《检测与控制技术》课件第8章

第8章微机测控系统的出口—输出通8.1概述8.2模拟量输出通道8.3开关量输出通道思考题与习题8.1输出通道概述

1.输出通道的特点

根据微机测控系统的输出和控制对象对控制信号的要求，输出通道的主要特点是小信号输出、大功率控制。即控制对象大多为大功率伺服驱动机构，而微机的输出功率有限，要实现小信号控制大功率设备，必须在通道中设置驱动装置。

2.输出通道的结构类型输出通道是微机对采样数据实现某种运算处理后，将处理结果回送给被控对象的数据通路。它的结构取决于被控对象和控制任务。根据微机输出信号的形式和被控对象的特点，输出通道的结构如图8-1所示。

图8-1输出通道的结构

8.2模拟量输出通道

8.2.1模拟量输出通道的基本组成与类型

1.模拟量输出通道的基本组成模拟量输出通道主要由输出数据寄存器、D/A转换器和调理电路三部分组成，如图8-2所示。

图8-2模拟量输出通道的基本组成

（1）输出数据寄存器：用于保存计算机输出的数字量。目前，D/A转换器芯片内一般都带有输入寄存器，因此，在模拟量输出通道中，一般不需再设置专门的寄存器电路。（2）D/A转换器：是模拟量输出通道中的核心部件，其作用是将计算机输出的数字量转换为模拟量。转换后的模拟量有电压和电流两种类型。（3）调理电路：D/A转换器输出的模拟量信号往往无法直接驱动执行机构，需要进行适当地放大或变换。例如，常用的电动执行器需要0～10mA或4～20mA的电流信号来控制，这就需要把D/A转换器输出的电压信号变换成上述范围的电流信号。

2.模拟量输出通道的常见类型及其结构

1）数据分配分时转换结构数据分配分时转换结构如图8-3所示。它的特点是每个通道配置独立的数据寄存器和D/A转换器，数据经微机处理后通过数据总线分时地送给各通道数据寄存器R1，当控制逻辑选通某路数据寄存器的同时，该路D/A即实现数字信号到模拟信号的转换。一般各通道在D/A转换之后都设有信号调理电路，使输出模拟信号满足执行机构的要求。这种分时输出结构由于各通道输出的模拟信号存在时滞，因此，不适于多参量同步控制执行机构的系统。

图8-3数据分配分时转换结构

2）数据分配同步转换结构数据分配同步转换结构如图8-4所示。它的特点是多路输出通道中D/A转换器的操作是同步进行的，因此，各信号可以同时到达执行部件。为了实现这个功能，在各路数据寄存器R1与D/A转换器之间增设了一个数据寄存器R2。这样，数据总线分时将微机的输出数据送给各路数据寄存器R1

，然后再同时控制将数据由R1传送到R2，并启动D/A转换，得到同步输出的模拟量。显然，各通道输出的模拟信号不存在时滞，微机分时送出的各信号之间的时间差由第二个数据寄存器的同步作用所消除。

图8-4数据分配同步转换结构

3）模拟分配分时转换结构模拟分配分时转换结构如图8-5（a）所示，这种结构的特点是各通道共用一个D/A转换器和一个数据寄存器。微机处理后的数据通过数据总线按照通道顺序分时传送至数据寄存器并进行D/A转换，产生相应通道的模拟输出值。微机将某通道数据输出给D/A转换器进行D/A转换的同时，也命令该通道的S/H进入采样状态，当该通道完成D/A转换并准备接收下一通道数据时，微机让该通道的S/H进入保持状态。显然，只有正在进行D/A转换的那一通道的S/H是采样状态，而其他通道的S/H都处于保持状态。图8-5（a）中输入端并联的多路采样/保持器也可以简单地用一个模拟多路开关MUX和多个保持电容及电压跟随器或跟随保持放大器来代替，如图8-5（b）所示。

图8-5模拟分配分时转换结构（a）由微机控制的分时多通道结构；（b）由MUX控制的分时多通道结构

3.多通道输出结构的选择

上述的三种结构可归纳为两种分配方案。图8-3和图8-4所示的方案称为数据分配方案；图8-5所示的方案称为模拟分配方案。对于模拟分配方案，虽然存在保持电容漏电等影响，但保持电容的积分平滑作用可以使输出通道不会出现大幅度的突跳现象，另外只使用一片D/A，可降低整个通道的成本。相比之下，数据分配方案的电路比较复杂，每通道各采用一片D/A，成本较高，且通道的输出存在突跳现象，但是这种方案的输出电压（或电流）的精度和平滑程度仅由D/A的线性误差和分辨率所决定，其稳定性较好。

对于模拟输出通道方案的选择，首先，要考虑何种方案能满足系统的控制要求；其次，要考虑通道的成本。对于要求中等分辨率（8～10位）的输出通道，可选用价格较低的8～10位的D/A，并采用图8-4所示的方案（例如可选用具有双缓冲输入寄存器的D/A），能获得较好的性能。对于分辨率高于12位的输出通道，可采用如图8-5所示的模拟分配方案。但是，高于12位的输出通道由于保持电容的介质吸附效应指标不够理想，要使S/H满足高分辨率和高速度的要求比较困难，一般应采用如图8-4所示的方案。除上述情况外，当负载位置非常分散时，从抗干扰和成本角度考虑，最好采用串行传输把数据从微机传送到图8-4所示的各路缓冲寄存器R1中，在地址指令控制下把串行数据变换为并行数据，然后控制该通道的输入寄存器R2从缓冲寄存器R1中并行取入数据并进行D/A转换。

8.2.2模拟量输出通道的组成电路

1.D/A转换器

D/A转换器是把数字量转换为模拟量的器件，是模拟输出通道必不可少的核心环节。

1）D/A转换器的类型

D/A转换器品种繁多，但其内核都是把输入数字量中每位按其权值分别转换成模拟量，并通过运放求和相加，从而得到模拟输出量。这样，D/A转换器只在数据输入方式（串行、并行）和模拟输出信号形式（电流、电压）两方面有差别。因此，D/A转换器按输入方式分，有串行和并行两类；按输出形式分，有电流型和电压型两类。

2）D/A转换器的技术指标

(1)分辨率：含义与A/D转换器相同，是指最低一位数字量变化引起输出幅度的变化量，用LSB表示。

(2)转换精度：是指满量程时D/A的实际模拟输出值和理论值的接近程度。

(3)偏移量误差：是指输入数字量为零时，输出模拟量的偏移值。

(4)转换速度：又称为建立时间，是指输入数字量变化后，输出模拟量稳定到相应数值范围内（±1/2LSB）所经历的时间。它是D/A转换器的动态指标。

(5)输出电平：是指D/A转换器输出信号的形式与大小。不同型号的D/A转换器的输出电平相差较大，一般为5～10V，也有高压输出型的为24～30V。还有电流型的D/A转换器，低的为20mA，高的可达3A。

(6)输入编码：是指D/A转换器输入数字量的形式，通常有二进制、BCD码、补码、偏移二进制码等。

3）D/A转换器的选择（1）D/A位数的确定：模拟输出通道中所用D/A的位数取决于输出模拟信号所需要的动态范围。一般输出通道所用D/A的位数应与输入通道中所用A/D的位数相同。如果输出通道只是为了形成动态范围在20dB左右的监视波形，那么选5～7位D/A就够了，但在D/A转换之前须进行数字增益控制。如果输出通道只是驱动指针式仪表，那么仪表精度δ应与D/A位数n相匹配，即δ=2-n

（8-1)在开环微机测控系统中，若模拟执行元件的分辨率为VTH，它所需要的控制信号的最大摆幅为Vmax，则D/A的位数n应该满足下式：（8－2)在闭环微机测控系统中，D/A始终输出的是调整信号。因此，对其分辨率的要求比开环系统的要低，其位数主要根据系统要求的线性范围来确定。根据经验，一般比所用的A/D位数少两位就能满足要求。如果负载并没有明确要求，通常取D/A位数等于系统输出数字的位数。（2）主要结构特性和应用特性的选择：D/A转换器的这些特性虽然主要表现为内部结构的配置情况，但这些配置情况对D/A转换器的接口电路设计带来很大影响，主要有：①数字输入特性。数字输入特性包括接收数据的码制、格式以及逻辑电平等。目前批量生产的D/A芯片一般都只能接收自然二进制数字代码。因此，当输入数字代码为偏移二进制码或2的补码等双极性数码时，应外接适当的偏置电路后才能实现。输入数据格式一般为并行码，对于芯片内部配置有移位寄存器的D/A转换器，可以接收串行码输入。

对于不同的D/A芯片输入逻辑电平要求不同。对于固定阈值电平的D/A转换器一般只能和TTL或低压CMOS电路相连，而有些逻辑电平可以改变的D/A转换器能满足与TTL、高/低压CMOS、PMOS等各种器件直接连接的要求。但应当注意，这些器件往往为此设置了“逻辑电平控制”端或“阈值电平控制”端，用户要按手册规定，通过外电路给该端施加合适的工作电平。

②模拟输出特性。目前多数D/A转换器件均属电流型输出器件。手册上通常给出在规定的输入参考电压及参考电阻之下的满码（全1）输出电流IO。另外，还给出最大输出短路电流以及输出电压允许范围。对于输出特性具有电流源性质的D/A转换器，用输出电压允许范围来表示由输出电路（包括简单电阻负载或者运算放大器电路）造成输出端电压的可变动范围。只要输出端的电压小于输出电压允许范围，输出电流和输入数字之间就会保持正确的转换关系，而与输出端的电压大小无关。对于输出特性为非电流源特性的D/A转换器，如AD7520、DAC1020等，无输出电压允许范围指标，电流输出端应保持公共端电位或虚地，否则将破坏其转换关系。

③锁存特性及转换控制。D/A转换器对输入数字量是否具有锁存功能将直接影响与CPU的接口设计。如果D/A转换器没有输入锁存器，通过CPU数据总线传送数字量时，必须外加锁存器，否则只能通过具有输出锁存功能的I/O口给D/A送入数字量。有些D/A转换器并不是对锁存的输入数字量立即进行D/A转换，而是只有在外部施加了转换控制信号后才开始转换和输出。具有这种输入锁存及转换控制功能的D/A转换器（如DAC0832)，在CPU分时控制多路D/A输入时，可以做到多路D/A转换的同步输出，如图8-3所示。

④参考电压。在D/A转换器中，参考电压是惟一影响输出结果的参量，对接口电路的工作性能、电路的结构有很大影响。使用内部带有低漂移精密参考电压源的D/A转换器（如AD563/565A)，不仅能保持较好的转换精度，而且可以简化接口电路。

4）D/A转换器与微处理器的接口技术

D/A转换器的种类很多，常用的有：8位分辨率的DAC0800系列、DAC0830系列；10位分辨率的DAC1020系列、AD7520系列；12位分辨率的DAC1208系列、AD1230系列、DAC1220系列、AD7521系列等。有些D/A转换器内部还带有参考电压源、输出放大器等，可实现模拟电压的单极性或双极性输出。下面仅以几种常用的D/A转换器和MCS-51系列单片机为例，介绍D/A转换器与微处理器的接口技术。

（1）8位D/A转换器DAC0832与MCS-51系列单片机的接口技术。DAC0832是具有8位分辨率的并行输入D/A芯片，内部有两级锁存功能；无内部参考电源，需外接；输出是电流型，要获得电压输出需外加转换电路。①DAC0832的输出方式。DAC0832有单极性和双极性两种输出方式，如图8-6所示。由于DAC0832是电流输出型的，使用时一般需要通过运算放大器转换为电压信号。图中A点为单极性输出，B点为双极性输出。

图8-6DAC0832的模拟电压输出电路

②DAC0832的参考电压。DAC0832的参考电压UREF可采用+5V或-5V，也可采用+10V或-10V。当采用负参考电源时，对于单极性输出，00H～0FFH的数字量对应的模拟量输出为0～+UREF；对于双极性输出，00H～0FFH的数字量对应的模拟量输出为-UREF

～+UREF

。当采用正参考电源时，对于单极性输出，00H～0FFH的数字量对应的模拟量输出为0～-UREF；对于双极性输出，00H～0FFH的数字量对应的模拟量输出为-UREF

～+UREF。③零点与增益调整。以双极性为例，零点调整时，向DAC0832输入数字量80H，调节第1级运放的调零电位器，使VA＝UREF/2的误差在±1/10LSB之间；调节第2级运放的调零电位器，使VB＝0的误差在±1/10LSB之间。对于增益调整，向DAC0832输入数字量0FFH，调第2级运放的反馈电阻，使VB＝UREF-1LSB（设UREF为正）的误差在±1/10LSB之间。④DAC0832与MCS-51系列单片机的接口。DAC0832与MCS-51单片机有两种基本的接口方法，即单缓冲器接法和双缓冲器同步接法。若系统中有一路D/A转换或多路转换但不要求同步输出时，可采用单缓冲器方式接口，如图8-7所示。让ILE接＋5V，CS、XFER都与地址选择线（图中为P2.7）相连，WR1、WR2都由8031的WR控制。当选通DAC0832后，只要输出WR控制信号，DAC0832就能一步完成数字量的输入锁存和D/A转换输出。图8-7单缓冲器方式接口

对于多路且有同步要求的D/A转换接口，必须采用双缓冲器方式接口，如图8-8所示。P2.5和P2.6分别用于选择两路D/A转换器的输入寄存器；P2.7接到两路D/A转换器的XFER端控制同步转换；WR端与WR1和WR2相连。图8-8双缓冲器方式接口

（2）12位D/A转换器DAC120X与MCS-51系列单片机的接口技术。DAC120X也是电流输出型的D/A转换器，该系列产品有DAC1208、DAC1209和DAC1210三个型号。其内部结构、工作原理和引脚排列均相同，惟一区别在精度上，DAC1210精度最高。下面以DAC1208为例，介绍其与MCS-51单片机的接口技术。

DAC1208具有两级缓冲，参考电压ＵREF为-10～+10V，工作电源为+5～+15V。DAC1208与MCS-51单片机的接口电路如图8-9所示。

图8-9DAC1208与MCS-51单片机的接口电路

8位数据总线D7～D0接至8031的P0口，A0由8031P0口输出的低八位地址的最低位提供。假定译码器对A15～A2译码，则DAC1208对应三个地址：当S2有效和A0＝1时，写数据高八位；当S2有效和A0＝0时,写数据低四位数据；当S1有效时，12位数据同时送到12位DAC寄存器并锁存。DAC1208数据线的低四位DI3～DI0接在DI11～DI8上。

2.反多路开关和采样/保持器

1）反多路开关图8-5（b）中的多路模拟开关MUX与图4-1中的多路模拟开关MUX的功能是相反的。图4-1中的MUX的功能是实现多选一，而图8-5（b）中的MUX的功能则是实现一对多，所以称为反多路开关。其选择方法请参考4.1.3节。

2）采样/保持器采样/保持器在模拟量输出通道和模拟量输入通道中的用法有所不同，前者是保持D/A转换后的模拟电压，后者是保持供A/D转换的模拟电压。在图8-5（a）中，每当D/A转换第i路通道的数据时，第i路通道的采样/保持器便处于采样状态，其他时间均处于保持状态。因此，每路采样/保持器的保持时间tH均为tH＝Mt0（8-3)式中:M为输出通道数；t0为微机输出数据字的时间间隔。

3.调理电路模拟信号输出通路中的调理电路有滤波、电压/电流转换和放大等几种形式，但并不是必不可少的，这取决于输出通道负载的要求。

1）滤波器如果输出通道负载要求较为平滑的电压输出，则D/A输出端不仅要接S/H，而且S/H之后还要接平滑滤波器。平滑滤波器应为低通滤波器，其截频fh应满足（8-4)式中,保持周期Ts（即tH）由式（8-3）决定。

2）电压/电流转换微机测控系统常常要以电流方式输出，因为电流输出有利于长距离传输，且不易引入干扰。目前，把0～10mA或4～20mA的直流电流信号作为统一的标准信号。而大多数D/A电路都以电压形式输出，因此在微机测控系统的输出通道中通常设置电压/电流（V/I）转换电路，以便将D/A电路输出的电压信号转换成电流信号。

AD694是常用的单片大信号输入集成V/I变换器。AD694输入电压范围有0～2V和0～10V等，输出电流范围有0～20mA和4～20mA，具有2.000V和10.000V精确电压基准，电源电压范围为4.5～36V，输入电路具有缓冲区，输出可外加晶体管驱动，非线性小于0.002％，采用16脚DIP封装。

AD694的基本接法如图8-10所示。一般1、2引脚相连，5、9引脚相连，信号从同相端3引脚输入，当Ui=0～10V时，输出Io=4～20mA。供电电源从13引脚引入，并对地跨接0.1μF的去耦电容。图8-10

AD694的基本接法

表8-1不同输入/输出范围与引脚的连接关系

在AD694的具体应用中，要考虑负载的形式。若驱动的是感性负载，就必须在电路中采取保护措施，以免反电势损坏器件，其接法如图8-11所示。图中VD1、VD2为保护二极管，可选用1N4001整流型二极管。图8-11AD694的保护电路

在高精度的变换应用中，为了减小器件本身的热误差，AD694的输出应采用三极管驱动，如图8-12所示。

图8-12AD694的驱动电路

3）频率/电压转换由于频率信号输出占用总线数量少，易于远距离传送，抗干扰能力强，因此，在微机测控系统中，若被控对象的距离较远，通常采用频率量输出，这样模拟量输出通道就要使用F/V转换器。由于没有专用的集成F/V转换器，要实现F/V的功能，常使用V/F转换器在特定的外接电路下构成F/V转换电路。采用LM331V/F转换器实现F/V转换的电路如图8-13所示。

图8-13采用LM331构成的F/V转换电路（a）简单F/V转换（10(1±0.06％)kHZ）；（b）精密F/V转换（10(1±0.01％)kHz）

其基本原理是：输入频率脉冲fIN经过RC网络接入LM331的输入比较器阈值端6引脚，这样输入脉冲的下降沿就起到控制比较器触发定时的作用。与V/F转换器相同，电流源输出的电流经过RC网络即可获得与fIN信号频率成正比的直流电压。图8-13（a）是简单的F/V转换电路，RL（100kΩ）及CL（1μF）对电流进行滤波，纹波峰值小于10mV。其输出电压为图8-13（b）是精密F/V转换电路，由运放提供缓冲输出。这种电路具有双极点滤波功能，对于高于1kHz的频率信号，纹波峰值小于5mV，响应时间比图8-13（a）的要快。但对于低于200Hz的频率信号，其输出纹波比图8-13（a）的要差，需要调整滤波器的时间常数，以满足响应速度快和纹波小的目的。图8-13（b）中，RX满足下式其输出电压为

4）线性功率驱动在模拟量输出通道中，若被控对象为模拟显示、记录装置或直流伺服机构等，需要对D/A转换后的模拟输出电压进行线性放大，常采用线性功率驱动接口。线性功率驱动接口的主要器件有分立元件构成的功率放大器和集成功率运算放大器等。由于集成功率运算放大器电路简单、可靠性高，在模拟量输出通道的直流伺服驱动接口中被广泛采用。下面介绍集成功率运算放大器及其使用方法。

OPA501、OPA511/512、OPA541是由美国B-B公司推出的典型大功率运算放大器，输出电流可达10～15A。图8-14是OPA501的电路结构与引脚图。

图8-14OPA501的电路结构与引脚图（a）电路结构；（b）引脚连接

设计OPA501功率放大电路时，应分别外接电阻+Rsc和-Rsc，以独立调节正和负的负载电流范围，其计算公式如下

式中，ILIMIT为所要求的最大电流(A)。限流电阻功耗为

Pmax=±Rsc(ILIMIT)

2W由于大的输出电流能产生显著的接地回路误差，因此，对于功率运算放大器的接地方法要特别注意。信号地和电源公共地只能有一点相连，不受负载电流的影响；电源和负载线应与放大器输入和信号线分开走线。

8.3

开关量输出通道

8.3.1开关量输出通道的基本组成与作用

1.开关量输出通道的基本组成开关量输出通道主要由输出锁存器、I/O电气接口电路（输出驱动电路）、输出口地址译码器等组成，如图8-15所示。

图8-15开关量输出通道的结构

2.开关量输出通道的作用开关量输出通道各部分的作用如下：

(1)输出口地址译码器主要完成开关量输出通道的选通。

(2)输出锁存器的作用是锁存CPU的输出数据，在未刷新前保持稳定以供外部设备使用。输出锁存器可以使用各种可编程的外围接口电路，如8255、8155等，也可以使用简单的中小规模集成电路，如74LS240、74LS244、74LS245、74LS273、74LS377等。

(3)输出驱动电路主要完成电平转换、隔离和功率驱动等。

8.3.2开关量输出驱动电路

1.直流负载驱动电路对于直流低压负载，如低压电磁阀、指示灯或小型直流电机等，可采用功率晶体管、OC门电路、运算放大器等驱动。常见的直流负载驱动电路如图8-16所示。

图8-16直流负载驱动电路（a）功率晶体管驱动器；（b）达林顿管驱动器；（c）MOSFET驱动器

2.交流负载驱动电路交流负载的功率驱动电路，通常采用晶闸管来构成。晶闸管有单向晶闸管（也称单向可控硅）和双向晶闸管（也称双向可控硅）两种类型。

晶闸管只工作在导通或截止状态，使晶闸管导通只需要极小的驱动电流，一般输出负载电流与输入驱动电流之比大于1000，是较为理想的大功率开关器件，通常用来控制交流大电压开关负载。由于交流电属强电，为了防止交流电干扰，晶闸管驱动电路不宜直接与数字逻辑电路相连，通常采用光电耦合器进行隔离，如图8-17所示。图中P1.0输出锁存开关量，三态缓冲门74LS244接成直通式。当P1.0＝0时，光电耦合器中的发光二极管导通，外接三极管T截止，双向晶闸管导通，交流电源给负载加电。反之，当P1.0=1时，负载断电。外接发光二极管LED用作开关指示。如果将图中双向晶闸管换成单向晶闸管，则在P1.0=0期间，负载得到的不再是双向交流电压，而是单向脉动电压。

图8-17交流负载驱动电路

3.继电器驱动电路

一般在驱动大型设备时，常将继电器作为测控系统的第一级执行机构，通过第一级继电器输出，可实现低压到高压或直流到交流的过渡。所以，继电器是最常用的开关量输出方式。它适用于对响应速度要求不高的场合，同时还起到开关量输出电路的隔离。由于继电器线圈需要一定的电流才能动作，因此，必须在微机的输出I/O口（或外接输出锁存器74LS273）与继电器线圈之间接7406或75452P等驱动器。继电器线圈是电感性负载，当电路开断时，会出现电感性浪涌电压。所以，在继电器两端要并联一个泄流二极管以保护驱动器不被浪涌电压所损坏。

图8-18典型的继电器驱动电路

4.固态继电器驱动电路

固态继电器（SSR）是一种无触点通断功率型电子开关，当在输入端施加（切除）触发信号后，其输出端主回路呈导通（阻断）状态。由于器件内部采用了光电耦合器，从而实现了输入与输出之间的电隔离及信号耦合。SSR的控制电流较小，一般用TTL、HTL、CMOS等集成电路或晶体管就可直接驱动，适用于在微机测控系统中作输出通道的控制元件。

SSR的输出端用功率晶体管做开关元件的固态继电器称为直流固态继电器（DC-SSR），如图8-19（a）所示，主要用于直流大功率控制场合；输出端用双向可控硅做开关元件的固态继电器称为交流固态继电器（AC-SSR），如图8-19（b）所示，主要用于交流大功率驱动场合。

图8-19直流SSR与交流SSR（a）DC-SSR；（b）AC-SSR基本的SSR驱动电路如图8-20所示。因为SSR的输入电压为4～32V，DC-SSR的驱动电流小于15mA，AC-SSR的输入电流小于500mA，因此，要选用适当的电压UCC和限流电阻R。DC-SSR可用OC门或晶体管直接驱动，AC-SSR可加接晶体管驱动。DC-SSR的输出断态电流一般小于5mA，输出工作电压为30～180V。图8-20（a）所接为感性负载，对一般电阻性负载可直接加负载设备。AC-SSR可用于220V、380V等常用市电场合，输出断态电流一般小于10mA，一般应让AC-SSR的开关电流至少为断态电流的10倍，负载电流若低于该值，则应并联电阻Rp，以提高开关电流，如图8-20（b）所示。图8-20基本的SSR驱动电路（a）DC-SSR驱动电路；（b）AC-SSR驱动电路

8.3.3开关量输出通道设计举例

1.直流电动机的转速控制

1）直流电动机的转速控制原理直流电动机的转速公式为

（8-5）

式中:n为电动机的转速；Ud为电枢电压；Id为电枢电流；R为电枢回路总电阻；Ce为电动机的时间常数。

2）PWM控制方式

PWM控制方法的思路是先将直流电动机启动一段时间，然后切断电源，由于直流电动机的转动具有惯性，因此将继续转动一段时间。在直流电动机尚未停止转动前，再次接通电源，于是直流电动机再次加速。改变直流电动机电源通断时间（脉冲宽度）的比例，即可达到调速的目的，如图8-21所示。

图8-21直流电动机的控制曲线

设vmax为电动机最大转速，vmin为最小转速，脉冲宽度为t，脉冲周期为T，则直流电动机的平均速度vd为vd=(vmax-vmin)×D

（8-6）

式中，D=t/T

，称为占空比。占空比越大，转速越高，反之，转速就越低。平均速度vd与占空比D的关系如图8-22所示。

图8-22平均转速与占空比的关系

基于PWM的直流电动机转速控制有开环和闭环两种。（1）开环PWM直流电动机调速系统：开环PWM调速系统原理图如图8-23所示，它由五部分组成。

图8-23开环PWM调速系统原理图

①转速给定：由人工通过输入设备，将系统要求的给定转速输入微机。②脉冲宽度发生器：微机根据输入的给定转速，通过程序计算出占空比D，产生满足给定的脉冲序列，输出给驱动器。③驱动器：用以放大计算机输出的脉冲宽度调制信号，通常由放大器或继电器组成，也可由TTL集成电路构成。④电子开关：用来接通或断开电动机电枢的供电电源，可用晶体管、场效应管、晶闸管等功率器件组成，也可以由继电器控制。

⑤电动机：是执行机构，用以带动被控对象。开环脉冲宽度调速系统的硬件电路如图8-24所示。图8-24中，2732为4k的EPROM，地址空间为0000H～0FFFH。在8031单片机的四个I/O口中，P0为EPROM的地址/数据口；P2口为高八位地址口；P1口作为占空比的开关输入口；P3.4为输出控制口，经驱动器和晶体管控制直流电动机的电枢电压。

图8-24开环脉冲宽度调速系统的硬件电路

直流电动机的转速由P3.4输出的脉冲的占空比决定，占空比由开关S7～S0设置，8031通过P1口读入后，按式（8-6）求出占空比（亦即通电时间）。

PWM控制程序的设计有两种方法：一种是软件延时法，一种是计数法。现以计数法为例说明。根据图8-24，式（8-6）可变为

则

式中，N为给定值，以8位二进制数表示，取值范围为0～256。

采用计数法可以预先设定一个寄存器R3作为计数器，系统启动后可先读入N值，然后将N值与计数器R3做比较。若计数值小于N，则直流电动机通电；若计数值大于或等于N，则直流电动机断电。相应程序清单如下：

MOVP1，＃0FFH；准备读P1口开关量LOOP1：MOVR4，＃0FFH；设R4为循环次数计数器

SETB70H；设（70H）为通电状态标志

MOVR3，＃00H；计数器R3清零LOOP2：MOVA，P1；读入开关量N

CLRCSUBBA，R3；把开关量和R3做比较

JNZTHL；若计数值小于N，则转THL

CLR

70HTHL：MOVC，70HMOVP3.4，C；通断电状态值送P3.4ACALLDFLAY；延时

INCR3；计数器R3加

DJNZR4，LOOP2；若一遍循环未完，则转LOOP2AJMPLOOP1；若一遍循环完，则重新开始DELAY：MOVR5，＃M0；延时程序LOOP3：MOVA，＃M1LOOP4：DECAJNZLOOP4DJNZR5，LOOP3RET（2）闭环PWM直流电动机调速系统:在微机测控系统中，为了提高控制精度通常采用闭环调速系统。闭环调速系统是在开环系统的基础上增加了电机速度检测回路，将检测到的速度与给定值进行比较，并由数字调节器（如PID调节器）进行调节，其原理图如图8-25所示。

图8-25闭环PWM直流电动机调速系统原理图

2.步进电动机的控制

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移的特种电动机，是工业过程控制及仪表中的主要控制元件之一。步进电动机有三相、四相、五相、六相等多种。现以常用的三相步进电动机为例，来说明其控制方式。这种步进电动机有三个绕组，当按不同的顺序向绕组通以脉冲时，步进电动机会以不同的方向转动，它的转速取决于通电脉冲的频率。因此，步进电动机的通电方式决定了它的步向控制方式。三相步进电动机有三种步向控制方式：

(1)单三拍：其通电顺序为A→B→C→A（正转）或A→C→B→A（反转）。

(2)双三拍：其通电顺序为AB→BC→CA→AB（正转）或AB→CA→BC→AB（反转）。

(3)三相六拍：其通电顺序为A→AB→B→BC→C→CA→A（正转）或A→CA→C→CB→B→BA→A（反转）。

1）步进电动机的控制接口设计本例利用MCS-51系列单片机8031完成对步进电动机的控制。由于步进电动机的驱动电流比较大，因此单片机与步进电动机的连接需要设置接口电路及驱动电路。接口电路可以是单片机内部的I/O接口，也可以是可编程接口芯片，如8255、8155等。驱动器可以是大功率复合管，也可以是专门的驱动器。有时为了抗干扰或避免驱动电路发生故障造成功率放大器中的高电压信号损坏单片机，通常在驱动器与单片机之间加一级光电耦合器。

图8-26所示的电路就是一个基于上述思想而设计的控制步进电动机的开关量输出电路。从图8-26中可以看出，当P1口的某一位（如P1.0）输出为0时，经反向驱动器变为高电平，使达林顿管导通，A相绕组通电；反之，当P1.0＝1时，A相不通电。同理，由P1.1和P1.2控制的B相和C相也是如此。总之，只要按一定的顺序改变P1.0～P1.2三位通电的顺序，就可控制步进电动机按一定的方向步进。

图8-26步进电动机与单片机的接口

2）步进电动机的方向控制由图8-26可知，步进电动机的A、B、C三相绕组由8031单片机的P1.0、P1.1、P1.2控制。为了实现步进电动机的方向控制，需要按照上述三相步进电动机的步向控制方式来控制P1.0、P1.1、P1.2输出的脉冲序列，即建立步向控制方式的数学模型，如表8-2所示。

表8-2步向控制方式的数学模型

3）步进电动机转动步数的确定要想使步进电动机按一定的速度精确地旋转到预定的位置（角度或位移），是步进电动机控制程序设计中十分重要的问题。步进电动机常被用来控制角度和位移，其步距角公式为

（8-7）

式中:N为运行拍数（N＝MC