电机驱动与控制的硬件软件设计(向敏)

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1、光电传感器
光电传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器。 光电传感器具有高精度、高分辨率、高可靠性、非接 触、响应快和结构简单等特点。
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常用的光电传感器
光敏二极管、光敏三极管、光电耦合器件和 红外传感器 ：
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由于待检测的非电量种类繁多， 传感器 的工作原理也各不相同， 因此待检测物理 量作用于传感器后， 传感器输出的相应信 号种类亦各式各样。
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常用传感器及其应用电路 1 传感器的种类介绍 2 光电传感器与应用电路 3 温度传感器与应用电路 4 超声波传感器与应用电路 5 接近开关与应用电路
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一、电机控制
1、电机控制类型 竞赛中常用的电机控制类型： 速度控制： 要求电机拖动结构在规定时间沿着规定路 径运行到目标，通常时间要求严格，需要进行 电机加速、检索控制。 位臵控制 在固定轨迹或变化的轨迹中做直线或曲线运 动，重点是电机运动中能够准确识别轨迹。
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二、电机驱动电源的设计
1、电源的选择
采用的供电方式主要是电池供电和持续供电。 电池供电 电池供电移动性强，纹波小，但持续时间较短。常用 的电池类型有：
碱性电池， 镍氢电池， 锂电池
电池选取的主要参数： 电池组电压 （V:12V） 电池组的容量 （2200mAH） 电池组的最大输出电流 （Imax：1~10A）
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一、传感器的信号处理与接口技术
传感器与控制器的接口电路主要由信号预处理电路、 数据采集系统和控制器接口电路组成。 其中， 预处 理电路把传感器输出的非电压量转换成具有一定幅值 的电压量； 数据采集系统把模拟电压量转换成数字 量；控制器接口电路把A/D转换后的数字信号送入控 制器， 并把控制器发出的控制信号送至输入接口的 各功能部件；控制器还可通过其他接口把信息数据送 往显示器、 控制器、 打印机等等。 由于信号预处理 电路随被测量和传感器而不同， 因此传感器的信号 处理技术则是构成不同系统的关键。
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2、电机选取
竞赛中可能用到的电机包括： 直流电机 有刷直流电机 无刷直流电机 步进电机 伺服电机
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直流电机
直流电机主要包括有刷直流电机和无刷直流电 机。这里主要讨论有刷直流电机直流电机的参 数主要有： 功率W 输出力矩 N 最高转速rpm 电压V 电流I
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伺服电机
伺服电动机的功能是将所输入的电压信号转换为轴上的角位移 或角速度输出，其转速和转向随输入电压信号的大小和方向 变化而改变的控制电机。现常用伺服电机的主要特点： 实现了位臵，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步 的问题； 高速性能好，一般额定转速能达到2000～3000转； 抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负 载波动和要求快速起动的场合特别适用； 低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进 运行现象。适用于有高速响应要求的场合； 电机加减速的动态相响应间短，一般在几十毫秒之内； 发热和噪音明显降低。
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ST178红外线光电传感器的发射管要加500 Ω的电阻用来限流， 而接收管则要接20 kΩ上拉电阻，两管均接5 V电源，工作时电 压达到4.8 V，当距离发射头或接收头1cm左右的位置有障碍物 阻挡时电压迅速降到1 V。具体电路如图所示。
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光电耦合器件
红外传感器 红外传感器是将红外辐射的能量转换成电能的光敏器件。 在一般的常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。
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红外传感器也称红外探测器，一般由光学系统、 探测器、信号调理电路及显示系统等组成。红外探测 器是红外传感器的核心，它分为热电型和光子型两类。 用红外传感器来实现某些非电量的测量，比用可见 光作媒介的检测方法有许多优点，它不受周围可见光 的影响，可昼夜进行测量；由于待测对象本身辐射红 外线，因此不需要光源；大气对某些持定波长范围内 的红外线吸收甚少，适用于遥感、遥测。 红外传感器广泛应用于工业自动化、材料的热处理 和加工过程中的监测、国防、航空、安全保卫、医学 诊断、设备故障诊断等领域。
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采用LM2576/LM2575得到＋5V电压的开关式降 压电路
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负电压的措施
如果控制过程中需要使用负电压，常用Buck －Boost型开关变换电路实现。
采用LM2576得到－12V电压的典型电路
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3、霍尔接近开关 霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的 开关，叫做霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关时， 开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内 部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在， 进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必 须是磁性物体。 4、光电式接近开关 利用光电效应做成的开关叫光电开关。将发光器 件与光电器件按一定方向装在同一个检测头内。当有 反光面（被检测物体）接近时，光电器件接收到反射 光后便在信号输出，由此便可“感知”有物体接近。
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2、降压的实现措施
通常情况下，对于电机控制的主要芯片需要5V或 3.3V，甚至1.8V的电源。在设计中不可能为其在配 臵一个独立的电源，因此需要采用降压电路来得到需 要的电压。降压电路分为两类：
线性降压电路
优点：简单，可靠性较高 缺点：效率低，器件发热厉害，功耗大
开关型降压电路
优点：效率高，器件发热量小 缺点：电路较为复杂
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因为位移传感器可以根据不同的原理和不同的方法做 成，而不同的位移传感器对物体的“感知”方法也不同，所 以常见的接近开关有以下几种： 1、涡流式接近开关 这种开关有时也叫电感式接近开关。它是利用导电物体在 接近这个能产生电磁场接近开关时，使物体内部产生涡流。 这个涡流反作用到接近开关，使开关内部电路参数发生变化， 由此识别出有无导电物体移近，进而控制开关的通或断。这 种接近开关所能检测的物体必须是导电体。 2、电容式接近开关 这种开关的测量通常是构成电容器的一个极板，而另一个 极板是开关的外壳。这个外壳在测量过程中通常是接地或与 设备的机壳相连接。当有物体移向接近开关时，不论它是否 为导体，由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变化， 从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随 之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。这种接近开 关检测的对象，不限于导体，可以绝缘的液体或粉状物等。
光敏二极管的外形见图1所示。光敏三极管的外形见图2所示。
图1 光敏二极管
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图2 光敏三极管
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(1)光敏二极管的结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中。 在电路中一般是处于反向工作状态。 工作原理：光敏二极管由于工作在反向状态，无光照时，少数 载流子产生暗电流10-8～10-9安培，处于截止状态。 有光照时，半导体内受激发产生电子—空穴对，少数载流子 浓度大大增加，在反向电压的作用下，形成光电流，处于导 通状态。 (2)光敏三极管：光敏三极管与一般晶体三极管很相似，具有两 个PN结。它把光信号转换为电信号的同时，又将电流加以放 大，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引 出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极 管相似，从外观上很难区别。在结构上，它的基区较大，发 射区很小，并安臵在基区的边缘。 工作原理： 无光照时，集电结反偏，其反向饱和电流Icbo经发射结放大 为集射之间的穿透电流Iceo——暗电流
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ST178制作的反射式红外传感器
红外线光电传感器ST178， ST178由4个管脚组成，是集发射 和接收于一体的传感器。发射和 接收管分别采用高发射功率红外 线光电二极管和高灵敏度光电晶 体管组成。工作的范围可达到4 mm～10 mm左右,采用非接触监 测的方式。
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2、温度传感器与应用电路
温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特 性间接测量的。 由于工器只能在一定的温度范围内使用。常用的测温传 感器的种类与测温范围如下表所示。
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市电供电
市电供电一般通过变压器和交/直流转换器(整流桥) 来产生需要的电源。优点是对功耗要求较低，缺点是 移动性差。
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市电220V
变压、整流
需要的12～ 36V的直流电
降压处理
电池模块
电源处理的基本流程
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常用的发射电路
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常用的接收电路
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4、接近开关与应用电路
一种用于工业自动化控制系统中以实现检测、 控制并与输出环节全盘无触点化的新型开关元件。 当开关接近某一物体时，即发出控制信号。