电动机的单片机控制.doc

电动机得单片机控制
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只就是在需要调整参数时才介入.
2、新型单片机得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、电动机就是一个电磁干扰源，除了采用必要得隔离、屏蔽与电路板合理布线等措施外，瞧门狗得功能就会显得格外重要。瞧门狗在工作时不断地监视程序运行得情况.一旦程序“跑飞"，会立刻使单片机复位.
4、功率集成电路就是电力电子技术与微电子技术相结合得产物。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、机电传动系统得动力学基础
１、反抗转矩得特点就是:转矩得方向总就是与转速得方问相反。当运功方向改变时。转矩得方向也改变。它总就是阻碍运动进行.因摩擦与非弹性体得压缩、拉伸、扭转等作用所产生得负载转矩都属于反抗转矩。
例如.机床加工过程中所产个得负载转矩就就是反抗转矩。
２、位能转矩则不同。位能转矩得作用方向恒定不变。与运动方向无关.它就是由物体得重力与弹性体得压缩、拉伸、扭转等作用所产生得负载转矩。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，由于重力得作用方向总就是指向地心得．所以它产生得负载转矩永远作用在使重物下降得方向。
３、电力拖动系统得稳定运行有两种含义：第一就是应能以一定得速度匀速运转；第二就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得转速运行。
要做到第一点.就必须使电动机得电磁转矩与负载转矩大小相等，方向相反，相互平衡。这就意味着电动机得机械特性曲线与工作机械得特性曲线有-个交点.
但就是，有交点只就是保证系统稳定得必要条件，它得充分条件就是这个交点必须就是稳定得平衡点。
电力拖动系统稳定运行得必要充分条件就是：
①、电动机与工作机械得机械特性曲线要有一个交点。
②、在这个交点对应得转速之上,必须要保证Ｔ＜TZ；而在这个交点对应得转速之下要保证T＞ＴＺ。
三、常用得电力电子器件
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得引脚定义如下：引脚1用于连接反偏置电源得滤波电容；引脚２与引脚９分别就是电源与地;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与引脚１5为驱动信号输入端；其余引脚不用.
ＥＸB840集成电路驱功IGBT得典型应用电路:

2、M5７96２L集成电路

四、单片机对电动机控制得支持
1、C8051用于控制电动机时得输入输出端口设置
在I／o口Po、P1、Ｐ2与内部资源之间就是使用交叉开关进行连接得。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得作用就是：确定被选择得资源。这些被选择得资源分配到哪些Ｉ／o引脚上去,则由交叉开关优先表根据排列得优先顺序来确定。
2、电动机控制中得模／数转换在Ｃ805ｌ中得实现
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输出与用户编程得极限值进行比较。并在检测到越限条件时通知系统控制器.
3、电动机控制中得PWM与测频在C80５1中得实现
在有刷与无则直流电动机得控制中。需要使用脉宽调制（ＰwM)技术,通过调节ＰｗM信号得占空比来实现调速.因此,ＰwM波发生器在直流电动机得控制中就是不可缺少得。此外，电动机控制中还经常需要对输出得频率信号进行测频（例如，光电编码盘得输出,交流电动机控制中sPｗM频率得测试等)．实现测频得最简苹得方法就是使用捕捉功能。
ｃ8０5l单片机有PｗM功能与捕捉功能.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功能与捕捉功能外，还有比较功能与高速输出功能。
五、电动机控制中常用得位移、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
编码盘方向得辨别

经过放大整形后得A、B两相脉冲分别输入到Ｄ触发器得D端与cP端．如图5—15(a)所示。因此,Ｄ触发器得cＰ端在A脉冲得上升沿触发。由于Ａ、Ｂ脉冲相位相差90Ｏ。当正转时，Ｂ脉冲超前Ａ脉冲90O.触发器总就是在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。触发器总就是在B处于低电平时触发，这时Ｑ=0，表示反转.
A、Ｂ脉冲得另一路经与门后.输出计数脉冲。这样,用Ｑ或Q非控制可逆计数器就是加计数还就是减计数。就可以使可逆计数器对计数脉冲进行计数。
Ｃ相脉冲接到计数器得复位端.实现每转动一圈复位一次计数器。这样。无论就是正转还就是反转,计数值每次反映得都就是相对与上次角度得增量，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,比例环节得作用就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得方向变化。控制作用得强弱取决于比例系数Kp,KP越大,控制越强，但过大得KP会导致系统振荡,破坏系统得稳定性。
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（如直流电机得调压调速)，要加上适当得与转速与机械负载有关得控制常量uo否则，比例环节将会产生静态误差.
积分环节得作用就是把偏差得积累作为输出。在控制过程中,只要有偏差存在,积分环节得输出就会不断增大。直到偏差e（t)＝o,输出得u(t)才可能维持在某一常量，使系统在给定值r(t)不变得条件下趋于稳态。因此,即使不加控制常量uｏ，也能消除系统输出得静态误差.
积分环节得调节作用虽然会消除静态误差,但也会降低系统得响应速度，增加系统得超调量。积分常数ＴI越大，积分得积累作用越弱.增大积分常数TI会减慢静态误差得消除过程，但可以减少超调量，提高系统得稳定性。所以，必须根据实际控制得具体要求来确定TI。
实际得控制系统除了希望消除静态误差外,还要求加快调节过程.在偏差出现得瞬间，或在偏差变化得瞬间，不但要对偏差量作出立即响应（比例环节得作用）,而且要根据偏差得变化趋势预先给出适当得纠正.为了实现这一作用.可在PI控制器得基础上加入微分环节，形成ＰIＤ控制器。
微分环节得作用就是阻止偏差得变化。它就是根据偏差得变化趋势（变化速度)进行控制.偏差变化得越快,微分控制器得输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用得引入，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,它加快了系统得跟踪速度。但微分得作用对输人信号得噪声很敏感，对那些噪声较大得系统一般不用微分，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,可以使微分得作用达到最忧。
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，开关管导通得时间与周期得比值。a得变化范围为o≤ａ≤1。由式（6—2）可知，当电源电压Us不变得情况下,电枢得端电压得平均值Uｏ取决于占空比ａ得大小，改变a值就可以改变端电压得平均值,从而达到调速得目得，这就就是PwM调速原理。
在PwM调速时，占空比a就是一个重要参数。以下3种方法都可以改变占空比得值.
（1)定宽调频法
这种方法就是保持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
这种方法就是保持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
这种方法就是使周期T(或频率）保持不变，而同时改变t1与t２.
前2种方法由于在调速时改变了控制脉冲得周期（或频率）；当控制脉冲得频率与系统得固有频率接近时，将会引起振荡，因此这２种方法用得很少。目前,在直流电动机得控制中，主要使用定频调宽法.
ＰwM控制信号得产生方法有4种。
(１)分立电子元件组成得PｗM信号发生器
这种方法就是用分立得逻辑电子元件组成PｗM信号电路,现已被淘汰了。
（2)软件模拟法
利用单片机得一个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她工作，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得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)单片机得ＰwＭ口
新一代得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种方法就是日前PwM信号获得得主流方法。
2、直流电动机得不可逆ＰWＭ系统
直流电动机ＰwM控制系统有可逆与不可逆系统之分。可逆系统就是指电动机可以正反两个方向旋转；不可逆系统就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与双极性驱动两种方式.单极性驱动就是指在一个PWM周期里,作用在电抠两端得脉冲电压就是单一极性得；双极性驱动则就是指在一个PwM周期里，作用在电枢两端得脉冲电压就是正负交替得.
（1)无制动得不可逆PｗM系统
电动机得电枢电流不能反向流动，因此它不能工作在制动状态。

（2) 有制动得不可逆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得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得正向电压;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得反向电压。这就就是所谓得“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，电枢绕组所受得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得静摩擦，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，电流得方向也在不断地变化，如图6—9（c）所示。在每个PwM周期得o—t1区间.V２、V3截止。开始时,由于自感电动势得作用,电枢中得电流维持原流向——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。由于二极管得D４、D１钳位作用,此时v1、v4不能导通.当电流衰减到零后，在电源电压得作用下，ｖ1、v４开始导通。电流经V1、V4形成回路，如图6—8中虚线1。这时电枢电流得方向从A到Ｂ．电动机处于电动状态。在每个PｗM周期得tｌ＿＿t2区间，vl、v4截止。电枢电流在自感电动势得作用下继续从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中得虚线3，电动机处于反接制动状态。所以，在轻载下工作时，电动机得工作状态呈电动与制动交替变化。

4、直流电动机单极性驱动可逆PWM系统
图６—１4就是受限单极可逆PwＭ驱动系统。它与双极可逆系统得驱动电路相同,只就是控制方式不同。
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所示得状态。
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、步进电动机得单片机控制
由步进电动机与驱动电路组成得开环数控系统,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得闭环数控系统。
步进电动机得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，具有良好得跟随型。
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与直流电源。
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。
绕组通电一次得操作称为一拍，转子每拍走一步,转子走一步所转过得角度称为步距角:

２、细分驱动
细分步法就是将步进电动机绕组中得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得电流就是按照工作方式得节拍轮流通电得。绕组通电得过程非常简单，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,每次通电时电流得幅值并不就是一次升到位。而就是分成阶级,逐个阶级地上升；同样海次断电时电流也不就是一次降到0，而就是逐个阶级地下降。如果这样做会发生什么现象？
我们都知道,电磁力得大小与绕组通电电流得大小有关。当通电相得电流并不马上升到位，而断电相得电流并不立即降为0时,它们所产生得磁场合力.会使转子有一个新得平衡位置，这个新得平衡位置就是在原来得步距角范围内。也就就是说,如果绕组中电流得波形不再就是一个近似方波,而就是一个分成Ｎ个阶级得近似阶梯波，则电流每升或降一个阶级时.转于转动一小步。当转子按照这样得规律转过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得驱动方法,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得控制精度。同时.也可以减小或消除振荡、噪声与转短矩动。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。单片机就是控制主体。它通过定时器Tｏ输出20 ｋHz得方波,送D触发器，作为恒频信号。同时,输出阶梯电压得数字信号到D/Ａ转换器。作为控制信号．它得阶梯电压得每一次变化,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转换器输出得ｕa不变时,恒频信号cLK得上升沿使D触发器输出ub高电平.使开关管Tl、Ｔ２导通，绕组中得电流上升，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，绕组得电流下降.这使得Rz上得压降小于ua,比较器输出高电平,使Ｄ触发器输出高电平,T1、T2导通，绕组中得电流重新上升。这样得过程反复进行,使绕组电流得波顶锯齿形。因为cLK得频率较高，锯齿形波纹会很小。
当uａ上升突变时,取样电阻上得压降小于ｕａ，电流有较长得上升时间,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，取样电阻上得压降有较长时间大于ua,比较器输出低电乎,CLK得上升沿即使使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,降到新得阶级为止.
以上过程重复进行.ua得每一次突变，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得单极性驱动：
图8-21就是这种芯片得一个典型应用.结合图8—21可以瞧出芯片得各引脚功能为:4、5、１2、１3脚为接地引脚,1、３、6、8脚为输出引脚，电动机各相得接线如图;1４脚控制电动机得转向，其中低电乎为正转,高电平为反转；1１脚就是步进脉冲得输入端；9、10脚决定工作方式。

3、步进电动机得单片机控制
(1)控制换相顺序
(2)控制步进电动机得转向
（3)控制步进电动机得速度
脉冲得频率决定了步进电动机得转速.步进电动机得速度控制通过控制单片机发出得步进脉冲频率来实现。对于图8-22所示得软脉冲分配方式,可以采用调整两个控制字之间得时间间隔来实现调速。对于图８—2３所示得硬脉冲分配方式,可以控制步进脉冲得频率来实现调速。
第一种就是通过软件延时得方法。改变延时得时间长度就可以改变输出脉冲得频率;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。
第二种就是通过定时器中断得方法。在中断服务子程序中进行脉冲输出操作.调整定时器得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，就是一种比较实用得调速方法。
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得接口例子如图8—2３所示，本例选用单时钟输入方式，8713得3脚为步进脉冲输入端,4脚为转向控制端,这两个引脚得输入均由单片机提供与控制。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、步进电动机得运行控制
（1)步进电动机得位置控制需要两个参数.
第一个参数就是步进电动机控制得执行机构当前得位置参数,我们称为绝对位置。绝对位置就是有极限得，其极限就是执行机构运动得范围，超越了这个极限就应报警。
第二个参数就是从当前位置移动到目标位置得距离，我们可以用折算得方式将这个距离折算成步进电动机得步数。这个参数就是外界通过键盘或可调电位器旋钮输入得，所以折算得工作应该在键盘程序或A/D转换程序中完成。
(２）步进电动机得加、减速控制
十、无刷直流电动机
1、工作原理
无刷直流电动机就是由电动机本体、转子位置传感器与电子开关线路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，这样得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,因为定子上得电枢通入直流电以后,只能产生不变得磁场，电动机依然转不起来。为了使电动机得转子转起来。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得位置在不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持900左右得空间角，产生转矩推动转子旋转。
图9—9就是三相无刷直流电动机得工作原理因。采用光电式位置传感器，电动机得定子绕组分别为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得通电与断电.遮光板安装在转子上,安装得位置与图中转子得位置相对应。为了简化,转于只有一对磁极。

当转子处于图９-l０(ａ）所示得位置时,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得磁场与转子得永磁磁场相互作用.产生得转矩推动转子逆时针转动。当转子转到图9—10(b）得位置时，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得转矩。推动转子继续逆时针转动.当转子转到图9—ｌ０（c）得位置时,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)得位置,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、无刷直流电动机得单片机控制

c８05l得Ｐ1口作为输出口,通过驱功器７４0７控制全桥驱动电路上桥臂得P沟道MOＳFET（V1、V3、V5）。通过与门74０９控制下桥臂得Ｎ沟道MoＳFET（Ｖ4、V6、V2)。C8０51得Po。o作为PWM输出门．控制电动机得转速.Po．1一P0．6作为输入口.连接位置传感器输出得控制信号。c８051得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就是三三导通方式.都有６种导通状态，转了每转６０0换—种状态。导通状态得转换通过软件来完成.软件控制导通状态转换飞常简单.即根据位置传感器得输出信号H1、H2、H3,不断地取相应得控制字送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管得连接关系。

（２）．转速控制
无刷直流电动机得转速控制原理与普通直流电动机一样.可以通过PwM方法来控制电枢得通电电流。实现转速得控制。
本例中,通过c8051得PｗM口,控制３个与门7409得B输入端.当PＷM口输出低电平时.使与门7409输出低电平,开关电路得MOSFＥＴ管v4、ｖ6、ｖ２被封锁；当PwM口输出高电平时,与门740９得输出状态取决于单片机得控制字，MＯsFＥＴ管v4、ｖ6、ｖ2得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．减轻了单片机得负担。
（3）．转向控制
　只要改变开关管通电顺序就可以实现电动机得反转。 转向得控制可通过软件来完成得，通过送反转控制字到P1即可.
（４）。启动限流控制
　图9—25得限流电路就是由采样电阻R与比较器LM3２４硬件组成.当电动机启动时,启动电流增大，在采样电阻Ｒ上得压降增大,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上得电流迅速减小。R上得压阵也减小,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恢复正常得通断顺序。如此下去，电流被限制在u0/R上下，达到限流得目得。