第四章常用控制程序的設計第4章常用控制程序的設計開關量輸出接口2電機控制接口技術3報警程序設計1本章要點步進電機控制接口技術4第4章常用控制程序的設計課程索引[課前思考]1.工業控制系統中常用報警方式有幾種?2.PWM調速系統的工作原理?[教學要求]

掌握：報警程序設計、開關量輸出接口技術、電動機控制接口技術、步進電機控制接口技術4.1報警程序設計引言

報警程序是計算機控制程序中必不可少的一部分。在控制過程中，有一些參數被限定在某一范圍，超出之后輕則會造成次品、浪費等，重則造成設備損壞、人員傷亡等。報警程序就是提醒操作人員注意或采取緊急處理措施。本節主要內容常用報警方式簡單報警程序設計越限報警程序設計4.1報警程序設計4.1.1常用報警方式4.1.1常用報警方式

一、發光報警

在設備中常用發光二極管（LED）發光報警，其電路如下。 LED驅動電流一般為5---30mA， 74LS373（273、377，或8255等）為 數據鎖存， 74LS06（或74LS07） 為驅動器，R為限流電阻。 R=（V-0.5）/I 0.5為LED的結電壓。 R：200 450 1000 I：22.5 10 4.5（mA） 若用白熾燈報警，則需用繼電器 進行控制，只需將電路中的LED換成 繼電器、電阻換小一些的即可。4.1報警程序設計4.1.1常用報警方式

二、發聲報警

在設備中，發聲報警的方法有多種，可用報警喇叭發聲、發聲芯片發聲、編程發聲、可編程語音芯片發聲等。

1、報警喇叭發聲 有一種壓電式蜂鳴器，加上3—24V直流電壓，便發出“嘟、嘟、嘟……”的報警聲，電壓越高，聲音越大。

2、編程發聲 用計算機，或者利用設備中單片機，編程發聲程序，使喇叭發出各種各樣的報警聲，甚至音樂。

3、可編程語音芯片發聲 使用時先錄制聲音，然后編寫程序，可根據不同的情況，發出不同的語音提示。如ZY1420A語音模塊，分為160段，每段可錄制0.125s，錄音總長度為20s。4.1報警程序設計4.1.1常用報警方式

4、發聲芯片發聲 用發聲芯片發聲報警，是常用的方法，如汽車倒車、汽車灑水、門鈴、玩具發聲等，都是使用的發聲芯片發聲。如下表所示的KD-956X系列報警聲音芯片（見表4--1）。 型號聲光性能KD-9561機槍、警笛、救護車、消防車聲KD-9561B嘟嘟嘟……聲KD-9562機槍、炮彈等八種聲音KD-9562B光控報警聲KD-9562C單鍵八音KD-9563三聲二閃光KD-9565六聲五閃光4.1報警程序設計4.1.1常用報警方式 KD-956X系列聲音芯片主要特性： 1）工作電壓范圍寬（3---4.5V） 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； （R1發生頻率，R1：180k---290k） 4）外接一只小功率三極管便可驅動揚聲器。 KD956X系列聲音芯片的內部結構：包含有振蕩器、節拍器、音色發生器、地址計數器、控制和輸出等部分。下面為KD9561聲音芯片的外形圖、應用電路圖和接線圖。4.1報警程序設計4.1.2簡單報警程序設計

簡單報警程序設計方法可以分兩種

全軟件報警程序： 對測量的參數（溫度、壓力、流量、速度、成分等）與規定的上、下限進行比較，根據比較結果做報警（聲、光）和處理。

硬件申請、軟件處理報警程序： 這種方法的報警判斷不是程序完成的，而是直接由電路或設備完成的，超過限定值時向CPU發出中斷請求，CPU響應中斷后進行報警（聲、光）和處理。4.1報警程序設計4.1.2簡單報警程序設計

一、軟件報警程序設計

如鍋爐水位自動調節系統，主要參數：水位、進水流量、蒸汽流量。 根據鍋爐中的水位、進水流量和蒸汽流量，調節進水閥門，以保持鍋爐中的水位。4.1報警程序設計4.1.2簡單報警程序設計 鍋爐報警參數：

X1：水位（高、低）； X2：爐膛溫度；（高、低） X3：蒸汽壓力（低）4.1報警程序設計4.1.2簡單報警程序設計 軟件報警子程序流程圖。 X1：水位（高、低） X2：爐膛溫度（高、低） X3：蒸汽壓力（低）4.1報警程序設計4.1.2簡單報警程序設計 二、硬件直接報警程序設計

對于某些根據開關量 狀態進行報警的系統，為 了使系統簡化，可以不用 上面所說的軟件編程判斷 報警方法，而是采用硬件 申請 中斷的方法，進行報 警設計。 右圖為硬件直接報警 系統原理圖。04為反相器。 有參數超限便向CPU 產生中斷請求，從C口輸入、 高低4位交換、再從C口輸 出。4.1報警程序設計4.1.3越限報警程序設計 前面講的報警程序比較簡單，實際中測量值在某一個范圍上下擺動，為了避免測量值在極限值附近擺動造成頻繁的報警，因此在上下限附近設定一個回差帶，如下圖所示。4.1報警程序設計4.1.3越限報警程序設計 程序基本思想： （1）比較判斷： 將采樣、數字濾波后的數據與①該被測點上、下限給定值進行比較，檢查是否越限；②或與上限復位值、下限復位值進行比較，檢查是否復限。

（2）處理： ①如越限，則分別置上、下限標志，并輸出相應的聲光報警信號；②如復限，則清除相應標志。4.2開關量輸出接口技術引言

接口在工業上，被控制的對象中的執行機構的動力部分，一般都是強電，但計算機系統是弱電，要弱電去控制強電，就需要接口。

對于只進行通斷控制的機構，如電機的啟停，照明的開關，報警的控制等，只需要開關量來進行控制，接口常用的器件是繼電器或可控硅。在實際應用中，因為執行機構中的強電在開、關過程中會產生很強的電磁干擾，若在強電和弱電之間不加隔離，就會對計算機系統造成誤動作和損壞。因此在接口電路中，一是要放大（驅動），二是要隔離。本節主要內容 1、光電隔離技術 2、繼電器輸出接口技術 3、固態繼電器輸出接口技術 4、大功率場效應管開關接口技術 5、可控硅接口技術 6、電磁閥接口技術4.2開關量輸出接口技術4.2.1光電隔離技術常用的光電隔離器的種類有：發光二極管/光敏三極管（光敏復合晶體管、光敏電阻、光觸發可控硅）等，其工作原理如下圖所示。

工作原理：

隔離電壓：塑料封裝一般為2500V左右陶瓷封裝一般為5000---10000V左右

輸入驅動電流：一般為10mA左右，常用7404、7406、7407等芯片驅動。

常用的光電隔離器有4N25等，隔離電壓為2500V，驅動電流為10mA---15mAout三極管4.2開關量輸出接口技術4.2.1光電隔離技術光電耦合隔離器的幾種類型4.2開關量輸出接口技術4.2.1光電隔離技術光電耦合隔離器的結構原理4.2開關量輸出接口技術4.2.1光電隔離技術

圖4—15正確的隔離

P107

4.2開關量輸出接口技術4.2.1光電隔離技術圖4—16不正確的隔離

P1074.2開關量輸出接口技術4.2.1光電隔離技術光電耦合隔離電路4.2開關量輸出接口技術4.2.2繼電器輸出接口技術電磁式繼電器的工作原理和應用電路如下圖所示。驅動電流一般為100mA左右，直流電壓5V、9V、12V、24V等

選用時應考慮：1、額定工作電壓、電流2、接點負荷3、接點的數量與種類（動斷或動開）4、體積、封裝、工作環境、延遲時間等為高時繼電器閉合保護二極管繼電器線圈光電隔離器4.2開關量輸出接口技術4.2.3固態繼電器輸出接口技術電磁式繼電器在通斷過程中會產生電磁干擾，并且觸點容易氧化而影響可靠性。固態繼電器（SolidStateRelay）SSR是用晶體管或可控硅代替電磁式繼電器，SSR無觸點，響應快，并且將光電隔離集成到一起。SSR分為直流型的和交流型的。一、直流型SSR結構與工作原理如下圖4.2開關量輸出接口技術4.2.3固態繼電器輸出接口技術

直流SSR主要用于直流負載的場合輸出工作電壓30--180V（5V開始工作）SSR控制步進電機（下圖）。PCx=1時導通，對應繞組通電。保護二極管步進電機繞組C4.2開關量輸出接口技術4.2.3固態繼電器輸出接口技術二、交流型SSR

用可控硅作開關器件。分為過零型和移相型兩類。用于控制交流大功率設備，如控制交流電動機、交流電磁閥等。SSR結構與工作原理如下圖4.2開關量輸出接口技術4.2.3固態繼電器輸出接口技術交流SSR輸出波形如下圖所示非過零型導通時間立即導通過零型導通時間過零型導通時間關斷時間相同，在過零時交流電源波形控制信號SSR兩端的電壓在導通時為0。非過零型SSR，加上控制信號便導通必須在負載電源電壓接近零且輸入控制信號有效,負載才導通4.2開關量輸出接口技術4.2.3固態繼電器輸出接口技術交流SSR控制交流電機原理圖如下圖所示。

RP、CP組成浪涌電壓保護電路（對50Hz的阻抗約為32K），RM為壓敏電阻，用作過壓保護（保護SSR）。PC0=0，A繞組通電電機正轉；PC0=1，B繞組通電電機反轉交流固態繼電器4.2開關量輸出接口技術4.2.4大功率場效應管開關接口技術

場效應管特點：輸入阻抗高、關斷漏電流小、響應快，體積小、價格低。

IRF系列場效應管特性：電流從幾毫安---幾十安；耐壓從幾十伏---幾百伏。

使用時注意加光電保護，如用4N25等光電隔離器。G：柵極，控制端；D：漏極，接電源正極S：源極，接電源負極

主要用于直流設備4.2開關量輸出接口技術4.2.4大功率場效應管開關接口技術大功率場效應管控制步進電機原理圖

場效應管型號為IRF640，PCx為1時對應繞組導通，為0時對應繞組關閉。 三個繞組按規律交替導通，步進電機才會旋轉。場效應管開關光電隔離器浪涌電壓保護電路，保護場效應管步進電機繞組A保護二極管4.2開關量輸出接口技術4.2.5可控硅接口技術可控硅（SiliconControlledRectifier(整流器)）SCR，也叫晶閘管，是一種大功率器件。

特點：效率高、壽命長、體積小。

應用：作大功率驅動器件，實現以小功率控制大功率。在直流電機調速系統、調功系統、隨動系統應用廣泛。

分類：分為單向可控硅和雙向可控硅。

一、單向可控硅A陽極、K陰極、G控制極4.2開關量輸出接口技術4.2.5可控硅接口技術

幾個參量：

觸發電流IT：Ig>IT時導通；控制角α；導通角θ；Ig為柵極電流截止：UA≤UK。單向可控硅的單向導通功能，多用于直流大電流場合的開關。在交流系統中用做大功率整流。IT導通4.2開關量輸出接口技術4.2.5可控硅接口技術

二、雙向可控硅

又叫三端雙向可控硅，簡稱TRIAC。

工作原理：控制極G加正向脈沖則正向導通，加反向脈沖則反向導通。也會截止。

特點與應用：控制簡單，無耐壓問題，作交流無觸點開關。G4.2開關量輸出接口技術4.2.5可控硅接口技術 用雙向可控硅控制交流電加熱爐的原理圖：

上半部分為可控硅控制電路，下半部分為交流電過零探測電路，每過一次零便產生一個脈沖的下降沿，向CPU發出中斷請求，CPU響應后，向D0發出同步觸發脈沖，使可控硅導通。 注意：每半個周期給可控硅一個同步脈沖，電壓不小于4V，脈沖寬度不小于20s。D0為低時導通。此電路復雜，采用圖4-26電路簡單。光電隔離器產生中斷請求信號此電路復雜，采用圖4-26電路簡單。4.2開關量輸出接口技術4.2.5可控硅接口技術VbVctt4.2開關量輸出接口技術4.2.6電磁閥接口技術

電磁是受通電線圈電磁力控制開閉的閥體。廣泛應用于氣體、液體開關閥門。

結構原理圖如下圖所示。4.2開關量輸出接口技術4.2.6電磁閥接口技術電磁閥的種類：有交流和直流兩種。

交流電磁閥使用方便，但容易震動、啟動電流大；直流電磁閥需專門電源，如12V、24V、48V等。交流電磁閥的接口電路如下圖所示。

雙向可控硅的選擇：對中小型的交流電磁閥，可選3A、600V的。為過零觸發光電耦合雙向可控硅驅動芯片為低時可控硅導通4.3電動機控制接口技術電動機控制技術概述

電動機是被廣泛應用的原動機

電動機的控制要求越來越高：啟、停、逆轉快速，調速快、準。

電動機控制器的發展：電機控制元件經歷了從交流放大器到磁放大器、可控離子變速器、可控硅、計算機控制。

計算機控制又分為微機控制系統、單片機控制裝置和專用控制板卡等，并且采用了復雜的控制算法。

脈沖寬度調制技術，在直流小功率電動機調速中已經成熟，在直流中、小功率方面正在迅速取代可控硅SCR直流調速系統，但在交流和大功率電動機調速方面尚屬研究中。

電動機調速的發展趨勢：微型化、智能化、一體化，即將以微型計算機（單片機）為核心的控制器做到電動機上。4.3電動機控制接口技術電動機控制技術概述本節主要內容1、小功率直流電動機調速原理2、開環脈沖寬度調速系統3、脈沖寬度調速系統設計4、閉環脈沖寬度調速系統5、交流電動機控制接口技術4.3電動機控制接口技術4.3.1小功率直流電動機調速原理

脈沖寬度調制（PulseWidthModulation）PWM原理小功率直流電動機由轉子和定子組成，定子可以是磁極或勵磁繞組。

其轉速與加在轉子電樞上的電壓Ua有關，Ua↑→轉速V↑；所加電壓極性改變，則電動機反轉。據此原理，通過改變電動機電樞電壓接通和斷開的時間比（即占空比）來控制電動機的轉速，這種方法就稱為脈沖寬度調制PWM。

脈寬調制轉速公式（平均轉速）：Vd=Vmax*D

Vd----電動機平均轉速Vmax全通電時速度（最大）

D=t1/T----占空比，t1是通電時間，T是脈寬周期。D≤1。

Vd∝D，與單純的周期T無關

Vd與D的關系如下頁圖所示4.3電動機控制接口技術4.3.1小功率直流電動機調速原理定子繞組及產生的磁場轉子電樞4.3電動機控制接口技術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組成由五部分組成：

（1）占空比D的設定1）用電位器調節、2）用撥碼開關、3）用數字鍵盤

（2）脈沖寬度發生器軟件編程

（3）驅動器TTL放大電路

（4）電子開關用晶體管、場效應管、可控硅、繼電器

（5）電動機4.3電動機控制接口技術4.3.2開環脈沖寬度調速系統

Vd與D只是近似的線性關系，與單純的周期T無關（與步進電機的調速脈沖不同，步進電機的轉速與脈沖頻率成正比）。在D不變的情況下，T越小，電機轉速越平穩。 4.3電動機控制接口技術4.3.2開環脈沖寬度調速系統

2、電動機控制接口上圖中的第3、4兩部分即為接口部分。直流電機與微機的接口有以下4種方法：

（1）光電隔離器+大功率場效應管

適用于自己開發的系統，價格低

（2）固態繼電器適用于自己開發的系統，價格低

（3）專用接口芯片如L290、L291、L292等，價高、但可靠

（4）專用接口板如7501、7502，主要用于STD或PC機系統 如用單片機控制，即可產生并輸出調制脈沖，再加上光電隔離器+大功率場效應管，或者加上固態繼電器就構成了接口部件和脈寬調速控制器。4.3電動機控制接口技術4.3.3脈沖寬度調速系統設計

一、脈寬占空比設計由脈寬調制轉速公式：Vd=Vmax*D電動機平均轉速Vd、全通電時速度Vmax已知，對于給定的平均轉速Vd，便可計算出占空比D。占空比D=t1/T，t1是通電時間，t2是斷電時間。脈寬周期T=t1+t2

1、軟件計數法

設單位時間（t0）計一個數，則通電時間t1計數N1=t1/t0，斷電時間t2計數N2=t2/t0，在脈沖輸出端，輸出高電平計數N1，輸出低電平計數N2，并讓輸出端如此循環輸出即可。2、硬件計數法用硬件計數器計數，分別輸出高電平和低電平，也如此循環輸出即可。4.3電動機控制接口技術4.3.3脈沖寬度調速系統設計二、電動機轉動控制原理正轉：SW1、SW4閉合反轉：SW2、SW3閉合剎車：SW2、SW4閉合 （或SW1、SW3閉合）滑行：SW1、SW2、SW3、SW4全部斷開

4.3電動機控制接口技術4.3.3脈沖寬度調速系統設計控制數據運轉狀態開關狀態PA1PA0SW1SW2SW3SW410正轉100101反轉011011剎車010100滑行0000雙向控制電動機工作狀態真值表PA0、PA1為0時，SW1、SW3才有可能導通SWx狀態：PA0、1為1時導通，為0時截止SWx用的是場效應管PB0---PB7：設置脈沖寬度，即方波的占空比74LS125：四總線三態緩沖器三、電動機控制接口電路4.3電動機控制接口技術4.3.3脈沖寬度調速系統設計四、控制系統的軟件設計1、流程圖（右圖）2、8086匯編程序

4.3電動機控制接口技術4.3.4閉環脈沖寬度調速系統

為了提高電動機脈沖寬度調速系統的精度，通常采用閉環脈沖寬度調速系統。

閉環系統是在開環系統的基礎上增加了電動機的速度檢測回路，意在將檢測到的速度與給定值比較，并由數字調節器（PID）進行調節。其原理框圖如左圖所示。4.3電動機控制接口技術4.3.4閉環脈沖寬度調速系統

一、測速發電機1、測速發電機的工作原理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的不同，分為直流和交流測速發電機。

測速發電機的工作原理：用被控制的電動機，帶動測速發電機的轉子在定子所形成的磁場中旋轉，轉子繞組切割磁力線，便產生了感應電動勢，即有電壓。轉速越高，電壓越高。電壓便與電動機的轉速成正比，由此得到電動機的轉速信息。

測速發電機的特點是分辨率較高，價格較低。4.3電動機控制接口技術4.3.4閉環脈沖寬度調速系統

2、直流閉環脈沖寬度調速系統原理圖4.3電動機控制接口技術4.3.4閉環脈沖寬度調速系統

二、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轉換成數字量的一種裝置。計算機控制系統最常用的是碼盤式轉速傳感器。下圖為增量式和絕對式碼盤。4.3電動機控制接口技術4.3.4閉環脈沖寬度調速系統

1、增量式碼盤的工作原理增量式碼盤的脈沖輸入到計算機的計數器，其轉速公式為：

nm=60*Nc/n/t1（轉/分） 式中：nm----轉速，單位為r/min Nc----在t1時間內測得的脈沖數 n----碼盤上一周的縫隙數 t1----測速時間，單位為秒 Nc/n：為在t1時間內碼盤轉的總圈數4.3電動機控制接口技術4.3.4閉環脈沖寬度調速系統

2、絕對式碼盤的工作原理有數字的方格示透光，無數字的方格示不透光，透光的地方經光敏元件輸出1，不透光的地方經光敏元件輸出0。每一個位圈需要一個光敏元件，8個位圈需要8個光敏元件，可以計數256。8位光敏元件輸出的數據，可以直接接到計算機的數字量輸入端口。每隔一段時間讀一次數據，兩次的數據差除以碼盤上的縫隙數，即為轉的圈數。轉速=兩次的數據差/碼盤上外圈的縫隙數/時間111111111188888888123456789101112131415161718192022222222224444444441616161616轉速仍然可以用前面的公式，Nc理解為數據差D0位圈D1位圈D2位圈D3位圈D4位圈最外圈有數字的格為透光總格數4.3電動機控制接口技術4.3.5交流電動機控制接口技術

1、交流電動機的調速正在研究發展中交流電動機的調速比較復雜，是一個非常活躍的領域，有待進一步研究和開發。此處作簡單介紹。

2、交流電動機調速的的特點1）電流作正反兩個方向流動；2）電壓較高（220V---380V）需要加光電隔離，常用交流固態繼電器。3、采用固態繼電器與交流伺服電機的接口電路4.3電動機控制接口技術4.3.5交流電動機控制接口技術

3、采用固態繼電器與交流伺服電機的接口電路

PC0=1，PC1=0，A相導通，電動機正轉。

PC0=0，PC1=1，B相導通，電動機反轉。

PC0=0，PC1=0，A相與B相均關閉，電動機不運轉。

R4與電容C的作用是消除伺服電機關斷時的浪涌電壓。

光敏電阻R2和電阻R3的作用是組成過零檢測電路，產生雙向觸發脈沖。4.4步進電機控制接口技術

步進電機運轉精度高旋轉單位是“步”，一步的最小轉角可以小到0.36度（最大轉角達到90度）。步進電機若前進一定的步數，然后再后退相同的步數，則可精確的回到原來的位置。

步進電機啟、停速度快能夠在“一剎那”間使步進電機啟動或停止，在快速啟停時不會失掉一步。一般轉速為200---1000步/秒。

步進電機在定位場所得到了廣泛的應用如：在繪圖儀、打印機、掃描儀、復印機等設備及光學儀器中應用。其定位不需要位移傳感器測定位置。概述---步進電機的特點及應用 本節內容1、步進電機工作原理2、步進電機控制系統原理3、步進電機與微機的接口及程序設計4、步進電機步數及速度的計算方法5、步進電機的變速控制4.4步進電機控制接口技術4.4.1步進電機的工作原理步進電機實際上是一個數字/角度轉換器。其結構如下圖所示（是一個三相步進電機）。

1、結構

1）定子是磁極，相對著的是一對（三相步進電機有三對磁極），每個磁極外形是均勻的5個矩形小齒。

2）轉子轉子上無線圈，外形是分布均勻的40個矩形小齒，相鄰兩齒的夾角為9度。4.4步進電機控制接口技術4.4.1步進電機的工作原理

2、工作原理

定子各相（AA’、BB’、CC’）相差120度依次單獨通電，則定子所產生的磁場按AA’、BB’、CC’、AA’、BB’、……順序旋轉。

轉子旋轉原理

AA’上通電時為了構成閉合的磁力線、并且使磁阻最小，轉子上的齒要與定子AA’上的齒對齊。設轉子與定子A相中間的齒相對的齒記為0號齒。

BB’上通電時為了構成閉合的磁力線、并且使磁阻最小，轉子上的齒也要與定子BB’上的齒對齊。轉子上與定子B相中間應該對齊的齒號為120°/9°=13.33，不是整數，即轉子與定子上的齒未對齊，則磁阻大，為減小磁阻，轉子要旋轉。第13、14號齒距離B相中間的角度分別為3°和6°，因此13號齒順時針旋轉3°與定子齒對齊。

CC’相通電同樣的道理，轉子仍然順時針旋轉3°。定子按A→B→C→A→B→……通電時，則轉子按順時針方向旋轉。

步距角每步的轉角為3°，即步距角為3°。

通電一周的旋轉角度按照A→B→C→A順序通電一周，則轉子旋轉9°。

反轉方法

若通電順序反過來，按C→B→A→C通電，則轉子旋轉方向相反。

3、步距角Qs計算公式

Qs=360°/(N*Zr)式中：Zr為轉子齒數；N=Mc*C為通電一周的拍數，叫運行拍數。其中Mc為繞組相數；C為狀態數，采用（單、雙）三拍時C=1，采用（單、雙）六拍時C=2。如三相三拍，步距角為3°；三相六拍，步距角為1.5°。括號內為每轉一圈的步數4.4步進電機控制接口技術4.4.1步進電機的工作原理典型的步進電機控制系統如下圖所示，主要有三部分組成。

步進控制器由緩沖寄存器、環形分配器、控制邏輯、正反控制門等組成。

步進控制器線路復雜、成本高。

計算機控制系統用軟件編程代替了步進控制器，可靠、成本低、控制方便，應用廣泛。4.4步進電機控制接口技術4.4.2步進電機控制系統原理典型的微機控制步進電機原理系統如下圖所示計算機控制步進電機需要解決的問題：1）脈沖序列的產生2）方向控制3）程序設計4.4步進電機控制接口技術4.4.2步進電機控制系統原理

1、脈沖序列的生成脈沖序列如右圖所示

1）脈沖周期的實現

脈沖周期=通電時間+斷電時間。

通電時，計算機輸出高電平使開關閉合；斷電時，計算機輸出低電平使開關斷開。

通電和斷電時間的控制，可以用定時器，也可以用軟件延時。

周期決定了步進電機的轉速；占空比決定了功率。

2）脈沖高度脈沖高度決定于元器件，對TTL電平為0---5V，對CMOS電平一般為0---10V。常用的接口電路多為0---5V。4.4步進電機控制接口技術4.4.2步進電機控制系統原理2、方向控制常用的步進電機有三相、四相、五相、六相。旋轉方向與內部繞組的通電順序有關。以三相步進電機為例

三相步進電機有三種工作方式：

1）單三拍，通電順序為→A→B→C→

2）雙三拍，通電順序為→AB→BC→CA→

3）單雙交替六拍，通電順序為→A→AB→B→BC→C→CA→

若按上述通電順序為正轉，則反向通電步進電機反轉。關于四相、五相、六相步進電機的通電方式與此相似，從略。4.4步進電機控制接口技術4.4.2步進電機控制系統原理三種控制模型1、三相單三拍步序控制位通電狀態控制數據PC2/C相PC1/B相PC0/A相1001A01H2010B02H3100C04H步序控制位通電狀態控制數據PC2/C相PC1/B相PC0/A相1011AB03H2110BC06H3101CA05H2、三相雙三拍4.4步進電機控制接口技術4.4.2步進電機控制系統原理步序控制位通電狀態控制數據PC2/C相PC1/B相PC0/A相1001A01H2011AB03H3010B02H4110BC06H5100C04H6101CA05H3、三相六拍4.4步進電機控制接口技術4.4.2步進電機控制系統原理

1、步進電機與微機的接口電路

1）接口電路之一----無光電隔離

PCx=0導通，對應繞組通電PCx=1截止，對應繞組斷電（與前面表中所述相反）大功率復合管，起開關作用。為達林頓管4.4步進電機控制接口技術4.4.3步進電機與微機的接口及程序設計

2）接口電路之二----有光電隔離

PCx=1導通，對應繞組通電PCx=0截止，對應繞組斷電（與前面表中所述相同）4.4步進電機控制接口技術4.4.3步進電機與微機的接口及程序設計4.4步進電機控制接口技術4.4.3步進電機與微機的接口及程序設計2.步進電機程序設計步進電機程序設計的主要任務是：★判斷旋轉方向；★按順序傳送控制脈沖；★判斷所要求的控制步數是否傳送完畢。因此，步進電機控制程序就是完成環型分配器的任務，從而控制步進電機轉動，以達到控制轉動角度和位移之目的（1）程序框圖

下面以三相雙三拍為例說明這類程序的設計，4.4步進電機控制接口技術4.4.3步進電機與微機的接口及程序設計4.4步進電機控制接口技術4.4.3步進電機與微機的接口及程序設計（2）程序根據圖4-50可寫出如下步進電機控制程序

ORG 0100H ROUNT1：MOV A，#N ；步進電機步數→A JNB 00H，LOOP2 ；反向，轉LOOP2 LOOP1：MOV P1，#03H ；正向，輸出第一拍 ACALL DELAY ；延時 DEC A ；A＝0，轉DONE JZ DONE MOV P1，06H ；輸出第二拍 ACALL DELAY ；延時 DEC A ；A＝0，轉DONE JZ DONE MOV P1，05H ；輸出第三拍 ACALL DELAY ；延時 DEC A ；A≠0，轉LOOP1 JNZLOOP1

4.4步進電機控制接口技術4.4.3步進電機與微機的接口及程序設計（2）程序根據圖4-50可寫出如下步進電機控制程序

AJMPDONE ；A＝0，轉DONELOOP2：MOV P1，03H ；反向，輸出第一拍

ACALLDELAY；延時DECA；A＝0，轉DONJZ DONE MOVP1，05H ；輸出第二拍 ACALLDELAY ；延時DEC A JZ DONE ； MOV P1，06H ；輸出第三拍 ACALLDELAY ；延時 DEC A ；A≠0，轉LOOP2 JNZ LOOP2DONE：RETDELAY：

4.4步進電機控制接口技術4.4.3步進電機與微機的接口及程序設計

以上程序設計方法對于節拍比較少的程序是可行的。但是，當步進電機的節拍數比較多（如三相六拍、六相十二拍等）時，用這種立即數傳送法將會使程序很長，因而占用很多個存儲器單元。所以，對于節拍比較多的控制程序，通常采用循環程序進行設計。4.4步進電機控制接口技術4.4.3步進電機與微機的接口及程序設計（3）循環程序作法：把環型節拍的控制模型按順序存放在內存單元中，逐一從單元中取出控制模型并輸出。節拍越多，優越性越顯著。以三相六拍為例進行設計，其流程圖如圖4—51所示。4.4步進電機控制接口技術4.4.3步進電機與微機的接口及程序設計圖4—51三相六拍步進電機控制程序框圖4.4步進電機控制接口技術4.4.3步進電機與微機的接口及程序設計

ORG 8100HROUTN2： MOV R2， COUNT ；步進電機的步數LOOP0： MOV R3， #00H MOVDPTR，#POINT ；送控制模型指針 JNB 00H， LOOP2 ；反轉，轉LOOP2 LOOP1： MOV A， R3 ；取控制模型 MOVC A， @A+DPTR JZ LOOP0 ；控制模型為00H，轉LOOP0 MOV P1， A ；輸出控制模型 ACALL DELAY ；延時 INC R3 ；控制步數加1 DJNZ R2， LOOP1 ；步數未走完，繼續 RET圖4-47所示三相六拍步進電機控制程序如下：4.4步進電機控制接口技術4.4.3步進電機與微機的接口及程序設計圖4-47所示三相六拍步進電機控制程序如下：LOOP2：MOV A，R3 ；求反向控制模型的偏移量 ADD A，#07H MOV R3，A AJAMP LOOP1DELAY：

；延時程序

POINT DB 01H,03H,02H,06H,04H,05H,00H；正向控制模型 DB 01H,05H,04H.06H,02H,03H,00H；反向控制模型COUNT EQU30H, POINTEQU 0150H

4.4步進電機控制接口技術4.4.3步進電機與微機的接口及程序設計兩個重要的參數:步數N控制步進電機的定位精度。延時時間DELAY控制其步進的速率。

對步進電機的控制，步數控制的目的是精確地到達指定的位置；速度的控制是通過單位時間的步數實現的，主要是計算相鄰兩個脈沖之間的時間。

1、步進電機步數的確定

由給出的轉角或位移量，計算出步數。

1）轉角與步數的關系如：用步進電機帶動一個能夠旋轉10圈的電位器來調整電壓，假定調節范圍是0---10V，現在要求把電壓從2V升到2.1V，計算旋轉的步數N。

先計算需要轉過的角度X

X=（2.1－2）*（（360*10）／10）＝36°若用三相三拍方式控制，其步距角為3°，所以步數N為N=36/3=12（步）括號內為每1伏電壓轉過的角度4.4步進電機控制接口技術4.4.4步進電機步數及速度的計算方法

2）同理可以求出位移量與步數之間的關系

先計算每轉一圈的位移量，再計算每一步的位移量，最后算總步數。2、步進電機速度的確定步進電機速度控制的方法就是控制脈沖之間的時間間隔。只要速度給定，便可計算出脈沖之間的時間間隔。如要求步進電機2秒鐘轉10圈，則每一步需要的時間T為

T＝每圈時間／每圈的步數＝（2000ms/10）／（N*Zr）＝200ms／（3*2*40）＝833μs只要在輸出一個脈沖后延時833μs，即可滿足速度之要求。括號內為每一圈的步數N=Mc*C三相六拍4.4步進電機控制接口技術4.4.4步進電機步數及速度的計算方法

1）必須要變速運行步進電機在啟動和停止過程時的速度應該比正常運轉時的速度低，特別是剛啟動和最后停下來時，速度應該更低，否則由于慣性步進電機會出現“失步”（多走了步或少走了步），失去其精確性。為確保步進電機運行的精確性和快速，必須變速運行。

2）變速原理在啟動過程脈沖周期由長（頻率低）變短，使步進電機轉速緩慢上升到正常運轉時的速度；在停止過程脈沖周期由短變長，使步進電機轉速從正常轉速緩慢下降至0。變化時間約0.1---1s。正常運轉時脈沖周期要短（頻率高），速度要高。右圖為變速運行控制脈沖頻率變化曲線。4.4步進電機控制接口技術4.4.5步進電機的變速控制

1、變速方法之一----改變控制方式如在三相步進電機中，啟動或停止時，用三相六拍控制，大約經過0.1s后改為三相三拍控制。

2、變速方法之二----改變脈沖時間間隔控制剛啟動時脈沖間隔長，啟動過程脈沖間隔均勻變短，直到速度達正常值；停止時，在停止過程脈沖間隔均勻變短，直到停止。DELY:PUSHBXPUSHCX MOVBX,100;延時子程序DELY1: MOVCX,10000 LOOP$ DEC BX JNZDELY1 POPCX POPBXRETDELY:PUSHBXPUSHCX MOVBX,NUM;延時子程序DELY1: MOVCX,10000 LOOP$ DEC BX JNZDELY1 POPCX POPBXRET4.4步進電機控制接口技術4.4.5步進電機的變速控制變延時程序段： NUM DB 120

啟動時NUM值不斷減小，直至到1：

DEC NUM停止時NUM值不斷增大，直至到120：

INC NUM

3、變速方法之三----用定時器改變脈沖時間間隔控制如用8253定時，啟動時，初值不斷減小，使脈沖頻率不斷增加；停止時，初值不斷增大，使脈沖頻率不斷降低。DELY:PUSHBXPUSHCX MOVBX,NUM;延時子程序DELY1: MOVCX,10000