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1、電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可分成三大部分。即控制、驅(qū)動(dòng)、反饋。一、單片機(jī)在電動(dòng)機(jī)控制中主要作用1、PWM口廣泛地應(yīng)用在直流電動(dòng)機(jī)控制中,它一經(jīng)初始化設(shè)定后自動(dòng)發(fā)出PWM控制信號(hào),CPU只是在需要調(diào)整參數(shù)時(shí)才介入。2、新型單片機(jī)的捕捉功能在電動(dòng)機(jī)控制中用于測(cè)頻。它相當(dāng)于老式單片機(jī)中用計(jì)數(shù)器與外中斷聯(lián)合測(cè)頻功能。3、電動(dòng)機(jī)是一個(gè)電磁干擾源,除了采用必要的隔離、屏蔽和電路板合理布線等措施外,看門(mén)狗的功能就會(huì)顯得格外重要??撮T(mén)狗在工作時(shí)不斷地監(jiān)視程序運(yùn)行的情況。一旦程序“跑飛”,會(huì)立刻使單片機(jī)復(fù)位。4、功率集成電路是電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它將半導(dǎo)體功率器件與驅(qū)動(dòng)電路、邏輯控制電路
2、、檢測(cè)與診斷電路、保護(hù)電路集成在一塊芯片上,使功率器件含有某種智能功能。二、機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)1、反抗轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)是:轉(zhuǎn)矩的方向總是與轉(zhuǎn)速的方問(wèn)相反。當(dāng)運(yùn)功方向改變時(shí).轉(zhuǎn)矩的方向也改變.它總是阻礙運(yùn)動(dòng)進(jìn)行。因摩擦和非彈性體的壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)等作用所產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩都屬于反抗轉(zhuǎn)矩。例如.機(jī)床加工過(guò)程中所產(chǎn)個(gè)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩就是反抗轉(zhuǎn)矩。2、位能轉(zhuǎn)矩則不同.位能轉(zhuǎn)矩的作用方向恒定不變。與運(yùn)動(dòng)方向無(wú)關(guān)。它是由物體的重力和彈性體的壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)等作用所產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。位能轉(zhuǎn)矩在某方向阻礙運(yùn)動(dòng),在相反方向卻促進(jìn)運(yùn)動(dòng)。起重機(jī)起吊重物時(shí),由于重力的作用方向總是指向地心的.所以它產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩永遠(yuǎn)作用在使重物下
3、降的方向。3、電力拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有兩種含義:第一是應(yīng)能以一定的速度勻速運(yùn)轉(zhuǎn);第二是系統(tǒng)受到某種外部干擾(如電壓波動(dòng)、負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動(dòng)等)使轉(zhuǎn)速稍有變化時(shí),應(yīng)保證干擾消除后仍能以原來(lái)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。要做到第一點(diǎn)。就必須使電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小相等,方向相反,相互平衡。這就意味著電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線與工作機(jī)械的特性曲線有一個(gè)交點(diǎn)。但是,有交點(diǎn)只是保證系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件,它的充分條件是這個(gè)交點(diǎn)必須是穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要充分條件是:、電動(dòng)機(jī)與工作機(jī)械的機(jī)械特性曲線要有一個(gè)交點(diǎn)。、在這個(gè)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速之上,必須要保證TTz。三、常用的電力電子器件1、典型驅(qū)動(dòng)電路、EXB840它主
4、要由輸入隔離電路、驅(qū)功放大電路、過(guò)流檢測(cè)及保護(hù)電路以及電源組過(guò)流檢測(cè)V濕坨由政EXB840的引腳定義如下:引腳1用于連接反偏置電源的濾波電容;引腳2和引腳9分別是電源和地;引腳3為驅(qū)動(dòng)輸出;引腳4用于連接外部電容器,以防止過(guò)流保護(hù)誤動(dòng)作(一般場(chǎng)合不需要這個(gè)電容);引腳5為過(guò)流保護(hù)輸出;引腳6為IGBT集電極電壓監(jiān)視端;引腳14和引腳15為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端;其余引腳不用。EXB840集成電路驅(qū)功IGBT的典型應(yīng)用電路:153EXB癡驅(qū)動(dòng)信號(hào)故障輸出o5nERA34-U033pF雙絞繾U一zJL33“FcJKJGBT4.7kQ/2W。20V隔離電源O0V2、M57962L集成電路M5T962L的引腳
5、定義如下,引腳1是保護(hù)電路對(duì)1GBT.集電極檢測(cè)輸入端:引腳4和引腳6分別是+25V和一DV電源輸入端.引腳5是膽動(dòng)輸出端,引腳8是故障狀態(tài)輸出端?引腳13和引腳M是驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端,其余引腳不用.采用M57962L集成電路驅(qū)動(dòng)1GBT的典型應(yīng)用電路如圖2-33所示.其中口是快速恢復(fù)二極管,要求恢熨時(shí)間小于0.2對(duì)于驅(qū)動(dòng)高壓的1GBT.D的恢裁時(shí)間可能較長(zhǎng),則引腳1承受的電壓就高,因此在引腳1和引腳苜之間加一只穩(wěn)壓管,進(jìn)行嵌位保護(hù).需要注意的4,710-TZZ-4M579WL13O故障物品OD/3QV)A4甘IGBT更理SI2-33M5796比垠成的驅(qū)印電踣四、單片機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)控制的支持1、C80
6、51用于控制電動(dòng)機(jī)時(shí)的輸入輸出端口設(shè)置在I/o口Po、P1、P2與內(nèi)部資源之間是使用交叉開(kāi)關(guān)進(jìn)行連接的。當(dāng)需要將某些內(nèi)部資源與I/o引腳相連接時(shí).必須通過(guò)交叉開(kāi)關(guān)控制寄存器xBRo、xBRl、xBR2進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置交叉開(kāi)關(guān)控制寄存器XBRo、xBRl、xDR2的作用是:確定被選擇的資源。這些被選擇的資源分配到哪些I/o引腳上去,則由交叉開(kāi)關(guān)優(yōu)先表根據(jù)排列的優(yōu)先順序來(lái)確定。2、電動(dòng)機(jī)控制中的模/數(shù)轉(zhuǎn)換在C8051中的實(shí)現(xiàn)ADC可編程窗口檢測(cè)器在電動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用中非常有用。它不停地、自動(dòng)地將ADc輸出與用戶編程的極限值進(jìn)行比較。并在檢測(cè)到越限條件時(shí)通知系統(tǒng)控制器。3、電動(dòng)機(jī)控制中的PWM和測(cè)頻在C8
7、051中的實(shí)現(xiàn)在有刷和無(wú)則直流電動(dòng)機(jī)的控制中.需要使用脈寬調(diào)制(PwM)技術(shù),通過(guò)調(diào)節(jié)PwM信號(hào)的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。因此,PwM波發(fā)生器在直流電動(dòng)機(jī)的控制中是不可缺少的。止匕外,電動(dòng)機(jī)控制中還經(jīng)常需要對(duì)輸出的頻率信號(hào)進(jìn)行測(cè)頻(例如,光電編碼盤(pán)的輸出,交流電動(dòng)機(jī)控制中sPwM頻率的測(cè)試等).實(shí)現(xiàn)測(cè)頻的最簡(jiǎn)蘋(píng)的方法是使用捕捉功能。c805l單片機(jī)有PwM功能和捕捉功能。這些功能都包含在一個(gè)稱為可編程計(jì)數(shù)器列陣PcA當(dāng)中。PcA除了有PwM功能和捕捉功能外,還有比較功能和高速輸出功能。五、電動(dòng)機(jī)控制中常用的位移、角度、轉(zhuǎn)速檢測(cè)傳感器1、光柵位移檢測(cè)傳感器w,_RTL,_TLFLLTLW爭(zhēng)一爭(zhēng)一u莫爾
8、條些下移泊出一莫爾條塊上赭物出皿df(b)辨向電路和菠形圖陽(yáng)52、光電編碼盤(pán)角度檢測(cè)傳感器編碼盤(pán)方向的辨別B_njLTT_rLLTLrLTLrq_B_J-U-L_n_TLAJLTTJ-L-TLQQf反轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)放大整形后的A、B兩相脈沖分別輸入到D觸發(fā)器的D端和cP端.如圖515(a)所示。因此,D觸發(fā)器的cP端在A脈沖的上升沿觸發(fā)。由于A、B脈沖相位相差900。當(dāng)正轉(zhuǎn)時(shí),B脈沖超前A脈沖900。觸發(fā)器總是在B脈沖處于高電平時(shí)觸發(fā),如圖5-15(b)所示,這時(shí)Q=1.表示正轉(zhuǎn)。當(dāng)反轉(zhuǎn)時(shí).A脈沖超前B脈沖900.觸發(fā)器總是在B處于低電平時(shí)觸發(fā),這時(shí)Q=0,表示反轉(zhuǎn)。A、B脈沖的另一路經(jīng)與門(mén)后.輸出計(jì)
9、數(shù)脈沖。這樣,用Q或Q非控制可逆計(jì)數(shù)器是加計(jì)數(shù)還是減計(jì)數(shù).就可以使可逆計(jì)數(shù)器對(duì)計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。C相脈沖接到計(jì)數(shù)器的復(fù)位端.實(shí)現(xiàn)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈復(fù)位一次計(jì)數(shù)器。這樣.無(wú)論是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn),計(jì)數(shù)值每次反映的都是相對(duì)與上次角度的增量,形成增量編碼。3、測(cè)速發(fā)動(dòng)機(jī)上!G)di+Tn-六、模擬PID控制原理口=式中Kp比例系數(shù);Ti積分常數(shù)步一微分常數(shù)“一控制常量.圖模擬P】口控制系統(tǒng)原理圖在模擬PID控制器中,比例環(huán)節(jié)的作用是對(duì)偏差瞬間作出快速反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生,控制器立即產(chǎn)生控制作用,使控制量向減少偏差的方向變化??刂谱饔玫膹?qiáng)弱取決于比例系數(shù)Kp,Kp越大,控制越強(qiáng),但過(guò)大的Kp會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩,破壞系統(tǒng)的
10、穩(wěn)定性。由式(42)可見(jiàn).只有當(dāng)偏差存在時(shí),第一項(xiàng)才有控制量輸出。所以,對(duì)大部分被控制對(duì)象(如直流電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速),要加上適當(dāng)?shù)呐c轉(zhuǎn)速和機(jī)械負(fù)載有關(guān)的控制常量Uo否則,比例環(huán)節(jié)將會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)誤差。積分環(huán)節(jié)的作用是把偏差的積累作為輸出。在控制過(guò)程中,只要有偏差存在,積分環(huán)節(jié)的輸出就會(huì)不斷增大。直到偏差e(t)=o,輸出的u才可能維持在某一常量,使系統(tǒng)在給定值r(t)不變的條件下趨于穩(wěn)態(tài)。因此,即使不加控制常量U。,也能消除系統(tǒng)輸出的靜態(tài)誤差。積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用雖然會(huì)消除靜態(tài)誤差,但也會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度,增加系統(tǒng)的超調(diào)量。積分常數(shù)Ti越大,積分的積累作用越弱。增大積分常數(shù)Ti會(huì)減慢靜態(tài)誤差的消除過(guò)
11、程,但可以減少超調(diào)量,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以,必須根據(jù)實(shí)際控制的具體要求來(lái)確定Ti。實(shí)際的控制系統(tǒng)除了希望消除靜態(tài)誤差外,還要求加快調(diào)節(jié)過(guò)程。在偏差出現(xiàn)的瞬間,或在偏差變化的瞬間,不但要對(duì)偏差量作出立即響應(yīng)(比例環(huán)節(jié)的作用),而且要根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)預(yù)先給出適當(dāng)?shù)募m正。為了實(shí)現(xiàn)這一作用.可在PI控制器的基礎(chǔ)上加入微分環(huán)節(jié),形成PID控制器。微分環(huán)節(jié)的作用是阻止偏差的變化。它是根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)(變化速度)進(jìn)行控制。偏差變化得越快,微分控制器的輸出就越大,并能在偏差值變大之前進(jìn)行修正。微分作用的引入,將有肋于減小超調(diào)量,克服振蕩,使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定.特別對(duì)高階系統(tǒng)非常有利,它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度。但
12、微分的作用對(duì)輸人信號(hào)的噪聲很敏感,對(duì)那些噪聲較大的系統(tǒng)一般不用微分,或在微分起作用之前先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波。適當(dāng)?shù)剡x擇微分常數(shù)Td,可以使微分的作用達(dá)到最憂。七、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)1、PwM調(diào)速原理(bj賴人輸出電壓湎帶工iu3+。I_t+tl式中-占空比,flQ=了占空比a表示了在一個(gè)周期T里,開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值。a的變化范圍為o&a&1。由式(62)可知,當(dāng)電源電壓Us不變的情況下,電樞的端電壓的平均值Uo取決于占空比a的大小,改變a值就可以改變端電壓的平均值,從而達(dá)到調(diào)速的目的,這就是PwM調(diào)速原理。在PwM調(diào)速時(shí),占空比a是一個(gè)重要參數(shù)。以下3種方法都可以改變占空比的值。(1
13、)定寬調(diào)頻法這種方法是保持ti不變,只改變t2,這樣使周期T(或頻率)也隨之改變。(2)調(diào)寬調(diào)頻法這種方法是保持t2不變,而改變ti,這樣使周期T(或頻率)也隨之改變。(3)定頻調(diào)寬法這種方法是使周期T(或頻率)保持不變,而同時(shí)改變ti和t2。前2種方法由于在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期(或頻率);當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí),將會(huì)引起振蕩,因此這2種方法用得很少。目前,在直流電動(dòng)機(jī)的控制中,主要使用定頻調(diào)寬法。PwM控制信號(hào)的產(chǎn)生方法有4種。分立電子元件組成的PwM信號(hào)發(fā)生器這種方法是用分立的邏輯電子元件組成PwM信號(hào)電路,現(xiàn)已被淘汰了。(2)軟件模擬法利用單片機(jī)的一個(gè)I/O弓I腳,
14、通過(guò)軟件對(duì)該引腳不斷地輸出高低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)PwM波輸出。這種方法要占用cPu大量時(shí)間,使單片機(jī)無(wú)法進(jìn)行其他工作,因此也逐漸被淘汰。專用PWM集成電路從PwM控制技術(shù)出現(xiàn)之日起,就有芯片制造商生產(chǎn)專用的PwM集成電路芯片,現(xiàn)在市場(chǎng)上已有許多種。這些芯片除了有PWM信號(hào)發(fā)生功能外,還有“死區(qū)”調(diào)節(jié)功能、保護(hù)功能等。在用單片機(jī)控制直流電動(dòng)機(jī)中,使用專用PwM集成電路可以減輕單片機(jī)負(fù)擔(dān)、工作更可靠。(4)單片機(jī)的PwM口新一代的單片機(jī)增加了許多功能,其中包括PWM功能。單片機(jī)通過(guò)初始化設(shè)置,使其能自動(dòng)地發(fā)出PwM脈沖波。只有在改變占空比時(shí)CPUu才進(jìn)行干預(yù)。后2種方法是日前PwM信號(hào)獲得的主流方法。2、
15、直流電動(dòng)機(jī)的不可逆PWM系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)PwM控制系統(tǒng)有可逆和不可逆系統(tǒng)之分??赡嫦到y(tǒng)是指電動(dòng)機(jī)可以正反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn);不可逆系統(tǒng)是指電動(dòng)機(jī)只能單向放轉(zhuǎn)。對(duì)于可逆系統(tǒng),又可分為單極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)兩種方式。單極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè)PWM周期里,作用在電摳兩端的脈沖電壓是單一極性的;雙極性驅(qū)動(dòng)則是指在一個(gè)PwM周期里,作用在電樞兩端的脈沖電壓是正負(fù)交替的。(1)無(wú)制動(dòng)的不可逆PwM系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的電樞電流不能反向流動(dòng),因此它不能工作在制動(dòng)狀態(tài)。f/ol(2)有制動(dòng)的不可逆PwM系統(tǒng)圖6-5有制動(dòng)的不可逆PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)增加了一個(gè)開(kāi)關(guān)管V2,只在制動(dòng)時(shí)起作用。開(kāi)關(guān)管v1、v2的PwM信號(hào)電平方向相反。圖6
16、-7單片機(jī)控制的宥制動(dòng)的不可逆FW1V1系統(tǒng)3、直流電動(dòng)機(jī)雙極性驅(qū)動(dòng)可逆PWM系統(tǒng)06-9H型雙限可逆PWM電流被形在每個(gè)PwM周期里,當(dāng)控制信號(hào)Ui1高電平時(shí).開(kāi)關(guān)管vl、v4導(dǎo)通,此時(shí)Ui2為低電平.因此v2、v3截止,電樞繞組承受從A到B的正向電壓;當(dāng)控制信號(hào)Ui1低電平時(shí),開(kāi)關(guān)管vl、v4截止,止匕時(shí)ui2為高電平.因此v2、v3導(dǎo)通,電樞繞組承受從B到A的反向電壓。這就是所謂的“雙極”。由于在一個(gè)PwM周期里電樞電壓經(jīng)歷了正反兩次變化.因此其平均電壓Uo,可用下式?jīng)Q定:U*二傳_12)心=Q把L)Us=-DIA由式(63)可見(jiàn),雙極性可逆PwM驅(qū)動(dòng)時(shí),電樞繞組所受的平均電壓取決于占空
17、比a大小。當(dāng)=o時(shí),uo=Us,電功機(jī)反轉(zhuǎn).且轉(zhuǎn)速最大;當(dāng)=1時(shí).uo=Us,電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速最大,當(dāng)=1/2時(shí),uo=o,電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)。雖然此時(shí)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn).但電摳繞組中仍然由交變電流流動(dòng),使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生高頻振蕩,這種振蕩有利于克服電動(dòng)機(jī)負(fù)載的靜摩擦,提高動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在輕載下工作時(shí),負(fù)載使電樞電流很小,電流波形基本上圍繞橫軸上下波動(dòng),電流的方向也在不斷地變化,如圖69(c)所示。在每個(gè)PwM周期的ot1區(qū)間.V2、V3截止。開(kāi)始時(shí),由于自感電動(dòng)勢(shì)的作用,電樞中的電流維持原流向一一從B到A,電流線路如圖68中虛線4,經(jīng)二極管D4、D1到電源,電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)。由于二極管的D4、D1鉗位作
18、用,此時(shí)v1、v4不能導(dǎo)通。當(dāng)電流衰減到零后,在電源電壓的作用下,v1、v4開(kāi)始導(dǎo)通。電流經(jīng)V1、V4形成回路,如圖68中虛線1。這時(shí)電樞電流的方向從A到B.電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)。在每個(gè)PwM周期的t1t2區(qū)間,vl、v4截止。電樞電流在自感電動(dòng)勢(shì)的作用下繼續(xù)從A到B,其電流流向如圖6-8中虛線2.電動(dòng)機(jī)仍處于電動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)電流衰減為零后v2、vl開(kāi)始導(dǎo)通,電流線路如圖68中的虛線3,電動(dòng)機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)。所以,在輕載下工作時(shí),電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)呈電動(dòng)和制動(dòng)交替變化。4、直流電動(dòng)機(jī)單極性驅(qū)動(dòng)可逆PWM系統(tǒng)圖614是受限單極可逆PwM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。它與雙極可逆系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路相同,只是控制方式不同。在要求
19、電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí),開(kāi)關(guān)管vl受PwM控制信號(hào)控制,開(kāi)關(guān)管v4施加高電平使其常開(kāi);開(kāi)關(guān)管v2、v3施加低電平,使它們?nèi)冀刂?。如圖6-14所示的狀態(tài)。在要求電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí).開(kāi)關(guān)管v3受PwM控制信號(hào)控制,開(kāi)關(guān)管v2施加高電平使其常開(kāi);開(kāi)關(guān)管v1、v4施加低電平,使它們?nèi)冀刂?。S6-14受限單極可逆PWM驅(qū)動(dòng)系跣八、交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)D13S&V-D4D523D3D6圖7一1電由型交一直-交變頻遁速主電路SPWM波發(fā)生器SA4828芯片TZMllz-iWRRDALEP2.7PLO一P3.2RESETYPHBBPHBRPHTYPHTUPHT-=13MHz不C:一RPHBJADO-AD?W布ALE
20、CSst戶ZPPRCLKRESETfci電除三相交流導(dǎo)步電動(dòng)機(jī)逆變電路圖八加SM&鴕與8登1單片機(jī)接口電踹九、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng),既非常簡(jiǎn)單、廉價(jià),又非??煽?。同時(shí).它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比,因此。當(dāng)它轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)后.沒(méi)有累計(jì)誤差,具有良好的跟隨型。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只能通過(guò)脈沖電源供電才能運(yùn)行。它不能直接使用交流電源和直流電源。1、按A-B-CA順序輪流給各相繞組通電,磁場(chǎng)按A-B-C方向轉(zhuǎn)過(guò)了36000轉(zhuǎn)子則沿相同方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距角。繞組通電一次的操作稱為一拍,轉(zhuǎn)子每拍走轉(zhuǎn)子走一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為
21、步距角:式中N一步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作拍數(shù).2、細(xì)分驅(qū)動(dòng)細(xì)分步法是將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組中的穩(wěn)定電流分成若干階級(jí),每進(jìn)一步時(shí),電流開(kāi)一級(jí)。同時(shí).也相對(duì)地提高步進(jìn)頻率,使步進(jìn)過(guò)程平穩(wěn)進(jìn)行。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組的電流是按照工作方式的節(jié)拍輪流通電的。繞組通電的過(guò)程非常簡(jiǎn)單,即通電一一斷電反復(fù)進(jìn)行?,F(xiàn)在我們?cè)O(shè)想將這一過(guò)程復(fù)雜化一些,例如,每次通電時(shí)電流的幅值并不是一次升到位。而是分成階級(jí),逐個(gè)階級(jí)地上升;同樣海次斷電時(shí)電流也不是一次降到0,而是逐個(gè)階級(jí)地下降。如果這樣做會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象?我們都知道,電磁力的大小與繞組通電電流的大小有關(guān)。當(dāng)通電相的電流并不馬上升到位,而斷電相的電流并不立即降為0時(shí),它們所產(chǎn)生的磁場(chǎng)合力。
22、會(huì)使轉(zhuǎn)子有一個(gè)新的平衡位置,這個(gè)新的平衡位置是在原來(lái)的步距角范圍內(nèi)。也就是說(shuō),如果繞組中電流的波形不再是一個(gè)近似方波,而是一個(gè)分成N個(gè)階級(jí)的近似階梯波,則電流每升或降一個(gè)階級(jí)時(shí).轉(zhuǎn)于轉(zhuǎn)動(dòng)一小步。當(dāng)轉(zhuǎn)子按照這樣的規(guī)律轉(zhuǎn)過(guò)N小步時(shí),實(shí)際上相當(dāng)于它轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這種將一個(gè)步距角細(xì)分成若干小步的驅(qū)動(dòng)方法,就稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。細(xì)分驅(qū)動(dòng)使實(shí)際步距角更小了,可以大大地提高對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制精度。同時(shí).也可以減小或消除振蕩、噪聲和轉(zhuǎn)短矩動(dòng)。目前,采用細(xì)分技術(shù)已經(jīng)可以將原步距角分成數(shù)百份。恒頻脈寬調(diào)制細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路:電路圖波形網(wǎng)圖片-20恒頻脈寬組分取蹈及波形恒頻脈寬調(diào)制細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路如圖820(a)所示。單片機(jī)是控制
23、主體。它通過(guò)定時(shí)器To輸出20kHz的方波,送D觸發(fā)器,作為恒頻信號(hào)。同時(shí),輸出階梯電壓的數(shù)字信號(hào)到D/A轉(zhuǎn)換器.作為控制信號(hào).它的階梯電壓的每一次變化,都使轉(zhuǎn)子走一細(xì)分步。包頻脈寬調(diào)制細(xì)分電路工作原理如下:當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出的ua不變時(shí),恒頻信號(hào)cLK的上升沿使D觸發(fā)器輸出ub高電平.使開(kāi)關(guān)管Tl、T2導(dǎo)通,繞組中的電流上升,取樣電阻Rz上壓降增加。當(dāng)這個(gè)壓降大于ua時(shí),比較器輸出低電平,使D觸發(fā)器輸出ub低電平.Tl、T2截止,繞組的電流下降。這使得Rz上的壓降小于ua,比較器輸出高電平,使D觸發(fā)器輸出高電平,T1、T2導(dǎo)通,繞組中的電流重新上升。這樣的過(guò)程反復(fù)進(jìn)行,使繞組電流的波頂鋸齒形
24、。因?yàn)閏LK的頻率較高,鋸齒形波紋會(huì)很小。當(dāng)ua上升突變時(shí),取樣電阻上的壓降小于ua,電流有較長(zhǎng)的上升時(shí)間,電流幅值大幅增長(zhǎng).上升了一個(gè)階級(jí),如圖820(b)所示。同樣,當(dāng)ua下降突變時(shí),取樣電阻上的壓降有較長(zhǎng)時(shí)間大于ua,比較器輸出低電乎,CLK的上升沿即使使D觸發(fā)器輸出1也馬上被清00電源始終被切斷.使電流幅值大幅下降,降到新的階級(jí)為止。以上過(guò)程重復(fù)進(jìn)行。ua的每一次突變,就會(huì)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)細(xì)分步。ucN5804B集成電路芯片適用于四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單極性驅(qū)動(dòng):圖8-21是這種芯片的一個(gè)典型應(yīng)用。結(jié)合圖8-21可以看出芯片的各引腳功能為:4、5、12、13腳為接地引腳,1、3、6、8腳為輸出
25、引腳,電動(dòng)機(jī)各相的接線如圖;14腳控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向,其中低電乎為正轉(zhuǎn),高電平為反轉(zhuǎn);11腳是步進(jìn)脈沖的輸入端;9、10腳決定工作方式。圖8匕】LLN5就HR集成電路典型應(yīng)用表9J0腳真值表L方:大9腳10腳雙四柏00人抽口!單四指10.小113、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制(1)控制換相順序(2)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向(3)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度脈沖的頻率決定了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度控制通過(guò)控制單片機(jī)發(fā)出的步進(jìn)脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于圖8-22所示的軟脈沖分配方式,可以采用調(diào)整兩個(gè)控制字之間的時(shí)間問(wèn)隔來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。對(duì)于圖8-23所示的硬脈沖分配方式,可以控制步進(jìn)脈沖的頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。第一種是通過(guò)軟
26、件延時(shí)的方法。改變延時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)度就可以改變輸出脈沖的頻率;但這種方法使cPu長(zhǎng)時(shí)間等待,占用大量機(jī)時(shí),因此沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。第二種是通過(guò)定時(shí)器中斷的方法。在中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行脈沖輸出操作.調(diào)整定時(shí)器的定時(shí)常數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法占用cPu時(shí)間較少,在各種單片機(jī)中部能實(shí)現(xiàn),是一種比較實(shí)用的調(diào)速方法。4、脈沖分配(1)通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)脈沖分配(2)通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)脈沖分配8713脈沖分配器與單片機(jī)的接口例子如圖8-23所示,本例選用單時(shí)鐘輸入方式,8713的3腳為步進(jìn)脈沖輸入端,4腳為轉(zhuǎn)向控制端,這兩個(gè)引腳的輸入均由單片機(jī)提供和控制。選用對(duì)四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行八拍方式控制,所以5、6、7腳均接高電乎。賽8
27、-48713引腳功能引一腳功能說(shuō)明1Z正轉(zhuǎn)脈沖輸入瑞反軸脈沖愉人瑞1、腳為雙向鐘懶A端3陳沖輸入端4_壁向近骯端口。為反轉(zhuǎn)為止轉(zhuǎn)九4腳為單時(shí)鐘艷人端5電壬作方式造推:00為雙三(四)拍網(wǎng)1、1口為電口四;1帕m為六(人)拍7三/四相選卷.0為三相P才四相8地9復(fù)世端中電子有裁“輸出端。明和用!3,12.11.10腳,分別代表KA,R、C,6三相用13.12,腳,分別代表A,凡C13u工作方丈謳領(lǐng).6為單一f四3疳*1為雙/【陽(yáng)型;酸沖為大【八)柏謁一卷入麻砥態(tài)監(jiān)玨,寫(xiě)麗靛-16冠.一一一一圖3-23昌713脈沖分配器與單片機(jī)接口5、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行控制(1)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置控制需要兩個(gè)參數(shù)。第
28、一個(gè)參數(shù)是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前的位置參數(shù),我們稱為絕對(duì)位置。絕對(duì)位置是有極限的,具極限是執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的范圍,超越了這個(gè)極限就應(yīng)報(bào)警。第二個(gè)參數(shù)是從當(dāng)前位置移動(dòng)到目標(biāo)位置的距離,我們可以用折算的方式將這個(gè)距離折算成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步數(shù)。這個(gè)參數(shù)是外界通過(guò)鍵盤(pán)或可調(diào)電位器旋鈕輸入的,所以折算的工作應(yīng)該在鍵盤(pán)程序或A/D轉(zhuǎn)換程序中完成。十、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)1、工作原理無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是由電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線路3部分組成.圖。T無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的原理框圖軸承機(jī)殼定子轉(zhuǎn)子位置恃感器轉(zhuǎn)子傳感器組件圖9-2無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)為了去掉電刷.將電樞放到定子上去.而轉(zhuǎn)子做成永磁
29、體,這樣的結(jié)構(gòu)正好與普通直流電動(dòng)機(jī)相反;然而,即使這樣改變還不夠,因?yàn)槎ㄗ由系碾姌型ㄈ胫绷麟娨院?,只能產(chǎn)生不變的磁場(chǎng),電動(dòng)機(jī)依然轉(zhuǎn)不起來(lái)。為了使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)起來(lái).必須使定子電樞各相繞組不斷地?fù)Q相通電。這樣才能使定子磁場(chǎng)隨著轉(zhuǎn)子的位置在不斷地變化,使定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)始終保持900左右的空間角,產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。圖99是三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理因。采用光電式位置傳感器,電動(dòng)機(jī)的定子繞組分別為A相、B相、c相,因此,光電式位置傳感器上也有3個(gè)光敏接收元件vl、vz、v3與之對(duì)應(yīng)。3個(gè)光敏接收元件在空間上間隔1200,分別控制3個(gè)開(kāi)關(guān)管vA、vB、vC(本例為半橋式驅(qū)動(dòng),只用3個(gè)開(kāi)關(guān)管
30、)。這3個(gè)開(kāi)關(guān)管則控制對(duì)應(yīng)相繞組的通電與斷電。遮光板安裝在轉(zhuǎn)子上,安裝的位置與圖中轉(zhuǎn)子的位置相對(duì)應(yīng)。為了簡(jiǎn)化,轉(zhuǎn)于只有一對(duì)磁極。0+當(dāng)轉(zhuǎn)子處于圖9-10(a)所示的位置時(shí),遮光板遮住光敏接收元件v2、v3,只有v1可以透光。因此,V1輸出高電平使開(kāi)關(guān)管vA導(dǎo)通.A相繞組通電.而B(niǎo)、c兩相處于斷電狀態(tài)。A相繞組通電使定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的永磁磁場(chǎng)相互作用.產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩推動(dòng)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖910(b)的位置時(shí),遮光板遮住vl,并使v2透光。因此,v1輸出低電乎使開(kāi)關(guān)管VA截止,A相斷電。同時(shí),V2輸出高電平使開(kāi)關(guān)管vB導(dǎo)通,B相通電,c相狀態(tài)不變。這樣由于通電相發(fā)生了變化,使定子磁場(chǎng)方向也發(fā)生了變化,與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)相互作用,仍然會(huì)產(chǎn)生與前面過(guò)程同樣大的轉(zhuǎn)矩.推動(dòng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖9-10(c)的位置時(shí),遮光板遮住V2,同時(shí)使v3透光。因此,B相斷電、c相通電,定子磁場(chǎng)方向又發(fā)生變化,繼續(xù)推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖910(d)的位置,使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一周又回到原來(lái)位置。如此循環(huán)下去,電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)了。NBr02、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制圖g25單片機(jī)控能無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)原理圖c805l的P1口作為輸出口,通過(guò)驅(qū)功器7407控制全橋驅(qū)動(dòng)電路上橋臂的P溝道MOSFET(V1、V3、V5),通過(guò)與門(mén)7409控制下橋臂的N
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