电机驱动与控制的硬件软件设计

1、传感器接口和电机控制技术1xm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。传感器接口和电机控制技术2xm 由于待检测的非电量种类繁多， 传感器的工作原理也各

2、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。传感器接口和电机控制技术3xm常用传感器及其应用电路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 传感器接口和电机控制技术4xm传感器接口和电机控制技术5xm1、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。传感器接口和电机控制技术6xm常用的光电传感器光敏二极管、光敏三极管、光电耦合器件和光敏二极管、光敏三极管、光电耦合器件和红外传感器红

3、外传感器 ：图1 光敏二极管图2 光敏三极管光敏二极管的外形见图光敏二极管的外形见图1所示。光敏三极管的外形见图所示。光敏三极管的外形见图2所示。所示。传感器接口和电机控制技术7xm传感器接口和电机控制技术8xm(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。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。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载流子产生暗电流10-810-9安培，处于截止状态。安培，处于截止状态。有光照时，半导

4、体内受激发产生电子有光照时，半导体内受激发产生电子空穴对，少数载流子空穴对，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。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，具有两个个PN结。它把光信号转换为电信号的同时，又将电流加以放结。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（出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极）两个

5、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，并安置在基区的边缘。射区很小，并安置在基区的边缘。工作原理：工作原理：无光照时，集电结反偏，其反向饱和电流无光照时，集电结反偏，其反向饱和电流Icbo经发射结放大经发射结放大为集射之间的穿透电流为集射之间的穿透电流Iceo暗电流暗电流传感器接口和电机控制技术9xm光电耦合器件 红外传感器红外传感器 红外传感器是将红外辐射的能量转换成电能的光敏器件。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。在一般的常

6、温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。传感器接口和电机控制技术10 xm 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。 传感器接口和电机控制技术11xmST178制作的反

7、射式红外传感制作的反射式红外传感器器红外线光电传感器红外线光电传感器ST178，ST178由由4个管脚组成，是集发射个管脚组成，是集发射和接收于一体的传感器。发射和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。工作的范围可达到体管组成。工作的范围可达到4mm10mm左右左右,采用非接触监采用非接触监测的方式。测的方式。传感器接口和电机控制技术12xmST178红外线光电传感器的发射管要加500 的电阻用来限流，而接收管则要接20 k上拉电阻，两管均接5 V电源，工作时电压达到4.8 V，当距

8、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。传感器接口和电机控制技术13xm2、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。 由于工农业生产中温度测量的范围极宽，从零下几百度到零上几千度，而各种材料做成的温度传感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。 传感器接口和电机控制技术14xm传感器接口和电机控制技术15xm传感器接口和电机控制技术16xm常用的数字输出式温度传感器DS18B20传感器接口和电机控制技术17xm模拟量输出的温度传感器 如果温度传感器输出为模拟量，需要经过滤波，放大

9、，AD转换，线性变换和非线性误差处理传感器接口和电机控制技术18xm 3、超声波传感器与应用电路 传感器接口和电机控制技术19xm常用的发射电路传感器接口和电机控制技术20 xm常用的接收电路传感器接口和电机控制技术21xm4、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、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。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。当开关接近某一物体时，即发出控制信号。接近开关又称无触点接近开关又称无触点行程开关行程开关，它除可以完，它除可以完成行程控制和限位保护外，还是一种

10、非接触型的成行程控制和限位保护外，还是一种非接触型的检测装置，用作检测零件尺寸和测速等，也可用检测装置，用作检测零件尺寸和测速等，也可用于变频于变频计数器计数器、变频脉冲发生器、液面控制和加、变频脉冲发生器、液面控制和加工程序的自动衔接等。特点有工作可靠、寿命长、工程序的自动衔接等。特点有工作可靠、寿命长、功耗低、复定位精度高、操作功耗低、复定位精度高、操作频率频率高以及适应恶高以及适应恶劣的工作环境等。劣的工作环境等。传感器接口和电机控制技术22xm 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

11、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

12、导体，可以绝缘的液体或粉状物等。 传感器接口和电机控制技术23xm3、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。 传感器接口和电机控制技术24xm5、热释电式接近开关用能感知温度变化的元件

13、做成的开关叫热释电式接近开关。这种开关是将热释电器件安装在开关的检测面上，当有与环境温度不同的物体接近时，热释电器件的输出便变化，由此便可检测出有物体接近。 6、其它型式的接近开关当观察者或系统对波源的距离发生改变时，接近到的波的频率会发生偏移，这种现象称为多普勒效应。声纳和雷达就是利用这个效应的原理制成的。利用多普勒效应可制成超声波接近开关、微波接近开关等。当有物体移近时，接近开关接收到的反射信号会产生多普勒频移，由此可以识别出有无物体接近。 传感器接口和电机控制技术25xm传感器接口和电机控制技术26xm注意 常用的光电开关或接近开关多为集电极开路输出，需要得到确定的开关量，需要上拉电阻或

14、下拉电阻。传感器接口和电机控制技术27xm传感器接口和电机控制技术28xm传感器接口和电机控制技术29xm电机驱动与控制的硬件软件设计 电机控制 电机驱动电源的设计 直流电机的驱动设计 步进电机的驱动设计传感器接口和电机控制技术30 xm一、电机控制竞赛中常用的电机控制类型：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。 位置控制 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。1、电机控制类型传感器接口和电机控制技术31xm2、电机选取竞赛中可能用到的电机包括：直流电机 有刷直流

15、电机 无刷直流电机步进电机伺服电机传感器接口和电机控制技术32xm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传感器接口和电机控制技术33xm直流电机的工作特性:转速 n=n0 keI (n0是空载转速，ke是转速常数，I是电流）输出转矩 T=kmI (km 是转矩常数，I是电流）电机电动势 ECen电流 I（UE）/r0 (U 是加在电机两端的电压，r0是电机绕组的内阻）直流电机的工作特性曲线直流电机的工作特性曲线传感器接口和电机控制技术34xm步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉步进

16、电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的控制电机，每冲信号转换成相应角位移或线位移的控制电机，每一个脉冲，电机旋转一个固定的角度，电机旋转位一个脉冲，电机旋转一个固定的角度，电机旋转位置与脉冲数相关，电机速度与脉冲频率相关。其主置与脉冲数相关，电机速度与脉冲频率相关。其主要特点有：要特点有： 可以根据控制转过精确的角度控制容易实施速度、位置无需反馈 停止时有自锁功能 多数情况下需要使用步进电机专用驱动器步进电机传感器接口和电机控制技术35xm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

17、度输出，其转速和转向随输入电压信号的大小和方向或角速度输出，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：变化而改变的控制电机。现常用伺服电机的主要特点： 实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步实现了位置，速度和力矩的闭环控制；克服了步进电机失步的问题；的问题； 高速性能好，一般额定转速能达到高速性能好，一般额定转速能达到20003000转；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；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

18、运行时不会产生类似于步进电机的步进低速运行平稳，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；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；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。发热和噪音明显降低。传感器接口和电机控制技术36xm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）

19、电池组的最大输出电流 （Imax：110A）传感器接口和电机控制技术37xm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。传感器接口和电机控制技术38xm电源处理的基本流程传感器接口和电机控制技术39xm2、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置一个独立的电源，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

20、传感器接口和电机控制技术40 xm采用LM2576/LM2575得到5V电压的开关式降压电路传感器接口和电机控制技术41xm传感器接口和电机控制技术42xm负电压的措施 如果控制过程中需要使用负电压，常用BuckBoost型开关变换电路实现。采用LM2576得到12V电压的典型电路传感器接口和电机控制技术43xm3、电机工作电源与单片机电源的隔离单片机的电源主要为逻辑电路工作服务，存在大量的逻辑电路频繁切换，对电源冲击较大，为使电机工作精度高，同时避免由电机线圈产生的感应电流对数字电路干扰，一般要将他们的电源进行隔离，简单的处理方法：传感器接口和电机控制技术44xm三、直流电机的驱动设计1、直

21、流电机控制方法： DA控制和PWM控制。 DA控制直观，但通常需要额外配置DA转换芯片，控制精度较低。传感器接口和电机控制技术45xmHtDT 直流电机多采用PWM（脉宽调制）方式进行控制。其加在电机两端的电压为PWM波：占空比: 电机两端电压的直流分量: dcUD U 由此可见,电机电压的平均值与PWM波的占空比成正比，可以通过调节占空比实现直流电机的调速。通常情况下，PWM波的频率为几十KHz。传感器接口和电机控制技术46xmPWM直流电机调速的优点： 功耗小，效率高； 以高频脉冲电流给绕组供电，由于绕组为感性负载，脉冲电流得以滤平，所以波系数小,电机发热量小； 系统的响应频带宽，起制动非

22、常快； 系统抗负载扰动的性能好； 传感器接口和电机控制技术47xm高频输出避开了电机及传动机械的共振点，所以运行平稳，噪声低； 微机产生PWM波形的方法： 程序延时：高电平延时低电平延时PWM周期时间 ； 定时器中断：PWM周期T定时中断高电平t定时中断传感器接口和电机控制技术48xm直流电机的PWM调速通常由H桥实现。传感器接口和电机控制技术49xm常用H桥芯片:L298N（电流2A）传感器接口和电机控制技术50 xm其他H桥芯片（1）驱动芯片IR2110：美国IR公司生产的IR2110驱动器，兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，适合中小功率变换装置中驱动器件。IR2110的特点： 具有独立的低端

23、和高端输入通道； 悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V 输出的电源端的电压范围为1020V。 传感器接口和电机控制技术51xm逻辑电源的输入范围515V，可方便的与TTL，CMOS电平相匹配；工作频率高，可达500KHz；开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；图腾柱输出峰值电流2A。（2）LMD18200LMD18200是美国国家半导体公司(NS)推出的专用于直流电动机驱动的H桥组件。同一芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件，利用它可以与主处理器、电机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统。LMD18200驱动直流电机、步机电机、伺服机构系统位置与转速、机器人控

24、制系统、数字控制系统。传感器接口和电机控制技术52xm峰值输出电流高达6A，连续输出电流达3A；工作电压高达55V；TTL/CMOS兼容电平的输入；具有温度报警和过热与短路保护功能；芯片结温达145，结温达170时，芯片关断； 具有良好的抗干扰性。传感器接口和电机控制技术53xm传感器接口和电机控制技术54xm步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。步进机将脉冲信号转换为角位移或线位移。主要要求：主要要求：动作动作灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、耗电少等。 四、步进电机的驱动设计传感器接口和电机控制技术55xm电机驱动电机驱动器器电电机机硬件

25、连接图硬件连接图传感器接口和电机控制技术56xm步进电机工作原理步进电机工作原理机理机理：步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信步进电机是利用电磁铁原理，将脉冲信号号 转换成线位移或角位移的电机。每来一个转换成线位移或角位移的电机。每来一个 电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移 动一小段距离。动一小段距离。特点特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。来一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变方向。改变脉冲顺序，改变方向。传感器接口和电机控制技术57xm 定子的六个定子的六个磁极上有控制绕

26、磁极上有控制绕组，两个相对的组，两个相对的磁极组成一相。磁极组成一相。 注意：注意：这里的这里的相和交流电中的相和交流电中的“相相”的概念不的概念不同。步进机通的同。步进机通的是直流电脉冲，是直流电脉冲，这主要是指线图这主要是指线图的联接和组数的的联接和组数的区别。区别。ABC定子定子转子转子IAIBIC传感器接口和电机控制技术58xm工作方式工作方式 (以三相步进电机为例以三相步进电机为例)步进电机的工作方式可分步进电机的工作方式可分为：为：三相单三拍、三相六拍、三相双三拍等。三相单三拍、三相六拍、三相双三拍等。一、三相单三拍一、三相单三拍（1 1）三相绕组联接方式：）三相绕组联接方式：Y

27、型型（2 2）三相绕组中的通电顺序为：）三相绕组中的通电顺序为：A 相相 B 相相 C 相相通电顺序也可以为：通电顺序也可以为： A 相相 C 相相 B 相相 传感器接口和电机控制技术59xm化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁化，吸引转子，使转子的位置力图使通电相磁路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。路的磁阻最小，使转、定子的齿对齐停止转动。A 相通电，相通电，A 方向的磁方向的磁通经转子形成闭合回路。通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁场的作用下，转子被磁A A 相通电使转子相通电使转子1 1、

28、3 3齿和齿和 AA 对齐。对齐。CABBCA3412传感器接口和电机控制技术60 xmCABBCA3412同理，同理，B相通电，转子相通电，转子2、4齿和齿和B相轴线对齐，相轴线对齐，相对相对A相通电位置转相通电位置转30 ；C相通电再转相通电再转30 。1C342CABBA传感器接口和电机控制技术61xm 这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。单三拍。三相单三拍的特点：三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子转过）每来一个电脉冲，转子转过 3

29、0 。此角。此角称为步距角，用称为步距角，用 b表示。表示。（2）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的）转子的旋转方向取决于三相线圈通电的顺序，改变通电顺序即可改变转向。顺序，改变通电顺序即可改变转向。传感器接口和电机控制技术62xm二、三相六拍二、三相六拍三相绕组的通电顺序为：三相绕组的通电顺序为： AABBBCCCAA 共六拍。共六拍。工作过程：工作过程：A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿和齿和A相对齐。相对齐。CABBCA3412传感器接口和电机控制技术63xm所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对所以转子转到两磁拉力平衡的位置上。相对AA 通电，转子转了通电，转子转了15。（1）

30、BB 磁场对磁场对 2、4 齿有磁拉力，该齿有磁拉力，该拉力使转子顺时针方拉力使转子顺时针方向转动。向转动。三、三相双三拍三、三相双三拍（2）AA 磁场继续对磁场继续对1、3齿有拉力。齿有拉力。CABBCA3412传感器接口和电机控制技术64xm脉冲分配器：决定步进电机定子绕组通电顺序脉冲分配器：决定步进电机定子绕组通电顺序和电机转速的电路和电机转速的电路。传感器接口和电机控制技术65xm功率放大器：分配器输出的脉冲信号必须经过功率放大器：分配器输出的脉冲信号必须经过功率放大，才能作为励磁电流送到步进电机定子功率放大，才能作为励磁电流送到步进电机定子绕组。绕组。步进电机按其励磁相数可分为两相、

31、三相、五相等；按其工作原理可分为反应式、永磁式、合混合式三大类。传感器接口和电机控制技术66xm单片机与步进电机驱动电路的连接一、由硬件完成脉冲分配的功能一、由硬件完成脉冲分配的功能在这种形式里，脉冲分配器、驱动电路由硬件完在这种形式里，脉冲分配器、驱动电路由硬件完成。单片机只提供步进脉冲和正、反转控制信号，成。单片机只提供步进脉冲和正、反转控制信号，步进脉冲的产生与停止、步进脉冲的频率和个数都步进脉冲的产生与停止、步进脉冲的频率和个数都可用软件控制。可用软件控制。传感器接口和电机控制技术67xm2 2由软件完成脉冲分配工作由软件完成脉冲分配工作 特点：由软件完成脉冲分配工作，不仅使线路简化，特点：由软件完成脉冲分配工作，不仅使线路简化，成本下降，而且可根据应用系统的需要，灵活地改成本下降，而且可根据应用系统的需要，灵活地改变步进电机的控制方案。变步进电机的控制方案。传感器接口和电机控制技术68xm步进电机驱动注意事项步进电机功率驱动电路工作在较大脉冲电流状态，步进电机功率驱动电路工作在较大脉冲电流状态，采用光电耦合器将单片机与步机电机隔离可以避免单片采用光电耦合器将单片机与步机电机隔离可以避免单片机与步进电机功率回路的共地干扰，此外，万一驱动电机与步进电机功率回路的共地干扰，此外，万一驱动电路发生故障。也不致让功放中较高的电压串入单片机而路发生故障。也不致