电动机的单片机控制.docx
《电动机的单片机控制.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电动机的单片机控制.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
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、PWMR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一个
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TvTz；而在这个交点对应的转速之下要保证T>Tz0
三、常用的电力电子器件
1、典型驱动电路
⑴、EXE840
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。
1404-=
—/t-
1
1
1
过流检测与保护电胳
1
1
1
1
_*1
光电構合器
02
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
M57962L的引脚定义如下：
引脚1是保护电路对1GE「集电扱检测输人端；引脚4和引脚6分别是~H5V酣一皿V电源轲人端；引脚5是驼动输出端，引脚R是故障状态输出端#引脚13和引脚貝足驱动信号输人筑¥其余引脚不用。
采用M57962L集威电路驱动1GBT的聽型应用电路如图2-33所示厂其中D是快速恢
复二极骨•要求恢复时间小于山2林•对于驱动髙肚的IGET.Dj的恢刼时间可能较栓，则引脚1承受的电压就高，因比在引脚1和引脚6之间加一貝稳压管，进行嵌位保护.需要注意的
O
故障織出
O
D.OOV）A
即动信号
M4
M579WLn
IkIGBT
S12-33M579銃I”殂靈的驼豹电關
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PoP1、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
xBRI、xBR2进行设置。
设置交叉开关控制寄存器XBRoxBRl、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C805I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
3、电动机控制中的PWM口测频在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言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。
C805I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。
1、光栅位移检测传感器
英尔条纹下務输里
.^TLri
—门口
上移締出
讐一k.
翹蠶一°~」一
（b）
2、光电编码盘角度检测传感器
编码盘方向的辨别
B_nj^LTT_rL
A_LTLn_rLr
q
B」LJ-L_n_TL
&TTTTJ-L-TLQj_Q司反转
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、E脉冲相位相差90°。
当正转时，E脉冲超前A脉冲90°。
触发器总是在E脉冲处于高电平时触发，如图5—15（b）所示，这时0=1.表示正转。
当反转时.A脉冲超前E脉冲90°•触发器总是在E处于低电平时触发，这时0=0,表示反转。
A、E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
an1
武中KP—比例系数*
6积分常数甲
——微分常数扌
图模拟円D控制系统原理图
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T
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
式中a——占空比，Q=¥。
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owa<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PwMM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ti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ti，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ti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空制信号的产生方法有4种。
（1）分立电子元件组成的PwM言号发生器
这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PwM言号电路，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PwMS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成电路
从PwM空制技术出现之日起，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。
⑷单片机的PwMH
新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWI功能。
单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PwM永冲波。
只有在改变占空比时CPUu才进行干预。
后2种方法是日前PwM言号获得的主流方法。
2、直流电动机的不可逆PWM系统
直流电动机PwM空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
SiO
ffi6-5有制动的不可逆PWM9B动系统
系统增加了一个开关管V2,只在制动时起作用。
开关管v1v2的PwM言号电平方向相反。
图6-7单片机控制的疳制动的不可逆FWM系统
3、直流电动机双极性驱动可逆PWM系统
°%
S-8F型双按可逆PWM昶动乘统
06-9H型取騷可逆PWM电流波形
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：
!
人、=（净一了丁航）Ds=C¥i、）1人=（勿一】）LA（6七、
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—tl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一一从E到A,电流线路如图6—8中虚线4,经二极管D4Dl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VI、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E.电动机处于电动状态。
在每个PwM周期的tlt2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、vl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空制信号控制，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。
S6-14受限单极可逆PWM驱动卷疑
八、交流异步电动机变频调速系统
SPW波发生器SA4828芯片
WR-
RD-
ALE—
P2.7,
Pl.fl-一——
P3.2
SA482S
JADO-AD?
W
•胚
ALE
CS
srntip
ZPPR
RESET
CLK
-RPHBYPtiB
BPtEB7
HPHI
匚二I
图7-20SA4S28与S7SI单片机接口电路
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360°。
转子则沿相同方向转过一个齿距角。
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：
式中N—步进电动机工作拍数n
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，即通电一一断电反复进行。
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：
图8-50恒频脉寬用分卑路及诡形
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。
農恳-29」©脚真值表
1作方式
9脚
10脚
0
0
门
!
1
0
ftEl
1
1
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、67
脚均接高电乎。
S8-4S7U御功能
引脚
功能
说明
1
Z
正转脉冲諭人瑞反牧藤冲辅人瑞
3
4
詠冲输人谓
转冋控樹端L。
为反轉畀为止转
趴4脚为单时种幣人端
5
<5
壬作方式选样：
00为双三（四》拍汕为
单三【阿;■幣ML対尺（八）拍
7
三r四棚选務.o沟三相訂花泗相
8
地
g
复位端，低电平右牧
10
u输出端.四相用13,12.11J0W5^別代表
1入三相用13,12、】】脚，分别代丢
禹氏C
13
u工性亦式祇轨.£为单三（四3祐门为取己-
【哪世*醸冲为六【八〉拍
后—醴人旣融态监挽・写丽麻_
16詁_亠"_-'■-—
图M-曲即茁脉冲分配器与单片机接口
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.
图9-!
无刷直流电动机啊原理框图
轴承机壳定子转子位置传感器转了传感器组件
图9-2无刷直流电动机结构示意图
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90°
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120°，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—10（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
升级会员 