大功率驅(qū)動電路

1、大功率驅(qū)動電路第1頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二引言 數(shù)字量輸出通道簡稱 DO 通道，它的任務(wù)是把計算機輸出的微弱數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成能對生產(chǎn)過程進行控制的數(shù)字驅(qū)動信號。根據(jù)現(xiàn)場負荷的不同，如指示燈、繼電器、接觸器、電機、閥門等，可以選用不同的功率放大器件構(gòu)成不同的開關(guān)量驅(qū)動輸出通道。常用的有三極管輸出驅(qū)動電路、繼電器輸出驅(qū)動電路、晶閘管輸出驅(qū)動電路、固態(tài)繼電器輸出驅(qū)動電路等。第2頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二 對于低壓情況下的小電流開關(guān)量，用功率三極管就可作開關(guān)驅(qū)動組件，其輸出電流就是輸入電流與三極管增益的乘積。三極管驅(qū)動電路第3頁，共73頁

2、，2022年，5月20日，14點30分，星期二1 .普通三極管驅(qū)動電路 當驅(qū)動電流只有十幾 mA或幾十 mA時，只要采用一個普通的功率三極管就能構(gòu)成驅(qū)動電路，如圖 3-7-1所示。第4頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二2. 達林頓驅(qū)動電路 當驅(qū)動電流需要達到幾百毫安時，如驅(qū)動中功率繼電器、電磁開關(guān)等裝置，輸出電路必須采取多級放大或提高三極管增益的辦法。達林頓陣列驅(qū)動器是由多對兩個三極管組成的達林頓復(fù)合管構(gòu)成，它具有高輸入阻抗、高增益、輸出功率大及保護措施完善的特點，同時多對復(fù)合管也非常適用于計算機控制系統(tǒng)中的多路負荷。 第5頁，共73頁，2022年，5月20日，14點3

3、0分，星期二 圖3-7-2給出達林頓陣列驅(qū)動器MC1416的結(jié)構(gòu)圖與每對復(fù)合管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，MC1416內(nèi)含7對達林頓復(fù)合管，每個復(fù)合管的集電極電流可達500mA，截止時能承受100V電壓，其輸入輸出端均有箝位二極管，輸出箝位二極管D2抑制高電位上發(fā)生的正向過沖，D1、D3可抑制低電平上的負向過沖。第6頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二第7頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二 圖 3-7-3為達林頓陣列驅(qū)動中的一路驅(qū)動電路，當CPU數(shù)據(jù)線Di 輸出數(shù)字“0”即低電平時，經(jīng)7406反相鎖存器變?yōu)楦唠娖?，使達林頓復(fù)合管導(dǎo)通，產(chǎn)生的幾百毫安集電極電流足以驅(qū)

4、動負載線圈，而且利用復(fù)合管內(nèi)的保護二極管構(gòu)成了負荷線圈斷電時產(chǎn)生的反向電動勢的泄流回路。第8頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二第9頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二繼電器驅(qū)動電路 電磁繼電器主要由線圈、鐵心、銜鐵和觸點等部件組成，簡稱為繼電器，它分為電壓繼電器、電流繼電器、中間繼電器等幾種類型。繼電器方式的開關(guān)量輸出是一種最常用的輸出方式，通過弱電控制外界交流或直流的高電壓、大電流設(shè)備。第10頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二圖3-7-4 繼電器原理第11頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二 繼電器驅(qū)

5、動電路的設(shè)計要根據(jù)所用繼電器線圈的吸合電壓和電流而定，控制電流一定要大于繼電器的吸合電流才能使繼電器可靠地工作。 第12頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二 常用的繼電器有電壓繼電器、電流繼電器、中間繼電器等幾種類型。由于繼電器線圈需要一定的電流才能動作，所以必須采取措施加以驅(qū)動。 繼電器的驅(qū)動電路 驅(qū)動電路的設(shè)計要根據(jù)所用繼電器線圈的吸合電壓和電流而定，一定要大于繼電器的吸合電流才能使繼電器可靠地工作。第13頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二 圖3-7-5為經(jīng)光耦隔離器的繼電器輸出驅(qū)動電路，當CPU數(shù)據(jù)線Di輸出數(shù)字“1”即高電平時，經(jīng)7406反

6、相驅(qū)動器變?yōu)榈碗娖?，光耦隔離器的發(fā)光二極管導(dǎo)通且發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，繼電器線圈KA得電，動合觸點閉合，從而驅(qū)動大型負荷設(shè)備。 由于繼電器線圈是電感性負載，當電路突然關(guān)斷時，會出現(xiàn)較高的電感性浪涌電壓，為了保護驅(qū)動器件，應(yīng)在繼電器線圈兩端并聯(lián)一個阻尼二極管，為電感線圈提供一個電流泄放回路。 第14頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二第15頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二晶閘管驅(qū)動電路 晶閘管又稱可控硅（SCR），是一種大功率的半導(dǎo)體器件，具有用小功率控制大功率、開關(guān)無觸點等特點，在交直流電機調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。第16頁，共7

7、3頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二 晶閘管是一個三端器件，其符號表示如圖3-7-6所示，（a）為單向晶閘管，有陽極A、陰極K、控制極（門極）G三個極。當陽、陰極之間加正壓時，控制極與陰極兩端也施加正壓使控制極電流增大到觸發(fā)電流值時，晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通；只有在陽、陰極間施加反向電壓或陽極電流減小到維持電流以下，晶閘管才由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?。單向晶閘管具有單向?qū)щ姽δ?，在控制系統(tǒng)中多用于直流大電流場合，也可在交流系統(tǒng)中用于大功率整流回路。第17頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二單向晶閘管雙向晶閘管圖3-7-6晶閘管的結(jié)構(gòu)符號第18頁，共73頁，2022年，5月2

8、0日，14點30分，星期二 雙向晶閘管也叫三端雙向可控硅，在結(jié)構(gòu)上相當于兩個單向晶閘管的反向并聯(lián)，但共享一個控制極，結(jié)構(gòu)如圖（b）所示。當兩個電極T1、T2之間的電壓大于1.5V時，不論極性如何，便可利用控制極G觸發(fā)電流控制其導(dǎo)通。雙向晶閘管具有雙向?qū)üδ?，因此特別適用于交流大電流場合。第19頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二第20頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二 晶閘管常用于高電壓大電流的負載，不適宜與CPU直接相連，在實際使用時要采用隔離措施。圖3-7-7為經(jīng)光耦隔離的雙向晶閘管輸出驅(qū)動電路，當CPU數(shù)據(jù)線Di輸出數(shù)字“1”時，經(jīng)7406

9、反相變?yōu)榈碗娖剑怦疃O管導(dǎo)通，使光敏晶閘管導(dǎo)通，導(dǎo)通電流再觸發(fā)雙向晶閘管導(dǎo)通，從而驅(qū)動大型交流負荷設(shè)備RL。第21頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二固態(tài)繼電器驅(qū)動電路 固態(tài)繼電器SSRSolid State Relay是一種新型的無觸點開關(guān)的電子繼電器，它利用電子技術(shù)實現(xiàn)了控制回路與負載回路之間的電隔離和信號耦合，而且沒有任何可動部件或觸點，卻能實現(xiàn)電磁繼電器的功能，故稱為固態(tài)繼電器。它具有體積小、開關(guān)速度快、無機械噪聲、無抖動和回跳、壽命長等傳統(tǒng)繼電器無法比擬的優(yōu)點，在計算機控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，大有取代電磁繼電器之勢。第22頁，共73頁，2022年，5月20日

10、，14點30分，星期二 固態(tài)繼電器SSR是一個四端組件，有兩個輸入端、兩個輸出端，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)類似于圖3-7-7中的晶閘管輸出驅(qū)動電路。圖3-7-8所示為其結(jié)構(gòu)原理圖，共由五部分組成。光耦隔離電路的作用是在輸入與輸出之間起信號傳遞作用，同時使兩端在電氣上完全隔離；控制觸發(fā)電路是為后級提供一個觸發(fā)信號，使電子開關(guān)（三極管或晶閘管）能可靠地導(dǎo)通；電子開關(guān)電路用來接通或關(guān)斷直流或交流負載電源；吸收保護電路的功能是為了防止電源的尖峰和浪涌對開關(guān)電路產(chǎn)生干擾造成開關(guān)的誤動作或損害，一般由RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和壓敏電阻組成；零壓檢測電路是為交流型SSR過零觸發(fā)而設(shè)置的。第23頁，共73頁，2022年，5月20日，1

11、4點30分，星期二圖3-7-8 SSR結(jié)構(gòu)原理及符號第24頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二 SSR的輸入端與晶體管、TTL、CMOS電路兼容，輸出端利用器件內(nèi)的電子開關(guān)來接通和斷開負載。工作時只要在輸入端施加一定的弱電信號，就可以控制輸出端大電流負載的通斷。 SSR的輸出端可以是直流也可以是交流，分別稱為直流型SSR和交流型SSR。直流型SSR內(nèi)部的開關(guān)組件為功率三極管，交流型SSR內(nèi)部的開關(guān)組件為雙向晶閘管。而交流型SSR按控制觸發(fā)方式不同又可分為過零型和移相型兩種，其中應(yīng)用最廣泛的是過零型。第25頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二過零型交流

12、SSR是指當輸入端加入控制信號后，需等待負載電源電壓過零時，SSR才為導(dǎo)通狀態(tài)；而斷開控制信號后，也要等待交流電壓過零時，SSR才為斷開狀態(tài)。移相型交流SSR的斷開條件同過零型交流SSR，但其導(dǎo)通條件簡單，只要加入控制信號，不管負載電流相位如何，立即導(dǎo)通。 直流型SSR的輸入控制信號與輸出完全同步。直流型SSR主要用于直流大功率控制。一般取輸入電壓為432V，輸入電流510mA。它的輸出端為晶體管輸出，輸出工作電壓為30180 V。 第26頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二 交流型SSR主要用于交流大功率控制。一般取輸入電壓為4.32V，輸入電流小于500mA。它的輸出

13、端為雙向晶閘管，一般額定電流在1A 到幾百A范圍內(nèi)，電壓多為380V或 220 V。圖3-7-9為一種常用的固態(tài)繼電器驅(qū)動電路，當數(shù)據(jù)線Di輸出數(shù)字“0”時，經(jīng)7406反相變?yōu)楦唠娖?，使NPN型三極管導(dǎo)通, SSR輸入端得電則輸出端接通大型交流負荷設(shè)備RL。 第27頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二第28頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二 非過零型導(dǎo)通時間立即導(dǎo)通過零型導(dǎo)通時間過零型導(dǎo)通時間關(guān)斷時間相同，在過零時交流電源波形控制信號SSR兩端的電壓在導(dǎo)通時為0。非過零型SSR，加上控制信號便導(dǎo)通交流SSR輸出波形如下圖所示第29頁，共73頁，20

14、22年，5月20日，14點30分，星期二 當然，在實際使用中，要特別注意固態(tài)繼電器的過電流與過電壓保護以及浪涌電流的承受等工程問題，在選用固態(tài)繼電器的額定工作電流與額定工作電壓時，一般要遠大于實際負載的電流與電壓，而且輸出驅(qū)動電路中仍要考慮增加阻容吸收組件。具體電路與參數(shù)請參考生產(chǎn)廠家有關(guān)手冊。第30頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二直流電動機驅(qū)動接口電路電動機控制技術(shù)概述電動機是被廣泛應(yīng)用的原動機電動機的控制要求越來越高： 啟、停、逆轉(zhuǎn)快速，調(diào)速快、準。電動機控制器的發(fā)展：電機控制元件經(jīng)歷了從交流放大器到磁放大器、可控離子變速器、可控硅、計算機控制。計算機控制又分為微

15、機控制系統(tǒng)、單片機控制裝置和專用控制板卡等，并且采用了復(fù)雜的控制算法。脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，在直流小功率電動機調(diào)速中已經(jīng)成熟，在直流中、小功率方面正在迅速取代可控硅SCR直流調(diào)速系統(tǒng)，但在交流和大功率電動機調(diào)速方面尚屬研究中。電動機調(diào)速的發(fā)展趨勢：微型化、智能化、一體化，即將以微型計算機（單片機）為核心的控制器做到電動機上。第31頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二直流電動機驅(qū)動接口電路（1）本部分主要內(nèi)容1、小功率直流電動機調(diào)速原理2、開環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)3、脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計4、閉環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)5、交流電動機控制接口技術(shù)第32頁，共73頁，2022年，5月20日，1

16、4點30分，星期二直流電動機驅(qū)動接口電路（2）一 小功率直流電動機調(diào)速原理 脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation ）PWM原理 小功率直流電動機由轉(zhuǎn)子和定子組成，定子可以是磁極或勵磁繞組。 其轉(zhuǎn)速與加在轉(zhuǎn)子電樞上的電壓Ua有關(guān)， Ua轉(zhuǎn)速V；所加電壓極性改變，則電動機反轉(zhuǎn)。 據(jù)此原理，通過改變電動機電樞電壓接通和斷開的時間比（即占空比）來控制電動機的轉(zhuǎn)速，這種方法就稱為脈沖寬度調(diào)制PWM。 脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)速公式（平均轉(zhuǎn)速）： Vd=Vmax * D Vd-電動機平均轉(zhuǎn)速 Vmax全通電時速度（最大） D= t1 /T-占空比， t1是通電時間，T是脈寬周期。D1。 Vd D，

17、與單純的周期T無關(guān) Vd與D的關(guān)系如下頁圖所示第33頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二直流電動機驅(qū)動接口電路（3）定子繞組及產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)子電樞第34頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二直流電動機驅(qū)動接口電路（4） Vd與D只是近似的線性關(guān)系，與單純的周期T無關(guān)（與步進電機的調(diào)速脈沖不同，步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比）。在D不變的情況下，T越小，電機轉(zhuǎn)速越平穩(wěn)。第35頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二直流電動機驅(qū)動接口電路（5）二 開環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng) 1、開環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)的組成 由五部分組成： （1）占空比D的 設(shè)定

18、1）用電位器調(diào)節(jié)、2）用撥碼開關(guān)、3）用數(shù)字鍵盤 （2）脈沖寬度發(fā)生器 軟件編程 （3）驅(qū)動器 TTL放大電路 （4）電子開關(guān) 用晶體管、場效應(yīng)管、可控硅、繼電器 （5）電動機第36頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二直流電動機驅(qū)動接口電路（6） 2、電動機控制接口 上圖中的第3、4兩部分即為接口部分。直流電機與微機的接口有以下4種方法： （1）光電隔離器+大功率場效應(yīng)管 適用于自己開發(fā)的系統(tǒng)，價格低 （2）固態(tài)繼電器 適用于自己開發(fā)的系統(tǒng)，價格低 （3）專用接口芯片 如L290、L291、L292等，價高、但可靠 （4）專用接口板 如7501、7502，主要用于STD或

19、PC機系統(tǒng) 如用單片機控制，即可產(chǎn)生并輸出調(diào)制脈沖，再加上光電隔離器+大功率場效應(yīng)管，或者加上固態(tài)繼電器就構(gòu)成了接口部件和脈寬調(diào)速控制器。第37頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二直流電動機驅(qū)動接口電路（7）三 脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 一、脈寬占空比設(shè)計 由脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)速公式： Vd=Vmax * D 電動機平均轉(zhuǎn)速Vd、全通電時速度 Vmax 已知，對于給定的平均轉(zhuǎn)速Vd ，便可計算出占空比D。 占空比D= t1 /T ， t1是通電時間， t2是斷電時間。 脈寬周期T= t1 + t2 1、軟件計數(shù)法 設(shè)單位時間（ t0 ）計一個數(shù)，則通電時間t1計數(shù)N1= t1 / t

20、0 ， 斷電時間t2計數(shù)N2= t2 / t0 ，在脈沖輸出端，輸出高電平計數(shù)N1，輸出低電平計數(shù)N2，并讓輸出端如此循環(huán)輸出即可。 2、硬件計數(shù)法 用硬件計數(shù)器計數(shù)，分別輸出高電平和低電平，也如此循環(huán)輸出即可。第38頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二直流電動機驅(qū)動接口電路（8） 二、電動機轉(zhuǎn)動控制原理 正轉(zhuǎn)：SW1、SW4閉合 反轉(zhuǎn)：SW2、SW3閉合 剎車：SW2、SW4閉合（或SW1、SW3閉合） 滑行：SW1、SW2、SW3、 SW4全部斷開 第39頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二三、電動機控制接口電路 控制數(shù)據(jù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)PA1P

21、A0SW1SW2SW3SW410正轉(zhuǎn)100101反轉(zhuǎn)011011剎車010100滑行0000雙向控制電動機工作狀態(tài)真值表 PA0、PA1為0時，SW1、SW3才有可能導(dǎo)通 SWx狀態(tài)：PA0、1為1時導(dǎo)通，為0時截止 SWx用的是場效應(yīng)管PB0-PB7：設(shè)置脈沖寬度， 即方波的占空比74LS125：四總線三態(tài)緩沖器第40頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二直流電動機驅(qū)動接口電路 四、控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計1、流程圖（右圖）2、匯編程序 設(shè)定占空比（或轉(zhuǎn)速）通電時間斷電時間第41頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二直流電動機驅(qū)動接口電路（11） 為了提高電

22、動機脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)的精度，通常采用閉環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)。 閉環(huán)系統(tǒng)是在開環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了電動機的速度檢測回路，意在將檢測到的速度與給定值比較，并由數(shù)字調(diào)節(jié)器（PID）進行調(diào)節(jié)。其原理框圖如左圖所示。四 閉環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng) 第42頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二直流電動機驅(qū)動接口電路（12） 一、測速發(fā)電機 1、測速發(fā)電機的工作原理 測速發(fā)電機是一種將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。根據(jù)結(jié)構(gòu)及工作原理的不同，分為直流和交流測速發(fā)電機。 測速發(fā)電機的工作原理：用被控制的電動機，帶動測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)子在定子所形成的磁場中旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線，便產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢，即有電

23、壓。轉(zhuǎn)速越高，電壓越高。電壓便與電動機的轉(zhuǎn)速成正比，由此得到電動機的轉(zhuǎn)速信息。 測速發(fā)電機的特點是分辨率較高，價格較低。第43頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二直流電動機驅(qū)動接口電路（13） 2、直流閉環(huán)脈沖寬度調(diào)速系統(tǒng)原理圖第44頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二直流電動機驅(qū)動接口電路（14） 二、數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器 數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器，是把旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的一種裝置。計算機控制系統(tǒng)最常用的是碼盤式轉(zhuǎn)速傳感器。 下圖為增量式和絕對式碼盤。第45頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二直流電動機驅(qū)動接口電路（15） 1、

24、增量式碼盤的工作原理 增量式碼盤的脈沖輸入到計算機的計數(shù)器，其轉(zhuǎn)速公式為： nm=60*Nc/n/t1（轉(zhuǎn)/分）式中：nm -轉(zhuǎn)速，單位為r/min Nc -在t1時間內(nèi)測得的脈沖數(shù) n-碼盤上一周的縫隙數(shù) t1 -測速時間，單位為秒Nc/n：為在t1時間內(nèi)碼盤轉(zhuǎn)的總?cè)?shù)第46頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二直流電動機驅(qū)動接口電路（16） 2、絕對式碼盤的工作原理 有數(shù)字的方格示透光，無數(shù)字的方格示不透光，透光的地方經(jīng)光敏元件輸出1，不透光的地方經(jīng)光敏元件輸出0。 每一個位圈需要一個光敏元件，8個位圈需要8個光敏元件，可以計數(shù)256。 8位光敏元件輸出的數(shù)據(jù)，可以直接

25、接到計算機的數(shù)字量輸入端口。每隔一段時間讀一次數(shù)據(jù)，兩次的數(shù)據(jù)差除以碼盤上的縫隙數(shù)，即為轉(zhuǎn)的圈數(shù)。轉(zhuǎn)速=兩次的數(shù)據(jù)差/碼盤上外圈的縫隙數(shù)/時間111111111188888888123456789101112131415161718192022222222224444444441616161616轉(zhuǎn)速仍然可以用前面的公式， Nc理解為數(shù)據(jù)差D0位圈D1位圈D2位圈D3位圈D4位圈最外圈有數(shù)字的格為透光總格數(shù)第47頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二直流電動機驅(qū)動接口電路（17）五 交流電動機控制接口技術(shù) 1、交流電動機的調(diào)速正在研究發(fā)展中 交流電動機的調(diào)速比較復(fù)雜，是一個

26、非?；钴S的領(lǐng)域，有待進一步研究和開發(fā)。此處作簡單介紹。 2、交流電動機調(diào)速的的特點 1）電流作正反兩個方向流動；2）電壓較高（220V-380V）需要加光電隔離，常用交流固態(tài)繼電器。 3、采用固態(tài)繼電器與交流伺服電機的接口電路第48頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二直流電動機驅(qū)動接口電路（18） 3、采用固態(tài)繼電器與交流伺服電機的接口電路 PC0=1，PC1=0，A相導(dǎo)通，電動機正轉(zhuǎn)。 PC0=0，PC1=1，B相導(dǎo)通，電動機反轉(zhuǎn)。 PC0=0，PC1=0，A相與B相均關(guān)閉，電動機不運轉(zhuǎn)。 R4與電容C的作用是消除伺服電機關(guān)斷時的浪涌電壓。 光敏電阻R2和電阻R3的作用

27、是組成過零檢測電路，產(chǎn)生雙向觸發(fā)脈沖。第49頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二步進電動機及驅(qū)動電路概述-步進電機的特點及應(yīng)用 步進電機運轉(zhuǎn)精度高 旋轉(zhuǎn)單位是“步”，一步的最小轉(zhuǎn)角可以小到0.36度（最大轉(zhuǎn)角達到90度）。步進電機若前進一定的步數(shù)，然后再后退相同的步數(shù)，則可精確的回到原來的位置。 步進電機啟、停速度快 能夠在“一剎那”間使步進電機啟動或停止，在快速啟停時不會失掉一步。一般轉(zhuǎn)速為200-1000步/秒。 步進電機在定位場所得到了廣泛的應(yīng)用 如：在繪圖儀、打印機、掃描儀、復(fù)印機等設(shè)備及光學(xué)儀器中應(yīng)用。其定位不需要位移傳感器測定位置。 本節(jié)內(nèi)容1、步進電機工作原

28、理2、步進電機控制系統(tǒng)原理3、步進電機與微機的接口及程序設(shè)計4、步進電機步數(shù)及速度的計算方法5、步進電機的變速控制第50頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二步進電動機及驅(qū)動電路（2）一 步進電機的工作原理 步進電機實際上是一個數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。其結(jié)構(gòu)如下圖所示（是一個三相步進電機）。 1、結(jié)構(gòu) 1）定子 是磁極，相對著的是 一對（三相步進電機有三 對磁極），每個磁極外形 是均勻的5個矩形小齒。 2）轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子上無線圈，外形是 分布均勻的40個矩形小齒， 相鄰兩齒的夾角為9度。第51頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二步進電動機及驅(qū)動電路（3） 2、工

29、作原理 定子各相（AA、BB、CC）相差120度依次單獨通電，則定子所產(chǎn)生的磁場按AA、BB、CC、AA、BB、順序旋轉(zhuǎn)。 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)原理 AA上通電時 為了構(gòu)成閉合的磁力線、并且使磁阻最小，轉(zhuǎn)子上的齒要與定子AA上的齒對齊。設(shè)轉(zhuǎn)子與定子A相中間的齒相對的齒記為0號齒。 BB上通電時 為了構(gòu)成閉合的磁力線、并且使磁阻最小，轉(zhuǎn)子上的齒也要與定子BB上的齒對齊。 轉(zhuǎn)子上與定子B相中間應(yīng)該對齊的齒號為120/9=13.33，不是整數(shù)，即轉(zhuǎn)子與定子上的齒未對齊，則磁阻大，為減小磁阻，轉(zhuǎn)子要旋轉(zhuǎn)。第13、14號齒距離B相中間的角度分別為3和6，因此13號齒順時針旋轉(zhuǎn)3與定子齒對齊。第52頁，共73頁，20

30、22年，5月20日，14點30分，星期二步進電動機及驅(qū)動電路（4） CC相通電 同樣的道理，轉(zhuǎn)子仍然順時針旋轉(zhuǎn)3。 定子按AB C A B 通電時，則轉(zhuǎn)子按順時針方向旋轉(zhuǎn)。 步距角 每步的轉(zhuǎn)角為3，即步距角為3。 通電一周的旋轉(zhuǎn)角度 按照AB C A順序通電一周，則轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)9。 反轉(zhuǎn)方法 若通電順序反過來， 按CB A C通電，則轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反。 3、步距角Qs計算公式 Qs=360/(N*Zr)式中： Zr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)； N=Mc*C為通電一周的拍數(shù)，叫運行拍數(shù)。 其中Mc為繞組相數(shù)；C為狀態(tài)數(shù)，采用（單、雙）三拍時C=1，采用（單、雙）六拍時C=2。 如三相三拍，步距角為3；三相六拍，步距

31、角為1.5。括號內(nèi)為每轉(zhuǎn)一圈的步數(shù)第53頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二步進電動機及驅(qū)動電路（5）二 步進電機控制系統(tǒng)原理 典型的步進電機控制系統(tǒng)如下圖所示，主要有三部分組成。 步進控制器由緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯、正反控制門等組成。 步進控制器線路復(fù)雜、成本高。 計算機控制系統(tǒng) 用軟件編程代替了步進控制器，可靠、成本低、控制方便，應(yīng)用廣泛。第54頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二步進電動機及驅(qū)動電路（6） 典型的微機控制步進電機原理系統(tǒng)如下圖所示 計算機控制步進電機需要解決的問題： 1）脈沖序列的產(chǎn)生 2）方向控制 3）程序設(shè)計第55

32、頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二步進電動機及驅(qū)動電路（7） 1、脈沖序列的生成 脈沖序列如右圖所示 1）脈沖周期的實現(xiàn) 脈沖周期=通電時間+斷電時間。 通電時，計算機輸出高電平使開 關(guān)閉合；斷電時，計算機輸出低電平使開關(guān)斷開。 通電和斷電時間的控制，可以用定時器，也可以用軟件延時。 周期決定了步進電機的轉(zhuǎn)速；占空比決定了功率。 2）脈沖高度 脈沖高度決定于元器件，對TTL電平為0-5V，對CMOS電平一般為0-10V。常用的接口電路多為0-5V。第56頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二步進電動機及驅(qū)動電路（8） 2、方向控制 常用的步進電機有三

33、相、四相、五相、六相。 旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序有關(guān)。以三相步進電機為例 三相步進電機有三種工作方式： 1）單三拍，通電順序為 ABC 2）雙三拍，通電順序為 ABBCCA 3）單雙交替六拍，通電順序為 AABBBCCCA 若按上述通電順序為正轉(zhuǎn)，則反向通電步進電機反轉(zhuǎn)。 關(guān)于四相、五相、六相步進電機的通電方式與此相似，從略。第57頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二步進電動機及驅(qū)動電路（9）三種控制模型1、三相單三拍步 序控 制 位通電狀態(tài)控制數(shù)據(jù)PC2/C相PC1/B相PC0/A相1001A01H2010B02H3100C04H步 序控 制 位通電狀態(tài)控制數(shù)據(jù)PC

34、2/C相PC1/B相PC0/A相1011AB03H2110BC06H3101CA05H2、三相雙三拍第58頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二步進電動機及驅(qū)動電路（10）步 序控 制 位通電狀態(tài)控制數(shù)據(jù)PC2/C相PC1/B相PC0/A相1001A01H2011AB03H3010B02H4110BC06H5100C04H6101CA05H3、三相六拍第59頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二步進電動機及驅(qū)動電路（11）三 步進電機與微機的接口及程序設(shè)計 1、步進電機與微機的接口電路 1）接口電路之一-無光電隔離 PCx=0導(dǎo)通，對應(yīng)繞組通電 PCx=

35、1截止，對應(yīng)繞組斷電（與前面表中所述相反）大功率復(fù)合管，起開關(guān)作用。為達林頓管第60頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二步進電動機及驅(qū)動電路（12） 2）接口電路之二-有光電隔離 PCx=1導(dǎo)通，對應(yīng)繞組通電 PCx=0截止，對應(yīng)繞組斷電（與前面表中所述相同）第61頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二步進電動機及驅(qū)動電路（14） 2、步進電機程序設(shè)計 為四相步進電機 其控制設(shè)計為四相雙四拍 Dx=1時對應(yīng)繞組通電D0 D1 D2 D3BABBBCBDABCDL0L1L2L3第62頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二步進電動機及驅(qū)

36、動電路（15）通電順序為： ABBCCD DA步序控 制 位通電狀態(tài)控制數(shù)據(jù)D3/D相D2/C相D1/B相D0/A相10011AB03H20110BC06H31100CD0CH41001DA09H四相四拍控制設(shè)計表第63頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二步進電動機及驅(qū)動電路（16）程序流程圖如右圖所示。開 始讀取開關(guān)K1狀態(tài)高電平嗎？從D0D1輸出高電平其余位輸出低電平延 時從D1D2輸出高電平其余位輸出低電平延 時從D2D3輸出高電平其余位輸出低電平延 時從D3D0輸出高電平其余位輸出低電平延 時從D3D2輸出高電平其余位輸出低電平延 時從D2D1輸出高電平其余位輸出

37、低電平延 時從D1D0輸出高電平其余位輸出低電平延 時從D0D3輸出高電平其余位輸出低電平延 時正轉(zhuǎn)Y反轉(zhuǎn)N第64頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二步進電動機及驅(qū)動電路（17）四 步進電機步數(shù)及速度的計算方法 對步進電機的控制，步數(shù)控制的目的是精確地到達指定的位置；速度的控制是通過單位時間的步數(shù)實現(xiàn)的，主要是計算相鄰兩個脈沖之間的時間。 1、步進電機步數(shù)的確定 由給出的轉(zhuǎn)角或位移量，計算出步數(shù)。 1）轉(zhuǎn)角與步數(shù)的關(guān)系 如：用步進電機帶動一個能夠旋轉(zhuǎn)10圈的電位器來調(diào)整電壓，假定調(diào)節(jié)范圍是0-10V，現(xiàn)在要求把電壓從2V升到2.1V，計算旋轉(zhuǎn)的步數(shù)N。 先計算需要轉(zhuǎn)過的角

38、度X X=（2.12）*（360*10）10）36 若用三相三拍方式控制，其步距角為3，所以步數(shù)N為 N=36/3=12（步）括號內(nèi)為每1伏電壓轉(zhuǎn)過的角度第65頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二步進電動機及驅(qū)動電路（18）2）同理可以求出位移量與步數(shù)之間的關(guān)系先計算每轉(zhuǎn)一圈的位移量，再計算每一步的位移量，最后算總步數(shù)。 2、步進電機速度的確定 步進電機速度控制的方法就是控制脈沖之間的時間間隔。只要速度給定，便可計算出脈沖之間的時間間隔。 如要求步進電機2秒鐘轉(zhuǎn)10圈，則每一步需要的時間T為 T每圈時間每圈的步數(shù) （2000ms/10）（N*Zr） 200ms（3*2*4

39、0） 833s 只要在輸出一個脈沖后延時833s，即可滿足速度之要求。 括號內(nèi)為每一圈的步數(shù)N=Mc*C三相六拍第66頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二步進電動機及驅(qū)動電路（19）五 步進電機的變速控制 1）必須要變速運行 步進電機在啟動和停止過程時的速度應(yīng)該比正常運轉(zhuǎn)時的速度低，特別是剛啟動和最后停下來時，速度應(yīng)該更低，否則由于慣性步進電機會出現(xiàn)“失步”（多走了步或少走了步），失去其精確性。 為確保步進電機運行的精確性和快速，必須變速運行。 2）變速原理 在啟動過程脈沖周期由長（頻率低）變短，使步進電機轉(zhuǎn)速緩慢上升到正常運轉(zhuǎn)時的速度；在停止過程脈沖周期由短變長，使步進

40、電機轉(zhuǎn)速從正常轉(zhuǎn)速緩慢下降至0 。變化時間約0.1-1s。正常運轉(zhuǎn)時脈沖周期要短（頻率高） ，速度要高。 右圖為變速運行控制脈沖頻率變化曲線。第67頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二步進電動機及驅(qū)動電路（20） 1、變速方法之一-改變控制方式 如在三相步進電機中，啟動或停止時，用三相六拍控制，大約經(jīng)過0.1s后改為三相三拍控制。 2、變速方法之二-改變脈沖時間間隔控制 剛啟動時脈沖間隔長，啟動過程脈沖間隔均勻變短，直到速度達正常值；停止時，在停止過程脈沖間隔均勻變短，直到停止。DELY: PUSH BX PUSH CX MOV BX, 100 ;延時子程序DELY1:

41、MOV CX,10000 LOOP $ DEC BX JNZ DELY1 POP CX POP BX RETDELY: PUSH BX PUSH CX MOV BX, NUM ;延時子程序DELY1: MOV CX,10000 LOOP $ DEC BX JNZ DELY1 POP CX POP BX RET第68頁，共73頁，2022年，5月20日，14點30分，星期二步進電動機及驅(qū)動電路（21）變延時程序段：NUMDB120啟動時NUM值不斷減小，直至到1：DECNUM停止時NUM值不斷增大，直至到120 ：INCNUM 3、變速方法之三-用定時器改變脈沖時間間隔控制 如用8253定時，啟動時，初值不斷減小，使脈沖頻率不斷增加；停止時，初值不斷增大，使