电动机的单片机控制

电动机的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只是在需要调整参数时才介入。

2、新型单片机的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、电动机是一个电磁干扰源，除了采用必要的隔离、屏蔽和电路板合理布线等措施外，看门狗的功能就会显得格外重要。

看门狗在工作时不断地监视程序运行的情况。

一旦程序“跑飞”，会立刻使单片机复位。

4、功率集成电路是电力电子技术与微电子技术相结合的产物。

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、机电传动系统的动力学基础1、反抗转矩的特点是：转矩的方向总是与转速的方问相反。

当运功方向改变时．转矩的方向也改变．它总是阻碍运动进行。

因摩擦和非弹性体的压缩、拉伸、扭转等作用所产生的负载转矩都属于反抗转矩。

例如．机床加工过程中所产个的负载转矩就是反抗转矩。

2、位能转矩则不同．位能转矩的作用方向恒定不变。

与运动方向无关。

它是由物体的重力和弹性体的压缩、拉伸、扭转等作用所产生的负载转矩。

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，由于重力的作用方向总是指向地心的．所以它产生的负载转矩永远作用在使重物下降的方向。

3、电力拖动系统的稳定运行有两种含义：第一是应能以一定的速度匀速运转；第二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的转速运行。

要做到第一点。

就必须使电动机的电磁转矩与负载转矩大小相等，方向相反，相互平衡。

这就意味着电动机的机械特性曲线与工作机械的特性曲线有—个交点。

但是，有交点只是保证系统稳定的必要条件，它的充分条件是这个交点必须是稳定的平衡点。

电力拖动系统稳定运行的必要充分条件是：①、电动机与工作机械的机械特性曲线要有一个交点。

；而在这个交点对应的②、在这个交点对应的转速之上，必须要保证T＜TZ。

转速之下要保证T＞ＴＺ三、常用的电力电子器件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的引脚定义如下：引脚1用于连接反偏置电源的滤波电容；引脚2和引脚9分别是电源和地；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和引脚15为驱动信号输入端；其余引脚不用。

ＥＸＢ840集成电路驱功IGBT的典型应用电路：2、M57962L集成电路四、单片机对电动机控制的支持1、Ｃ8051用于控制电动机时的输入输出端口设置在I／o口Po、P1、P2与内部资源之间是使用交叉开关进行连接的。

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的作用是：确定被选择的资源。

这些被选择的资源分配到哪些I／o引脚上去，则由交叉开关优先表根据排列的优先顺序来确定。

2、电动机控制中的模／数转换在C805l中的实现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输出与用户编程的极限值进行比较。

并在检测到越限条件时通知系统控制器。

3、电动机控制中的PWM和测频在C8051中的实现在有刷和无则直流电动机的控制中．需要使用脉宽调制(PwM)技术，通过调节PwM信号的占空比来实现调速。

因此，PwM波发生器在直流电动机的控制中是不可缺少的。

此外，电动机控制中还经常需要对输出的频率信号进行测频(例如，光电编码盘的输出，交流电动机控制中sPwM频率的测试等)．实现测频的最简苹的方法是使用捕捉功能。

c805l单片机有PwM功能和捕捉功能。

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功能和捕捉功能外，还有比较功能和高速输出功能。

五、电动机控制中常用的位移、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的辨别经过放大整形后的A、B两相脉冲分别输入到D触发器的D端和cP端．如图5—15(a)所示。

因此，D触发器的cP端在A脉冲的上升沿触发。

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．触发器总是在Ｂ处于低电平时触发，这时Q＝０，表示反转。

A、Ｂ脉冲的另一路经与门后．输出计数脉冲。

这样，用Ｑ或Ｑ非控制可逆计数器是加计数还是减计数．就可以使可逆计数器对计数脉冲进行计数。

Ｃ相脉冲接到计数器的复位端．实现每转动一圈复位一次计数器。

这样．无论是正转还是反转，计数值每次反映的都是相对与上次角度的增量，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，比例环节的作用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的方向变化。

控制作用的强弱取决于比例系数Kp，KP 越大，控制越强，但过大的KP会导致系统振荡，破坏系统的稳定性。

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(如直流电机的调压调速)，要加上适当的与转速和机械负载有关的控制常量uo否则，比例环节将会产生静态误差。

积分环节的作用是把偏差的积累作为输出。

在控制过程中，只要有偏差存在，积分环节的输出就会不断增大。

直到偏差e(t)＝o，输出的u(t)才可能维持在某一常量，使系统在给定值r(t)不变的条件下趋于稳态。

因此，即使不加控制常量uo，也能消除系统输出的静态误差。

积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。

积分常数TI 越大，积分的积累作用越弱。

增大积分常数TI会减慢静态误差的消除过程，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。

所以，必须根据实际控制的具体要求来确定TI。

实际的控制系统除了希望消除静态误差外，还要求加快调节过程。

在偏差出现的瞬间，或在偏差变化的瞬间，不但要对偏差量作出立即响应(比例环节的作用)，而且要根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正。

为了实现这一作用．可在PI控制器的基础上加入微分环节，形成PID控制器。

微分环节的作用是阻止偏差的变化。

它是根据偏差的变化趋势(变化速度)进行控制。

偏差变化得越快，微分控制器的输出就越大,并能在偏差值变大之前进行修正。

微分作用的引入，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，它加快了系统的跟踪速度。

但微分的作用对输人信号的噪声很敏感，对那些噪声较大的系统一般不用微分，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，可以使微分的作用达到最忧。

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，开关管导通的时间与周期的比值。

a的变化范围为o≤a≤1。

由式(6—2)可知，当电源电压Us不变的情况下，电枢的端电压的平均值Uo取决于占空比a的大小，改变a值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PwM调速原理。

在PwM调速时，占空比a是一个重要参数。

以下3种方法都可以改变占空比的值。

(1)定宽调频法这种方法是保持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是使周期T(或频率)保持不变，而同时改变t1和t2。

前2种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期(或频率)；当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此这2种方法用得很少。

目前，在直流电动机的控制中，主要使用定频调宽法。

PwM控制信号的产生方法有4种。

(1)分立电子元件组成的PwM信号发生器这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PwM信号电路，现已被淘汰了。

(2)软件模拟法利用单片机的一个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他工作，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的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)单片机的PwM口新一代的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种方法是日前PwM信号获得的主流方法。

2、直流电动机的不可逆PWM系统直流电动机PwM控制系统有可逆和不可逆系统之分。

可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转；不可逆系统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和双极性驱动两种方式。

单极性驱动是指在一个PWM周期里，作用在电抠两端的脉冲电压是单一极性的；双极性驱动则是指在一个PwM周期里，作用在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。

（1）无制动的不可逆PwM系统电动机的电枢电流不能反向流动，因此它不能工作在制动状态。

(2)有制动的不可逆PwM系统系统增加了一个开关管V，只在制动时起作用。

开关管v1、v2的PwM信号2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的正向电压；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的反向电压。

这就是所谓的“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u，可用下式决定：Ｏ由式(6—3)可见，双极性可逆PwM驱动时，电枢绕组所受的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的静摩擦，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，电流的方向也在不断地变化，如图6—9(c)所示。

在每个PwM周期的o—ｔ１区间．Ｖ２、Ｖ３截止。