大功率驱动电路ppt课件.ppt

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1、功率驱动电路v1 1 三极管驱动电路三极管驱动电路 v2 2 继电器驱动电路继电器驱动电路 v3 3 晶闸管驱动电路晶闸管驱动电路 v4 4 固态继电器驱动电路固态继电器驱动电路 v5 5 直流电动机驱动接口电路直流电动机驱动接口电路v6 6 步进电动机及驱动电路步进电动机及驱动电路引言 数字量输出通道数字量输出通道简称简称 DO 通道，它的任务是把通道，它的任务是把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的数字驱动信号。根据现场负荷的不同，如行控制的数字驱动信号。根据现场负荷的不同，如指示灯、继电器、接触器、电机、阀门等，可以选指示灯、继

2、电器、接触器、电机、阀门等，可以选用不同的功率放大器件构成不同的开关量驱动输出用不同的功率放大器件构成不同的开关量驱动输出通道。常用的有三极管输出驱动电路、继电器输出通道。常用的有三极管输出驱动电路、继电器输出驱动电路、晶闸管输出驱动电路、固态继电器输出驱动电路、晶闸管输出驱动电路、固态继电器输出驱动电路等。驱动电路等。 n 对于低压情况下的小电流开关量，用功对于低压情况下的小电流开关量，用功率三极管就可作开关驱动组件，其输出电率三极管就可作开关驱动组件，其输出电流就是输入电流与三极管增益的乘积。流就是输入电流与三极管增益的乘积。三极管驱动电路三极管驱动电路1 .1 .普通三极管驱动电路普通三

3、极管驱动电路 当驱动电流只有十几当驱动电流只有十几 mAmA或几十或几十 mAmA时，只要采用一个时，只要采用一个普通的功率三极管就能构成驱动电路，如图普通的功率三极管就能构成驱动电路，如图 3 3-7-1-7-1所示。所示。6047K3.3管极三DELV5+033图 4-6 小 功 率 三 极 管 输 出 电 路Din2. 达林顿驱动电路达林顿驱动电路 当驱动电流需要达到几百毫安时，如驱当驱动电流需要达到几百毫安时，如驱动中功率继电器、电磁开关等装置，输出电动中功率继电器、电磁开关等装置，输出电路必须采取多级放大或提高三极管增益的办路必须采取多级放大或提高三极管增益的办法。达林顿阵列驱动器是

4、由多对两个三极管法。达林顿阵列驱动器是由多对两个三极管组成的达林顿复合管构成，它具有高输入阻组成的达林顿复合管构成，它具有高输入阻抗、高增益、输出功率大及保护措施完善的抗、高增益、输出功率大及保护措施完善的特点，同时多对复合管也非常适用于计算机特点，同时多对复合管也非常适用于计算机控制系统中的多路负荷。控制系统中的多路负荷。 n 图图3-7-2给出达林顿阵列驱动器给出达林顿阵列驱动器MC1416的结构图与每对复合管的内部结构，的结构图与每对复合管的内部结构，MC1416内含内含7对达林顿复合管，每个复合对达林顿复合管，每个复合管的集电极电流可达管的集电极电流可达500mA，截止时能承，截止时能

5、承受受100V电压，其输入输出端均有箝位二极电压，其输入输出端均有箝位二极管，输出箝位二极管管，输出箝位二极管D2抑制高电位上发生抑制高电位上发生的正向过冲，的正向过冲，D1、D3可抑制低电平上的负可抑制低电平上的负向过冲。向过冲。1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 CC O M1 61 51 41 31 21 11 09G N D7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B123456781 0 .5 k BR07 .2 k R1D1R2T1T2D3CED2C O M3 k (a )M C 1 4 7 1 6 结 构 图（ b ） 复 合 管 内 部 结 构图 4 -7 M C 1 4 1

6、 6 达 林 顿 阵 列 驱 动 器 图图 3 3-7-3-7-3为达林顿阵列驱动中的一路驱为达林顿阵列驱动中的一路驱动电路动电路，当，当CPUCPU数据线数据线D Di i 输出数字输出数字“0”“0”即即低电平时，经低电平时，经74067406反相锁存器变为高电平，反相锁存器变为高电平，使达林顿复合管导通，产生的几百毫安集使达林顿复合管导通，产生的几百毫安集电极电流足以驱动负载线圈，而且利用复电极电流足以驱动负载线圈，而且利用复合管内的保护二极管构成了负荷线圈断电合管内的保护二极管构成了负荷线圈断电时产生的反向电动势的泄流回路。时产生的反向电动势的泄流回路。图图 4-8 达林顿阵列驱动电路

7、达林顿阵列驱动电路7406达林顿复合管达林顿复合管负荷线圈负荷线圈+24VDi1B1CGNDn继电器驱动电路继电器驱动电路 电磁继电器主要由线圈、铁心、衔铁和触电磁继电器主要由线圈、铁心、衔铁和触点等部件组成，简称为继电器，它分为电压继点等部件组成，简称为继电器，它分为电压继电器、电流继电器、中间继电器等几种类型。电器、电流继电器、中间继电器等几种类型。继电器方式的开关量输出是一种最常用的输出继电器方式的开关量输出是一种最常用的输出方式，通过弱电控制外界交流或直流的高电压、方式，通过弱电控制外界交流或直流的高电压、大电流设备。大电流设备。D DL LK K控控制制电电流流外外部部设设备备线线圈

8、圈铁铁芯芯触触点点衔衔铁铁n 继电器驱动电路的设计要根据所用继继电器驱动电路的设计要根据所用继电器线圈的吸合电压和电流而定，控制电电器线圈的吸合电压和电流而定，控制电流一定要大于继电器的吸合电流才能使继流一定要大于继电器的吸合电流才能使继电器可靠地工作。电器可靠地工作。 常用的继电器有常用的继电器有电压继电器、电流继电器、中电压继电器、电流继电器、中间继电器间继电器等几种类型。由于继电器线圈需要一定的等几种类型。由于继电器线圈需要一定的电流才能动作，所以必须采取措施加以驱动。电流才能动作，所以必须采取措施加以驱动。 继电器的驱动电路继电器的驱动电路n 驱动电路的设计要根据所用继电器线圈的吸合驱

9、动电路的设计要根据所用继电器线圈的吸合电压和电流而定，一定要大于继电器的吸合电流才电压和电流而定，一定要大于继电器的吸合电流才能使继电器可靠地工作。能使继电器可靠地工作。 图图3-7-5为经光耦隔离器的继电器输出驱动为经光耦隔离器的继电器输出驱动电路，当电路，当CPU数据线数据线Di输出数字输出数字“1”即高电平时，即高电平时，经经7406反相驱动器变为低电平，光耦隔离器的发光反相驱动器变为低电平，光耦隔离器的发光二极管导通且发光，使光敏三极管导通，继电器线二极管导通且发光，使光敏三极管导通，继电器线圈圈KA得电，动合触点闭合，从而驱动大型负荷设得电，动合触点闭合，从而驱动大型负荷设备。备。

10、由于继电器线圈是电感性负载，当电路突然关由于继电器线圈是电感性负载，当电路突然关断时，会出现较高的电感性浪涌电压，为了保护驱断时，会出现较高的电感性浪涌电压，为了保护驱动器件，应在继电器线圈两端并联一个阻尼二极管，动器件，应在继电器线圈两端并联一个阻尼二极管，为电感线圈提供一个电流泄放回路。为电感线圈提供一个电流泄放回路。 cVpV耦耦光光6047KA220V图图 4-9 继继电电器器输输出出驱驱动动电电路路Di晶闸管驱动电路晶闸管驱动电路n 晶闸管又称可控硅（晶闸管又称可控硅（SCR），），是一是一种大功率的半导体器件，具有用小功率种大功率的半导体器件，具有用小功率控制大功率、开关无触点等特

11、点，在交控制大功率、开关无触点等特点，在交直流电机调速系统、调功系统、随动系直流电机调速系统、调功系统、随动系统中应用广泛。统中应用广泛。n 晶闸管是一个三端器件，其符号表示如图晶闸管是一个三端器件，其符号表示如图3-7-6所示，（所示，（a）为单向晶闸管，有阳极）为单向晶闸管，有阳极A、阴极、阴极K、控制极（门极）控制极（门极）G三个极。当阳、阴极之间加正三个极。当阳、阴极之间加正压时，控制极与阴极两端也施加正压使控制极电压时，控制极与阴极两端也施加正压使控制极电流增大到触发电流值时，晶闸管由截止转为导通；流增大到触发电流值时，晶闸管由截止转为导通；只有在阳、阴极间施加反向电压或阳极电流减小

12、只有在阳、阴极间施加反向电压或阳极电流减小到维持电流以下，晶闸管才由导通变为截止。单到维持电流以下，晶闸管才由导通变为截止。单向晶闸管具有单向导电功能，在控制系统中多用向晶闸管具有单向导电功能，在控制系统中多用于直流大电流场合，也可在交流系统中用于大功于直流大电流场合，也可在交流系统中用于大功率整流回路。率整流回路。AGKT2T1Gn 双向晶闸管也叫三端双向可控硅，在结构上双向晶闸管也叫三端双向可控硅，在结构上相当于两个单向晶闸管的反向并联，但共享一个相当于两个单向晶闸管的反向并联，但共享一个控制极，结构如图（控制极，结构如图（b）所示。当两个电极）所示。当两个电极T1、T2之间的电压大于之间

13、的电压大于1.5V时，不论极性如何，便可时，不论极性如何，便可利用控制极利用控制极G触发电流控制其导通。双向晶闸管触发电流控制其导通。双向晶闸管具有双向导通功能，因此特别适用于交流大电流具有双向导通功能，因此特别适用于交流大电流场合。场合。+5V6047180400470.01FT2GT1KSMOC3041220V图图 4-11 双双向向晶晶闸闸管管输输出出驱驱动动电电路路RLDin 晶闸管常用于高电压大电流的负载，不晶闸管常用于高电压大电流的负载，不适宜与适宜与CPU直接相连，在实际使用时要采用隔离直接相连，在实际使用时要采用隔离措施。图措施。图3-7-7为经光耦隔离的双向晶闸管输出为经光耦

14、隔离的双向晶闸管输出驱动电路，当驱动电路，当CPU数据线数据线Di输出数字输出数字“1”时，时，经经7406反相变为低电平，光耦二极管导通，使光反相变为低电平，光耦二极管导通，使光敏晶闸管导通，导通电流再触发双向晶闸管导通，敏晶闸管导通，导通电流再触发双向晶闸管导通，从而驱动大型交流负荷设备从而驱动大型交流负荷设备RL。n固态继电器驱动电路固态继电器驱动电路 固态继电器固态继电器SSRSolid State Relay是是一种新型的无触点开关的电子继电器，它利用电子一种新型的无触点开关的电子继电器，它利用电子技术实现了控制回路与负载回路之间的电隔离和信技术实现了控制回路与负载回路之间的电隔离和

15、信号耦合，而且没有任何可动部件或触点，却能实现号耦合，而且没有任何可动部件或触点，却能实现电磁继电器的功能，故称为固态继电器。它具有体电磁继电器的功能，故称为固态继电器。它具有体积小、开关速度快、无机械噪声、无抖动和回跳、积小、开关速度快、无机械噪声、无抖动和回跳、寿命长等传统继电器无法比拟的优点，在计算机控寿命长等传统继电器无法比拟的优点，在计算机控制系统中得到广泛的应用，大有取代电磁继电器之制系统中得到广泛的应用，大有取代电磁继电器之势势。n 固态继电器固态继电器SSR是一个四端组件，有两个是一个四端组件，有两个输入端、两个输出端，其内部结构类似于图输入端、两个输出端，其内部结构类似于图3

16、-7-7中的晶闸管输出驱动电路。图中的晶闸管输出驱动电路。图3-7-8所示为其结构所示为其结构原理图，共由五部分组成。光耦隔离电路的作用原理图，共由五部分组成。光耦隔离电路的作用是在输入与输出之间起信号传递作用，同时使两是在输入与输出之间起信号传递作用，同时使两端在电气上完全隔离；控制触发电路是为后级提端在电气上完全隔离；控制触发电路是为后级提供一个触发信号，使电子开关（三极管或晶闸管）供一个触发信号，使电子开关（三极管或晶闸管）能可靠地导通；电子开关电路用来接通或关断直能可靠地导通；电子开关电路用来接通或关断直流或交流负载电源；吸收保护电路的功能是为了流或交流负载电源；吸收保护电路的功能是为

17、了防止电源的尖峰和浪涌对开关电路产生干扰造成防止电源的尖峰和浪涌对开关电路产生干扰造成开关的误动作或损害，一般由开关的误动作或损害，一般由RC串联网络和压敏串联网络和压敏电阻组成；零压检测电路是为交流型电阻组成；零压检测电路是为交流型SSR过零触过零触发而设置的。发而设置的。u SSR的输入端与晶体管、的输入端与晶体管、TTL、CMOS电电路兼容，输出端利用器件内的电子开关来接通和路兼容，输出端利用器件内的电子开关来接通和断开负载。工作时只要在输入端施加一定的弱电断开负载。工作时只要在输入端施加一定的弱电信号，就可以控制输出端大电流负载的通断。信号，就可以控制输出端大电流负载的通断。 SSR的

18、输出端可以是直流也可以是交流，分的输出端可以是直流也可以是交流，分别称为直流型别称为直流型SSR和交流型和交流型SSR。直流。直流型型SSR内部的开关组件为功率三极管，交流内部的开关组件为功率三极管，交流型型SSR内部的开关组件为双向晶闸管。而交流内部的开关组件为双向晶闸管。而交流型型SSR按控制触发方式不同又可分为过零型和按控制触发方式不同又可分为过零型和移相型两种，其中应用最广泛的是过零型。移相型两种，其中应用最广泛的是过零型。u过零型交流过零型交流SSR是指当输入端加入控制信号后，是指当输入端加入控制信号后，需等待负载电源电压过零时，需等待负载电源电压过零时，SSR才为导通状态；才为导通

19、状态；而断开控制信号后，也要等待交流电压过零时，而断开控制信号后，也要等待交流电压过零时，SSR才为断开状态。移相型交流才为断开状态。移相型交流SSR的断开条的断开条件同过零型交流件同过零型交流SSR，但其导通条件简单，只，但其导通条件简单，只要加入控制信号，不管负载电流相位如何，立即要加入控制信号，不管负载电流相位如何，立即导通。导通。 直流型直流型SSR的输入控制信号与输出完全同步。的输入控制信号与输出完全同步。直流型直流型SSR主要用于直流大功率控制。一般主要用于直流大功率控制。一般取输入电压为取输入电压为432V，输入电流，输入电流510mA。它的输出端为晶体管输出，输出工作电压。它的

20、输出端为晶体管输出，输出工作电压为为30180 V。 n 交流型交流型SSR主要用于交流大功率主要用于交流大功率控制。一般取输入电压为控制。一般取输入电压为4.32V，输入电流，输入电流小于小于500mA。它的输出端为双向晶闸。它的输出端为双向晶闸管，一般额定电流在管，一般额定电流在1A 到几百到几百A范围内，范围内，电压多为电压多为380V或或 220 V。图。图3-7-9为为一种常用的固态继电器驱动电路，当数据一种常用的固态继电器驱动电路，当数据线线Di输出数字输出数字“0”时，经时，经7406反相变为反相变为高电平，使高电平，使NPN型三极管导通型三极管导通, SSR输入输入端得电则输出

21、端接通大型交流负荷设备端得电则输出端接通大型交流负荷设备RL。 6047cVLRRSS_图 4-13固态继电器输出驱动电路交流电源+Di 非过零型非过零型导通时间导通时间立即导通立即导通过零型导过零型导通时间通时间过零型导过零型导通时间通时间关断时间关断时间相同，在相同，在过零时过零时交流电源交流电源波形波形控制信号控制信号SSR两端的两端的电压在导通电压在导通时为时为0。非过零型非过零型SSR，加上控制信号便导通，加上控制信号便导通交流交流SSR输出波形如下图所示输出波形如下图所示n 当然，在实际使用中，要特别注意固态当然，在实际使用中，要特别注意固态继电器的过电流与过电压保护以及浪涌电流继

22、电器的过电流与过电压保护以及浪涌电流的承受等工程问题，在选用固态继电器的额的承受等工程问题，在选用固态继电器的额定工作电流与额定工作电压时，一般要远大定工作电流与额定工作电压时，一般要远大于实际负载的电流与电压，而且输出驱动电于实际负载的电流与电压，而且输出驱动电路中仍要考虑增加阻容吸收组件。具体电路路中仍要考虑增加阻容吸收组件。具体电路与参数请参考生产厂家有关手册。与参数请参考生产厂家有关手册。直流电动机驱动接口电路直流电动机驱动接口电路电动机控制技术概述电动机控制技术概述电动机是被广泛应用的原动机电动机是被广泛应用的原动机电动机的控制要求越来越高电动机的控制要求越来越高： 启、停、逆转快速

23、，调速快、准。启、停、逆转快速，调速快、准。电动机控制器的发展电动机控制器的发展：电机控制元件经历了从交流放大器到磁放大器、可控离子变速器、可电机控制元件经历了从交流放大器到磁放大器、可控离子变速器、可控硅、计算机控制。控硅、计算机控制。计算机控制计算机控制又分为微机控制系统、单片机控制装置和专用控制板卡等，又分为微机控制系统、单片机控制装置和专用控制板卡等，并且采用了复杂的控制算法。并且采用了复杂的控制算法。脉冲宽度调制技术脉冲宽度调制技术，在直流小功率电动机调速中已经成熟，在直流中、，在直流小功率电动机调速中已经成熟，在直流中、小功率方面正在迅速取代可控硅小功率方面正在迅速取代可控硅SCR

24、直流调速系统，但在交流和直流调速系统，但在交流和大功率电动机调速方面尚属研究中。大功率电动机调速方面尚属研究中。电动机调速的发展趋势电动机调速的发展趋势：微型化、智能化、一体化，即将以微型计算：微型化、智能化、一体化，即将以微型计算机（单片机）为核心的控制器做到电动机上。机（单片机）为核心的控制器做到电动机上。直流电动机驱动接口电路直流电动机驱动接口电路（1）本部分主要内容本部分主要内容1、小功率直流电动机调速原理、小功率直流电动机调速原理2、开环脉冲宽度调速系统、开环脉冲宽度调速系统3、脉冲宽度调速系统设计、脉冲宽度调速系统设计4、闭环脉冲宽度调速系统、闭环脉冲宽度调速系统5、交流电动机控制

25、接口技术、交流电动机控制接口技术直流电动机驱动接口电路直流电动机驱动接口电路（2）一一 小功率直流电动机调速原理小功率直流电动机调速原理 脉冲脉冲宽度调制（宽度调制（Pulse Width Modulation ）PWM原理原理 小功率直流电动机小功率直流电动机由转子和定子组成由转子和定子组成，定子可以是磁极或励磁绕，定子可以是磁极或励磁绕组。组。 其转速与加在转子电枢上的电压其转速与加在转子电枢上的电压Ua有关有关， Ua转速转速V；所加电；所加电压极性改变，则电动机反转。压极性改变，则电动机反转。 据此原理，据此原理，通过改变电动机电枢电压接通和断开的时间比（即占空通过改变电动机电枢电压接

26、通和断开的时间比（即占空比）来控制电动机的转速比）来控制电动机的转速，这种方法就称为脉冲宽度调制，这种方法就称为脉冲宽度调制PWM。 脉宽调制转速公式（平均转速）脉宽调制转速公式（平均转速）： Vd=Vmax * D Vd-电动机平均转速电动机平均转速 Vmax全通电时速度（最大）全通电时速度（最大） D= t1 /T-占空比，占空比， t1是通电时间，是通电时间，T是脉宽周期。是脉宽周期。D1。 Vd D，与单纯的周期，与单纯的周期T无关无关 Vd与与D的关系如下页图所示的关系如下页图所示直流电动机驱动接口电路直流电动机驱动接口电路（3）定子绕组及定子绕组及产生的磁场产生的磁场转子转子电枢电

27、枢直流电动机驱动接口电路直流电动机驱动接口电路（4） Vd与与D只是近似的线性关系，只是近似的线性关系，与单纯的周期与单纯的周期T无关无关（与步进电机的（与步进电机的调速脉冲不同，步进电机的转速与脉冲频率成正比）。在调速脉冲不同，步进电机的转速与脉冲频率成正比）。在D不变的情不变的情况下，况下，T越小，电机转速越平稳。越小，电机转速越平稳。直流电动机驱动接口电路直流电动机驱动接口电路（5）二二 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 由五部分组成：由五部分组成： （1）占空比）占空比D的的 设定设定 1）用电位器调节、）用电位器调节

28、、2）用拨码开关、）用拨码开关、3）用数字键盘）用数字键盘 （2）脉冲宽度发生器）脉冲宽度发生器 软件编程软件编程 （3）驱动器）驱动器 TTL放大电路放大电路 （4）电子开关）电子开关 用晶体管、场效应管、可控硅、继电器用晶体管、场效应管、可控硅、继电器 （5）电动机）电动机直流电动机驱动接口电路直流电动机驱动接口电路（6） 2、电动机控制接口、电动机控制接口 上图中的第上图中的第3、4两部分即为接口部分。直流电机与微机的接口有以两部分即为接口部分。直流电机与微机的接口有以下下4种方法：种方法： （1）光电隔离器）光电隔离器+大功率场效应管大功率场效应管 适用于自己开发的系统，价格低适用于自

29、己开发的系统，价格低 （2）固态继电器）固态继电器 适用于自己开发的系统，价格低适用于自己开发的系统，价格低 （3）专用接口芯片）专用接口芯片 如如L290、L291、L292等，价高、但可靠等，价高、但可靠 （4）专用接口板）专用接口板 如如7501、7502，主要用于，主要用于STD或或PC机系统机系统 如用单片机控制，即可产生并输出调制脉冲，再加上如用单片机控制，即可产生并输出调制脉冲，再加上光电隔离器光电隔离器+大功率场效应管大功率场效应管，或者加上，或者加上固态继电器固态继电器就构成了就构成了接口部件和脉宽调速接口部件和脉宽调速控制器。控制器。直流电动机驱动接口电路直流电动机驱动接口

30、电路（7）三三 脉冲宽度调速系统设计脉冲宽度调速系统设计 一、脉宽占空比设计一、脉宽占空比设计 由脉宽调制转速公式：由脉宽调制转速公式： Vd=Vmax * D 电动机平均转速电动机平均转速Vd、全通电时速度、全通电时速度 Vmax 已知已知，对于给定的平均转，对于给定的平均转速速Vd ，便可计算出占空比，便可计算出占空比D。 占空比占空比D= t1 /T ， t1是通电时间，是通电时间， t2是断电时间。是断电时间。 脉宽周期脉宽周期T= t1 + t2 1、软件计数法、软件计数法 设单位时间（设单位时间（ t0 ）计一个数，则通电时间）计一个数，则通电时间t1计数计数N1= t1 / t0

31、 ， 断电断电时间时间t2计数计数N2= t2 / t0 ，在脉冲输出端，输出高电平计数，在脉冲输出端，输出高电平计数N1，输出低，输出低电平计数电平计数N2，并让输出端如此循环输出即可。，并让输出端如此循环输出即可。 2、硬件计数法、硬件计数法 用硬件计数器计数，分别输出高电平和低电平，也如此循环输出即用硬件计数器计数，分别输出高电平和低电平，也如此循环输出即可。可。直流电动机驱动接口电路直流电动机驱动接口电路（8） 二、电动机转动控制原理二、电动机转动控制原理 正转：正转：SW1SW1、SW4SW4闭合闭合 反转：反转：SW2SW2、SW3SW3闭合闭合 刹车：刹车：SW2SW2、SW4S

32、W4闭合闭合（或（或SW1SW1、SW3SW3闭合）闭合） 滑行：滑行：SW1SW1、SW2SW2、SW3SW3、 SW4SW4全部断开全部断开 三、电动机控制接口电路三、电动机控制接口电路 控制数据控制数据运转运转状态状态开关状态开关状态PA1PA0SW1 SW2 SW3 SW410正转正转100101反转反转011011刹车刹车010100滑行滑行0000双向控制电动机工作状态真值表双向控制电动机工作状态真值表 PA0、PA1为为0时，时，SW1、SW3才有可能导通才有可能导通 SWx状态：状态：PA0、1为为1时导时导通，为通，为0时截止时截止 SWx用的是场效应管用的是场效应管PB0-

33、PB7：设置脉冲宽度，：设置脉冲宽度， 即方波的占空比即方波的占空比74LS125：四总线三态缓冲器：四总线三态缓冲器直流电动机驱动接口电路直流电动机驱动接口电路 四、控制系统的软件设计四、控制系统的软件设计1、流程图（右图）、流程图（右图）2、汇编程序、汇编程序 设定占空比设定占空比（或转速）（或转速）通电时间通电时间断电时间断电时间直流电动机驱动接口电路直流电动机驱动接口电路（11） 为了提高电动机脉冲宽度调为了提高电动机脉冲宽度调速系统的精度，通常采用闭环速系统的精度，通常采用闭环脉冲宽度调速系统。脉冲宽度调速系统。 闭环系统是在开环系统的基闭环系统是在开环系统的基础上增加了电动机的速度

34、检测础上增加了电动机的速度检测回路回路，意在将检测到的速度与，意在将检测到的速度与给定值比较，并由数字调节器给定值比较，并由数字调节器（PID）进行调节。其原理框）进行调节。其原理框图如左图所示。图如左图所示。四四 闭环脉冲宽度调速系统闭环脉冲宽度调速系统 直流电动机驱动接口电路直流电动机驱动接口电路（12） 一、测速发电机一、测速发电机 1、测速发电机的工作原理、测速发电机的工作原理 测速发电机是一种将转子转速转换成电信号的装置。根据结构及测速发电机是一种将转子转速转换成电信号的装置。根据结构及工作原理的不同，分为直流和交流测速发电机。工作原理的不同，分为直流和交流测速发电机。 测速发电机的

35、工作原理测速发电机的工作原理：用被控制的电动机，带动测速发电机的：用被控制的电动机，带动测速发电机的转子在定子所形成的磁场中旋转，转子绕组切割磁力线，便产生了感转子在定子所形成的磁场中旋转，转子绕组切割磁力线，便产生了感应电动势，即有电压。转速越高，电压越高。电压便与电动机的转速应电动势，即有电压。转速越高，电压越高。电压便与电动机的转速成正比，由此得到电动机的转速信息。成正比，由此得到电动机的转速信息。 测速发电机的特点是分辨率较高，价格较低测速发电机的特点是分辨率较高，价格较低。直流电动机驱动接口电路直流电动机驱动接口电路（13） 2、直流闭环脉冲宽度调速系统原理图、直流闭环脉冲宽度调速系

36、统原理图直流电动机驱动接口电路直流电动机驱动接口电路（14） 二、数字式转速传感器二、数字式转速传感器 数字式转速传感器，是把旋转轴的转速直接转换成数字量的一种数字式转速传感器，是把旋转轴的转速直接转换成数字量的一种装置。计算机控制系统最常用的是码盘式转速传感器。装置。计算机控制系统最常用的是码盘式转速传感器。 下图为增量式和绝对式码盘。下图为增量式和绝对式码盘。直流电动机驱动接口电路直流电动机驱动接口电路（15） 1、增量式码盘的工作原理、增量式码盘的工作原理 增量式码盘的脉冲输入到计算机的计数器，其转速公式为：增量式码盘的脉冲输入到计算机的计数器，其转速公式为： nm=60*Nc/n/t1

37、（转（转/分）分）式中：式中：nm -转速，单位为转速，单位为r/min Nc -在在t1时间内测得的脉冲数时间内测得的脉冲数 n-码盘上一周的缝隙数码盘上一周的缝隙数 t1 -测速时间，单位为秒测速时间，单位为秒Nc/n：为在为在t1时间内码盘转的总圈数时间内码盘转的总圈数直流电动机驱动接口电路直流电动机驱动接口电路（16） 2、绝对式码盘的工作原理、绝对式码盘的工作原理 有数字的方格示透光，无数字的方格示不透光，透光的地方经光敏有数字的方格示透光，无数字的方格示不透光，透光的地方经光敏元件输出元件输出1，不透光的地方经光敏元件输出，不透光的地方经光敏元件输出0。 每一个位圈需要一个光敏元件

38、，每一个位圈需要一个光敏元件，8个位圈需要个位圈需要8个光敏元件，可以计个光敏元件，可以计数数256。 8位光敏元件输出的数据，可以直接接到计算机的数字量输入端口。位光敏元件输出的数据，可以直接接到计算机的数字量输入端口。每隔一段时间读一次数据，每隔一段时间读一次数据，两次的数据差除以码盘上的缝隙数，即为两次的数据差除以码盘上的缝隙数，即为转的圈数转的圈数。转速转速=两次的数据差两次的数据差/码盘上外圈的缝隙数码盘上外圈的缝隙数/时间时间111111111188888888123456789101112131415161718192022222222224444444441616161616转

39、速仍然可转速仍然可以用前面的以用前面的公式，公式， Nc理理解为数据差解为数据差D0位圈位圈D1位圈位圈D2位圈位圈D3位圈位圈D4位圈位圈最外圈最外圈有数字的格为透光有数字的格为透光总格数总格数直流电动机驱动接口电路直流电动机驱动接口电路（17）五五 交流电动机控制接口技术交流电动机控制接口技术 1、交流电动机的调速正在研究发展中、交流电动机的调速正在研究发展中 交流电动机的调速比较复杂，是一个非常活跃的领域，有待进一交流电动机的调速比较复杂，是一个非常活跃的领域，有待进一步研究和开发。此处作简单介绍。步研究和开发。此处作简单介绍。 2、交流电动机调速的的特点、交流电动机调速的的特点 1）电

40、流作正反两个方向流动；）电流作正反两个方向流动；2）电压较高（）电压较高（220V-380V）需要）需要加光电隔离，常用交流固态继电器。加光电隔离，常用交流固态继电器。 3、采用固态继电器与交流伺服电机的接口电路、采用固态继电器与交流伺服电机的接口电路直流电动机驱动接口电路直流电动机驱动接口电路（18） 3、采用固态继电器与交流伺服电机的接口电路、采用固态继电器与交流伺服电机的接口电路 PC0=1，PC1=0，A相相导通，电动机导通，电动机正转正转。 PC0=0，PC1=1，B相相导通，电动机导通，电动机反转反转。 PC0=0，PC1=0，A相相与与B相均关闭，电动机相均关闭，电动机不不运转运

41、转。 R4与电容与电容C的作用的作用是是消除伺服电机关断时的消除伺服电机关断时的浪涌电压。浪涌电压。 光敏电阻光敏电阻R2和电阻和电阻R3的作用的作用是组成过零检测是组成过零检测电路，产生双向触发脉电路，产生双向触发脉冲。冲。步进电动机及驱动电路步进电动机及驱动电路概述概述-步进电机的特点及应用步进电机的特点及应用 步进电机运转精度高步进电机运转精度高 旋转单位是旋转单位是“步步”，一步的最小转角可以，一步的最小转角可以小到小到0.36度（最大转角达到度（最大转角达到90度）。步进电机若前进一定的步数，然度）。步进电机若前进一定的步数，然后再后退相同的步数，则可精确的回到原来的位置。后再后退相

42、同的步数，则可精确的回到原来的位置。 步进电机启、停速度快步进电机启、停速度快 能够在能够在“一刹那一刹那”间使步进电机启动或停间使步进电机启动或停止，在快速启停时不会失掉一步。一般转速为止，在快速启停时不会失掉一步。一般转速为200-1000步步/秒。秒。 步进电机在定位场所得到了广泛的应用步进电机在定位场所得到了广泛的应用 如：在绘图仪、打印机、如：在绘图仪、打印机、扫描仪、复印机等设备及光学仪器中应用。其定位不需要位移传感扫描仪、复印机等设备及光学仪器中应用。其定位不需要位移传感器测定位置。器测定位置。 本节内容本节内容1、步进电机工作原理、步进电机工作原理2、步进电机控制系统原理、步进

43、电机控制系统原理3、步进电机与微机的接口及程序设计、步进电机与微机的接口及程序设计4、步进电机步数及速度的计算方法、步进电机步数及速度的计算方法5、步进电机的变速控制、步进电机的变速控制步进电动机及驱动电路步进电动机及驱动电路（2）一一 步进电机的工作原理步进电机的工作原理 步进电机实际上是一个步进电机实际上是一个数字数字/ /角度转换器角度转换器。其结构如下图所示。其结构如下图所示（是一个三相步进电机）。（是一个三相步进电机）。 1、结构、结构 1）定子）定子 是磁极，相对着的是是磁极，相对着的是 一对（一对（三相步进电机有三三相步进电机有三 对磁极对磁极），每个磁极外形），每个磁极外形 是

44、均匀的是均匀的5个矩形小齿。个矩形小齿。 2）转子）转子 转子上无线圈，外形是转子上无线圈，外形是 分布均匀的分布均匀的40个矩形小齿个矩形小齿， 相邻两齿的相邻两齿的夹角为夹角为9度度。步进电动机及驱动电路步进电动机及驱动电路（3） 2、工作原理、工作原理 定子各相（定子各相（AA、BB、CC）相差）相差120度依次单独通电，则定子所度依次单独通电，则定子所产生的磁场按产生的磁场按AA、BB、CC、AA、BB、顺序旋转。顺序旋转。 转子旋转原理转子旋转原理 AA上通电时上通电时 为了构成闭合的磁力线、为了构成闭合的磁力线、并且使磁阻最小，转子上的齿要与定子并且使磁阻最小，转子上的齿要与定子A

45、A上的齿对齐。设转子与定子上的齿对齐。设转子与定子A相中间相中间的齿相对的齿记为的齿相对的齿记为0号齿号齿。 BB上通电时上通电时 为了构成闭合的磁力线、为了构成闭合的磁力线、并且使磁阻最小，转子上的齿也要与定子并且使磁阻最小，转子上的齿也要与定子BB上的齿对齐。上的齿对齐。 转子上与定子转子上与定子B相中间应该对齐的齿号相中间应该对齐的齿号为为120/9=13.33，不是整数，即转子与，不是整数，即转子与定子上的齿未对齐，则磁阻大，为减小磁定子上的齿未对齐，则磁阻大，为减小磁阻，转子要旋转。第阻，转子要旋转。第13、14号齿距离号齿距离B相相中间的角度分别为中间的角度分别为3和和6，因此，因

46、此13号齿号齿顺时针旋转顺时针旋转3与定子齿对齐。与定子齿对齐。步进电动机及驱动电路步进电动机及驱动电路（4） CC相通电相通电 同样的道理，转子仍然顺时针旋转同样的道理，转子仍然顺时针旋转3。 定子按定子按AB C A B 通电时，则转子按顺时针方向旋通电时，则转子按顺时针方向旋转。转。 步距角步距角 每步的转角为每步的转角为3，即步距角为即步距角为3。 通电一周的旋转角度通电一周的旋转角度 按照按照AB C A顺序顺序通电一周，则转子旋转通电一周，则转子旋转9。 反转方法反转方法 若通电顺序反过来若通电顺序反过来， 按按CB A C通电，通电，则转子旋转方向相反。则转子旋转方向相反。 3、

47、步距角、步距角Qs计算公式计算公式 Qs=360/(N*Zr)式中：式中： Zr为转子齿数；为转子齿数； N=Mc*C为通电一周的拍数，叫为通电一周的拍数，叫运行拍数运行拍数。 其中其中Mc为绕组相数；为绕组相数；C为状态数，采用（单、双）三拍时为状态数，采用（单、双）三拍时C=1，采用（单、双）六拍时采用（单、双）六拍时C=2。 如三相三拍，步距角为如三相三拍，步距角为3；三相六拍，步距角为；三相六拍，步距角为1.5。括号内为每转括号内为每转一圈的步数一圈的步数步进电动机及驱动电路步进电动机及驱动电路（5）二二 步进电机控制系统原理步进电机控制系统原理 典型的步进电机控制系统如下图所示，主要

48、有三部分组成。典型的步进电机控制系统如下图所示，主要有三部分组成。 步进控制器步进控制器由缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑、正反控制门由缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑、正反控制门等组成。等组成。 步进控制器步进控制器线路复杂、成本高。线路复杂、成本高。 计算机控制系统计算机控制系统 用软件编程代替了步进控制器，可靠、成本低、用软件编程代替了步进控制器，可靠、成本低、控制方便，应用广泛。控制方便，应用广泛。步进电动机及驱动电路步进电动机及驱动电路（6） 典型的典型的微机控制步进电机微机控制步进电机原理系统如下图所示原理系统如下图所示 计算机控制步进电机需要解决的问题：计算机控制步进电机需要解决

49、的问题： 1）脉冲序列的产生）脉冲序列的产生 2）方向控制）方向控制 3）程序设计）程序设计步进电动机及驱动电路步进电动机及驱动电路（7） 1、脉冲序列的生成、脉冲序列的生成 脉冲序列如右图所示脉冲序列如右图所示 1）脉冲周期的实现）脉冲周期的实现 脉冲周期脉冲周期=通电时间通电时间+断电时间。断电时间。 通电时通电时，计算机输出高电平使开，计算机输出高电平使开 关闭合；关闭合；断电时断电时，计算机输出低电平使开关断开。，计算机输出低电平使开关断开。 通电和断电时间的控制通电和断电时间的控制，可以用定时器，也可以用软件延时。，可以用定时器，也可以用软件延时。 周期决定了步进电机的转速；占空比决

50、定了功率周期决定了步进电机的转速；占空比决定了功率。 2）脉冲高度）脉冲高度 脉冲高度决定于元器件，对脉冲高度决定于元器件，对TTL电平为电平为0-5V，对，对CMOS电平一般为电平一般为0-10V。常用的接口电路多为常用的接口电路多为0-5V。步进电动机及驱动电路步进电动机及驱动电路（8） 2、方向控制、方向控制 常用的步进电机有三相、四相、五相、六相。常用的步进电机有三相、四相、五相、六相。 旋转方向与内部绕组的旋转方向与内部绕组的通电顺序通电顺序有关。以三相步进电机为例有关。以三相步进电机为例 三相步进电机有三种工作方式三相步进电机有三种工作方式： 1）单三拍）单三拍，通电顺序为，通电顺