电动机的单片机控制.docx

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电动机的单片机控制

电动机的单片机控制

电动机调速系统可分成三大部分。

即控制、驱动、反馈。

一、单片机在电动机控制中主要作用

1、PWM口广泛地应用在直流电动机控制中，它一经初始化设定后自动发出PWM控制信号，CPU只是在需要调整参数时才介入。

2、新型单片机的捕捉功能在电动机控制中用于测频。

它相当于老式单片机中用计数器与外中断联合测频功能。

3、电动机是一个电磁干扰源，除了采用必要的隔离、屏蔽和电路板合理布线等措施外，看门狗的功能就会显得格外重要。

看门狗在工作时不断地监视程序运行的情况。

一旦程序“跑飞”，会立刻使单片机复位。

4、功率集成电路是电力电子技术与微电子技术相结合的产物。

它将半导体功率器件与驱动电路、逻辑控制电路、检测与诊断电路、保护电路集成在一块芯片上，使功率器件含有某种智能功能。

二、机电传动系统的动力学基础

1、反抗转矩的特点是：

转矩的方向总是与转速的方问相反。

当运功方向改变时．转矩的方向也改变．它总是阻碍运动进行。

因摩擦和非弹性体的压缩、拉伸、扭转等作用所产生的负载转矩都属于反抗转矩。

例如．机床加工过程中所产个的负载转矩就是反抗转矩。

2、位能转矩则不同．位能转矩的作用方向恒定不变。

与运动方向无关。

它是由物体的重力和弹性体的压缩、拉伸、扭转等作用所产生的负载转矩。

位能转矩在某方向阻碍运动，在相反方向却促进运动。

起重机起吊重物时，由于重力的作用方向总是指向地心的．所以它产生的负载转矩永远作用在使重物下降的方向。

3、电力拖动系统的稳定运行有两种含义：

第一是应能以一定的速度匀速运转；第二是系统受到某种外部干扰（如电压波动、负载转矩波动等）使转速稍有变化时，应保证干扰消除后仍能以原来的转速运行。

要做到第一点。

就必须使电动机的电磁转矩与负载转矩大小相等，方向相反，相互平衡。

这就意味着电动机的机械特性曲线与工作机械的特性曲线有—个交点。

但是，有交点只是保证系统稳定的必要条件，它的充分条件是这个交点必须是稳定的平衡点。

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。