第四章常用控制程序的设计.ppt

第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计 4.1 报警程序设计报警程序设计 4.2 开关量输出接口技术开关量输出接口技术4.3 电机控制接口技术电机控制接口技术 4.4 步进电机控制接口技术步进电机控制接口技术 第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计4.1 报警程序设计报警程序设计 报报警警是是微微机机控控制制系系统统的的一一项项重重要要功功能能，主主要要用用于于保保证证生生产过程的正常运行和操作者的生命安全。产过程的正常运行和操作者的生命安全。在在生生产产过过程程中中控控制制系系统统随随时时检检测测被被控控对对象象的的一一些些重重要要参参数，当超出允许范围时，控制系统便会发出报警信号。数，当超出允许范围时，控制系统便会发出报警信号。报警程序主要有以下几个步骤组成：报警程序主要有以下几个步骤组成：（1）采样被测参数采样被测参数（2）比较采样值和给定的上下限比较采样值和给定的上下限（3）根据比较结果执行相应的处理程序根据比较结果执行相应的处理程序采样值采样值上限值，则报警上限值，则报警采样值采样值MAXY报警报警NXVK且且Ig触发电流触发电流 导通后，导通后，Ig即使为即使为0，SCR仍仍 保持导通状态。保持导通状态。SCR截止：截止：VA=VKIg控制极电流控制极电流第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计2、双向可控硅、双向可控硅正向导通：正向导通：G上加正脉冲上加正脉冲 截止：截止：VT1=VT2反向导通：反向导通：G上加负脉冲上加负脉冲 截止：截止：VT2=VT14.2.5 可控硅接口技术可控硅接口技术 第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计电磁阀是在气体或液体流动的管路中受电磁力控制开闭的阀门。电磁阀是在气体或液体流动的管路中受电磁力控制开闭的阀门。4.2.6 电磁阀接口技术电磁阀接口技术 线圈不通电线圈不通电线圈通电线圈通电第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计4.3 电机控制接口技术电机控制接口技术 对电机的控制主要是控制它的转向和转速。对电机的控制主要是控制它的转向和转速。对对转转向向的的控控制制，可可设设定定一一个个标标志志位位来来控控制制。若若设设标标志志位位为为1，电电机机正正转转，则则标标志志位位为为0，电电机机反转。反转。第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计4.3 电机控制接口技术电机控制接口技术 4.3.1 小功率直流电机调速原理小功率直流电机调速原理 4.3.2 开环脉冲宽度调速系统开环脉冲宽度调速系统 4.3.3 PWM调速系统设计调速系统设计 第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计4.3.1 小功率直流电机调速原理小功率直流电机调速原理 中中小小功功率率直直流流电电机机的的调调速速多多采采用用直直流流脉脉冲冲宽宽度度调调制制（PWM）型调速系统。型调速系统。1、PWM调调速速：采采用用脉脉冲冲信信号号作作为为电电机机的的控控制制信信号号，通通过过改变脉冲信号的占空比实现对电机速度的控制。改变脉冲信号的占空比实现对电机速度的控制。占空比：电机电枢电压接通时间与通电周期的比值。占空比：电机电枢电压接通时间与通电周期的比值。电机通电，则转速增加电机通电，则转速增加 电机断电，则转速降低电机断电，则转速降低 以固定的占空比发送控制脉冲，则恒速旋转以固定的占空比发送控制脉冲，则恒速旋转第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计4.3.1 小功率直流电机调速原理小功率直流电机调速原理 2、转速和控制信号的关系、转速和控制信号的关系 设设电电机机在在恒恒定定电电压压下下的的转转速速为为Vmax，控控制制信信号号的的占占空空比为比为D=t/（其中其中t代表通电时间，代表通电时间，代表脉冲周期）代表脉冲周期）则电机的的转速和控制信号的关系可用如下公式表示：则电机的的转速和控制信号的关系可用如下公式表示：V=VmaxD （3-10）平均转速平均转速第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计4.3.2 开环脉冲宽度调速系统开环脉冲宽度调速系统 1、开环脉冲宽度调速系统的组成开环脉冲宽度调速系统的组成 原理图如下所示：原理图如下所示：占占空空比比由由人人工工设设定定，一一般般通通过过开开关关给给定定，用用每每位位开开关关的的状状态态表表示示“1”或或“0”组组成成8位位二二进进制制数数。改改变变开开关关的的状状态态，即即可可改改变占空比的大小。变占空比的大小。脉脉冲冲宽宽度度发发生生器器：由由计计算算机机根根据据给给定定的的平平均均速速度度，计计算算出出占占空比，用软件程序来实现。空比，用软件程序来实现。通过电力晶体管驱动器通过电力晶体管驱动器GD，进行功率放大进行功率放大电子开关：用来接通或断开电机定子电源。电子开关：用来接通或断开电机定子电源。第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计单片机控制的开环脉冲调速系统示意图。单片机控制的开环脉冲调速系统示意图。占空比占空比D的设定：由的设定：由8个单刀双掷开关的状态决定，开个单刀双掷开关的状态决定，开关的状态关的状态N由由PA口输入。口输入。N=00H，即所有开关接地，则即所有开关接地，则D=0 N=FFH，即所有开关接电源，则即所有开关接电源，则D=1电机转速电机转速V和开关状态的关系为和开关状态的关系为 其中其中Vmax为电机为电机 在恒压下的转速在恒压下的转速第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计2.2.开环脉冲调速系统程序设计开环脉冲调速系统程序设计 脉脉冲冲宽宽度度的的调调制制可可通通过过软软件件延延时时法法实实现现。软软件件延延时时法法就就是是利利用用程程序序使使控控制制电电压压保保持持t秒秒的的时时间间，再再关关断断-t秒秒的的时时间间，则则可可实实现现占占空空比比为为/t的控制信号的输出。的控制信号的输出。PC5第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计3.3.电机控制接口电机控制接口 直流电机与微机接口可采用以下直流电机与微机接口可采用以下4种方法实现连接。种方法实现连接。光电隔离器光电隔离器+大功率场效应管大功率场效应管固态继电器固态继电器专用接口芯片专用接口芯片专用接口板专用接口板采用固态继电器的直流电机接口连接方法采用固态继电器的直流电机接口连接方法10第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计4.3.3 PWM调速系统设计调速系统设计 根据根据V=VmaxD，求出，求出D，再求出脉冲宽度（通电时间），再求出脉冲宽度（通电时间）电机控制程序的设计方法：软件延时法和计数法电机控制程序的设计方法：软件延时法和计数法软件延时法：软件延时法：Tt1t2通电，延时通电，延时t1后，断电，延时后，断电，延时t2后后第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计4.3.3 PWM调速系统设计调速系统设计 计数法：计数法：电机通电电机通电N1个单位时间，断电个单位时间，断电N2个单位时间。个单位时间。通电单位时间的次数通电单位时间的次数n1，断电单位时间的次数，断电单位时间的次数n2过程：过程：输出控制脉冲（通电），输出控制脉冲（通电），n1开始计数（从开始计数（从0开始）开始）n1N1，继续输出控制脉冲，继续输出控制脉冲n1=N1，电机断电，电机断电，n2开始计数（从开始计数（从0开始）开始）n2N2，继续断电，继续断电n2=N2第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计4.3.3 PWM调速系统设计调速系统设计 1、双向直流电机控制原理、双向直流电机控制原理电机旋转方向控制原理图如下图所示。电机旋转方向控制原理图如下图所示。开关开关S1和和S4闭合，电机正向旋转闭合，电机正向旋转开关开关S2和和S3闭合，电机反向旋转闭合，电机反向旋转开关开关S3和和S4闭合，电机绕组被短路，闭合，电机绕组被短路，处于刹车状态处于刹车状态所有开关都打开，电机处于自由滑所有开关都打开，电机处于自由滑 行状态行状态第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计电机的工作状态真值表如表电机的工作状态真值表如表3-6所示。所示。第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计2、控制接、控制接口电路口电路PB口为输入方式，口为输入方式，控制控制8个开关提供脉个开关提供脉冲宽度给定值冲宽度给定值PA口为输出方式，口为输出方式，控制输出模型控制输出模型PC0=0，输出正传，输出正传模型模型02HPC0=1，输出反传，输出反传模型模型01HPC口为输入方式：口为输入方式：PC0控制方向控制方向PC1控制电机启动和控制电机启动和停止停止第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计PC0=0，正传，输出正传，输出02H02H=00000010BPA1=1，PA0=00101000101010第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计10第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计01输出输出01H01H=00000001BPA1=0，PA0=1反转反转第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计从从PB口口从从PC口口03H02H01H电机通电电机通电00H电机断电电机断电第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计4.4 步进电机的控制接口技术步进电机的控制接口技术 步进电动机是纯粹的数字控制电动机。它将电脉冲信步进电动机是纯粹的数字控制电动机。它将电脉冲信号转换成角位移，即给一个脉冲信号，步进电动机就转动号转换成角位移，即给一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度，因此非常适合单片机控制。一个角度，因此非常适合单片机控制。特点：特点：输入信号为脉冲信号输入信号为脉冲信号能够直接接受计算机的数字信号，而不需要进行数能够直接接受计算机的数字信号，而不需要进行数/模模转换转换惯性很小，在允许的负荷范围内，可以实现立即启动和惯性很小，在允许的负荷范围内，可以实现立即启动和立即停止立即停止定位精度非常高，不会产生旋转量的误差积累定位精度非常高，不会产生旋转量的误差积累第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计4.4.1 步进电机的工作原理步进电机的工作原理 4.4.2 步进电机控制系统的原理步进电机控制系统的原理 4.4.3 步进电机与微型机的接口程序设计步进电机与微型机的接口程序设计 第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计4.4.1 步进电机的工作原理步进电机的工作原理 1、步进电机的结构原理图如下图所示、步进电机的结构原理图如下图所示定子：有定子：有6个均匀分布的磁极个均匀分布的磁极相对的磁极构成一相相对的磁极构成一相 相邻的两个磁极间的夹角为相邻的两个磁极间的夹角为60磁极的极身绕有控制绕组磁极的极身绕有控制绕组 磁极的磁靴上均匀分布磁极的磁靴上均匀分布5个矩个矩形小齿形小齿转子：没有绕组，均匀分布转子：没有绕组，均匀分布40个矩形小齿，相邻两齿夹角为个矩形小齿，相邻两齿夹角为9。AABBCC第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计2、步进电机的旋转：错齿是步进电机旋转的根本原因。、步进电机的旋转：错齿是步进电机旋转的根本原因。当某相绕组通电时，该绕组对应的两个磁极产生当某相绕组通电时，该绕组对应的两个磁极产生磁场。如果此时定子的小齿和转子的小齿没对齐，则磁场。如果此时定子的小齿和转子的小齿没对齐，则转子在磁场的作用下旋转一定的角度，使转子的小齿转子在磁场的作用下旋转一定的角度，使转子的小齿和定子的小齿对齐。和定子的小齿对齐。第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计举例：举例：假设假设A相通电，相通电，B、C相不通电，则在磁场的作用下，相不通电，则在磁场的作用下，转子的某个小齿（假设为转子的某个小齿（假设为0号齿）和号齿）和A相中间的小齿对齐。相中间的小齿对齐。A相和相和B相相差相相差120，139=117 第第13号小齿靠近号小齿靠近B相磁极的中心线，且与中心线相差相磁极的中心线，且与中心线相差3 变为变为B相通电，相通电，A、C相不通电，则在磁场的作用下，相不通电，则在磁场的作用下，转子的第转子的第13号小齿和号小齿和B相中间的小齿对齐，即整个转子旋转了相中间的小齿对齐，即整个转子旋转了3，步进电机走了一步。，步进电机走了一步。B相和相和C相相差相相差120，139=117 第第26号小齿靠近号小齿靠近C相磁极的中心线，且与中心线相差相磁极的中心线，且与中心线相差3 变为变为C相通电，相通电，A、B相不通电，则在磁场的作用下，相不通电，则在磁场的作用下，转子的第转子的第26号小齿和号小齿和C相中间的小齿对齐，即整个转子旋转了相中间的小齿对齐，即整个转子旋转了3，步进电机走了一步。，步进电机走了一步。按照按照ABCA的顺序轮流通电一周，则转子旋转的顺序轮流通电一周，则转子旋转9第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计磁阻式步进电机的步距角（磁阻式步进电机的步距角（Qs）的计算：）的计算：第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计例：例：第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计4.4.2 步进电机控制系统的原理步进电机控制系统的原理 1、典型的步进电机控制系统的组成、典型的步进电机控制系统的组成典型的步进电机控制系统如下图所示：典型的步进电机控制系统如下图所示：步步进进控控制制器器：把把输输入入的的脉脉冲冲转转换换成成环环型型脉脉冲冲，以以便便控控制制步步进电机，并能进行正、反向控制。进电机，并能进行正、反向控制。功率放大器：把环型脉冲加以放大，以驱动步进电机转动。功率放大器：把环型脉冲加以放大，以驱动步进电机转动。第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计2、微机控制的步进电机控制系统、微机控制的步进电机控制系统 如果用软件代替步进控制器，就可以根据系统需要通如果用软件代替步进控制器，就可以根据系统需要通过编程的方法在一定的范围之内任意设定步进电机的转速、过编程的方法在一定的范围之内任意设定步进电机的转速、旋转角度、转动次数和控制步进电机的运行状态。利用单旋转角度、转动次数和控制步进电机的运行状态。利用单片机控制步进电机可以大大简化控制电路，降低成本，提片机控制步进电机可以大大简化控制电路，降低成本，提高系统的可靠性和灵活性。高系统的可靠性和灵活性。典型的微机控制步进电机的系统原理框图如下图所示。典型的微机控制步进电机的系统原理框图如下图所示。第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计 利利用用微微机机现现对对步步进进电电机机的的控控制制，必必须须解解决决以下两个问题：以下两个问题：1、脉冲序列的形成、脉冲序列的形成 2、步进电机旋转方向控制、步进电机旋转方向控制 第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计 脉冲序列的形成脉冲序列的形成 用用计计算算机机控控制制步步进进电电机机实实际际上上是是由由计计算算机机产生一系列脉冲波。产生一系列脉冲波。实实现现方方法法：先先输输出出一一个个高高电电平平，延延时时一一段段时间后，再输出一个低电平，然后再延时。时间后，再输出一个低电平，然后再延时。在在微微机机控控制制系系统统中中，延延时时可可通通过过软软件件或或定定时器实现。时器实现。第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计利用软件形成脉冲序列的利用软件形成脉冲序列的程序流程图如下图所示：程序流程图如下图所示：第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计步进电机旋转方向控制：步进电机的旋转方向和内部绕步进电机旋转方向控制：步进电机的旋转方向和内部绕组的通电顺序及通电方式有关。组的通电顺序及通电方式有关。通电方式：通电方式：三相单三拍方式：三相单三拍方式：正向旋转，通电顺序为正向旋转，通电顺序为 ABCA 反向旋转，通电顺序为反向旋转，通电顺序为 ACBA 三相双三拍方式：三相双三拍方式：正向旋转，通电顺序为正向旋转，通电顺序为 ABBCCAAB 反向旋转，通电顺序为反向旋转，通电顺序为 ABCABCAB 三相六拍方式：三相六拍方式：正向旋转，通电顺序为正向旋转，通电顺序为 AABBBCCCAA 反向旋转，通电顺序为反向旋转，通电顺序为 ACACBCBABA第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计旋转方向的控制步骤：旋转方向的控制步骤：（1）用单片机的一位输出口控制步进电机的一相绕组用单片机的一位输出口控制步进电机的一相绕组 例例如如，可可以以用用P1.0、P1.1、P1.2分分别别控控制制A相相、B相相和和 C相绕组。相绕组。（2）根据步进电机的类型和控制方式找出相应的控制模型根据步进电机的类型和控制方式找出相应的控制模型（3）按按照照控控制制方方式式规规定定的的顺顺序序向向步步进进电电机机发发送送脉脉冲冲序序列列，即即 可控制步进电机的旋转方向。可控制步进电机的旋转方向。第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计控制方式的数序模型：控制方式的数序模型：用用P1.0、P1.1、P1.2分别控制分别控制A相、相、B相和相和C相绕组相绕组则则P1口：口：（1）三相单三拍方式三相单三拍方式正转：正转：A 0 0 0 0 0 0 0 1 01H 反转：反转：A 0 0 0 0 0 0 0 1 01H B 0 0 0 0 0 0 1 0 02H C 0 0 0 0 0 1 0 0 04H C 0 0 0 0 0 1 0 0 04H B 0 0 0 0 0 0 1 0 02H A 0 0 0 0 0 0 0 1 01H A 0 0 0 0 0 0 0 1 01HC B AABC第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计（2）三相双三拍方式三相双三拍方式正转：正转：AB 0 0 0 0 0 0 1 1 03H 反转：反转：AB 0 0 0 0 0 0 1 1 03H BC 0 0 0 0 0 1 1 0 06H CA 0 0 0 0 0 1 0 1 05H CA 0 0 0 0 0 1 0 1 05H BC 0 0 0 0 0 1 1 0 06H AB 0 0 0 0 0 0 1 1 03H AB 0 0 0 0 0 0 1 1 03HABC第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计（3）三相六拍方式三相六拍方式正转：正转：A 0 0 0 0 0 0 0 1 01H 反转：反转：A 0 0 0 0 0 0 0 1 01H AB 0 0 0 0 0 0 1 1 03H CA 0 0 0 0 0 1 0 1 05H B 0 0 0 0 0 0 1 0 02H C 0 0 0 0 0 1 0 0 04H BC 0 0 0 0 0 1 1 0 06H BC 0 0 0 0 0 1 1 0 06H C 0 0 0 0 0 1 0 0 04H B 0 0 0 0 0 0 1 0 02H CA 0 0 0 0 0 1 0 1 05H AB 0 0 0 0 0 0 1 1 03H A 0 0 0 0 0 0 0 1 01H A 0 0 0 0 0 0 0 1 01H ABCABBCCA第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计4.4.3 步进电机与微型机的接口及程序设计步进电机与微型机的接口及程序设计1、步进电机与单片机的接口电路、步进电机与单片机的接口电路 步进电机需要的驱动电流比较大，所以单片步进电机需要的驱动电流比较大，所以单片机与步进电机的连接需要专门的接口电路及驱动机与步进电机的连接需要专门的接口电路及驱动电路。电路。第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计4.4.3 步进电机与微型机的接口及程序设计步进电机与微型机的接口及程序设计1、步进电机与单片机的接口电路、步进电机与单片机的接口电路01导导通通第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计4.4.3 步进电机与微型机的接口及程序设计步进电机与微型机的接口及程序设计1、步进电机与单片机的接口电路、步进电机与单片机的接口电路第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计4.4.3 步进电机与微型机的接口及程序设计步进电机与微型机的接口及程序设计2、步进电机程序设计、步进电机程序设计控制程序的主要任务：控制程序的主要任务：（1）判断电机的旋转方向判断电机的旋转方向（2）输出相应的控制脉冲序列）输出相应的控制脉冲序列（3）判断要求的脉冲信号是否输出完毕）判断要求的脉冲信号是否输出完毕控制程序的设计：控制程序的设计：判断电机的旋转方向判断电机的旋转方向根据旋转方向选择相根据旋转方向选择相应的控制模型应的控制模型按要求输出控制脉冲序列按要求输出控制脉冲序列第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计4.4.3 步进电机与微型机的接口及程序设计步进电机与微型机的接口及程序设计控制模型的给出方式（软件）控制模型的给出方式（软件）（1）以立即数的形式一一给出以立即数的形式一一给出 对节拍比较少的程序是可行的，若节拍数较对节拍比较少的程序是可行的，若节拍数较多时，会使程序很长。多时，会使程序很长。（2）循环程序输出控制模型）循环程序输出控制模型 循环程序就是把控制模型按顺序存放在内存循环程序就是把控制模型按顺序存放在内存单元中，然后逐一从单元中取出控制模型并输出。单元中，然后逐一从单元中取出控制模型并输出。第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计（2）循环程序输出控制模型）循环程序输出控制模型第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计4.4.4 步进电机步数及速度的确定方法步进电机步数及速度的确定方法1、步进电机步数的确定、步进电机步数的确定步进电机步数用来控制步进电机的精度。步进电机步数用来控制步进电机的精度。方法：根据步进电机的控制方式和类型，利用公式方法：根据步进电机的控制方式和类型，利用公式计算出步距角，再利用公式计算出步距角，再利用公式计算出步进电机的步数计算出步进电机的步数N第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计4.4.4 步进电机步数及速度的确定方法步进电机步数及速度的确定方法2、步进电机控制速度的确定、步进电机控制速度的确定方法：改变各通电脉冲的时间间隔方法：改变各通电脉冲的时间间隔第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计4.4.5 步进电机的变速控制步进电机的变速控制 步步进进电电机机正正常常工工作作时时，每每接接收收一一个个控控制制脉脉冲冲就就移移动动一一个个步步距距角角，即即前前进进一一步步。若若连连续续的的输输入入控控制制脉脉冲冲，电动机就相应地连续转动。电动机就相应地连续转动。步进电机失步包括丢步和越步。步进电机失步包括丢步和越步。丢步时，转子前进的步数少于脉冲数丢步时，转子前进的步数少于脉冲数越步时，转子前进的步数多于脉冲数越步时，转子前进的步数多于脉冲数第四章第四章 常用控制程序的设计常用控制程序的设计4.4.5 步进电机的变速控制步进电机的变速控制1、基本思想、基本思想 启启动动时时，以以低低于于响响应应频频率率的的速速度度运运行行，慢慢慢慢加加速速，加加速速到到一一定定速速率率后后，就就以以此此速速率率恒恒速速运运行行。快快到到终终点点时时，又又以以低低于于响响应应频频率率的的速速度度运运行行，慢慢慢慢减减速速，直直到到走完规定的步数后停机。走完规定的步数后停机。2、变速控制方法、变速控制方法改变控制方式的变速控制改变控制方式的变速控制均与地改变脉冲时间间隔的变速控制均与地改变脉冲时间间隔的变速控制采用定时器的变速控制采用定时器的变速控制