电动机的单片机控制Word文档下载推荐.docx
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电力拖动系统稳定运行的必要充分条件是:
①、电动机与工作机械的机械特性曲线要有一个交点。
②、在这个交点对应的转速之上,必须要保证T<TZ;
而在这个交点对应的转速之下要保证T>TZ。
三、常用的电力电子器件
1、典型驱动电路
⑴、EXB840
它主要由输入隔离电路、驱功放大电路、过流检测及保护电路以及电源组成。
EXB840的引脚定义如下:
引脚1用于连接反偏置电源的滤波电容;
引脚2和引脚9分别是电源和地;
引脚3为驱动输出;
引脚4用于连接外部电容器,以防止过流保护误动作(一般场合不需要这个电容);
引脚5为过流保护输出;
引脚6为IGBT集电极电压监视端;
引脚14和引脚15为驱动信号输入端;
其余引脚不用。
EXB840集成电路驱功IGBT的典型应用电路:
2、M57962L集成电路
四、单片机对电动机控制的支持
1、C8051用于控制电动机时的输入输出端口设置
在I/o口Po、P1、P2与内部资源之间是使用交叉开关进行连接的。
当需
要将某些内部资源与I/o引脚相连接时.必须通过交叉开关控制寄存器xBRo、xBRl、xBR2进行设置。
设置交叉开关控制寄存器XBRo、xBRl、xDR2的作用是:
确定被选择的资源。
这些被选择的资源分配到哪些I/o引脚上去,则由交叉开关优先表根据排列的优先顺序来确定。
2、电动机控制中的模/数转换在C805l中的实现
ADC可编程窗口检测器在电动机控制应用中非常有用。
它不停地、自动地将ADc输出与用户编程的极限值进行比较。
并在检测到越限条件时通知系统控制器。
3、电动机控制中的PWM和测频在C8051中的实现
在有刷和无则直流电动机的控制中.需要使用脉宽调制(PwM)技术,通过调节PwM信号的占空比来实现调速。
因此,PwM波发生器在直流电动机的控制中是不可缺少的。
此外,电动机控制中还经常需要对输出的频率信号进行测频(例如,光电编码盘的输出,交流电动机控制中sPwM频率的测试等).实现测频的最简苹的方法是使用捕捉功能。
c805l单片机有PwM功能和捕捉功能。
这些功能都包含在一个称为可编程计数器列阵PcA当中。
PcA除了有PwM功能和捕捉功能外,还有比较功能和高速输出功能。
五、电动机控制中常用的位移、角度、转速检测传感器
1、光栅位移检测传感器
2、光电编码盘角度检测传感器
编码盘方向的辨别
经过放大整形后的A、B两相脉冲分别输入到D触发器的D端和cP端.如图5—15(a)所示。
因此,D触发器的cP端在A脉冲的上升沿触发。
由于A、B脉冲相位相差90O。
当正转时,B脉冲超前A脉冲90O。
触发器总是在B脉冲处于高电平时触发,如图5—15(b)所示,这时Q=1.表示正转。
当反转时.A脉冲超前B脉冲90O.触发器总是在B处于低电平时触发,这时Q=0,表示反转。
A、B脉冲的另一路经与门后.输出计数脉冲。
这样,用Q或Q非控制可逆计数器是加计数还是减计数.就可以使可逆计数器对计数脉冲进行计数。
C相脉冲接到计数器的复位端.实现每转动一圈复位一次计数器。
这样.无论是正转还是反转,计数值每次反映的都是相对与上次角度的增量,形成增量编码。
3、测速发动机
六、模拟PID控制原理
在模拟PID控制器中,比例环节的作用是对偏差瞬间作出快速反应。
偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,使控制量向减少偏差的方向变化。
控制作用的强弱取决于比例系数Kp,KP越大,控制越强,但过大的KP会导致系统振荡,破坏系统的稳定性。
由式(4—2)可见.只有当偏差存在时,第一项才有控制量输出。
所以,对大部分被控制对象(如直流电机的调压调速),要加上适当的与转速和机械负载有关的控制常量uo否则,比例环节将会产生静态误差。
积分环节的作用是把偏差的积累作为输出。
在控制过程中,只要有偏差存在,积分环节的输出就会不断增大。
直到偏差e(t)=o,输出的u(t)才可能维持在某一常量,使系统在给定值r(t)不变的条件下趋于稳态。
因此,即使不加控制常量uo,也能消除系统输出的静态误差。
积分环节的调节作用虽然会消除静态误差,但也会降低系统的响应速度,增加系统的超调量。
积分常数TI越大,积分的积累作用越弱。
增大积分常数TI会减慢静态误差的消除过程,但可以减少超调量,提高系统的稳定性。
所以,必须根据实际控制的具体要求来确定TI。
实际的控制系统除了希望消除静态误差外,还要求加快调节过程。
在偏差出现的瞬间,或在偏差变化的瞬间,不但要对偏差量作出立即响应(比例环节的作用),而且要根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正。
为了实现这一作用.可在PI控制器的基础上加入微分环节,形成PID控制器。
微分环节的作用是阻止偏差的变化。
它是根据偏差的变化趋势(变化速度)进行控制。
偏差变化得越快,微分控制器的输出就越大,并能在偏差值变大之前进行修正。
微分作用的引入,将有肋于减小超调量,克服振荡,使系统趋于稳定.特别对高阶系统非常有利,它加快了系统的跟踪速度。
但微分的作用对输人信号的噪声很敏感,对那些噪声较大的系统一般不用微分,或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。
适当地选择微分常数TD,可以使微分的作用达到最忧。
七、直流电动机调速系统
1、PwM调速原理
占空比a表示了在一个周期T里,开关管导通的时间与周期的比值。
a的变化范围为o≤a≤1。
由式(6—2)可知,当电源电压Us不变的情况下,电枢的端电压的平均值Uo取决于占空比a的大小,改变a值就可以改变端电压的平均值,从而达到调速的目的,这就是PwM调速原理。
在PwM调速时,占空比a是一个重要参数。
以下3种方法都可以改变占空比的值。
(1)定宽调频法
这种方法是保持t1不变,只改变t2,这样使周期T(或频率)也随之改变。
(2)调宽调频法
这种方法是保持t2不变,而改变t1,这样使周期T(或频率)也随之改变。
(3)定频调宽法
这种方法是使周期T(或频率)保持不变,而同时改变t1和t2。
前2种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率);
当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时,将会引起振荡,因此这2种方法用得很少。
目前,在直流电动机的控制中,主要使用定频调宽法。
PwM控制信号的产生方法有4种。
(1)分立电子元件组成的PwM信号发生器
这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PwM信号电路,现已被淘汰了。
(2)软件模拟法
利用单片机的一个I/O引脚,通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PwM波输出。
这种方法要占用cPu大量时间,使单片机无法进行其他工作,因此也逐渐被淘汰。
(3)专用PWM集成电路
从PwM控制技术出现之日起,就有芯片制造商生产专用的PwM集成电路芯片,现在市场上已有许多种。
这些芯片除了有PWM信号发生功能外,还有“死区”调节功能、保护功能等。
在用单片机控制直流电动机中,使用专用PwM集成电路可以减轻单片机负担、工作更可靠。
(4)单片机的PwM口
新一代的单片机增加了许多功能,其中包括PWM功能。
单片机通过初始化设置,使其能自动地发出PwM脉冲波。
只有在改变占空比时CPUu才进行干预。
后2种方法是日前PwM信号获得的主流方法。
2、直流电动机的不可逆PWM系统
直流电动机PwM控制系统有可逆和不可逆系统之分。
可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转;
不可逆系统是指电动机只能单向放转。
对于可逆系统,又可分为单极性驱动和双极性驱动两种方式。
单极性驱动是指在一个PWM周期里,作用在电抠两端的脉冲电压是单一极性的;
双极性驱动则是指在一个PwM周期里,作用在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。
(1)无制动的不可逆PwM系统
电动机的电枢电流不能反向流动,因此它不能工作在制动状态。
(2)有制动的不可逆PwM系统
系统增加了一个开关管V2,只在制动时起作用。
开关管v1、v2的PwM信号电平方向相反。
3、直流电动机双极性驱动可逆PWM系统
在每个PwM周期里,当控制信号Ui1高电平时.开关管vl、v4导通,此时Ui2为低电平.因此v2、v3截止,电枢绕组承受从A到B的正向电压;
当控制信号Ui1低电平时,开关管vl、v4截止,此时ui2为高电平.因此v2、v3导通,电枢绕组承受从B到A的反向电压。
这就是所谓的“双极”。
由于在一个PwM周期里电枢电压经历了正反两次变化.因此其平均电压
uO,可用下式决定:
由式(6—3)可见,双极性可逆PwM驱动时,电枢绕组所受的平均电压取决于占空比a大小。
当a=o时,uo=-Us,电功机反转.且转速最大;
当a=1时.uo=Us,电动机正转,转速最大,当a=l/2时,uo=o,电动机不转。
虽然此时电动机不转.但电抠绕组中仍然由交变电流流动,使电动机产生高频振荡,这种振荡有利于克服电动机负载的静摩擦,提高动态性能。
当电动机在轻载下工作时,负载使电枢电流很小,电流波形基本上围绕横轴上下波动,电流的方向也在不断地变化,如图6—9(c)所示。
在每个PwM周期的o—t1区间.V2、V3截止。
开始时,由于自感电动势的作用,电枢中的电流维持原流向——从B到A,电流线路如图6—8中虚线4,经二极管D4、D1到电源,电动机处于再生制动状态。
由于二极管的D4、D1钳位作用,此时v1、v4不能导通。
当电流衰减到零后,在电源电压的作用下,v1、v4开始导通。
电流经V1、V4形成回路,如图6—8中虚线1。
这时电枢电流的方向从A到B.电动机处于电动状态。
在每个PwM周期的tl__t2区间,vl、v4截止。
电枢电流在自感电动势的作用下继续从A到B,其电流流向如图6—8中虚线2.电动机仍处于电动状态。
当电流衰减为零后v2、vI开始导通,电流线路如图6—8中的虚线3,电动机处于反接制动状态。
所以,在轻载下工作时,电动机的工作状态呈电动和制动交替变化。
4、直流电动机单极性驱动可逆PWM系统
图6—14是受限单极可逆PwM驱动系统。
它与双极可逆系统的驱动电路相同,只是控制方式不同。
在要求电动机正转时,开关管vl受PwM控制信号控制,开关管v4施加高电平使其常开;
开关管v2、v3施加低电平,使它们全都截止。
如图6—14所示的状态。
在要求电动机反转时.开关管v3受PwM控制信号控制,开关管v2施加高电平使其常开;
开关管v1、v4施加低电平,使它们全都截止。
八、交流异步电动机变频调速系统
SPWM波发生器SA4828芯片
九、步进电动机的单片机控制
由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统,既非常简单、廉价,又非常可靠。
同时.它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。
步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比,因此。
当它转一转后.没有累计误差,具有良好的跟随型。
步进电动机只能通过脉冲电源供电才能运行。
它不能直接使用交流电源和直流电源。
1、按A—B—C—A顺序轮流给各相绕组通电,磁场按A—B—C方向转过了3600。
转子则沿相同方向转过—个齿距角。
绕组通电一次的操作称为一拍,转子每拍走一步,转子走一步所转过的角度称为步距角:
2、细分驱动
细分步法是将步进电动机绕组中的稳定电流分成若干阶级,每进一步时,电流升一级。
同时.也相对地提高步进频率,使步进过程平稳进行。
步进电动机各相绕组的电流是按照工作方式的节拍轮流通电的。
绕组通电的过程非常简单,即通电——断电反复进行。
现在我们设想将这一过程复杂化一些,例如,每次通电时电流的幅值并不是一次升到位。
而是分成阶级,逐个阶级地上升;
同样海次断电时电流也不是一次降到0,而是逐个阶级地下降。
如果这样做会发生什么现象?
我们都知道,电磁力的大小与绕组通电电流的大小有关。
当通电相的电流并不马上升到位,而断电相的电流并不立即降为0时,它们所产生的磁场合力。
会使转子有一个新的平衡位置,这个新的平衡位置是在原来的步距角范围内。
也就是说,如果绕组中电流的波形不再是一个近似方波,而是一个分成N个阶级的近似阶梯波,则电流每升或降一个阶级时.转于转动一小步。
当转子按照这样的规律转过N小步时,实际上相当于它转过一个步距角。
这种将一个步距角细分成若干小步的驱动方法,就称为细分驱动。
细分驱动使实际步距角更小了,可以大大地提高对执行机构的控制精度。
同时.也可以减小或消除振荡、噪声和转短矩动。
目前,采用细分技术已经可以将原步距角分成数百份。
恒频脉宽调制细分驱动电路:
恒频脉宽调制细分驱动电路如图8—20(a)所示。
单片机是控制主体。
它通过定时器To输出20kHz的方波,送D触发器,作为恒频信号。
同时,输出阶梯电压的数字信号到D/A转换器.作为控制信号.它的阶梯电压的每一次变化,都使转子走一细分步。
恒频脉宽调制细分电路工作原理如下:
当D/A转换器输出的ua不变时,恒频信号cLK的上升沿使D触发器输出ub高电平.使开关管Tl、T2导通,绕组中的电流上升,取样电阻Rz上压降增加。
当这个压降大于ua时,比较器输出低电平,使D触发器输出ub低电平.Tl、T2截止,绕组的电流下降。
这使得Rz上的压降小于ua,比较器输出高电平,使D触发器输出高电平,T1、T2导通,绕组中的电流重新上升。
这样的过程反复进行,使绕组电流的波顶锯齿形。
因为cLK的频率较高,锯齿形波纹会很小。
当ua上升突变时,取样电阻上的压降小于ua,电流有较长的上升时间,电流幅值大幅增长.上升了一个阶级,如图8—20(b)所示。
同样,当ua下降突变时,取样电阻上的压降有较长时间大于ua,比较器输出低电乎,CLK的上升沿即使使D触发器输出1也马上被清0。
电源始终被切断.使电流幅值大幅下降,降到新的阶级为止。
以上过程重复进行。
ua的每一次突变,就会使转子转过一个细分步。
ucN5804B集成电路芯片适用于四相步进电动机的单极性驱动:
图8—21是这种芯片的一个典型应用。
结合图8—21可以看出芯片的各引脚功能为:
4、5、12、13脚为接地引脚,1、3、6、8脚为输出引脚,电动机各相的接线如图;
14脚控制电动机的转向,其中低电乎为正转,高电平为反转;
11脚是步进脉冲的输入端;
9、10脚决定工作方式。
3、步进电动机的单片机控制
(1)控制换相顺序
(2)控制步进电动机的转向
(3)控制步进电动机的速度
脉冲的频率决定了步进电动机的转速。
步进电动机的速度控制通过控制单片机发出的步进脉冲频率来实现。
对于图8—22所示的软脉冲分配方式,可以采用调整两个控制字之间的时间间隔来实现调速。
对于图8—23所示的硬脉冲分配方式,可以控制步进脉冲的频率来实现调速。
第一种是通过软件延时的方法。
改变延时的时间长度就可以改变输出脉冲的频率;
但这种方法使cPu长时间等待,占用大量机时,因此没有实用价值。
第二种是通过定时器中断的方法。
在中断服务子程序中进行脉冲输出操作.调整定时器的定时常数就可以实现调速。
这种方法占用cPu时间较少,在各种单片机中部能实现,是一种比较实用的调速方法。
4、脉冲分配
(1)通过软件实现脉冲分配
(2)通过硬件实现脉冲分配
8713脉冲分配器与单片机的接口例子如图8—23所示,本例选用单时钟输入方式,8713的3脚为步进脉冲输入端,4脚为转向控制端,这两个引脚的输入均由单片机提供和控制。
选用对四相步进电动机进行八拍方式控制,所以5、6、7脚均接高电乎。
5、步进电动机的运行控制
(1)步进电动机的位置控制需要两个参数。
第一个参数是步进电动机控制的执行机构当前的位置参数,我们称为绝对位置。
绝对位置是有极限的,其极限是执行机构运动的范围,超越了这个极限就应报警。
第二个参数是从当前位置移动到目标位置的距离,我们可以用折算的方式将这个距离折算成步进电动机的步数。
这个参数是外界通过键盘或可调电位器旋钮输入的,所以折算的工作应该在键盘程序或A/D转换程序中完成。
(2)步进电动机的加、减速控制
十、无刷直流电动机
1、工作原理
无刷直流电动机是由电动机本体、转子位置传感器和电子开关线路3部分组成.
无刷直流电动机为了去掉电刷.将电枢放到定子上去.而转子做成永磁体,这样的结构正好与普通直流电动机相反;
然而,即使这样改变还不够,因为定子上的电枢通入直流电以后,只能产生不变的磁场,电动机依然转不起来。
为了使电动机的转子转起来.必须使定子电枢各相绕组不断地换相通电。
这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化,使定子磁场与转子永磁磁场始终保持900左右的空间角,产生转矩推动转子旋转。
图9—9是三相无刷直流电动机的工作原理因。
采用光电式位置传感器,电动机的定子绕组分别为A相、B相、c相,因此,光电式位置传感器上也有3个光敏接收元件vl、vz、v3与之对应。
3个光敏接收元件在空间上间隔1200,分别控制3个开关管vA、vB、vC(本例为半桥式驱动,只用3个开关管)。
这3个开关管则控制对应相绕组的通电与断电。
遮光板安装在转子上,安装的位置与图中转子的位置相对应。
为了简化,转于只有一对磁极。
当转子处于图9—l0(a)所示的位置时,遮光板遮住光敏接收元件v2、v3,只有v1可以透光。
因此,V1输出高电平使开关管vA导通.A相绕组通电.而B、c两相处于断电状态。
A相绕组通电使定子产生的磁场与转子的永磁磁场相互作用.产生的转矩推动转子逆时针转动。
当转子转到图9—10(b)的位置时,遮光板遮住vl,并使v2透光。
因此,v1输出低电乎使开关管VA截止,A相断电。
同时,V2输出高电平使开关管vB导通,B相通电,c相状态不变。
这样由于通电相发生了变化,使定子磁场方向也发生了变化,与转子永磁磁场相互作用,仍然
会产生与前面过程同样大的转矩.推动转子继续逆时针转动。
当转子转到图9—l0(c)的位置时,遮光板遮住V2,同时使v3透光。
因此,B相断电、c相通电,定子磁场方向又发生变化,继续推动转子转到图9—10(d)的位置,使转子转过一周又回到原来位置。
如此循环下去,电动机就转动起来了。
2、无刷直流电动机的单片机控制
c805l的P1口作为输出口,通过驱功器7407控制全桥驱动电路上桥臂的P沟道MOSFET(V1、V3、V5).通过与门7409控制下桥臂的N沟道MoSFET(V4、V6、V2)。
C8051的Po.o作为PWM输出门.控制电动机的转速。
Po.1一P0.6作为输入口.连接位置传感器输出的控制信号。
c8051的所有输出口都接上拉电阻.与5v负载电平相匹配。
(1).换相控制
本例中采用三相全桥星形联结(也可以采用三相全桥角形联结)。
不管使用二二导通方式还是三三导通方式.都有6种导通状态,转了每转600换—种状态。
导通状态的转换通过软件来完成。
软件控制导通状态转换飞常简单.即根据位置传感器的输出信号H1、H2、H3,不断地取相应的控制字送P1口来实现。
因此。
如果采用霍尔式位置传感器,根据P1口与MosFET管的连接关系。
(2).转速控制
无刷直流电动机的转速控制原理与普通直流电动机一样.可以通过PwM方法来控制电枢的通电电流.实现转速的控制。
本例中,通过c8051的PwM口,控制3个与门7409的B输入端。
当PWM口输出低电平时.使与门7409输出低电平,开关电路的MOSFET管v4、v6、v2被封锁;
当PwM口输出高电平时,与门7409的输出状态取决于单片机的控制字,MOsFET管v4、v6、v2的导通与截止按正常换相状态进行。
由于采用了PwM口.单片机可以自动地输出PwM波.减轻了单片机的负担。
(3).转向控制
只要改变开关管通电顺序就可以实现电动机的反转。
转向的控制可通过软件来完成的,通过送反转控制字到P1即可。
(4).启动限流控制
图9—25的限流电路是由采样电阻R和比较器LM324硬件组成。
当电动机启动时,启动电流增大,在采样电阻R上的压降增大,当压降等于给定电压u0时,比较器LM324输出低电平,使MosFET开关管v4、v6、v2被关断,R上的电流迅速减小。
R上的压阵也减小,当压降降到小于给定电压u0时,比较器输出高电乎,使M0sFET刀:
关管v4、v6、v2恢复正常的通断顺序。
如此下去,电流被限制在u0/R上下,达到限流的目的。
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