机电传动系统的微机控制.ppt

第八章机电传动系统的微机控制,8.1 电动机微机控制系统的组成与特点1电动机微机控制系统的组成电动机微机控制系统包括硬件和软件两大部分。其硬件主要由电动机、微型计算机、传感器、功率放大元件等部件构成。,8.1 电动机微机控制系统的组成与特点,软件指计算机的程序系统，可分为系统软件和应用软件。系统软件包括：管理微型计算机的操作系统各种语言编译程序调试系统诊断系统 应用软件包括针对具体电动机控制要求而编写的描述控制规律，以及对输入信号进行处理以形成输出信号的那些程序。,8.1 电动机微机控制系统的组成与特点,微型计算机主要完成的工作：（1）实时控制 即根据用户给定的要求及控制规律，对电动机的转速、转角等物理量实现在线实时控制；（2）监控 即完成电动机控制的实时监控，实现事故报警、事故处理、系统诊断与管理等工作；（3）数据处理 即完成电动机微机控制系统中必要的数据采集、分析处理、计算、显示、记录等。,8.1 电动机微机控制系统的组成与特点,2电动机微机控制系统的特点（1）电路简单（2）分时操作，多机控制（3）软件控制智能、灵活（4）可以实现复杂控制（5）控制精度高（6）人机交互及机机交互能力强 对于具体的电动机控制要求，应根据实际情况，实事求是地进行技术经济分析，以便确定合理的控制方案。,8.2 常用电力电子开关器件,8.2 常用电力电子开关器件8.2.1 晶闸管 晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，早期称为可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier，SCR），简称可控硅。晶闸管包括普通晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管和逆导晶闸管等。1普通晶闸管晶闸管是三端四层器件（a）晶闸管（b）晶闸管的内部结构（c）晶闸管的电气图形符号（d）晶闸管的等效电路,8.2 常用电力电子开关器件,1）晶闸管的开关特性（1）开始时若控制极G不加电压，则不论阳极A加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力。（2）晶闸管的阳极A和控制极G同时加正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件。（3）在晶闸管导通之后，其控制极G就失去了控制作用。欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极电流降低到一定值（小于维持电流）。2）晶闸管的特点（1）单向导电性。（2）属半控型半导体器件。控制信号只能控制其导通，不能控制其关断。（3）属电流控制器件。采用电流信号来实现其导通控制。,8.2 常用电力电子开关器件,2可关断晶闸管 可关断晶闸管是门极可控关断晶闸管（Gate Turn-off Thyristor，GTO）的简称。它是晶闸管的一种派生器件。可以通过门极加正脉冲触发其开通，也可加负脉冲控制其关断，因此它属于全控制器件。,8.2 常用电力电子开关器件,3双向晶闸管 双向晶闸管是一NPNPN五层三端（T1、T2和G）元件，有四个PN结。可以认为它是一对普通晶闸管反并联连接的集成。它有两个主电极T1和T2，一个门极G。门极使双向晶闸管在主电极的正、反两方向均可触发导通。,8.2 常用电力电子开关器件,8.2.2 功率晶体管（GTR）功率晶体管（Giant Transistor，GTR），也称电力晶体管，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管。它是一种电流控制型的全控开关器件。GTR具有自关断能力，并具有饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等特点。图8-5 GTR的结构和电气图形符号 图8-6 达林顿晶体管,8.2 常用电力电子开关器件,GTR必须有连续的基极驱动电流才能维持其导通，当驱动电流消失，它则立即自动关断。因此，GTR属于电流控制型的全控型半导体器件。对达林顿结构的GTR管进行封装，引出电极，便成为模块结构的器件，可以制成单管、双管、四管和六管模块（如图8-7所示）形式。,（a）单管模块（b）双管模块（c）四管模块（d）六管模块图8-7 模块化GTR的内部简化图,8.2 常用电力电子开关器件,在电力电子电路中，GTR多工作在开关状态，应避免其进入线性放大区。GTR的通断由基极电流IB控制，对基极电流（即驱动电流）有以下要求：（1）控制开通GTR时，驱动电流前沿要陡（小于1ms），并有一定的过冲电流，以缩短开通时间，减小开通损耗；（2）GTR导通后，应相应减小驱动电流，使GTR处于准饱和导通状态，且使之不进入放大区和深饱和区，以降低驱动功率；（3）GTR关断时，应迅速加上足够大的反向基极电流，迅速抽取基区的剩余载流子，确保GTR快速关断，并减小关断损耗；（4）当GTR处于阻断状态时，最好在其基极-发射极之间加一定的反向电压，增加GTR的阻断能力和防止误导通；（5）GTR的驱动电路要具有自动保护功能，以便在故障状态下能快速自动切除基极驱动信号，避免GTR遭受损坏。,8.2 常用电力电子开关器件,8.2.3 功率场效应晶体管（功率MOSFET）功率场效应晶体管（Power MOSFET，功率MOSFET）是通过利用栅极电压控制器件的截止或导通，利用多数载流子导电的单极型场控器件。除与GTR一样具有自关断能力外，它还有驱动功率小、开关速度快、工作频率高、热稳定性好、无二次击穿问题、安全工作区宽等优点。功率MOSFET的种类和结构繁多，按导电沟道极性可分为N沟道和P沟道，,8.2 常用电力电子开关器件,按导电沟道形成时栅极电压是否为零可分为耗尽型和增强型。当栅极电压为零时，漏源极之间存在导电沟道的称为耗尽型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为增强型。功率MOSFET的转移特性:功率MOSFET的输出特性:,8.2 常用电力电子开关器件,8.2.4 绝缘栅双极型功率晶体管（IGBT）绝缘栅双极型功率晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是集MOSFET和GTR的优点于一身的新型复合型器件。IGBT综合了功率晶体管GTR的饱和压降低，载流密度大，MOSFET的输入阻抗高，驱动功率很小，开关速度快，热稳定性好的优点，其驱动功率小而饱和压降低。由于性能好，价格不高，2GBT的应用领域不断扩大，在中小功率领域有取代GTR、MOSFET的趋势，在大功率领域也在不断挤占GTO的市场。,8.2 常用电力电子开关器件,（a）IGBT的结构（b）IGBT的简化等效电路（c）IGBT的电气图形符号图8-12 IGBT的结构、简化等效电路及电气图形符号IGBT的驱动原理与功率MOSFET相同，也是一种场控器件。,8.2 常用电力电子开关器件,（a）转移特性（b）输出特性图8-13 IGBT的主要特性,8.3 直流电动机的调速控制系统,8.3 直流电动机的调速控制系统8.3.1 直流电动机的调速方法调速方法有以下四种：调压调速变阻调速 弱磁调速 调压调磁调速 8.3.2 直流电动机的脉宽调制（PWM）调速 直流脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）调速又称直流斩波调速，它是在直流电源电压基本不变的情况下利用电子开关的通断，将直流电压变成一定频率的方波电压，通过调节开关通断的时间来控制方波脉冲的宽度，进而调节电枢端的平均电压值，达到实现直流电动机速度调节的目的。,8.3 直流电动机的调速控制系统,脉宽调制调速系统与晶闸管调速系统相比较，具有以下优点：开关频率高，滤波装置小，电动机容易连续调速，谐波小，直流电动机的损耗发热小；调速范围宽，可达1:10000，且低速运行稳定；响应速度快，动态抗干扰能力强；控制电路简单，系统效率高；功率因数高，对电网谐波污染小等。,8.3 直流电动机的调速控制系统,1直流脉宽调制电路的工作原理,电动机电枢两端的平均电压为,式中，r=t/T=Ud/U（0r1）称为导通率（或称占空比）。,8.3 直流电动机的调速控制系统,2脉宽调制(PWM)驱动电路 脉宽调制（PWM）驱动电路由两部分组成：电压-脉宽变换器开关功率放大器,8.3 直流电动机的调速控制系统,电压脉宽变换器对信号波形的调制过程,（a）UI=0时的调制（b）UI0时的调制（c）UI0时的调制,8.3 直流电动机的调速控制系统,H型桥式PWM晶体管功率放大器的电路原理图,8.3 直流电动机的调速控制系统,该功放电路及其所驱动的直流伺服电动机可有以下 4种工作状态：（1）当UI=0时，Us的正、负脉宽相等，直流分量为零，VT1和VT4的导通时间与VT2和VT3的导通时间相等，流过电枢绕组中的平均电流等于零，电动机不转。但在交流分量作用下，电动机在停止位置处微振，这种微振有动力润滑作用，可消除电动机启动时的静摩擦，减小启动电压。（2）当UI0时，Us的正脉宽大于负脉宽，直流分量大于零，VT1和 VT4的导通时间长于VT2和VT3的导通时间，流过绕组中的电流平均值大于零，电动机正转，且随着UI的增加，转速增加。（3）当UI0时，Us的直流分量小于零，电枢绕组中的电流平均值也小于零，电动机反转，且反转转速随着UI的减小而增加。（4）当UIUTPP/2或UI-UTPP/2时，Us为正或负的直流信号，VT1和VT4或VT2和 VT3始终导通，电动机在最高转速下正转或反转。,8.3 直流电动机的调速控制系统,双极式PWM变换器主要有如下优点：电流是连续的；可使电动机在四个象限中运行；电动机停止时，有微振电流，能消除摩擦死区；低速时每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于晶体管的可靠导通；低速时平稳性好，调速范围宽。双极式PWM变换器的缺点为：在工作过程中，四个功率晶体管都处于开关状态，开关损耗大，且容易发生上、下两管直通的事故。为了防止上、下两管同时导通，在一管关断和另一管导通的驱动脉冲之间应设置逻辑延时。,8.3 直流电动机的调速控制系统,8.3.3 直流电动机调速的微机控制系统 在直流电动机调速系统中，有晶闸管可控整流调速和脉宽调制（PWM）调速两种主要形式，它们既可以采用模拟控制，也可以采用微机数字控制。1、晶闸管直流电动机可逆调速系统的微机控制 在生产实践中，有许多场合要求直流电动机不仅能够调速，而且能快速四象限运行正、反向电动与正、反向制动。由于 T=KmI 所以：改变主磁通F（励磁电流）或者改变电枢电流的方向（两者只能选其一），才能改变电动机电磁转矩的方向。,8.3 直流电动机的调速控制系统,晶闸管直流电动机可逆调速系统的微机控制系统原理性框图 该系统由三大部分构成，即主电路、微机控制单元和脉冲功率放大电路，,8.3 直流电动机的调速控制系统,2直流电动机可逆脉宽调速系统的微机控制 该系统由三大部分构成，即主电路、微机控制单元和驱动电路。,直流电动机可逆脉宽调速系统的微机控制系统原理性框图,8.3 直流电动机的调速控制系统,目前，出现了一些专用于直流电动机驱动与控制的集成电路，如美国国家半导体公司（NS）推出的LMD18200芯片是专用于直流电动机H型桥式驱动的组件。同一LMD18200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、电动机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统。,LMD18200的内部电路框图,LMD18200的各引脚功能,LMD18200的逻辑真值表,采用LMD18200的直流电动机调速系统,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,8.4.1 三相交流异步电动机的变频调速概述 由交流电动机的相关理论可知，三相异步电动机定子每相电动势的有效值为:E1=4.44f1N1 如果定子每相电动势的有效值E1不变，则改变定子频率时会出现以下两种情况：（1）如果f1大于电动机的额定频率f1N，气隙磁通就会小于额定气隙磁通N，结果是电动机的铁芯没有得到充分利用，造成浪费；（2）如果f1小于电动机的额定频率f1N，气隙磁通就会大于额定气隙磁通N，结果是电动机的铁芯产生过饱和，从而导致过大的励磁电流，使电动机功率因数、效率下降，严重时会因绕组过热烧坏电动机。,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,因此，要想实现变频调速，且在不损坏电动机的情况下充分利用电动机铁芯，应保持每极气隙磁通不变。1）基频以下的恒磁通变压变频调速E1/f1=常数 当E1和f1的值较高时：E1U1 所以：U1/f1=常数 由于在基频以下调速时磁通保持不变，电动机在不同的转速下都具有额定的电流，转矩恒定，所以这种调速磁属于恒转矩调速。,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,2）基频以上的弱磁通恒压变频调速 在基频以上调速时U14.44f1N1 频率可以从f1N向上增加，但由于U1不能超过额定电压值UN，所以将使磁通随频率的上升而降低，相当于直流电动机弱磁升速的情况。由于在基频以上调速时U1=UN不变，所以当频率升高时，电动机的同步转速随之升高，气隙磁动势减弱，最大转矩减小，输出功率基本不变。这种变频调速方法叫做恒压弱磁调速法，它属于恒功率调速。,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,2三相交流异步电动机变频后的机械特性及其补偿,（a）基频以下调速时的机械特性,当电动机在基频以下调速时，曲线近似平行下降，这说明减速后的电动机仍然保持原来较硬的机械特性，但是电动机的临界转矩却随着电动机转速的下降而逐渐减小，这就造成了电动机带负载能力的下降。,1）变频后电动机的机械特性,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,2三相交流异步电动机变频后的机械特性及其补偿,（b）基频以上调速时的机械特性,当电动机在基频以上调速时，当频率f1升高时，不仅临界转矩下降，而且曲线工作段的斜率开始增大，使机械特性变软。,1）变频后电动机的机械特性,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,2）V/F转矩补偿法 V/F转矩补偿法的原理是：当频率下降时，适当提高U1/f1的比值，以补偿DU所占比例增大的影响，从而保持磁通F恒定，使电动机转矩回升。这种方法称为转矩补偿，也叫转矩提升。这种调整临界转矩的方法称为V/F控制法。V/F转矩补偿法只能补偿向基频以下调速时的机械特性，而对于基频以上调速时的机械特性不能进行补偿。,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,3三相交流异步电动机变频调速控制的主要优点：（1）调速范围广（2）调速平滑性好（3）工作特性（静态特性与动态特性）好（4）经济效益高,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,8.4.2 变频器简介 变频器即电压频率变换器，是一种将固定频率的交流电转换成频率、电压连续可调的交流电，以供给电动机使其运转的电源装置。1.变频器的主要类型1）根据变流环节分类：交-交变频器 交-直-交变频器 2）根据直流电路的滤波方式分类：电压型变频器 电流型变频器,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,3）根据控制方式分类：V/F控制变频器矢量控制变频器4）按照变频器输出电压的调制方式分类：脉冲幅值调制（PAM）型变频器 脉冲宽度调制（PWM）型变频器 5）按照输入电源的相数分类：单相变频器三相变频器等,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,2变频器的组成结构 变频器一般由主电路、控制电路和保护电路等部分组成。主电路用来完成电能的转换（整流和逆变）控制电路用来实现信息的采集、变换、传送和系统控制 保护电路除了用于防止因变频器主电路的过压、过流引起的损坏外，还应保护异步电动机及传动系统等。,变频器的内部结构框图和主要外部端口,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,3变频器的主要技术指标1）输入侧的主要额定数据输入侧的额定值主要是电压和相数。国内小容量的变频器输入指标有：三相交流，380V/50Hz，单相交流，220V/50Hz。2）输出侧的主要额定数据（1）输出电压额定值UN（V）：由于变频器在变频的同时也要变压，所以其输出电压额定值是指输出电压中的最大值。（2）输出电流额定值IN（A）：是指允许长时间输出的最大电流。（3）输出容量SN（kVA）：SN与UN和IN的关系为（4）配用电动机容量PN（kw）：变频器规定的配用电动机的容量，适用于长期连续负载运行。（5）超载能力：变频器的超载能力是指输出电流超过额定值的允许范围和时间。大多数变频器规定其值为150%IN、60s，180%IN、0.5s。,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,3）频率指标（1）频率范围 即变频器能够输出的最高额率fmax和最低频率fmin之差。各种变频器规定的频率范围不一样，一般最低工作频率为0.11Hz，最高工作频率为120650Hz。（2）频率精度 指变频器输出频率的准确程度，通常用变频器的实际输出和设定频率之间的最大误差与最高工作频率之比的百分数来表示。4变频器的选择方法 种类选择 容量选择,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,8.4.3 SPWM电压型变频器1正弦波脉宽调制（SPWM）的基本工作原理,SPWM的输出波形及与正弦波等效的SPWM波形,根据面积等效原理，把一个正弦半波分成N等分，然后把每一等分的正弦曲线与横坐标轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，这样可得到N个等高而不等宽的脉冲序列。这种脉冲的宽度按正弦规律变化而且和正弦波等效的PWM波形，称为SPWM波形。这种调制形式称为正弦波脉宽调制（SPWM）。,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,8.4.3 SPWM电压型变频器1正弦波脉宽调制（SPWM）的基本工作原理,图8-26 SPWM波的生成方法,SPWM波的生成方法,一组等腰三角形波（载波）与一个正弦波（调制波）进行比较，得到一组等幅而脉冲宽度随时间按正弦规律变化的矩形脉冲，即SPWM波。其相交的时刻（即交点）作为开关管“开”或“关”的时刻。,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,8.4.3 SPWM电压型变频器1正弦波脉宽调制（SPWM）的基本工作原理 SPWM变频器属于交-直-交静止变频装置，它先将50Hz交流电经整流变压器变到所需电压后，再经二极管整流和电容滤波形成恒定直流电压，然后送入由6个大功率晶体管（或IGBT）构成的逆变器主电路，输出三相频率和电压均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波，由此即可拖动三相异步电动机进行运转。这种变频器结构简单，电网功率因数接近1，且不受逆变器负载大小的影响，系统动态响应快，输出波形好，电动机可在近似正弦波的交变电压下运行，脉动转矩小，扩展了调速范围，提高了调速性能，因此在交流驱动调速中得到了广泛应用。,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,正弦波脉宽调制（SPWM）型V/F控制的变频调速系统组成框图,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,2）常见的SPWM波的调制方法（1）同步调制和异步调制 在SPWM逆变电路中，载波频率与调制信号频率之比称为载波比。载波比等于常数，并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式称为同步调制。相应地，载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式，称为异步调制。同步调制的优点：控制相对比较复杂；在调制信号的半个周期内，输出脉冲数、脉冲的相位固定；正、负半周的脉冲对称，没有偶次谐波；输出波形等效于正弦波；其缺点是：当逆变器输出频率很低时，每个周期内的SPWM脉冲数过少，低频谐波分量较大，使负载电动机产生转矩脉动和噪声。,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,异步调制的优点：调试方式控制相对简单 异步调制提高了低频时的载波比 异步调制的缺点：难以保持三相输出的对称性 存在偶次谐波 分段同步调制方式集同步和异步调制方式之所长，克服了两者的不足。在一定频率范围内采用同步调制，以保持输出波形对称的优点，在低频运行时，使载波比有级地增大，以采纳异步调制的长处，这就是分段同步调制方式。,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,（2）单极性调制和双极性调制 如果在调制信号的正半周或负半周内，对应的SPWM波形也只有相应的正极性或负极性脉冲，则这种调制方式称为单极性调制。相反，如果在调制信号的正半周或负半周内，对应的SPWM波形有正、负两种极性的脉冲，则这种调制方式称为双极性调制。,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,3）实施SPWM的基本要求（1）必须实时地计算出调制波（正弦波）和载波（三角波）的所有交点的时间坐标，根据计算结果，有序地向逆变桥中各逆变器件发出“通”和“断”的动作指令。（2）调节频率时，一方面，调制波与载波的周期要同时改变；另一方面，调制波的振幅要随频率而变，而载波的振幅则不变。因此每次调节后，所有交点的时间坐标都必须重新计算。,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,2SPWM脉冲的生成方法及专用集成芯片SM2001介绍生成SPWM脉冲的方法：完全由模拟电路生成由数字电路生成由模拟电路与数字电路相结合生成 SM2001是可产生三相SPWM驱动波形的大规模集成电路。它的工作频率宽，合成正弦谐波小，调节方便、准确，保护电路完善，无须外部元器件，而且有普通正弦波和高效电动机驱动波两种波形供选择，可广泛用于交流异步电动机的变频驱动，,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,1）SM2001的结构与逻辑框图,SM2001的外部引脚,SM2001的内部逻辑框图,SM2001有6个PWM输出端口，通过双边沿规则采样的方法产生6路PWM输出波形，分别驱动U、V、W三相桥式功率开关，每相的信号由2路与TTL电平兼容的引脚输出。,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,SM2001的引脚说明,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,3单片机控制交流异步电动机变频调速应用举例单片机控制的SM2001 SPWM控制异步电动机电路系统,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,2控制流程,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,8.4.4 通用变频器的介绍及应用 通用变频器 专用变频器 本课以国内使用最为普及的西门子MICROMASTER 440（简称MM440）为例，简要说明变频器的特点与使用。1MM440变频器的型号 MM440变频器的型号有8种：AF、FX和GX。每种变频器的额定功能按字母顺序排列越来越大，另外在每种型号中都有单相和三相两种输入电压。,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,1）A型变频器的两种规格（1）单相交流电压输入/三相交流电压输出，输入电压为220240VAC，功率为0.120.75kW。（2）三相交流电压输入/三相交流电压输出，输入电压为380480VAC，功率为0.371.5kW。2）F型变频器的三种规格（1）单相交流电压输入/三相交流电压输出，输入电压为220240VAC，功率为3745kW。（2）三相交流电压输入/三相交流电压输出，输入电压为380480VAC，功率为4575kW。（3）三相交流电压输入/三相交流电压输出，输入电压为500600VAC，功率为4575kW。,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,2MM440变频器的主要特点（1）易于安装、设置参数和调试。（2）牢固的EMC（电磁兼容性）设计。（3）可由IT（中性点不接地）电源供电。（4）对控制信号的响应是快速和可重复的。（5）参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置。（6）具有多个继电器输出。（7）具有多个模拟量输出（020mA）。（8）6个带隔离的数字输入并可切换为NPN/PNP接线。（9）2个模拟输入 IN1：010V，020mA和-10+10V。IN2：010V，020mA。（10）2个模拟输入可以作为第7和第8个数字输入。（11）BICO(二进制数据方式互联连接，内部功能互连)技术。（12）脉宽调制的频率高，因此电动机运行的噪声低。,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,2MM440变频器的主要特点（13）内置RS-485串行通信接口。（14）详尽的变频器状态信息和全面的信息功能。（15）能够实现矢量控制、V/F控制。（16）决速电流限制（FCL）功能，可避免运行中不应有的跳闸。（17）内置的直流注入制动。（18）具备复合制动功能，改善制动特性。（19）内置的制动单元(仅限外形尺寸为AF的MM440变频器)。（20）加速/减速斜坡特性具有可编程的平滑功能。（21）具有比例、积分和微分（PID）控制功能的闭环控制。（22）各组参数的设定值可以相互切换。（23）具备自由功能块。（24）具备动力制动的缓冲功能。（25）定位控制的斜坡下降曲线。,3MM440变频器的控制方式线性V/F控制带磁通电流控制（FCC）的线性V/F控制平方V/F控制特性曲线可编程的V/F控制 带能量优化控制（ECO）的线性V/F控制 有/无传感器矢量控制 有/无传感器的矢量转矩控制,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,4MM440变频器的功能方框图,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,8.4.5 PLC控制变频器的方法及应用PLC和变频器的配合使用的两种方法：（1）直接使用PLC的硬接点输出控制变频器的运行及停止，使用多段速度或D/A输出控制变频器的转速变化。在这种应用方式中，PLC与变频器通过外部接线完成连接，简单直接，但两者相互之间不能进行内部数据的传递。（2）使用RS-485通信控制。在这种连接方法中，PLC和变频器通过一条通信电缆连接，并将PLC的通信协议和变频器的RS-485通信协议的通信格式设成一样，然后通过PLC软件完成对变频器的控制。这种方法无须其他外部接线，除完成传统应用的功能外，还能进行内部的数据通信等。,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,在该例子中，要求控制系统能够控制电动机的正、反转和停止动作，另外还要能够平滑地调节电动机的转速。,在这里使用了S7-200系列PLC中的CPU222和模拟量扩展模块EM235。其地址分配如下。I0.0：电动机正转控制按钮SF1。I0.1：电动机停止控制按钮SF2。I0.2：电动机反转控制按钮SF3。Q0.0：电动机正转控制端（接MM440端口5）。Q0.1：电动机反转控制端（接MM440端口6）。AIW0：EM235模拟量输入通道1，接一个精密电位器。AQW0：EM235模拟量输出通道1，接MM440的端口3和4。,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,2变频器参数的设置 本例中使用基本操作面板对变频器的参数进行设置。首先按下P键对变频器进行复位，使变频器参数值回到出厂时的状态。然后将使用的电动机参数输入变频器，以使变频器能根据电动机的特性决定输出。假设使用的电动机型号为JW7114，则设置的电动机参数如表所示。,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,8.4 三相交流异步电动机的变频调速控制系统,3控制程序,8.5 步进电动机的微机控制,8.5.1 步进电动机的驱动 步进电动机不能直接接到直流（工频交流）电源或者微机上工作，必须使用专用的步进电动机驱动电路来进行驱动。步进电动机驱动电路如图所示，它一般由环形分配器、信号放大与处理级、推动级、驱动级等各部分组成，用于功率步进电动机的驱动器还要有多种保护线路。,8.5 步进电动机的微机控制,1单极性驱动电路 对于反应式步进电动机，绕组电流只要求向一个方向流动，因此其驱动电路采用单极性驱动。1）单电压功率驱动电路（a）单电压功率驱动电路（1相）（b）步进电动机单步响应曲线 单电压功率驱动电路一般这种方法只适用于小功率步进电动机。,8.5 步进电动机的微机控制,2）高低压功率驱动电路,（a）结构（b）控制信号,高低压功率驱动电路可以改善驱动系统的高频性能，使电动机在高频段也有较大的输出转矩，而在静止锁定时的功耗则比较小。,8.5 步进电动机的微机控制,3）斩波恒流驱动电路斩波恒流驱动方式能够使导通相不论在锁定、低频或高频工作时都保持额定值。,斩波恒流驱动电路原理图 斩波恒流驱动电路对应输入/输出波形图,归纳起来，斩波恒流驱动的特点是：（1）高频响应大大提高；（2）输出转矩均匀；（3）共振现象消除；（4）线路较复杂。,8.5 步进电动机的微机控制,2双极性驱动电路 对于永磁式或混合式步进电动机，由于工作时要求定子磁极的极性交变，所以通常要求其绕组由双极性驱动电路驱动，即绕组电流能正、反向流动。四相单极性驱动结构的两相双极性驱动的混合式步进电动机,8.5 步进电动机的微机控制,L298：L298是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电动机驱动芯片，它的逻辑电路使用5V电源，可接受标准TTL逻辑电平信号，其功放级使用546V电压，相电流可达2.5A，可以驱动电感性负载（如继电器、线圈、DC和步进电动机）。L298提供两个使能输入端，可以在不依赖于输入信号的情况下，使能或禁用L298器件。L298低位晶体管的发射器连接在一起，而其对应的外部端口则可用来连接一个外部感应电阻。L298还提供一个额外的电压输入，因此其逻辑电路可以工作在更低的电压下。,8.5 步进电动机的微机控制,L297：L297是一种步进电动机斩波驱动控制器，它能产生4相控制信号，可用于双极性两相步进电动机或四相单极性步进电动机的控制，能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式控制步进电动机。芯片内的PWM斩波器电路可在开关模式下调节步进电动机绕组中的电流。该集成电路采用模拟/数字兼容的I2L技术，使用5V的电源电压，全部信号的连接都与TTL/CMOS或集电极开路的晶体管兼容。L297的特性是只需要时钟、方向和模式输入信号。其相位是由内部产生的，因此可减轻微机和程序设计的负担。,8.5 步进电动机的微机控制,8.5.2 步进电动机的控制设计1脉冲分配 环形分配器的主要功能是把来源于控制环节的时钟脉冲串按一定的规律分配给步进电动机驱动器的各相输入端，控制励磁绕组的导通或截止。同时，由于电动机有正、反转要求，所以这种环形分配器的输出既是周期性的，又是可逆的。因此，环形分配器是一种特殊的可逆循环计数器，只是这种计数器的输出不是一般的编码，而是由电动机励磁状态要求的特殊编码。,8.5 步进电动机的微机控制,步进电动机驱动电源的环形分配器有硬件和软件两种形式。硬件环形分配器可分为集成触发器型、专用集成电路芯片型等。集成元器件的使用，使环形分配器的体积大大缩小，可靠性和抗干扰能力提高，并具有较好的响应速度，而且显示直观、维护方便。软件环形分配器采用微机的软件实现脉冲分配，因此它往往受到微机运算速度的限制，有时难以满足高速实时控制的要求。,8.5 步进电动机的微机控制,1）集成触发器型环形分配器,一个三相六拍环形分配器,8.5 步进电动机的微机控制,2）专用集成电路芯片型环形分配器 集成触发器型环形分配器的硬件电路复杂，使用较少，目前使用广泛的是专用集成电路芯片环形分配器。CH250是一款专用于三相步进电动机的芯片型环形分配器。CH250采用CMOS工艺，集成度高，可靠性好，双列16脚封装，有A、B、C三个输出端，当输入端CL或EN加上时钟脉冲后，输出波形将符合三相反应式步进电动机的要求，其输出电流能力为0.5mA，经推动级、驱动级放大后即可驱动电动机绕组。,使用CH250控制三相六拍步进电路机时的接线图,8.5 步进电动机的微机控制,3）软件环形分配器,8031单片机软环分三相六拍状态表,8.5 步进电动机的微机控制,2步进电动机的速度控制 控制步进电动机的运行速度，实际上就是控制系统发出CP脉冲的频率或者换相的周期。控制系统可用两种办法确定CP脉冲的周期，一种是软件延时法，另一种是定时器延时法。1）软件延时法 这种方法是在每次换相之后，调用一个延时子程序，待延时结束后再次执行换相。这种方法的优点是程序简单，占用片内资源少，全部由软件实现，且调用不同的延时子程序就可以实现不同的速度运行；缺点是占用CPU时间太多，不能在运行中处理其他的工作。这种方法虽然简单，但也只能在较简单的控制过程中采用。,8.5 步进电动机的微机控制,2）定时器延时法 微机系统一般均带有几个定时/计数器。在步进电动机的转速控制中，可利用其中某个定时器加载适当的定时值，经过一定的时间，定时器溢出，产牛中断信号，暂停主程序的执行，转而执行定时器中断服务程序，于是产生硬件延时效果。这种方法的优点是占用CPU时间少，CPU可以保持高效的处理进程，程序简单；缺点是占用片内资源，特别是定时器资源。这种方法只在片内定时器资源比较富裕的情况下考虑采用。,8.5 步进电动机的微机控制,3步进电动机的开环、闭环控制,在步进电动机的开环点-位控制系统中，为了保证运动的精度与效率，系统往往对从起点至终点的运行速度都有一定要求。如果要求运行的速度小于系统的极限启动频率（速度），则系统可以以要求的速度直接启动，运行至终点后可立即停发脉冲串而令其停止。,8.5 步进电动机的微机控制,如果要求运行的速度大于系统的极限启动频率（速度），为了防止出现可能发生的丢步或根本不运行的情况，则系统运行过程都需要有一个加速恒速减速低恒速一停止的过程。,升速的规律一般有两种选择：一是按照直线规律升速；二是按照指数规律升速。按直线规律升速时，加速度为恒定的，因此要求电动机产生的转矩为恒值；按指数规律升速时，加速度是逐渐下降的，接近电动机输出转矩随转速变化的规律。,8.5 步进电动机的微机控制,系统在执行加、减速的控制过程中，还需要准备下列数据：（1）加、减速的斜率。（2）升速过程的总步数。（3）恒速远行总步数。（4）减速运行的总步数。,THE END,