第4章常用控制程序的設計4.1報警程序的設計

4.2開關量輸出接口技術

4.3電機控制接口技術

4.4步進電機控制接口技術第4章常用控制程序的設計4.1報警程序的設計 14.1報警程序設計在微型機控制系統中，為了安全生產，對于一些重要的參數或系統部位，都設有緊急狀態報警系統，以便提醒操作人員注意，或采取緊急措施。微機控制技術4.1報警程序設計在微型機控制系統中，為了安全生產，24.1.1常用報警方式在控制系統中通常可采用

★聲音如電鈴、電笛發出，蜂鳴器，集成電子音樂芯片，則可在系統出現異常情況時，將悅耳的音樂送入人耳，加之突現的警燈的作用，便能在和諧的氣氛中，提醒現場人員注意，或采取應急措施，確保系統安全生產。

★光發光二極管或閃爍的白熾燈等

★語音報警，語音芯片

★圖形與聲音混合報警，顯示報警畫面（如報警發生的順序、報警發生的時間、報警回路的編號、報警內容及次數等），由于圖形更加生動、逼真、而且方位明確，因此越來越受到人們的歡迎。現在，很多大型系統都有這種報警系統。微機控制技術4.1.1常用報警方式在控制系統中通常可采用微機控制技術34.1.1常用報警方式

1．發光二極管及白熾燈驅動電路 報警方法不同采用的驅動電路方式也不同，這里僅講一下聲光報警驅動方法由于發光二極管的驅動電流一般在20~30mA，所以不能直接由TTL電平驅動，通常采用OC門的驅動器，如74LS06或74LS07等。

微機控制技術4.1.1常用報警方式1．發光二極管及白熾燈驅動電44.1.1常用報警方式 為了能保持報警狀態，常采用帶有鎖存器的I/O接口芯片，如可編程接口芯片Intel8155，8255A，也可選用一般的鎖存器，像74LS273，74LS373，或74LS377等。其原理電路圖，如圖4-1所示。當某一路需要報警時，只需將該路輸出相應的電平即可。在圖4-1中，當需要用白熾燈報警時，應該使用交流固態繼電器進行控制。關于交流固態繼電器的原理及應用，將在本章第二節講述微機控制技術4.1.1常用報警方式 為了能保持報警狀態，常采用帶有鎖存器54.1.1常用報警方式圖4-1LED報警接口電路微機控制技術4.1.1常用報警方式圖4-1LED報警接口電路微機控64.1.1常用報警方式

2.聲音報警驅動電路 在聲音報警驅動電路中，目前最常用的方法是采用模擬聲音集成電路芯片，如KD-956X系列，這是一組采用CMOS工藝，軟封裝的報警IC芯片。其功能如表4.1所示。微機控制技術4.1.1常用報警方式2.聲音報警驅動電路微機控制技術74.1.1常用報警方式型號聲光性能KD-9561機槍、警笛、救護車、消防車聲KD-9561B嘟嘟……聲KD-9562機槍、炮彈等8聲KD-9562B光控報警聲KD-9562C單鍵8音KD-95633聲2閃光KD-95656聲5閃光微機控制技術4.1.1常用報警方式型號聲光性能KD-9584.1.1常用報警方式KD-956X系列IC芯片具有以下共同特性：（1）工作電壓范圍寬；（2）靜態電流低；（3）外接振蕩電阻可調節模擬聲音的放音節奏；（4）外接一只小功率三極管，便可驅動揚聲器。微機控制技術4.1.1常用報警方式KD-956X系列IC芯片具有以下共同94.1.1常用報警方式

模擬聲選聲端電平SELSEL2機器聲空VDD警備聲VDDVSS救護車聲VSSVSS消防車聲空VSS微機控制技術表4.1KD956X系列報警芯片功能表P964.1.1常用報警方式選聲端電平SELSEL2機104.1.1常用報警方式KD-9561芯片外形如圖4.2（a）所示。它含振蕩器、節拍器、音色發生器、地址計數器、控制和輸出級等部分。根據IC內部程序，它設有兩個選聲端SELl和SEL2，改變這兩端的電平，便可發出各種不同的音響，詳見表4.2。VDD提供電源正端電壓，VSS指電源負端電壓（地）。由于KD-9561能發出4種不同的聲音，且體積小，價格低廉，音響逼真，控制簡便，所以，廣泛應用于報警裝置及電動玩具。KD-9561的外形及報警器電路圖，如圖4.2（b）所示。微機控制技術4.1.1常用報警方式KD-9561芯片外形如圖114.1.1常用報警方式圖4.2KD-9561的外形和報警電路圖P97微機控制技術4.1.1常用報警方式圖4.2KD-9561的外形和報警124.1.1常用報警方式如圖4.2（b）中所示，當系統檢查到報警信號以后，使三極管9013導通，發出報警聲音。圖中的R1選值一般在180k～290k之間。R1的阻值愈大，報警聲音愈急促；反之，報警聲音節湊緩慢。微機控制技術4.1.1常用報警方式如圖4.2（b）中所示，當系統134.1.2簡單報警程序的設計報警程序的設計方法：（1）軟件報警程序這種方法的基本作法是把被測參數如溫度、壓力、流量、速度、成分等參數，經傳感器，變送器、模／數轉換器，送到微型機后，再與規定的上、下限值進行比較，根據比較的結果進行報警或處理，整個過程都由軟件實現。這種報警程序又可分簡單上、下限報警程序，以及上、下限報警處理程序。微機控制技術4.1.2簡單報警程序的設計報警程序的設計方法：微機控制144.1.2簡單報警程序的設計（2）硬件申請、軟件處理報警程序這種方法的基本思想是報警要求不是通過程序比較法得到，而是直接由傳感器產生，例如電接點式壓力報警裝置，當壓力高于（或低于）某一極限值時，接點即閉合，正常時則打開。我們利用這些開關量信號，通過中斷的辦法來實現對參數或位置的監測。例如，行車系統、電接點壓力表等。微機控制技術4.1.2簡單報警程序的設計（2）硬件申請、軟件處理報警154.1.2簡單報警程序的設計報警程序根據系統和參數的要求，可分為簡單的越限報警程序及報警處理程序。微機控制技術4.1.2簡單報警程序的設計報警程序根據系統和參164.1.2簡單報警程序的設計1.軟件報警程序設計 在如圖4.3所示的鍋爐水位自動調節系統中，汽包水位是鍋爐正常工作的重要指標。液面太高會影響汽包的汽水分離，產生蒸汽帶液現象。水位過低，則由于汽包的水量較少，負荷又很大，水的汽化會很快。如果不及時調節液面，就會使汽包內液體全部汽化，可能導致鍋爐燒壞以至發生嚴重的爆炸事故。所以，鍋爐液面是一個非常重要的參數，一般采用雙沖量或如圖所示的三沖量自動調節系統。微機控制技術4.1.2簡單報警程序的設計1.軟件報警程序設計微機控174.1.2簡單報警程序的設計圖4—3鍋爐三沖量調節系統P98微機控制技術4.1.2簡單報警程序的設計圖4—3鍋爐三沖量調節系統184.1.2簡單報警程序的設計 為了使現場人員能夠及時地監視鍋爐的生產情況，整個系統設計有3個報警參數，即水位上、下限，爐膛溫度上、下限，以及蒸汽壓力下限，如圖4.4所示。 如圖4.4中所示，要求當各參數全部正常時，綠燈亮。若某一個參數不正常，將發出聲光報警信號。由于各參數位都接有反相驅動器，所以，當某位為“1”時，該位發光二極管亮。微機控制技術4.1.2簡單報警程序的設計 為了使現場人員能夠及時地194.1.2簡單報警程序的設計圖4—4鍋爐報警系統圖微機控制技術4.1.2簡單報警程序的設計圖4—4鍋爐報警系統圖微機控204.1.2簡單報警程序的設計 本程序的設計思想是設置一個報警模型標志單元ALARM，然后把各參數的采樣值分別與上、下限值進行比較。若某一位需要報警，則將相應位置1，否則，清0。所有參數判斷完畢以后，再看報警模型單元ALARM的內容是否為00H。如果為00H，說明所有參數均正常，使綠燈發光。如果ALARM單元的內容不等于00H，則說明有參數越限，輸出報警模型，其程序流程圖如圖4.5所示。 設3個參數的采樣值X1（水位）、X2（爐膛溫度）、X3（蒸汽壓力）依次存放在以SAMPLE為首地址的內存單元中，相應的報警極限值依次放在以LIMIT為首地址的內存區域內，報警標志位單元為ALARM。微機控制技術4.1.2簡單報警程序的設計 本程序的設計思想是設置一214.1.2簡單報警程序的設計

圖4—5軟件報警程序模塊流程圖P101微機控制技術4.1.2簡單報警程序的設計圖4—5軟件報警程序模224.1.2簡單報警程序的設計 ORG8000HALARM：MOVDPTR，#SAMP ；采樣值存放地址→DPTR MOVXA，@DPTR ；取X1 MOVALARM，#00H ；報警模型單元清0ALARM0:CJNEA，LIMIT，AA ；X1>MAX1嗎ALARM1:CJNE A，LIMIT+1，BB ；X1<MIN1嗎ALARM2:INC DPTR ；取X2 MOVX A，@DPTR CJNE A，LIMIT+2，CC ；X2>MAX2嗎ALARM3:CJNE A，LIMIT+3，DD ；X2<MIN2嗎ALARM4:INC DPTR ；取X3 MOVX A，@DPTR CJNE A，LIMIT+4，EE ；X3<MIN3嗎DONE：MOV A，00H ；判斷是否有參數報警 CJNE A，ALARM，FF ；若有，轉FF SETB 05H ；無需報警，輸出綠燈亮模型根據圖4.5所示可寫出鍋爐軟件報警程序，如下所示：微機控制技術4.1.2簡單報警程序的設計 ORG234.1.2簡單報警程序的設計DONE1： MOV A，ALARM MOV P1，A RETFF： SETB 07H ；置電笛響標志位 ATMP DONE1SAMP EQU 8100H LIMIT EQU30H ALARM EQU20HAA： JNC AOUT1 ；X1>MAX1轉AOUT1 AJMP ALARM1BB： JC AOUT2 ；X1<MIN1轉AOUT2 AJMP ALARM2CC： JNC AOUT3 ；X2>MAX2轉AOUT3 AJMP ALARM3DD： JC AOUT4 ；X2<MIN2轉AOUT4 AJMP ALARM4微機控制技術4.1.2簡單報警程序的設計DONE1： MOV A，244.1.2簡單報警程序的設計EE： JC AOUT5 ；X3<MIN3轉AOUT5 AJMP DONEAOUT1： SETB 00H ；置X1超上限報警標志 AJMP ALARM2AOUT2： SETB 01H ；置X1超下限報警標志 AJMP ALARM2AOUT3： SETB 02H ；置X2超上限報警標志 AJMP ALARM4AOUT4： SETB 03H ；置X2超下限報警標志 AJMP ALARM4AOUT5： SETB 04H ；置X1超下限報警標志 AJMP DONE微機控制技術4.1.2簡單報警程序的設計EE： JC AOUT5 254.1.2簡單報警程序的設計2．硬件報警程序設計 某些根據開關量狀態進行報警的系統，為了使系統簡化，可以不用上面介紹的軟件報警方法，而是采用硬件申請中斷的方法，直接將報警模型送到報警口中。這種報警方法的前提條件是被測參數與給定值的比較是在傳感器中進行的。例如，電結點式壓力計，電結點式溫度計，色帶指示報警儀等，都屬于這種傳感器。不管原理如何，它們的共同點是，當檢測值超過（或低于）上、下限值時，結點開關閉合，從而產生報警信號。這類報警系統電路圖，如圖4.6所示。微機控制技術4.1.2簡單報警程序的設計2．硬件報警程序設計微機控制264.1.2簡單報警程序的設計在圖4—6中，SLl和SL2分別為液位上，下限報警結點SP表示蒸汽壓力下限報警結點ST是爐膛溫度上限超越結點。圖4—6硬件直接報警系統原理圖微機控制技術4.1.2簡單報警程序的設計在圖4—6中，SLl和SL2274.1.2簡單報警程序的設計 在圖4.6中，SL1和SL2分別為液位上、下限報警結點，SP表示蒸汽壓力下限報警結點，ST是爐膛溫度上限超越結點。當各參數均處于正常范圍時，P1.3～P1.0各位均為高電平，不需要報警。但只要三個參數中的一個（或幾個）超限（即結點閉合），管腳都會由高變低，向CPU發出中斷申請。CPU響應后，讀入報警狀態P1.3～P1.0，然后從P1口的高4位輸出，完成超限報警的工作。本系統不用對參數進行反復采樣、比較（與給定值），也無需專門確定報警模型。采用中斷工作方式，既節省了CPU計算的寶貴時間，又能不失時機地實現參數超限報警。微機控制技術4.1.2簡單報警程序的設計 在圖4.6中，SL1和S284.1.2簡單報警程序的設計 ORG000H AJMPMAIN ；上電自動轉向主程序 ORG0003H ；外部中斷方式0入口地址 AJMPALARM ORG0200HMAIN： SETBIT0 ；選擇邊沿觸發方式 SETBEX0 ；允許外部中斷0 SETBEA ；CPU允許中斷HERE： SJMPHERE ；模擬主程序 ORG0210H ALARM： MOVA，#0FFH ；設P1口為輸入口 MOVP1，A MOVA，P1 ；取報警狀態 SWAPA ；ACC.7～ACC.4←→ACC.3～ACC.0 MOVP1，A ；輸出報警信號 RETI根據圖4.6可寫出報警程序如下：微機控制技術4.1.2簡單報警程序的設計 ORG000H根據圖294.1.3越限報警程序的設計 前面講的報警程序是比較簡單的報警程序。為了避免測量值在極限值附近擺動造成頻繁地報警，可以在上、下限附近設定一個回差帶，如圖4.7所示。

微機控制技術4.1.3越限報警程序的設計 前面講的報警程序是比較304.1.3越限報警程序的設計圖4.7越限報警示意圖

P103微機控制技術4.1.3越限報警程序的設計圖4.7越限報警示意圖314.1.3越限報警程序的設計 在圖4.7中，H是上限帶，L為下限帶。規定只有當被測量值越過A點時，才認為越過上限；測量值穿越H帶區，下降到B點以下才承認復限。同樣道理，測量值在L帶區內擺動均不做超越下限處理；只有它回歸于D點之上時，才做超越下限后復位處理。這樣就避免了頻繁的報警和復限，以免造成操作人員人為的緊張。實際上，大多數情況下，如前面鍋爐水位調節系統中所述，上、下限并非只是惟一的值，而是允許一個“帶”。在帶區內的值都認為是正常的。帶寬構成報警的靈敏區。上、下限帶寬的選擇應根據具體的被測參數而定。微機控制技術4.1.3越限報警程序的設計 在圖4.7中，H是上限帶324.1.3越限報警程序的設計 下面重新對鍋爐液位報警程序進行設計。設鍋爐水位采樣并經濾波處理后的值存放在以SAMP為起始地址的內存單元中（設采樣值為12位數，占用兩個內存單元）。上、下限報警及上、下限復位門限值分別存放在以ALADEG為首地址的內存單元中。報警標志單元為FLAG，其中D2位為越上限標志位，D3位為越下限標志位。其內存分配，如圖4.8所示。微機控制技術4.1.3越限報警程序的設計 下面重新對鍋爐液位報警程334.1.3越限報警程序的設計圖4.8有關內存的分配

P103

微機控制技術4.1.3越限報警程序的設計圖4.8有關內存的分配344.1.3越限報警程序的設計 越限報警程序的基本思路是將采樣、數字濾波后的數據與該被測點上、下限給定值進行比較，檢查是否越限；或與上限復位值、下限復位值進行比較，檢查是否復位上、下限。如越限，則分別置位越上、下限標志，并輸出相應的聲、光報警模型。如已復位上、下限，則清除相應標志。當上述報警處理完之后，返回主程序。如圖4.9所示的是其程序的流程圖。微機控制技術4.1.3越限報警程序的設計 越限報警程序的基本思路是354.1.3越限報警程序的設計圖4.9越限報警子程序的流程P104微機控制技術4.1.3越限報警程序的設計圖4.9越限報警子程序的364.1.3越限報警程序的設計 ORG8000HACACHE:MOV R0，#SAMP ；采樣值首地址R0 MOV A，@R0 ；取采樣值低8位 MOV R1，#20H ；取上限報警值低8位 ACALL DUBSUB ；檢查是否越上限 JNC BRAN1 ；越上限，轉BRAN1 MOV A，@R0 ；取采樣值低8位 ACALL DUBSUB ；檢查是否復位上限 JNC DONE ；不復位上限，返回主程序 JB 42H，BRAN2 ；上限若置位，則轉BRAN2 MOV A，@RO ；取采樣值低8位 ACALL DUBSUB ；檢查下限報警值 JC RAN3 ；越下限，轉BRAN3 MOV A，@R0 ；取采樣值低8位 ACALL DUBSUB ；檢查復位下限值 JC DONE ；不復位下限，返回主程序 JNB 43H，DONE CLR 43H根據圖4.9可寫出越限報警子程序如下：

微機控制技術4.1.3越限報警程序的設計 ORG8374.1.3越限報警程序的設計BRAN4: INC 2AH ；記錄調整次數DONE: RETSAMP: EQU 30HBRAN1: 42H， DONE ；判上限報警是否置位 SETB 42H ；置上限報警標志 MOV A，#81H ；輸出越上限報警信號 MOV P1，A AJMP BRAN4BRAN2: CLR 42H ；清上限報警標志 AJMP BRAN4BRAN3: JB 43H，DONE ；判下限報警是否置位，若置位，則轉DONE SETB 43H ；置下限報警標志 MOV A,#82H ；輸出越下限報警信號 AJMP BRAN4 DUBSUB: CLR C ；雙字節減法子程序 SUBB A，@R1 INC R0 INC R1 MOV A，·R0 SUBB A，@R1 INC R1 DEC R0 RET微機控制技術4.1.3越限報警程序的設計BRAN4: INC 2A384.1.3越限報警程序的設計 本程序輸出的報警模型及接口電路，可參看圖4.4自行設計。 報警標志單元FLAG（28H）和越限、復位上、下限處理次數單元（2AH）在初始化程序中應首先清零。 除了上面講的這種帶上、下限報警帶的報警處理程序外，還有各種各樣的報警處理程序，讀者可根據需要自行設計。微機控制技術4.1.3越限報警程序的設計 本程序輸出的報警模型及接394.2開關量輸出接口技術在工業過程控制系統中，被測參數經采樣處理計算之后，為了達到自動控制的目的，往往需要輸出控制。由于輸出設備往往需大電壓（或電流）來控制，而微型機系統輸出的開關量大都為TTL（或CMOS）電平，這種電平一般不能直接用來驅動外部設備開啟或關閉。另一方面，許多外部設備，如大功率直流電機，接觸器等在開關過程中會產生很強的電磁干擾信號，如不加隔離可能會使微機控制系統中造成誤動作或損壞。因此，在接口處理中，一要放大，二要隔離，這是開關量輸出控制中必須認真考慮并設法解決的兩個問題。在這一節中，主要介紹開關量接口問題。微機控制技術4.2開關量輸出接口技術在工業過程控制系統中，被404．2．1光電隔離技術在開關量控制中，最常用的器件是光電隔離器。光電隔離器的種類繁多，常用的有發光二極管/光敏三極管、發光二極管/光敏復合晶體管、發光二極管/光敏電阻，以及發光二極管/光觸發可控硅等。其原理電路，如圖4―10所示。微機控制技術4．2．1光電隔離技術在開關量控制中，最常用的器414．2．1光電隔離技術圖4―10光電隔離器原理圖P106微機控制技術4．2．1光電隔離技術圖4―10光電隔離器原理圖424．2．1光電隔離技術★當發光二極管有正向電流通過時，即產生 紅外光。★光敏三極管接收光以后便導通。★而當該電流撤去時，發光二極管熄滅，三極管截止。 利用這種特性即可達到開關控制的目的。★該器件通過電—光—電的轉換實現對輸出設備進行控制的，彼此之間沒有電氣連接，因而起到隔離作用，隔離電壓與光電隔離器的結構形式有關。★塑料封裝形式一般為2500V左右，陶瓷封裝形式一般為 5000~10000V。★在一般微機控制系統中，由于大都采用TTL電平，不能直接驅動發光二極管，所以通常加一個驅動區，如7406和7407等。★輸入、輸出端兩個電源必須單獨供電，如圖4―11所示、圖4—12所示。微機控制技術4．2．1光電隔離技術★當發光二極管有正向電流通過434．2．1光電隔離技術

圖4—11正確的隔離P107

微機控制技術4．2．1光電隔離技術圖4—11正確的隔離444．2．1光電隔離技術圖4—12不正確的隔離P107微機控制技術4．2．1光電隔離技術圖4—12不正確的隔離454.2.2繼電器輸出接口技術 繼電器是電氣控制中常用的控制器件。一般由通電線圈和觸點（常開或常閉）構成。當線圈通電時，由于磁場的作用，使開關觸點閉合（或打開）。當線圈不通電時，則開關觸點斷開（或閉合）。一般線圈可以用直流低電壓控制（常用的有直流9V，12V，24V等）；而觸點輸出部分可以直接與市電（220V）連接；有時繼電器也可以與低壓電器配合使用。雖然繼電器本身有一定的隔離作用，但在與微型計算機接口連接時通常還是采用光電隔離器進行隔離。常用的接口電路，如圖4.13所示。微機控制技術4.2.2繼電器輸出接口技術 繼電器是電氣控制中常用的464.2.2繼電器輸出接口技術圖4.13繼電器接口電路P107微機控制技術4.2.2繼電器輸出接口技術圖4.13繼電器接口電路474.2.2繼電器輸出接口技術 如圖4.13中所示，當開關量P1.0輸出為高電平時，經反相驅動器7406變為低電平，使發光二極管發光，從而使光敏三極管導通，進而使三極管9013導通，因而使繼電器J的線圈通電，繼電器觸點J1-1閉合，使～220V電源接通。反之，當P1.0輸出低電壓時，使J1-1斷開。圖中所示電阻R1為限流電阻，二極管D的作用是保護晶體管T。當繼電器J吸合時，二極管D截止，不影響電路工作。繼電器釋放時，由于繼電器線圈存在電感，這時晶體管T已經截止，所以會在線圈的兩端產生較高的感應電壓。微機控制技術4.2.2繼電器輸出接口技術 如圖4.13中所示，當開484.2.2繼電器輸出接口技術 此電壓的極性為上負下正，正端接在晶體管的集電極上。當感應電壓與VCC之和大于晶體管T的集電極反向電壓時，晶體管T有可能損壞。加入二極管D后，繼電器線圈產生的感應電流從二極管D流過，從而使晶體管T得到保護。微機控制技術4.2.2繼電器輸出接口技術 此電壓的極性為上負下正，494.2.2繼電器輸出接口技術 不同的繼電器，其線圈驅動電流的大小，以及帶動負載的能力不同，選用時應考慮下列因素：

★繼電器額定工作電壓（或電流）；

★接點負荷；

★接點的數量或種類（常閉或常開）；

★繼電器的體積、封裝形式、工作環境、接點吸合 或釋放時間等。微機控制技術4.2.2繼電器輸出接口技術 不同的繼電器，其線圈驅動504．2．3固態繼電器輸出接口技術在繼電器控制中，由于采用電磁吸合方式，在開關瞬間，觸點容易產生火花，從而引起干擾；對于交流高壓等場合，觸點還容易氧化，因而影響系統的可靠性。所以隨著微型機控制技術的發展，人們又研究出一種新型的輸出控制器件——固態繼電器。固態繼電器（SolidStateRelay）簡稱SSR。它是用晶體管或可控硅代替常規繼電器的觸點開關，而在前級把光電隔離器熔為一體，因此，固態繼電器實際上是一種帶光電隔離器的無觸點開關。根據結構形式，固態繼電器有直流型固態繼電器和交流型固態繼電器之分。由于固態繼電器輸入控制電流小，輸出無觸點，所以與電磁式繼電器相比，具有體積小、重量輕、無機械噪聲、無抖動和回跳、開關速度快、工作可靠等優點。因此，在微機控制系統中得到了廣泛的應用，大有取代電磁繼電器之勢。微機控制技術4．2．3固態繼電器輸出接口技術在繼電器控制中514．2．3固態繼電器輸出接口技術

1．直流型SSR 由圖中可以看出，其輸入端是一個光電隔離器，因此，可用OC門或晶體管直接驅動。它的輸出端經整型放大后帶動大功率晶體管輸出，輸出工作電壓可達30～180V（5V開始工作）。微機控制技術4．2．3固態繼電器輸出接口技術1．直流型SS524．2．3固態繼電器輸出接口技術

圖4—14直流型SSR原理圖P108微機控制技術4．2．3固態繼電器輸出接口技術圖4—14直流型S534．2．3固態繼電器輸出接口技術直流SSR主要用于帶有直流負載的場合，如直流電機控制，直流步進電機控制，和電磁閥等。圖4—15所示為采用直流SSR控制三相步進電機原理電路圖。微機控制技術4．2．3固態繼電器輸出接口技術直流SSR主要544．2．3固態繼電器輸出接口技術圖中A、B、C為步進電機的三相，只要按著一定的通電順序，即可實現步進電機控制，詳見本章第四節。

圖4—15步進電機控制原理圖P190微機控制技術4．2．3固態繼電器輸出接口技術圖中A、554．2．3固態繼電器輸出接口技術

2.交流型SSR 交流型SSR又可分為過零型和移相型兩類。它采用雙相可控硅作為開關器件，用于交流大功率驅動場合，如交流電機控制，交流電磁閥控制等。其原理電路，如圖4—16所示。

★非過零型SSR，在輸入信號時，不管負載電流相位如何，負載端立即尋通；★過零型必須在負載電源電壓接近零且輸入控制信號有效時，輸入端負載電源才導通。★當輸入的控制信號撤消后，不論哪一種類型，它們都是流過雙向可控硅負載電流為零時才關斷。微機控制技術4．2．3固態繼電器輸出接口技術2.交流型SSR微機564．2．3固態繼電器輸出接口技術

圖4—16交流過零型SSR原理圖P109微機控制技術4．2．3固態繼電器輸出接口技術圖4—16交流過零574．2．3固態繼電器輸出接口技術一個交流型SSR控制單向交流控制電機的實例如圖4—18所示。圖中，改變交流電機通電繞組，即可控制電機的旋轉方向。例如用它控制流量調節閥的開和關，從而實現控制管道中流體流量的目的。微機控制技術4．2．3固態繼電器輸出接口技術一個交流型SSR584．2．3固態繼電器輸出接口技術

圖4-18用交流SSR控制交流電機原理圖P110微機控制技術4．2．3固態繼電器輸出接口技術圖4-18用交流S594．2．3固態繼電器輸出接口技術在圖4—18中，當控制端PC0輸出為低電平時，經反相后，使上邊的SSR導通，下的SSR截止使交流電通過A相繞組正轉；反之，如果PC0輸出高電平，則上邊SSR的截止，下邊的SSR導通，使交流電流經B相，電機反轉。圖中Rp、Cp組成浪涌電壓吸收回路，通常Rp為100Ω左右，CP為0．1μF。RM為壓敏電阻，用做過電壓保護。其電壓取值范圍通常為電源電壓有效值的1．6～1．9倍，市售有專門適用于交流220V或380V的壓敏電阻。交流型固態繼電器選用時主要注意它的額定電壓和額定工作電流微機控制技術4．2．3固態繼電器輸出接口技術在圖4—18中，604．2．4大功率場效應管開關接口技術大功率場效應管開關的特點：★輸入阻抗高★關斷漏電流小★響應速度快★與同功率繼電器相比，體積較小，價格便宜，所以在開關量輸出控制中也常做為開關元件使用。場效應管的種類非常多，如IRF系列，電流可從幾個mA～幾十A，耐壓可從幾十V～幾百V，因此可以適合任何場合微機控制技術4．2．4大功率場效應管開關接口技術大功率場效應管開關的614．2．4大功率場效應管開關接口技術大功率場效管的表示符號如圖4—19所示其中，G為控制柵極，D為漏極，S為源極。對于NPN型場效應管來講，當G為高電平時，源極與漏極導通，允許電流通過，否則，場效應管關斷。值得說明的是，由于大功率場效應管本身沒有隔離作用，故使用時為了防止高壓對微型機系統的干擾和破壞，通常在它的前邊加一級光電隔離器，如4N25、TIL113等微機控制技術4．2．4大功率場效應管開關接口技術大功率場效管624．2．4大功率場效應管開關接口技術

圖4—19大功率場效應管的表示符號P111微機控制技術4．2．4大功率場效應管開關接口技術圖4—19大功634．2．4大功率場效應管開關接口技術利用大功率場效應管可以實現圖4—15所示的步進電機控制。其原理電路如圖4—20所示圖中，當某一控制輸出端（如PC0）輸出為高電平時，經反相器7406變為低電平，使光電隔離器，通電并導通，從而使電阻R1（R2或R3）輸出為高電平，控制場效應管IRF640導通，使A相（B相或C相）通電；反之，當P1．0為低電平時，則IRF640截止，A相無電流通過。改變步進電機A、B、C三相的通電順序，便可實現對步進電機的控制，詳見本章第四節，圖中的RP、CP、D均為保護元件。其作用與前邊講過的相同。微機控制技術4．2．4大功率場效應管開關接口技術利用大功率場644．2．4大功率場效應管開關接口技術

圖4—20采用大功率場效應管的步進電機控制電路原理圖P111微機控制技術4．2．4大功率場效應管開關接口技術圖4—20采用654.2.5可控硅接口技術 可控硅（SiliconControlledRectifier）簡稱SCR，是一種大功率電器元件，也稱晶閘管。它具有體積小，效率高，壽命長等優點。在自動控制系統中，可作為大功率驅動器件，實現用小功率控件控制大功率設備。它在交直流電機調速系統、調功系統以及隨動系統中得到了廣泛的應用。微機控制技術4.2.5可控硅接口技術 可控硅（SiliconCo664.2.5可控硅接口技術可控硅分單向可控硅和雙向可控硅兩種。1.單向可控硅 單向可控硅的表示符號，如圖4.21（a）所示。它有3個引腳，其中A為陽極，K為陰極，G為控制極。它由4層半導體材料組成，可等效于P1N1P2和N1P2N2兩個三極管，如圖4.21（b）所示。微機控制技術4.2.5可控硅接口技術可控硅分單向可控硅和雙向可控硅兩674.2.5可控硅接口技術圖4.21可控硅結構

P112微機控制技術4.2.5可控硅接口技術圖4.21可控硅結構684.2.5可控硅接口技術 從圖4.21（a）所示中看出，它的符號基本上與前面介紹過的大功率場效應開關管的符號相同，但它們的工作原理卻有所不同。當陽極電位高于陰極電位且控制極電流增大到一定值（觸發電流）時，可控硅由截止轉為導通。一旦導通后，Ig即使為零，可控硅仍保持導通狀態，直到陽極電位小于或等于陰極電位時為止。即陽極電流小于維持電流時，可控硅才由導通變為截止。其特性曲線如圖4.22所示。 單向可控硅的單向導通功能，多用于直流大電流場合。在交流系統中常用于大功率整流回路。微機控制技術4.2.5可控硅接口技術 從圖4.21（a）所示中看出694.2.5可控硅接口技術圖4.22可控硅輸出特性p112微機控制技術4.2.5可控硅接口技術圖4.22可控硅輸出特性704.2.5可控硅接口技術2.雙向可控硅 雙向可控硅也叫三端雙向可控硅，簡稱TRIAC。雙向可控硅在結構上相當于兩個單向可控硅反向連接，如圖4.23所示。這種可控硅具有雙向導通功能。其通斷狀態由控制極G決定。在控制極G上加正脈沖（或負脈沖）可使其正向（或反向）導通。這種裝置的優點是控制電路簡單，沒有反向耐壓問題，因此特別適合做交流無觸點開關使用。微機控制技術4.2.5可控硅接口技術2.雙向可控硅微機控制技術714.2.5可控硅接口技術圖4.23雙向可控硅的符號、結構及伏安特性p113微機控制技術4.2.5可控硅接口技術圖4.23雙向可控硅的符號、724.2.5可控硅接口技術 和大功率場效應管一樣，可控硅在與微型計算機接口連接時也需加接光電隔離器，觸發脈沖電壓應大于4V；脈沖寬度應大于20s。在單片機控制系統中，常用單片機的某一根接口線或外接I/O接口的某一位產生觸發脈沖。為了提高效率，要求觸發脈沖與交流電壓同步，通常采用檢測交流電過零點來實現。圖4.24所示為某電爐溫度控制系統可控硅控制部分的電路原理圖。微機控制技術4.2.5可控硅接口技術 和大功率場效應管一樣，可控硅734.2.5可控硅接口技術圖4.24可控硅加熱爐控制系統的原理p113微機控制技術4.2.5可控硅接口技術圖4.24可控硅加熱爐控制系744．2．6電磁閥接口技術電磁閥是在氣體或液體流動的管路中受電磁力控制開閉的閥體。廣泛應用于液壓機械、空調系統、熱水器、自動機床等系統中。其結構原理，如圖4—25所示。它由線圈、固定鐵芯、可動鐵芯及閥體等組成。當線圈不通電時，可動鐵芯受彈簧作用與固定鐵芯脫離，閥門處于關閉狀態。當線圈通電時，可動鐵芯克服彈簧的彈力作用而與固定鐵芯吸合，閥門處于打開狀態。這樣，就控制了液體和氣體的流動。流體推動油缸或氣缸轉換為物體的機械運動，完成往復運動。電磁閥有交流和直流兩種。交流電磁閥使用方便，但容易產生顫動，啟動電流大，并會引起發熱。直流電磁閥可靠，但需專門電源，如12V、24V、48V。

微機控制技術4．2．6電磁閥接口技術電磁閥是在氣體或液體流動754．2．6電磁閥接口技術

圖4—25電磁閥結構原理圖p114微機控制技術4．2．6電磁閥接口技術圖4—25電磁閥結構原理圖764．2．6電磁閥接口技術

電磁閥種類很多，常用的換向閥有兩位三通、兩位四通、三位四通等。這里所謂的位是指滑閥位置，通指流體的通路。由于電磁閥也是由線圈的通斷電來控制的，其工作原理與繼電器基本相通，只是帶動活動閥芯運動而已，故其與微型機的接口與繼電器相同，也是由光電隔離及開關電路等來控制的，關于直流型電磁閥的應用請參閱本節繼電器接口部分。微機控制技術4．2．6電磁閥接口技術電磁閥種類很多，常用的換向774．2．6電磁閥接口技術對于交流電磁閥由于線圈要求是交流電，所以通常使用雙問可控硅驅動或使用一個直流繼電器作為中間繼電器控制。圖4—26為交流電磁閥接口電路圖。微機控制技術4．2．6電磁閥接口技術對于交流電磁閥由于線圈784．2．6電磁閥接口技術

圖4—26交流電磁閥接口電路p114微機控制技術4．2．6電磁閥接口技術圖4—26交流電磁閥接口電794．2．6電磁閥接口技術

圖中交流電磁閥圈由雙向可控硅KS驅動。KS的選擇要滿足：額定工作電流為交流電磁閥線圈工作電流的2～3倍；額定工作電壓為交流電磁閥線圈電壓的2～3倍。對于中小尺寸～220V工作電壓的交流電磁閥，可以選擇3A、600V的雙向可控硅。光電隔離器MOC3041的作用是觸發雙向晶閘管KS以及隔離微型機和電磁閥系統。光電隔離器的輸入端接7407，電單片機8031的P1.0腳控制。當P1.0輸出為低電平時，雙向晶閘管KS導通，電磁閥吸合；PC0輸出高電平時，雙向晶閘管KS關斷，電磁閥釋放。MOC3041內部帶有過零電路，因此，雙向晶閘管KS工作在過零觸發方式微機控制技術4．2．6電磁閥接口技術圖中交流電磁閥圈由雙向804.3電機控制接口技術在現代化的生產中，電機的應用是非常廣泛的。在工業企業中，大量應用電機作為原動機去拖動各種生產機械。如在機械工業、冶金工業、化學工業中，各種機床、電鏟、吊車、軋鋼機、抽水機、鼓風機、閥門、傳送帶等，都要用大大小小的電機來拖動；在自動控制系統中，各種類型小巧靈敏的控制電機廣泛作為檢驗、放大、執行和解算元件。隨著生產的發展，對電機拖動系統提出的要求也愈來愈高，如要求提高加工精度及工作速度，要求快速啟動、制動及逆轉，實現在很寬范圍內的調速和整個生產過程自動化等。要完成這些任務，除電機外，還必須有自動化控制設備來控制電機。微機控制技術4.3電機控制接口技術在現代化的生產中，電機的應814.3電機控制接口技術

電機控制發展歷程：交流放大器→磁放大器→可控離子變速器→可控硅→計算機控制裝置也正向集成化、小型化、微型化、智能化的方向發展。特別是近年來，由于微型計算機及單片機的發展，使電機控制發生了革命性的飛躍。微型計算機對現代電機控制產生了巨大的影響。本節主要講述小功率直流電機控制原理。微機控制技術4.3電機控制接口技術電機控制發展歷程：微機控制技824．3．1小功率直流電機調速原理小功率直流電機結構：如圖4—27（a）所示。圖4—27脈沖寬度調速系統原理圖微機控制技術4．3．1小功率直流電機調速原理小功率直流電機結構：微機834．3．1小功率直流電機調速原理圖4—27脈沖寬度調速系統原理圖p116微機控制技術4．3．1小功率直流電機調速原理圖4—27脈沖寬度調844．3．1小功率直流電機調速原理小功率直流電機結構與原理：★由定子和轉子兩大部分組成★定子上有一磁極，磁極上繞有勵磁繞組。★轉子由硅鋼片疊壓而成，轉子外圓有槽，槽內裝有電樞繞組，繞組通過換問器和電刷引出。微機控制技術4．3．1小功率直流電機調速原理小功率直流電機結構與原理854．3．1小功率直流電機調速原理在勵磁式直流伺服電機中，電機轉速由電樞電壓Ua決定。在勵磁電壓和負載轉矩恒定時，電樞電壓越高，電機轉速就越快；電樞電壓Ua降至0V時，電機就仃轉；改變電樞電壓的級性，電機就反轉。因此，小功率直流電機的調速可以通過控制電樞電壓來實現。對小功率直流電機調速系統，使用微型機或單片機是極為方便的，其方法是通過改變電機電樞電壓接通或斷開時間的比值（即占空比）來控制馬達速度的，這種方法稱為脈沖寬度調制（PulseWidthModulation）簡稱PWM，PWM調速原理如圖4—27所示。微機控制技術4．3．1小功率直流電機調速原理在勵磁式直流伺服864．3．1小功率直流電機調速原理圖4.27脈沖寬度調速系統原理圖p116微機控制技術4．3．1小功率直流電機調速原理圖4.27脈874．3．1小功率直流電機調速原理在脈沖作用下，當馬達通電時，速度增加；馬達斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規律，改變通、斷電時間，即可使馬達速度達到一定的穩定性。設電機永遠接通電源時，其轉速為最大Vmax，占空比D=t1/T，則電機的平均速度為

Vd＝Vmax·D(4-1)式中，Vd—電機的平均速度；Vmax—電機全通電時的速度（最大）；D=t1/T—占空比。平均速度Vd與占空比D的函數曲線，如圖4—28所示。微機控制技術4．3．1小功率直流電機調速原理在脈沖作用下，884．3．1小功率直流電機調速原理圖4—28平均速度與占空比的關系p117

微機控制技術4．3．1小功率直流電機調速原理圖4—28平均速度與894．3．1小功率直流電機調速原理由圖4—28可以看出，Vd與占空比D并不是完全線性關系（圖中實線），但可以將其近似地看成線性關系（如圖4—28的虛線所示）微機控制技術4．3．1小功率直流電機調速原理由圖4—28可904．3．2開環脈沖寬度調速系統1．開環脈沖寬度調速系統的組成開環脈沖寬度調速系統原理圖，如圖4—29所示。

微機控制技術4．3．2開環脈沖寬度調速系統1．開環脈沖寬度調速系統的914．3．2開環脈沖寬度調速系統圖4—29開環脈沖寬度調速系統原理圖p117微機控制技術4．3．2開環脈沖寬度調速系統圖4—29開環脈沖寬度924．3．2開環脈沖寬度調速系統它由五部分組成。（1）占空比D的設定占空比D由人工設定，具體實現方法如下：通過開關給定，用每位開關的狀態表示“1”或“0”組成8位二進制數。改變開關的狀態，即可改變占空比的大小。由電位器給定，可以從電位器中取一電位然后經A/D轉換器接到微型機的I/O接口（如8155），把模擬量電壓轉換成數字量作為給定值。由撥碼鍵盤給定，每個撥碼鍵盤給出一位BCD碼（4位二進制數），若采用兩位BCD碼數，則需并行用兩個撥碼開關。微機控制技術4．3．2開環脈沖寬度調速系統它由五部分組成。微機控制技934．3．2開環脈沖寬度調速系統（2）脈沖寬度發生器由計算機根據給定平均速度，計算出占空比，用軟件編程方法來實現。（3）電子開關用來接通或斷開電機定子電源，可用上一節講的大功率場效應管開關、固態繼電器或可控硅控制。一般需要加光電隔離器。（4）驅動器將計算機輸出的脈沖寬度調制信號加以放大，以便用來控制電機定子電壓接通或斷開的時間。通常由放大器或繼電器組成，也可由TTL集成電路組成驅動器構成。（6）電機被控對象，用以帶動被控裝置。微機控制技術4．3．2開環脈沖寬度調速系統（2）脈沖寬度發生器微機控944．3．2開環脈沖寬度調速系統2．電機控制接口隨著電子技術以及計算機控制技術的發展，現在已生產出許多種可供直流電流控制接口的元器件，如固態電器、大功率場效應管、專用接口芯片（如L290、L291、L292）以及專用接口板，所以直流電機與微型機接口可采用以下四種方法：

光電隔離器＋大功率場效應管；★固態繼電器；

★專用接口芯片；★專用接口板；微機控制技術4．3．2開環脈沖寬度調速系統2．電機控制接口954．3．2開環脈沖寬度調速系統前兩種方法成本低，適用于自行開發的微型機系統，第三種價格比較貴，但可靠性比較好，而且設計電路簡單，國外大多采用這種方法；第四種方法適用于STD或PC總線工業控制機系統，用戶只需購買同一總線現成的控制版即可，因而可節省大量的開發時間。圖4—30所示為采用固態繼電器接口電機控制電路原理圖微機控制技術4．3．2開環脈沖寬度調速系統前兩種方法成本低964．3．2開環脈沖寬度調速系統

圖4—30采用固態繼電器的直流電機接口方法P118微機控制技術4．3．2開環脈沖寬度調速系統圖4—30采用固態繼974．3．2開環脈沖寬度調速系統圖4—30中，管腳經限流電阻R接＋5V直流電流。I/O接口的控制管腳，例如PC0，經驅動器7406接到固態繼電器第④管腳。當PC0輸出為高平電時，經反問驅動器7406輸出低電平，使固態繼電器發光二極管發光，并使光敏三極管導通，從而使直流電機繞組通電。反之，當PC0輸出為低電平時，發光二極管無電流通過，不發光，光敏三極管隨之截止，因而直流電機繞組沒有電流通過。圖中D1為固態繼電器內部的保護電路，D2為電機保護元件。使用時，應根據直流電機的工作電壓、工作電流來選定合適的固態繼電器。微機控制技術4．3．2開環脈沖寬度調速系統圖4—30中，管腳984．3．2開環脈沖寬度調速系統近年來，為了滿足與STD總線及PC總線工業控制機擴展的需要，許多工業控制機生產商已經開發生產出各種控制交、直流電機的專門控制板。微機控制技術4．3．2開環脈沖寬度調速系統近年來，為了滿足994．3．3PWM調速系統設計圖4—31帶方向控制的直流電機控制原理圖

P119

微機控制技術4．3．3PWM調速系統設計圖4—31帶方向控制的直流1004．3．3PWM調速系統設計由圖4.3，雙向直流電機控制原理

★開關SW1和SW4閉合時，電機全速正轉；

★開關SW2和SW3閉合時，馬達全速反轉。

★SW2和SW4（或SW1和SW4）閉合時， 電機繞組被短路，電機處于剎車工作狀 態。

★若將四個開關全部打開，電機將自由滑 行。

微機控制技術4．3．3PWM調速系統設計由圖4.3，雙向直流電1014．3．3PWM調速系統設計1．控制接口電路 一個完整的雙向直流電機控制接口電路如圖4.32所示。

如圖4.32中所示，采用8155作為并行接口電路。設8155A口為輸出方式，B口和C口為輸入方式。A口PA1，PA0經4總線緩沖門74LS125和反向驅動器74LS06控制4個光電隔離器和4個大功率場效應開關管IRF640（圖中用SW1～SW4表示）。微機控制技術4．3．3PWM調速系統設計1．控制接口電路微機控制技1024．3．3PWM調速系統設計 當單片機經8155接口輸出02H控制模型（PA1＝1，PA0＝0）時，由于鎖存器74LS125中三態門2#是打開的，所以光電隔離器LEI4導通并發光，光敏三極管輸出為高電平，因而使大功率場效應開關管IRF640（SW4）導通。同理，74LS1254#三態門輸出為“0”，使得3#門的控制端也為“0”電平，因此，3#三態門打開，使光電隔離器LEI1發光并導通，因而使SW1導通。同理可分析，此時SW2和SW3是關斷的。因此，電流從左至右流過直流電機，使電機正轉。當PA1和PA0端口輸出為01H控制模型時，則鎖存器74LS125中的2#，3#三態門打開，使得SW2和SW3接通，SW1和SW4關斷，電流由右向左流過電機，使電機反轉。微機控制技術4．3．3PWM調速系統設計 當單片機經8155接口輸1034．3．3PWM調速系統設計 同理可決定出剎車及滑行時的控制模型分別為03H，00H。 為了實現脈沖寬度調速，用8155B口控制的8個開關提供脈沖寬度給定值N。C口的PC0和PC1各接一個單刀雙擲開關。PC0位為方向控制位，當PC0＝0時，電機正向運行；PC0＝1時，電機反轉。PC1位用來控制電機的啟動和停止，若PC1＝0，電機啟動；當PC1＝1時，電機停止。微機控制技術4．3．3PWM調速系統設計 同理可決定出剎車及滑行時104圖4.32雙向電機控制接口電路圖P1204．3．3PWM調速系統設計微機控制技術圖4.32雙向電機控制接口電路圖P1204．3．1054．3．3PWM調速系統設計2．控制系統軟件設計 對如圖4.32所示的雙向電機控制系統程序設計的基本思想是，首先對8155初始化，設其A口為輸出方式，B口、C口為輸入方式，然后分別讀入給定值N和方向控制標志。接著進行啟動判斷，決定是否啟動電機。如不需要啟動，則繼續檢查；若需要啟動，還需進一步判斷設置的電機轉動方向，然后按照要求輸出正向（或反向）控制代碼，并查對及判斷脈沖寬度（單位脈沖個數）是否達到給定值。如未達到要求，則繼續輸出控制代碼；一旦達到給定值，便輸出剎車（或滑行）代碼。此后，繼續重復上述過程，即可達到給定的電機旋轉速度。其程序流程圖，如圖4.33所示。微機控制技術4．3．3PWM調速系統設計2．控制系統軟件設計微機控制1064．3．3PWM調速系統設計

圖4—33雙向電機控制程序流程圖微機控制技術4．3．3PWM調速系統設計圖4—33雙向電機控制1074．3．3PWM調速系統設計 ORG 8000HSTART：MOV DPTR，#0FD00H ；指向8155控制口 MOV A，#01H ；設8155A口為輸出，B口、C口為輸入 MOVX @DPTR，ALOOP：MOV DPTR，#0FD02H ；指向8155B口，讀入并存儲給定值N MOVX A，@DPTR MOV 20H，A CPL A ；計算并存儲

INC A MOV 21H，A MOV DPTR，#0FD03H ；指向8155C口，讀入狀態標志 MOVX A，@DPTR JB ACC.0，INVERT ；判電機的旋轉方向。反向，轉INVERT MOV A，#02H ；取正向代碼OUTPUT：MOV DPTR，#0FD01H ；指向8155A口，輸出控制代碼 MOVX @DPTR，A MOV 22H，20H ；延時t1微機控制技術4．3．3PWM調速系統設計 ORG 8000H1084．3．3PWM調速系統設計

DELAY1：ACALLDELAY0 DJNZ 22H，DELAY1 MOVA，#00H ；輸出滑行代碼 MOVX@DPTR，A MOV 23H，21H ；延時t2DELAY2：ACALLDELAY0 DJNZ 23H，DELAY12 AJMP LOOPSTOP：MOV A，03H ；輸出剎車代碼 MOV DPTR，#0FD01H；指向8155A口，輸出剎車代碼 MOVX @DPTR，A AJMP LOOPINVENT：MOV A，01H ；輸出反向代碼 AJMP OUTPUTDELAY0:（略）

；軟件延時程序

微機控制技術4．3．3PWM調速系統設計DELAY1：AC1094.3.4閉環脈沖寬度調速系統 為了提高電機脈沖寬度調速系統的精度，通常采用閉環調速系統。閉環系統是在開環系統的基礎上增加了電機速度檢測回路，意在將檢測到的速度與給定值進行比較，并由數字調節器（PID調節器或直接數字控制）進行調節。其原理框圖，如圖4.34所示。微機控制技術4.3.4閉環脈沖寬度調速系統 為了提高電機脈沖寬度1104.3.4閉環脈沖寬度調速系統圖4.34采用微型計算機的電機速度閉環控制系統的工作原理微機控制技術4.3.4閉環脈沖寬度調速系統圖4.34采用微型計算1114.3.4閉環脈沖寬度調速系統 隨著科學技術的發展，電機轉速測量的方法也在不斷地更新與完善。現在已經由模擬量速度測量傳感器逐漸向數字式傳感器發展。常用的轉速傳感器有測速發電機、光電碼盤、電磁式碼盤、光柵，以及霍爾元件等。下面介紹兩種常用的轉速測量傳感器。微機控制技術4.3.4閉環脈沖寬度調速系統 隨著科學技術的發展，電1124.3.4閉環脈沖寬度調速系統1．測速發電機 測速發電機是一種將轉子轉速轉換成電信號的裝置。根據結構及工作原理不同，測速發電機分直流測速發電機和交流測速發電機兩種。 交流測速發電機分為同步測速發電機和異步測速發電機兩種形式。同步測速發電機有永磁式、感應式和脈沖式；異步測速發電機按其結構可分為鼠籠式和杯形轉子兩種。由于杯形轉子異步測速發電機精度高，所以應用最廣。 杯形轉子測速發電機的原理，如圖4.35所示。微機控制技術4.3.4閉環脈沖寬度調速系統1．測速發電機微機控制技術1134.3.4閉環脈沖寬度調速系統圖4.35杯形轉子異步測速發電機原理圖P124

微機控制技術4.3.4閉環脈沖寬度調速系統圖4.35杯形轉子異步1144.3.4閉環脈沖寬度調速系統

如圖4.35中所示，當激磁繞組W1通以頻率為f1的交流電壓時，根據電磁感應原理，在測速發電機內，外定子的氣隙中會產生一個頻率為f1的脈振磁通，其方向與W1杯形轉子異步測速發電機繞組軸線一致。當轉子靜止時，由于磁通的方向與輸出繞組W2的軸線垂直，故W2中的感應電壓＝0。當轉子以轉速n旋轉時，見圖4.35（b），杯形轉子將切割磁力線，從而產生感生電勢及電流。同時，轉子也將產生磁通，在空間的位置與輸出繞組W2的軸線一致，因而使W2繞組產生感應電勢。W2的電勢是與磁通變化一致的。而磁通的變化頻率又是與激磁電壓V1的頻率f1相一致的，故W2繞組所產生的電勢的頻率f2與的頻率f1相同（與轉子無關），輸出電壓的幅值與轉子的速度成正比。微機控制技術4.3.4閉環脈沖寬度調速系統 如圖4.35中所示，當1154.3.4閉環脈沖寬度調速系統 轉子轉向相反時，輸出電壓的相位也相反。 交流異步測速發電機的輸出特性曲線，如圖4.36所示。微機控制技術4.3.4閉環脈沖寬度調速系統 轉子轉向相反時，輸出電壓1164.3.4閉環脈沖寬度調速系統圖4.36交流異步測速發電機的輸出特性P124

微機控制技術4.3.4閉環脈沖寬度調速系統圖4.36交流異步測速1174.3.4閉環脈沖寬度調速系統 如圖4.36中所示，直線1為理想的空載輸出特性曲線。但因為轉子以n的轉速旋轉時，除了在輸出繞組W2中產生變壓器電勢外，還在杯形轉子中感應出大小與和n的乘積成正比（其中，又正比于n），方向與變壓器電勢相同的附加電勢，并引起附加切割電流，該電流產生的磁通方向相反，因而減弱了，從而破壞了輸出電壓與轉速的線性關系，使輸出下降，其結果如圖4.36中1＇曲線所示。微機控制技術4.3.4閉環脈沖寬度調速系統 如圖4.36中所示，直1184.3.4閉環脈沖寬度調速系統 當測速發電機輸出繞組在負載阻抗為Z1時，便有輸出電流。此時，由于繞組W2的內阻作用，使其輸出降低，如圖4.36中曲線2＇所示。由此可見，異步測速發電機的輸出特性實際上是非線性的，必要時可采取一定的補償措施。在速度和位置控制系統中，也可采用計算機進行非線性補償。 直流測速發電機也是一種測速傳感器。根據激磁方式不同，直流測速發電機又可分電磁式和永磁式兩種。按電樞結構不同又可分為：普通有槽電樞、無槽電樞、空心電樞和圓盤電樞等。常用的為永磁式測速發電機。 這些測速發電機的結構雖然不同，但原理基本一樣。微機控制技術4.3.4閉環脈沖寬度調速系統 當測速發電機輸出繞組在1194.3.4閉環脈沖寬度調速系統 圖4.37所示為采用測速發電機脈沖寬度調速系統的原理圖。該圖與圖4.34所示的主要區別是，電機的速度不采用數字式的光電碼盤，而是采用模擬量速度傳感器—測速發電機進行測量。因此系統增加一個A/D轉換器接口，用來將測速發電機的模擬輸出電壓轉換成數字量，以便與數字式速度給定值加以比較。采用測速發電機的優點是分辨率比較高，且價格比較便宜。微機控制技術4.3.4閉環脈沖寬度調速系統 圖4.37所示為采用測1204.3.4閉環脈沖寬度調速系統圖4.37直流脈寬可逆調速系統原理圖P125

微機控制技術4.3.4閉環脈沖寬度調速系統圖4.37直流脈寬可逆1214.3.4閉環脈沖寬度調速系統 微型計算機按PID調節算式計算的結果，經D/A轉換器轉換成模擬量，再經電壓變換器轉換成脈寬調制發生器需要的電壓。脈寬調制發生器采用CW3524集成電路，其最高頻率可調至100kHz以上。調制后的脈沖寬度控制信號經脈沖分配器、驅動器輸出后，用來控制直流可逆電機。微機控制技術4.3.4閉環脈沖寬度調速系統 微型計算機按PID調節1224.3.4閉環脈沖寬度調速系統2．數字式轉速傳感器 數字式轉速傳感器，是把旋轉軸的轉速直接變成數字量的一種裝置。計算機控制系統最常用的數字式轉速傳感器是碼盤。 這種轉速傳感器所用的碼盤一般為按一定規律分布著透明狹縫的圓盤，這些碼盤可做成增量式或絕對式。由于增量式碼盤量具有結構簡單，價格低，而且精度容易保證等優點，所以目前應用最多。 測量轉速的碼盤大部分采用光電式，由兩種碼盤構成的數字轉速傳感器的結構，如圖4.38所示。微機控制技術4.3.4閉環脈沖寬度調速系統2．數字式轉速傳感器微機控1234.3.4閉環脈沖寬度調速系統圖4.38透明式光電碼盤的結構P126微機控制技術14.3.4閉環脈沖寬度調速系統圖4.38透明式光電碼1244.3.4閉環脈沖寬度調速系統如圖4.38（a）所示為增量式碼盤結構示意圖，它由光源、透鏡、測量盤、讀數盤及光敏元件組成。由光源發射出的光線，經透鏡聚焦后，透過測量盤與讀數盤照射到光敏元件上。有光線透過時，光敏元件才發出一個脈沖，沒有光線透過則不產生脈沖。此脈沖一方面可以送到數字式速度計進行計量，另一方面，也可以送入計算機，根據下面的公式求出轉速。 （4-2）式中，r——轉速（每分鐘轉數）；

NC——在t1時間內測得的脈沖數；

n——碼盤上的縫隙數；

t1——測速時間。微機控制技術4.3.4閉環脈沖寬度調速系統如圖4.38（a）所示為增1254.3.4閉環脈沖寬度調速系統 式（4-2）中，當系統確定后，n即為已知。所以只要測出t1時間內的脈沖數NC，便可計算機出電機的轉速。 采用增量式碼盤的微型計算機系統，通常定時時間及計數工作均由定時器/計數器來完成。定時器/計數器每隔t1時間向處理器申請一次中斷，CPU在中斷服務程序中讀取脈沖的計數值NC，再按式（4-2）計算出轉速r。當然，也可以采用軟件的方法記錄t1時間內的脈沖個數。微機控制技術4.3.4閉環脈沖寬度調速系統 式（4-2）中，當系統1264.3.4閉環脈沖寬度調速系統 絕對式光電碼盤上分透明和不透明兩種區域，按一定方式進行編碼。碼盤上黑色部分表示遮光部分，白色則表示透明部分，用狹窄的光束來代替電刷。當碼盤隨軸轉動時，將輸出相應的光束（光束的數量與碼盤的位數相同），然后通過光敏元件轉換成相應的代碼。 只要把碼盤中的每一位輸出均通過I/O接口（如8255），即可與微型計算機相連。每隔一定的時間，采樣一次碼盤的輸出數值。微機控制技術4.3.4閉環脈沖寬度調速系統 絕對式光電碼盤上分透明1274.3.5交流電機控制接口技術 在微型計算機控制系統中，除了直流電機以外，交流電機的應用也