执行器控制讲解
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3. 直流电机的控制方式 改变电压或电流(diànliú)控制转速和转距。
精品资料
4. 直流电机的特点(tèdiǎn) 优点：调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好（启
动转矩大，启动电流小），运行平稳(píngwěn)，转矩和转速容易控制。 缺点：换向器需经常维护，电刷极易磨损，必须经常更换，噪
case 2:P0=0x4F;PWM_ON=5;break;
case 3:P0=0x66;PWM_ON=6;break;
default:break;
}
}
}
}
}
精品资料
定时(dìnɡ shí)中断
void tim(void) interrupt 1 using 1
{
static unsigned char count;
TMOD |=0x01;
//定时(dìnɡ shí)器设置 1ms in 12M crystal
TH0=(65536-1000)/256;
TL0=(65536-1000)%256;
//定时(dìnɡ shí)1mS
IE= 0x82;
//打开中断
TR0=1;
CYCLE = 10;
// 调整周期10ms
TH0=(65536-1000)/256;
TL0=(65536-1000)%256;
//定时(dìnɡ shí)1mS
if (count==PWM_ON)
{
PWM = 1;
//高电平（电机绕组不通电）
}
count++;
if(count == CYCLE)
{
count=0;
if(PWM_ON!=0) //如果左右时间是0 保持原来状态
16
精品资料
直流电机的运行(yùnxíng)控制 PWM信号与直流电机
把PWM信号应用到直流电机 (diànjī)的转速控制中，如果PWM 信号发生器输出的矩形波信号为 12V、且占空比为50%，于是得到 PWM信号的平均电压为6V，这与 电池所提供的电压相同。所以在 PWM信号平均电压为6V时电机 (diànjī)无论使用电池供电还是 PWM信号发生器其转速是相同的。
PWM = 0;
//低电平（电机绕组通电）
}
}
精品资料
直流电机的转向(zhuǎnxiàng)控制：H桥
转向控制：电机的两个管脚（+、-）和电源 之间由4个开关A、B、C、D控制着。图（a） 中，开关A和D闭合，开关B和C断开，这样 电流从直流电机的+极流向(liú xiànɡ)-极， 于是电机正转。图（b）中，开关A和D断开， 而开关C闭合，则电流的方向与刚才正 好相反，从电机的-极流向(liú xiànɡ)+极， 于是电机反转。
31
精品资料
交流(jiāoliú)电机（AC motor）
止口
AC servomotor
1. 工作(gōngzuò)原理
精品资料
同步(tóngbù)电机：转子是永磁体，所谓同步(tóngbù)是指转 子速度与定子磁场速度相同。
异步电机：转子和定子上都有绕组，所谓异步是指转子磁场 和定子间存在速 度差（不是角度差）。
电刷
左 手 (z u ǒs h ǒ u) 换向器 定 则
T=BILr
精品资料
直流电动机通过换 向器将直流转换 成电枢绕组中的 交流，从而使电 枢产生一个恒定 方向的电磁转矩。
2. 矩频特性曲线(qūxiàn)：电流控制曲线(qūxiàn)和电压控制 曲线(qūxiàn)。
T(VKE)KT
R
其中，KE为电动 势常数， KF为转 矩常数。
农机(nónɡ jī)自动监测与控制技术
第10讲 执行器控制(kòngzhì)
精品资料
• 智能农业机械设备可以根据决策支持系统在 农作物生产中生成的指令，来准确地调节 (tiáojié)各种农业资源的投入。主要有变量播 种设备，变量施肥设备、变量喷药设备、变 量灌溉设备等。
精品资料
执行器的概念(gàiniàn)与分类
• U 电枢端电压
•I
电枢电流
• R 电枢电路总电阻 • K 电机结构参数 • φ 每极磁通量
结论：
电枢端电压越高， 电机转速越快
精品资料
直流电机调速原理(yuánlǐ)
PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制
PWM (Pulse Width Modulation)控制是利用脉宽调制器对大功率晶 体管开关放大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的矩形波 电压，加到直流电机的电枢(diàn shū)两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制， 改变电枢(diàn shū)两端的平均电压达到调节电机转速的目的。
10V 50m s+ 0V 50m s5V
100m s
14
精品资料
PWM与平均(píngjūn)电压
通过使开关闭合与断开的时间各为50%，使电 灯亮度降低，从平均(píngjūn)上看，电灯的供 电电压变成了5V。如果使开关闭合与断开的时 间分配成60%和40%，在ta时间段内，开关闭合 的时间为ta×60%，而断开的时间为ta×40%， 所以平均(píngjūn)电压为6V。此时电灯比10V 时暗，但是比5V时稍亮。
如果B1=B3=1且B0=B2=0，场效应管Q3和 Q4导通。这样，电机两端好像短路一样， 如果电机因为惯性还在转动，则在两端所 产生的电动势在电机线圈中产生电流，该 电流在磁场（电机中有磁体）作用下产生 一个与转动方向相反的力，从而阻止电机 继续转动，起到了刹车的作用。
30
精品资料
直流电机的全面(quánmiàn)控制
27
精品资料
单片机控制(kòngzhì)直流电机
单片机的I/O口直接去操作场效 应管的G极有些“力不从心”， 因为场效应管的导通需要G极 上有一个稍高的电压。于是可 以G极前添加一个驱动电路， 三极管Q5和Q7驱动场效应管 Q2与Q3的共G极，而三极管 Q6和Q8驱动场效应管Q1与Q4 的共G极。只要把单片机的I/O 口分别接到三极管Q7和Q8就 可以用程序控制直流电机的转 速(zhuàn sù)与转向了。
//如果是10 则周期是10 x 0.1ms unsigned char PWM_ON ; //定义高电平时间 void delay(unsigned int cnt) //延时函数 {
while(--cnt); }
精品资料
main()
{ unsigned char PWM_Num; //定义档位
至于说转速的控制，可在图（a）中，利用 开关A、D的闭合与断开给电机提供PWM信 号，以此就可以控制正转的转速。同理，在 图（b）中利用开关B、C产生PWM信号来 控制反转的转速。
26
精品资料
直流电机的转向(zhuǎnxiàng)控制
给场效应管的D极和S极之间并联一个二极管， 当直流电机的电感产生高压而形成电流时， 可以通过二极管放电而不会进入场效应管， 从而保护了场效应管。
精品资料
新型执行装置： 压电执行装置：利用在压电陶瓷等材料上施加电压而产生变形的
压电效应(yā diàn xiào yìng)。 形状记忆合金执行装置：利用镍钛合金等材料具有的形状随温度
变化，温度恢复时形状也恢复的形状记忆性质。
运动 控制
卡
端子 板
驱动 器
执行装置（电 机、液压等）
数字 计算
机
图像 采集
卡
A/D
执行机构 （臂、手等）
传感器（视 觉、触觉等）
环境 （控制 对象）
精品资料
电动(diàn dònɡ)执行器
• 直流电机(diànjī) • 交流电机(diànjī) • 步进电机(diànjī) • 舵机（伺服电机(diànjī)）
精品资料
直流电机（DC motor）
止口
1. 直流电机工作(gōngzuò)原 理
精品资料
直流电机调速原理(yuánlǐ)
• 在周期一定(yīdìng)的前提下，正脉冲越宽， 平均直流电压越高，电机转速越快。
精品资料
什么是PWM（脉宽调制）？ 平均(píngjūn)电压概念
电池电压(diànyā)为10V，如 果闭合开关50ms，在这 50ms内电灯的电压(diànyā) 为10V，接着断开开关50ms， 在这50ms内电灯的电压 (diànyā)为0V。显然，在这 100ms之内，电灯的平均电 压(diànyā)为：
17
精品资料
如何(rúhé) 利用单片机I/O口输出PWM信号？
• 方法一：利用软件延时。高电平延时时间(shíjiān)到，端口输出电 平取反；低电平延时时间(shíjiān)到，端口输出电平再取反，如此 循环
• 方法二：利用定时器 • 方法三：利用单片机自带的PWM控制器
精品资料
带有PWM控制器的单片机
28
精品资料
Vsupply
PWM Direction
Brake Ground
Input Logic
M
DC Motor
H-Bridge Circuit
精品资料
直流电机的全面(quánmiàn)控制
B0=B1=B2=B3=0时，4个场效应管全部 (quánbù)截止时，直流电机两端就好像悬 空一样，可以自由地转动，此时为空转状 态。电机会因为惯性自由转动，不久由于 摩擦等阻力的存在会，电机渐渐停止下来。
在实际应用中，可用直流电机控制 芯片L298，电源端+Vs的供电与电 机的额定电压相同，最大不超过 46V。L298已经集成了场效应管和 相应的驱动电路，只要操作其控制 端就可实现直流电机的控制。在使 能端EN B（11管脚）置1后，电机 的正转、反转、刹车(shā chē)、 空转运行状态通过控制端IN3（10 管脚）和IN4（12管脚）实现，如 果用单片机控制时，只要只要把 L298的以上控制端与单片机的I/O 口连接，由程序选择运行状态即可。
15
精品资料
PWM与平均(píngjūn)电压
利用开关对通、断时间的控制 来改变平均电压的方法称为 PWM。PWM信号是一个数字 信号，这是因为在某一时刻， 直流电平要么出现，要么不出 现。电源以一系列脉冲的形式 向负载供电。在带宽足够的情 况(qíngkuàng)下，任何模拟 信号平均电压都可由PWM信 号产生。
精品资料
带有PWM控制器的单片机
精品资料
直流电机控制电路
• 直流电机内阻10Ω，串入电阻10Ω，电机工作电流 (diànliú)250mA，不宜长时间运行
达林顿驱动器
精品资料
直流电机调速周期(zhōuqī)的占空比
占空比 10%
占空比 90%
精品资料
直流电机调速程序(chéngxù)
#include <reg52.h> sbit KEY1 = P3^2; sbit PWM = P1^0; unsigned char CYCLE; //定义周期 该数字(shùzì)X基准定时时间
需要根据电机的功率设计(shèjì) 三极管开关电路。三极管 TIP110最大可驱动额定电压 60V、额定电流2A的直流电机， 并且在大电流工作状态中三极 管需要添加散热器。
10
精品资料
直流电机调速原理(yuánlǐ)
• 直流电机速度计算公式
•
n = (U - IR) / Kφ
• 其中(qízhōng):
while(1)
{
if(!KEY1)
{
delay(30000);
if(!KEY1)
{
PWM_Num++;
if(PWM_Num==4)PWM_Num=0;
switch(PWM_Num){
case 0:P0=0x06;PWM_ON=0;break;
//高电平时长
case 1:P0=0x5B;PWM_ON=4;break;
• 执行(zhíxíng)器，即执行(zhíxíng)装置就 是按照电信号的指令，将来自电、液压和气 压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线 运动等方式的机械能的装置。
• 按利用的能源来分类，主要可分为电动执行 (zhíxíng)装置、液压执行(zhíxíng)装置和 气动执行(zhíxíng)装置。
音比交流电机大。
低转速力矩大
调速简单
精品资料
小型(xiǎoxíng)直流电机
直流电机是一种将直流电转换 成机械能的装置。根据转速的 不同，直流电机可分成直流高 速、直流低速(dī sù)和直流减 速电机等几种。电机底部一般 会有两个管脚（或引线）用于 供电。
9
精品资料
直流电机的通断控制(kòngzhì)
这4个开关在实际(shíjì)当中由场 效应管充当。如图（a）所示， 场效应管Q1与Q4共G极，被置高 电平，同时场效应管Q2与Q3共G 极，被置0，于是Q1、Q4导通而 Q2、Q3截止，于是电流从直流 电机的+极流向-极，于是电机正 转。在图（b）中场效应管Q1与 Q4截止而Q2与Q3导通，于是电 流从电机的-极流向+极，电机反 转。
精品资料
4. 直流电机的特点(tèdiǎn) 优点：调速方便（可无级调速），调速范围宽，低速性能好（启
动转矩大，启动电流小），运行平稳(píngwěn)，转矩和转速容易控制。 缺点：换向器需经常维护，电刷极易磨损，必须经常更换，噪
case 2:P0=0x4F;PWM_ON=5;break;
case 3:P0=0x66;PWM_ON=6;break;
default:break;
}
}
}
}
}
精品资料
定时(dìnɡ shí)中断
void tim(void) interrupt 1 using 1
{
static unsigned char count;
TMOD |=0x01;
//定时(dìnɡ shí)器设置 1ms in 12M crystal
TH0=(65536-1000)/256;
TL0=(65536-1000)%256;
//定时(dìnɡ shí)1mS
IE= 0x82;
//打开中断
TR0=1;
CYCLE = 10;
// 调整周期10ms
TH0=(65536-1000)/256;
TL0=(65536-1000)%256;
//定时(dìnɡ shí)1mS
if (count==PWM_ON)
{
PWM = 1;
//高电平（电机绕组不通电）
}
count++;
if(count == CYCLE)
{
count=0;
if(PWM_ON!=0) //如果左右时间是0 保持原来状态
16
精品资料
直流电机的运行(yùnxíng)控制 PWM信号与直流电机
把PWM信号应用到直流电机 (diànjī)的转速控制中，如果PWM 信号发生器输出的矩形波信号为 12V、且占空比为50%，于是得到 PWM信号的平均电压为6V，这与 电池所提供的电压相同。所以在 PWM信号平均电压为6V时电机 (diànjī)无论使用电池供电还是 PWM信号发生器其转速是相同的。
PWM = 0;
//低电平（电机绕组通电）
}
}
精品资料
直流电机的转向(zhuǎnxiàng)控制：H桥
转向控制：电机的两个管脚（+、-）和电源 之间由4个开关A、B、C、D控制着。图（a） 中，开关A和D闭合，开关B和C断开，这样 电流从直流电机的+极流向(liú xiànɡ)-极， 于是电机正转。图（b）中，开关A和D断开， 而开关C闭合，则电流的方向与刚才正 好相反，从电机的-极流向(liú xiànɡ)+极， 于是电机反转。
31
精品资料
交流(jiāoliú)电机（AC motor）
止口
AC servomotor
1. 工作(gōngzuò)原理
精品资料
同步(tóngbù)电机：转子是永磁体，所谓同步(tóngbù)是指转 子速度与定子磁场速度相同。
异步电机：转子和定子上都有绕组，所谓异步是指转子磁场 和定子间存在速 度差（不是角度差）。
电刷
左 手 (z u ǒs h ǒ u) 换向器 定 则
T=BILr
精品资料
直流电动机通过换 向器将直流转换 成电枢绕组中的 交流，从而使电 枢产生一个恒定 方向的电磁转矩。
2. 矩频特性曲线(qūxiàn)：电流控制曲线(qūxiàn)和电压控制 曲线(qūxiàn)。
T(VKE)KT
R
其中，KE为电动 势常数， KF为转 矩常数。
农机(nónɡ jī)自动监测与控制技术
第10讲 执行器控制(kòngzhì)
精品资料
• 智能农业机械设备可以根据决策支持系统在 农作物生产中生成的指令，来准确地调节 (tiáojié)各种农业资源的投入。主要有变量播 种设备，变量施肥设备、变量喷药设备、变 量灌溉设备等。
精品资料
执行器的概念(gàiniàn)与分类
• U 电枢端电压
•I
电枢电流
• R 电枢电路总电阻 • K 电机结构参数 • φ 每极磁通量
结论：
电枢端电压越高， 电机转速越快
精品资料
直流电机调速原理(yuánlǐ)
PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制
PWM (Pulse Width Modulation)控制是利用脉宽调制器对大功率晶 体管开关放大器的开关时间进行控制，将直流电压转换成某一频率的矩形波 电压，加到直流电机的电枢(diàn shū)两端，通过对矩形波脉冲宽度的控制， 改变电枢(diàn shū)两端的平均电压达到调节电机转速的目的。
10V 50m s+ 0V 50m s5V
100m s
14
精品资料
PWM与平均(píngjūn)电压
通过使开关闭合与断开的时间各为50%，使电 灯亮度降低，从平均(píngjūn)上看，电灯的供 电电压变成了5V。如果使开关闭合与断开的时 间分配成60%和40%，在ta时间段内，开关闭合 的时间为ta×60%，而断开的时间为ta×40%， 所以平均(píngjūn)电压为6V。此时电灯比10V 时暗，但是比5V时稍亮。
如果B1=B3=1且B0=B2=0，场效应管Q3和 Q4导通。这样，电机两端好像短路一样， 如果电机因为惯性还在转动，则在两端所 产生的电动势在电机线圈中产生电流，该 电流在磁场（电机中有磁体）作用下产生 一个与转动方向相反的力，从而阻止电机 继续转动，起到了刹车的作用。
30
精品资料
直流电机的全面(quánmiàn)控制
27
精品资料
单片机控制(kòngzhì)直流电机
单片机的I/O口直接去操作场效 应管的G极有些“力不从心”， 因为场效应管的导通需要G极 上有一个稍高的电压。于是可 以G极前添加一个驱动电路， 三极管Q5和Q7驱动场效应管 Q2与Q3的共G极，而三极管 Q6和Q8驱动场效应管Q1与Q4 的共G极。只要把单片机的I/O 口分别接到三极管Q7和Q8就 可以用程序控制直流电机的转 速(zhuàn sù)与转向了。
//如果是10 则周期是10 x 0.1ms unsigned char PWM_ON ; //定义高电平时间 void delay(unsigned int cnt) //延时函数 {
while(--cnt); }
精品资料
main()
{ unsigned char PWM_Num; //定义档位
至于说转速的控制，可在图（a）中，利用 开关A、D的闭合与断开给电机提供PWM信 号，以此就可以控制正转的转速。同理，在 图（b）中利用开关B、C产生PWM信号来 控制反转的转速。
26
精品资料
直流电机的转向(zhuǎnxiàng)控制
给场效应管的D极和S极之间并联一个二极管， 当直流电机的电感产生高压而形成电流时， 可以通过二极管放电而不会进入场效应管， 从而保护了场效应管。
精品资料
新型执行装置： 压电执行装置：利用在压电陶瓷等材料上施加电压而产生变形的
压电效应(yā diàn xiào yìng)。 形状记忆合金执行装置：利用镍钛合金等材料具有的形状随温度
变化，温度恢复时形状也恢复的形状记忆性质。
运动 控制
卡
端子 板
驱动 器
执行装置（电 机、液压等）
数字 计算
机
图像 采集
卡
A/D
执行机构 （臂、手等）
传感器（视 觉、触觉等）
环境 （控制 对象）
精品资料
电动(diàn dònɡ)执行器
• 直流电机(diànjī) • 交流电机(diànjī) • 步进电机(diànjī) • 舵机（伺服电机(diànjī)）
精品资料
直流电机（DC motor）
止口
1. 直流电机工作(gōngzuò)原 理
精品资料
直流电机调速原理(yuánlǐ)
• 在周期一定(yīdìng)的前提下，正脉冲越宽， 平均直流电压越高，电机转速越快。
精品资料
什么是PWM（脉宽调制）？ 平均(píngjūn)电压概念
电池电压(diànyā)为10V，如 果闭合开关50ms，在这 50ms内电灯的电压(diànyā) 为10V，接着断开开关50ms， 在这50ms内电灯的电压 (diànyā)为0V。显然，在这 100ms之内，电灯的平均电 压(diànyā)为：
17
精品资料
如何(rúhé) 利用单片机I/O口输出PWM信号？
• 方法一：利用软件延时。高电平延时时间(shíjiān)到，端口输出电 平取反；低电平延时时间(shíjiān)到，端口输出电平再取反，如此 循环
• 方法二：利用定时器 • 方法三：利用单片机自带的PWM控制器
精品资料
带有PWM控制器的单片机
28
精品资料
Vsupply
PWM Direction
Brake Ground
Input Logic
M
DC Motor
H-Bridge Circuit
精品资料
直流电机的全面(quánmiàn)控制
B0=B1=B2=B3=0时，4个场效应管全部 (quánbù)截止时，直流电机两端就好像悬 空一样，可以自由地转动，此时为空转状 态。电机会因为惯性自由转动，不久由于 摩擦等阻力的存在会，电机渐渐停止下来。
在实际应用中，可用直流电机控制 芯片L298，电源端+Vs的供电与电 机的额定电压相同，最大不超过 46V。L298已经集成了场效应管和 相应的驱动电路，只要操作其控制 端就可实现直流电机的控制。在使 能端EN B（11管脚）置1后，电机 的正转、反转、刹车(shā chē)、 空转运行状态通过控制端IN3（10 管脚）和IN4（12管脚）实现，如 果用单片机控制时，只要只要把 L298的以上控制端与单片机的I/O 口连接，由程序选择运行状态即可。
15
精品资料
PWM与平均(píngjūn)电压
利用开关对通、断时间的控制 来改变平均电压的方法称为 PWM。PWM信号是一个数字 信号，这是因为在某一时刻， 直流电平要么出现，要么不出 现。电源以一系列脉冲的形式 向负载供电。在带宽足够的情 况(qíngkuàng)下，任何模拟 信号平均电压都可由PWM信 号产生。
精品资料
带有PWM控制器的单片机
精品资料
直流电机控制电路
• 直流电机内阻10Ω，串入电阻10Ω，电机工作电流 (diànliú)250mA，不宜长时间运行
达林顿驱动器
精品资料
直流电机调速周期(zhōuqī)的占空比
占空比 10%
占空比 90%
精品资料
直流电机调速程序(chéngxù)
#include <reg52.h> sbit KEY1 = P3^2; sbit PWM = P1^0; unsigned char CYCLE; //定义周期 该数字(shùzì)X基准定时时间
需要根据电机的功率设计(shèjì) 三极管开关电路。三极管 TIP110最大可驱动额定电压 60V、额定电流2A的直流电机， 并且在大电流工作状态中三极 管需要添加散热器。
10
精品资料
直流电机调速原理(yuánlǐ)
• 直流电机速度计算公式
•
n = (U - IR) / Kφ
• 其中(qízhōng):
while(1)
{
if(!KEY1)
{
delay(30000);
if(!KEY1)
{
PWM_Num++;
if(PWM_Num==4)PWM_Num=0;
switch(PWM_Num){
case 0:P0=0x06;PWM_ON=0;break;
//高电平时长
case 1:P0=0x5B;PWM_ON=4;break;
• 执行(zhíxíng)器，即执行(zhíxíng)装置就 是按照电信号的指令，将来自电、液压和气 压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线 运动等方式的机械能的装置。
• 按利用的能源来分类，主要可分为电动执行 (zhíxíng)装置、液压执行(zhíxíng)装置和 气动执行(zhíxíng)装置。
音比交流电机大。
低转速力矩大
调速简单
精品资料
小型(xiǎoxíng)直流电机
直流电机是一种将直流电转换 成机械能的装置。根据转速的 不同，直流电机可分成直流高 速、直流低速(dī sù)和直流减 速电机等几种。电机底部一般 会有两个管脚（或引线）用于 供电。
9
精品资料
直流电机的通断控制(kòngzhì)
这4个开关在实际(shíjì)当中由场 效应管充当。如图（a）所示， 场效应管Q1与Q4共G极，被置高 电平，同时场效应管Q2与Q3共G 极，被置0，于是Q1、Q4导通而 Q2、Q3截止，于是电流从直流 电机的+极流向-极，于是电机正 转。在图（b）中场效应管Q1与 Q4截止而Q2与Q3导通，于是电 流从电机的-极流向+极，电机反 转。