動一個10圈的多圈電位計來調整電壓 假定其調壓范圍為0 10V 現(xiàn)在需要把電壓從2V升到2 1V 此時 步進電機的行程角度為 10V 3600 2 1V 2V XX 36 用三相三拍 步距角為3 其步數(shù)為 N 36 3 12 步 用三相六拍 步距角為1 5 其步數(shù)為 N 36 1 5 24 步 可見 改變步進電機的控制方式 可以提高精度 在同樣的脈沖周期下 步進電機的速率將降低 2 步進電機控制速度的確定 所以 只要在輸出一個脈沖后 延時833 s 即可達到上述之目的 步進電機的步數(shù)是保證精度的重要參數(shù)之一 在某些場合 不但要求能精確定位 而且還要求在一定的時間內到達預定的位置 這就要求控制步進電機的速率 步進電機速率控制的方法就是改變每個脈沖的時間間隔 也即改變延時時間 例如 在ROUND2程序中 三相六拍 步進電機轉動10圈需要2秒鐘 則每步進一步需要的時間為 4 4 5步進電機的變速控制 多數(shù)任務都希望能盡快地達到控制終點 因此 要求步進電機的速率盡可能快一些 但是 速度太快 則可能產生失步 一般步進電機對空載最高啟動頻率都有所限制 當步進電機帶負載時 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可知 啟動頻率越高 啟動轉矩越小 帶負載的能力越差 當步進電機啟動后 進入穩(wěn)態(tài)時的工作頻率又遠大于啟動頻率 指電機空載時轉子從靜止狀態(tài)不失步地步入同步的最大控制脈沖頻率 電機每秒鐘轉過的角度和控制脈沖頻率相對應的工作狀態(tài) 措施 啟動的瞬間采取加速的措施 升頻的時間約為0 1 1s之間 從高速運行到停止也應該有減速的措施 減速時的加速度絕對值常比加速時的加速度大 為此 引進一種變速控制程序 以最快的速度走完所規(guī)定的步數(shù) 而又不出現(xiàn)失步 如圖4 52所示 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 啟動或停止時 用三相六拍 大約在0 1s以后 改用三相三拍的分配方式 在快達到終點時 再度采用三相六拍的控制方式 以達到減速控制的目的 2 均勻地改變脈沖時間間隔的變速控制 步進電機的加速 或減速 控制 可用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 因此 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 將定時器初始化后 每隔一定的時間 由定時器向CPU申請一次中斷 CPU響應中斷后 便發(fā)出一次控制脈沖 此時 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