机电毕业论文-实现变频调速器多电机控制
[摘要]本文介绍了一种plc与变频调速器构成的多分支通讯网络，阐明了该网络控制调速系统与一般模拟量控制调速系统相比的优越性，给出了系统框图及plc程序。
[关键词]plc变频调速器多电机控制网络通讯协议
一、引言
以变频调速器为调速控制器
的同步控制系统、比例控制系统和同速系统等已广泛应用于冶金、机械、纺织、化工等行业。以比例控制系统为例，一般的系统构成如图1所示。
工作时操作人员通过控制机（可为plc或工业pc）设定比例运行参数，然后控制机通过d/a转换模件发出控制变频调速器的速度指令使各个变频调速器带动电机按一定的速度比例运转。此方案对电机数目不多，电机分布比较集中的应用系统较合适。但对于大规模生产自动线，一方面电机数目较多，另一方面电机分布距离较远。采用此控制方案时由于速度指令信号在长距离传输中的衰减和外界的干扰，使整个系统的工作稳定性和可靠性降低；同时大量d/a转换模件使系统成本增加。为此我们提出了plc与变频调速器构成多分支通讯控制网络。该系统成本较低、信号传输距离远、抗干扰能力强，尤其适合远距离，多电机控制。
二、系统硬件构成
系统硬件结构如图2所示，主要由下列组件构成；
1、fx0n—24mr为plc基本单元，执行系统及用户软件，是系统的核心。
2、fx0n—485adp为fx0n系统plc的通讯适配器，该模块的主要作用是在计算机—plc通讯系统中作为子站接受计算机发给plc的信息或在多plc构成n:n网络时作为网络适配器，一般只作为规定协议的收信单元使用。本文作者在分析其结构的基础上，将其作为通讯主站使用，完成变频调速器控制信号的发送。
3、fr—cu03为fr—a044系列比例调速器的计算机连接单元，符合rs—422/rs—485通讯规范，用于实现计算机与多台变频调速器的连网。通过该单元能够在网络上实现变频调速器的运行控制（如启动、停止、运行频率设定）、参数设定和状态监控等功能，是变频器的网络接口。
4、fr—a044变频调查器，实现电机调速。
在1:n（本文中为1:3）多分支通讯网络中，每个变频器为一个子站，每个子站均有一个站号，事先由参数设定单元设定。工作过程中，plc通过fx0n—485adp发有关命令信息后，各个子站均收到该信息，然后每个子站判断该信息的站号地址是否与本站站号一致。若一致则处理该信息并返回应答信息；若不一致则放弃该信息的处理，这样就保证了在网络上同时只有一个子站与主站交换信息。
三、软件设计
1、通讯协议
fr—cu03规定计算机与变频器的通讯过程如图3所示，
该过程最多分5个阶段。?、计算机发出通讯请求；?、变频器处理等待；?、变频器作出应答；?、计算机处理等待；?、计算机作出应答。根据不同的通讯要求完成相应的过程，如写变频器启停控制命令时完成?~?三个过程；监视变频器运行频率时完成?~?五个过程。不论是写数据还是读数据，均有计算机发出请求，变频器只是被动接受请求并作出应答。每个阶段的数据格式均有差别。图4分别为写变频器控制命令和变频器运行频率的数据格式。
2、plc编程
要实现对变频器的控制，必须对plc进行编程，通过程序实现plc与变频器信息交换的控制。plc程序应完成fx0n—485adp通讯适配器的初始化、控制命令字的组合、代码转换及变频器应答信息的处理等工作。plc梯形图程序（部分程序）如图5所示。
程序中通讯发送缓冲区为d127~d149；接受缓冲区为d150~d160。电机1启动、停止分别由x0的上升、下降沿控制；电机2启动、停止分别由x1的上升、下降沿控制；电机3启动、停止分别由x2的上升、下降沿控制。程序由系统起始脉冲m8002初始化fx0n—485adp的通讯协议；然后进行启动、停止信号的处理。以电机1启动为例，x0的上升沿m50吸合，变频器1的站号送入d130，运行命令字送入d135，enq、写运行命令的控制字和等待时间等由编程器事先写入d131、d132、d133；接着求校验和并送入d136、d137；最后置m8122允许rs指令发送控制信息到。变频器受到信号后立刻返回应答信息，此信息fx0n—485adp收到后置m8132，plc根据情况作出相应处理后结束程序。
四、变频器制动的思路和新方法
在通用变频器、异步电动机和机械负载所组成的变频调速传统系统中，当电动机所传动的位能负载下放时，电动机将可能处于再生发电制动状态；或当电动机从高速到低速（含停车减速时，频率可以突减，但因电机的机械惯性，电机可能处于再生发电状态，传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能，通过逆变器的六个续流二极管回送到变频器的直流回路中。此时的逆变器处于整流状态。这时，如果变频器中没采取消耗能量的措施，这部分能量将导致中间回路的储能电容器的电压上升。如果当制动过快或机械负载为提升机类时，这部分能量就可能
对变频器带来损坏，所以这部分能量我们就应该考虑考虑了。
在通用变频器中，对再生能量最常用的处理方式有两种：(1)、耗散到直流回路中人为设置的与电容器并联的“制动电阻”中，称之为动力制动状态；(2)、使之回馈到电网，则称之为回馈制动状态（又称再生制动状态）。还有一种制动方式，即直流制动，可以用于要求准确停车的情况或起动前制动电机由于外界因素引起的不规则旋转。
在书籍、刊物上有许多专家谈论过有关变频器制动方面的设计与应用，尤其是近些时间有过许多关于“能量回馈制动”方面的文章。今天，笔者提供一种新型的制动方法，它具有“回馈制动”的四象限运转、运行效率高等优点，也具有“能耗制动”对电网无污染、可靠性高等好处。
1、能耗制动
利用设置在直流回路中的制动电阻吸收电机的再生电能的方式称为能耗制动。
其优点是构造简单；对电网无污染（与回馈制动作比较），成本低廉；缺点是运行效率低，特别是在频繁制动时将要消耗大量的能量且制动电阻的容量将增大。
一般在通用变频器中，小功率变频器（22kw以下）内置有了刹车单元，只需外加刹车电阻。大功率变频器（22kw以上）就需外置刹车单元、刹车电阻了。
2、回馈制动
实现能量回馈制动就要求电压同频同相控制、回馈电流控制等条件。它是采用有源逆变技术，将再生电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送电网，从而实现制动。
回馈制动的优点是能四象限运行,电能回馈提高了系统的效率。其缺点是：(1)、只有在不易发生故障的稳定电网电压下（电网电压波动不大于10%），才可以采用这种回馈制动方式。因为在发电制动运行时，电网电压故障时间大于2ms，则可能发生换相失败，损坏器件。(2)、在回馈时，对电网有谐波污染。(3)、控制复杂，成本较高。
3、新型制动方式（电容反馈制动）
3.1主回路原理
整流部分采用普通的不可控整流桥进行整流，滤波回路采用通用的电解电容，延时回路采用接触器或可控硅都行。充电、反馈回路由功率模块igbt、充电、反馈电抗器l及大电解电容c（容量约零点几法，可根据变频器所在的工况系统决定）组成。逆变部分由功率模块igbt组成。保护回路，由igbt、功率电阻组成。
(1)电动机发电运行状态
cpu对输入的交流电压和直流回路电压νd的实时监控，决定向vt1是否发出充电信号，一旦νd比输入交流电压所对应的直流电压值（如380vac—530vdc）高到一定值时，cpu关断vt3，通过对vt1的脉冲导通实现对电解电容c的充电过程。此时的电抗器l与电解电容c分压，从而确保电解电容c工作在安全范围内。当电解电容c上的电压快到危险值（比如说370v），而系统仍处于发电状态，电能不断通过逆变部分回送到直流回路中时，安全回路发挥作用，实现能耗制动（电阻制动），控制vt3的关断与开通，从而实现电阻r消耗多余的能量，一般这种情况是不会出现的。
(2)电动机电动运行状态
当cpu发现系统不再充电时，则对vt3进行脉冲导通，使得在电抗器l上行成了一个瞬时左正右负的电压，再加上电解电容c上的电压就能实现从电容到直流回路的能量反馈过程。cpu通过对电解电容c上的电压和直流回路的电压的检测，控制vt3的开关频率以及占空比,从而控制反馈电流，确保直流回路电压νd不出现过高。
3.2系统难点
(1)电抗器的选取
(a)、我们考虑到工况的特殊性，假设系统出现某种故障，导致电机所载的位能负载自由加速下落，这时电机处于一种发电运行状态，再生能量通过六个续流二极管回送至直流回路，致使νd升高，很快使变频器处于充电状态，这时的电流会很大。所以所选取电抗器线径要大到能通过此时的电流。
（b）、在反馈回路中，为了使电解电容在下次充电前把尽可能多的电能释放出来，选取普通的铁芯（硅钢片）是不能达到目的的，最好选用铁氧体材料制成的铁芯，再看看上述考虑的电流值如此大，可见这个铁芯有多大，素不知市面上有无这么大的铁氧体铁芯，即使有，其价格也肯定不会很低。
所以笔者建议充电、反馈回路各采用一个电抗器。
(2)控制上的难点
（a）、变频器的直流回路中，电压νd一般都高于500vdc，而电解电容c的耐压才400vdc，可见这种充电过程的控制就不像能量制动（电阻制动）的控制方式了。其在电抗器上所产生的瞬时电压降为，电解电容c的瞬时充电电压为νc=νd-νl，为了确保电解电容工作在安全范围内（≤400v），就得有效的控制电抗器上的电压降νl，而电压降νl又取决于电感量和电流的瞬时变化率。
（b）、在反馈过程中，还得防止电解电容c所放的电能通过电抗器造成直流回路电压过高，以致系统出现过压保护。
3.3主要应用场合及应用实例
正是由于变频器的这种新型制动方式（电容反馈制动）所具有的优越性，近些来，不少用户结合其设备的特点，纷纷提出了要配备这种系统。由于技术上有一定的难度，国外还不知有无此制动方式？国内目前只有山东风光电子公司由以前采用回馈制动方式的变频器（仍有2台在正常运行中）改用了这种电容反馈制动方式的新型矿用提升机系列，到目前为止，这种电容反馈制动的变频器正长期正常运行在山东宁阳保安煤矿及山西太原等地，填补了国内这一空白。
随着变频器应用领域的拓宽，这个应用技术将大有发展前途，具体来讲，主要用在矿井中的吊笼（载人或装料）、斜井矿车（单筒或双筒）、起重机械等行业。总之需要能量回馈装置的场合都可选用。
五、结语
1、实际使用表明，该方案能够实现plc通过网络对变频调速器的运行控制、参数设定和运行状态监控。
2、该系统最多可控制变频调速器32台，最大距离500m。
3、控制多台变频器，成本明显低于d/a控制方式。
4、随着变频器的增加，通讯延迟加大，系统响应速度低于d/a控制方式。
参考文献
1、韩安荣.通用变频器及其应用(第2版)[m].北京:机械工业出版社,
2、刘文兵（1981—）男从事过变频器的应用工作，现在台州富凌机电制造有限公司,从事变频器的设计与制造。
鸣谢
在论文完成之际，我真心地感谢在设计之中给予我帮助的荀延龙老师和各位同事，使我如期完成毕业论文，并使我终生受益。
在论文的完成过程中，系里的各位老师对我帮助很大。在此深表谢意！其他的同学也给予我许多关心和帮助，真诚地感谢他们。
步进电机作为执行元件， 是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。我为大家整理的电机控制技术论文，希望你们喜欢。
电机控制技术论文篇一
步进电机控制系统
摘要：步进电机作为执行元件， 是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展， 步进电机的需求量与日俱增， 在各个国民经济领域都有应用。
关键词：步进电机;执行元件;计算机;发展
1步进电机原理及特征
1.1步进电机的目前发展情况
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。当步进驱动器接收到一个脉冲信号， 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)， 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量， 从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度， 从而达到调速的目的。在非超载的情况下， 电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数， 而不受负载变化的影响， 即给电机加一个脉冲信号， 电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在， 加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域使用步进电机进行控制变得非常简单。步进电机可以作为一种控制用的特种电机， 利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。
1.2步进电机的特点
1.步进电动机工作时每相绕组不是恒定地通电， 而是按一定的规律轮流通电。 2.每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角。 3.步进电机可以按特定指令进行角度控制， 也可以进行速度控制。角度控制时， 每输入一个脉冲， 定子绕组就换接一次， 输出轴就转过一个角度， 其步数与脉冲数一致， 输出轴转动的角位移量与输入脉冲成正比。速度控制时， 步进电机绕组中送入的是连续脉冲， 各相绕组不断地轮流通电， 步进电机连续动转， 它的转速与脉冲频率成正比。改变通电顺序， 即改变定子磁场旋转方向， 就可以控制电机正转或是反转。
1.3步进电机的一些典型运用场合
①步进电机主要用于一些有定位要求的场合。例如：线切割的工作台拖动，植毛机工作台(毛孔定位)，包装机(定长度)。基本上涉及到定位的场合都用得到。
②广泛应用于ATM机、喷绘机、刻字机、写真机、喷涂设备、医疗仪器及设备、计算机外设及海量存储设备、精密仪器、工业控制系统、办公自动化、机器人等领域。特别适合要求运行平稳、低噪音、响应快、使用寿命长、高输出扭矩的应用场合。
③步进电机在电脑绣花机等纺织机械设备中有着广泛的应用，这类步进电机的特点是保持转矩不高，频繁启动反应速度快、运转噪音低、运行平稳、控制性能好、整机成本低。
目前用于电脑绣花机的步进电机多数为三相混合式步进电机，并采用细分驱动技术可以大大改善步进电机的运行品质，减少转矩波动，抑制振荡，降低噪音，提高步矩分辨率。
1.4 步进电机的运转原理及结构
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(及步进角)。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
1.5 旋转
如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，(转子不受任何力，以下均同)。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移(て-1/3て)=2/3て。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て。
这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4(即齿1前一齿)移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步(每脉冲)1/3て，向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。
2电路设计分析
2.1 8253及8255驱动步进电机电路
①按图连接线路，利用8255 输出脉冲序列，开关K0～K6 控制步进电机转速，K7控制步进电机转向。8255 CS 接288H～28FH。PA0～PA3 接BA～BD;PC0～PC7 接K0～K7。
②编程：当K0～K6 中某一开关为“1”(向上拨)时步进电机启动，并且电机转动速度大小不同。K7 向上打电机正转，向下打电机反转。
2.2实验重要参数计算
由实际测试得，stepcount步数设定为约59步时。步进电机转动一圈。
由实验要求：先顺时针，每分钟6圈，转十分钟。约得stepcount=59*6*10=3540。
停止三秒：8086机器周期为1/5MHz.3s=1/5MHz*15*exp6即15M个机器周期的指令。
后逆时针，每分钟30圈，转十分钟。约得stepcount=59*30*10=17700。
2.3 实际问题及解决方法
①硬件连接及软件程序不够熟练，经多方面查资料，翻阅书籍，确定设计方案及硬件软件的具体设计内容。
②键盘及LED显示的控制不够理想，经程序的细心解读，最终达到了设计的目的。按10号键显示0。。。0030，按12号键显示1。。。0006，按14号键启动运行，按15号键停止运行。 ③转速控制，开始不够精确。经反复测试，最终确定为59步每圈。并计算出6R/MIN，30R/MIN的设定步数。
3总结体会
首先，利用星研集成环境软件编辑并运行程序，在STAR ES598PCI实验仪上调试实验结果，分析实验程序及硬件电路;然后，在利用原有源程序进行实验时，电机的转速控制不是很明显，这就要求修改控制步速Takesetpcount的数值，及8253的分频数，以使电机转速达到6r/min和30r/min。其次，调节8259控制键盘及显示，最终达到实时显示转速及转动方向，并用键盘控制其启动与停止。由于步进电动机的运转是由电脉冲信号控制的，步进电动机的角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每给一个脉冲，步进电机就转动一个角度(步距角)或前进/倒退一步，所以希望清晰的看到电机的此特性。我们通过设定步速及转速，此时可以观测到电机的步进及转动一圈的步数。
参考文献
【1】王忠民，等。微型计算机原理(第二版)。西安：西安电子科技大学出版社，2007
【2】江晓安，董秀峰。模拟电子技术(第三版)。西安：西安电子科技大学出版社，2009
【3】李全利。单片机原理及接口技术。北京：高等教育出版社，2010
步进电机控制系统
韩 浩
(西安文理学院物理与机械电子工程系 陕西西安 710000)
摘要：步进电机作为执行元件， 是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展， 步进电机的需求量与日俱增， 在各个国民经济领域都有应用。
关键词：步进电机;执行元件;计算机;发展
1步进电机原理及特征
1.1步进电机的目前发展情况
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。当步进驱动器接收到一个脉冲信号， 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)， 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量， 从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度， 从而达到调速的目的。在非超载的情况下， 电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数， 而不受负载变化的影响， 即给电机加一个脉冲信号， 电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在， 加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域使用步进电机进行控制变得非常简单。步进电机可以作为一种控制用的特种电机， 利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。
1.2步进电机的特点
1.步进电动机工作时每相绕组不是恒定地通电， 而是按一定的规律轮流通电。 2.每输入一个脉冲电信号转子转过的角度称为步距角。 3.步进电机可以按特定指令进行角度控制， 也可以进行速度控制。角度控制时， 每输入一个脉冲， 定子绕组就换接一次， 输出轴就转过一个角度， 其步数与脉冲数一致， 输出轴转动的角位移量与输入脉冲成正比。速度控制时， 步进电机绕组中送入的是连续脉冲， 各相绕组不断地轮流通电， 步进电机连续动转， 它的转速与脉冲频率成正比。改变通电顺序， 即改变定子磁场旋转方向， 就可以控制电机正转或是反转。
1.3步进电机的一些典型运用场合
①步进电机主要用于一些有定位要求的场合。例如：线切割的工作台拖动，植毛机工作台(毛孔定位)，包装机(定长度)。基本上涉及到定位的场合都用得到。
②广泛应用于ATM机、喷绘机、刻字机、写真机、喷涂设备、医疗仪器及设备、计算机外设及海量存储设备、精密仪器、工业控制系统、办公自动化、机器人等领域。特别适合要求运行平稳、低噪音、响应快、使用寿命长、高输出扭矩的应用场合。
③步进电机在电脑绣花机等纺织机械设备中有着广泛的应用，这类步进电机的特点是保持转矩不高，频繁启动反应速度快、运转噪音低、运行平稳、控制性能好、整机成本低。
目前用于电脑绣花机的步进电机多数为三相混合式步进电机，并采用细分驱动技术可以大大改善步进电机的运行品质，减少转矩波动，抑制振荡，降低噪音，提高步矩分辨率。
1.4 步进电机的运转原理及结构
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(及步进角)。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
1.5 旋转
如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，(转子不受任何力，以下均同)。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移(て-1/3て)=2/3て。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て。
这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4(即齿1前一齿)移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步(每脉冲)1/3て，向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 2电路设计分析
2.1 8253及8255驱动步进电机电路
①按图连接线路，利用8255 输出脉冲序列，开关K0～K6 控制步进电机转速，K7控制步进电机转向。8255 CS 接288H～28FH。PA0～PA3 接BA～BD;PC0～PC7 接K0～K7。
②编程：当K0～K6 中某一开关为“1”(向上拨)时步进电机启动，并且电机转动速度大小不同。K7 向上打电机正转，向下打电机反转。
2.2实验重要参数计算
由实际测试得，stepcount步数设定为约59步时。步进电机转动一圈。
由实验要求：先顺时针，每分钟6圈，转十分钟。约得stepcount=59*6*10=3540。
停止三秒：8086机器周期为1/5MHz.3s=1/5MHz*15*exp6即15M个机器周期的指令。
后逆时针，每分钟30圈，转十分钟。约得stepcount=59*30*10=17700。
2.3 实际问题及解决方法
①硬件连接及软件程序不够熟练，经多方面查资料，翻阅书籍，确定设计方案及硬件软件的具体设计内容。
②键盘及LED显示的控制不够理想，经程序的细心解读，最终达到了设计的目的。按10号键显示0。。。0030，按12号键显示1。。。0006，按14号键启动运行，按15号键停止运行。
③转速控制，开始不够精确。经反复测试，最终确定为59步每圈。并计算出6R/MIN，30R/MIN的设定步数。
3总结体会
首先，利用星研集成环境软件编辑并运行程序，在STAR ES598PCI实验仪上调试实验结果，分析实验程序及硬件电路;然后，在利用原有源程序进行实验时，电机的转速控制不是很明显，这就要求修改控制步速Takesetpcount的数值，及8253的分频数，以使电机转速达到6r/min和30r/min。其次，调节8259控制键盘及显示，最终达到实时显示转速及转动方向，并用键盘控制其启动与停止。由于步进电动机的运转是由电脉冲信号控制的，步进电动机的角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每给一个脉冲，步进电机就转动一个角度(步距角)或前进/倒退一步，所以希望清晰的看到电机的此特性。我们通过设定步速及转速，此时可以观测到电机的步进及转动一圈的步数。
参考文献
【1】王忠民，等。微型计算机原理(第二版)。西安：西安电子科技大学出版社，2007
【2】江晓安，董秀峰。模拟电子技术(第三版)。西安：西安电子科技大学出版社，2009
【3】李全利。单片机原理及接口技术。北京：高等教育出版社，2010
电机控制技术论文篇二
步进电机的加减速控制
[摘 要]本文详细分析了步进电机及其工作原理，并基于MCS-51系列单片机设计步进电机的数字控制系统。在设计中加入了步进电机的细分技术和恒频脉宽调制技术。结合脉冲分配器的使用，开发了简单的细分驱动控制电路。
[关键词]步进电机;单片机;细分控制
中图分类号：F140 文献标识码：A 文章编号：1009-914X(2015)40-0038-01
一、引言
随着科学技术的发展和微电子控制技术的应用，步进电机作为一种可以精确控制的电机，广泛应用在高精密加工机床，微型机器人控制，航天卫星等高科技领域。
二、 步进电机的原理
步进电机是一种控制用的特种电机，它无法像传统电机那样直接通过输入交流或直流电流使其运行，而是需要输入脉冲电流来控制电机的转动，所以步进电机又称为脉冲电机。其功能是将脉冲电信号变换为相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲电信号，电机就转动一个角度或前进一步。按励磁方式可以分为反应式、永磁式和混合式三种类型，本设计中选用的是反应式步进电机，其结构如图1所示。
这是一台四相反应式步进电机的典型结构。共有4套定子控制绕组，绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相，也就是说定子上两个相对的大齿就是一个相，电机按照A―B―C―D―A……的顺序不断接通和断开控制绕组，转子就会一步一步的连续转动。其转速取决与各控制绕组通电和断电的频率，即输入的脉冲频率。旋转的方向则取决与各控制绕组轮流通电的顺序。
三、步进电机的驱动控制
步进电机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专门的步进电机驱动控制器。步进电机和步进电机驱动器构成步进电机驱动系统。步进电机驱动系统的性能，不仅取决于步进电机自身的性能，也取决于步进电机驱动器的优劣。
步进电机的驱动方式有很多种，包括单电压驱动、双电压驱动、斩波驱动、细分驱动、集成电路驱动和双极性驱动。本设计选用的是恒频脉宽调制细分驱动控制方式，这是在斩波恒流驱动的基础上的进一步改进，既可以使细分后的步距角均匀一致，又可以避免复杂的计算。
四、恒频脉宽调制细分电路的设计
1、脉冲分配的实现
在步进电机的单片机控制中，控制信号由单片机产生。它的通电换相顺序严格按照步进电机的工作方式进行。通常我们把通电换相这一过程称为脉冲分配。本设计中选用8713脉冲分配器芯片来进行通电换相控制。
2、系统控制电路设计
步进电机控制系统主电路设计如图2所示。
从上图可以看出，8713脉冲分配器的5、6、7引脚均接高电平，所以这是一个控制四相步进电机按四相八拍运行的控制电路。8751单片机的P1.0和P1.1端口分别与8713脉冲分配器的3引脚和4引脚相连。由8751单片机的P1.0端提供步进脉冲，P1.1端则控制步进电机的转向，输出高电平，步进电机正传;输出低电平，步进电机反转。单片机依然是控制的主体，它通过定时器T0输出20kHz的方波，送D触发器，作为恒频信号。同时，由8713脉冲分配器的脉冲输出端输出的方波脉冲信号作为控制信号，它的方波电压的每一次变化，都使转子转动一步。
当8713脉冲分配器的脉冲输出端输出的方波脉冲信号Ua不变时，恒频信号CLK的上升沿使D触发器输出Ub高电平，使开关管T1、T2导通，绕组中的电流上升，采样电阻上R2上压降增加。当这个压降大于Ua时，比较器输出低电平，使D触发器输出Ub低电平，T1、T2截止，绕组的电流下降。这使得R2上的压降小于Ua，比较器输出高电平，使D触发器输出高电平，T1、T2导通，绕组中的电流重新上升。这样的过程反复进行，使绕组电流的波顶呈锯齿形。因为CLK的频率较高，锯齿形波纹会很小。
当Ua上升突变时，采样电阻上的压降小于Ua，电流有较长的上升时间，电流幅值大幅增长，上升了一个阶段，但由于这里输出的是方波信号而不是阶梯信号，所以只有一个上升阶段，也就是说这个“阶梯信号”只包含了一个阶，并没有把每一步细分成许多步，而是令输出脉冲信号上升和下降的坡度变大，使原本的方波输出变的圆滑，实现了控制信号类似梯形的平滑处理，如图3所示。
同样，当Ua下降突变时，采样电阻上的压降有较长时间大于Ua，比较器输出低电平，CLK的上升沿即使会让D触发器输出1也马上清零。电源始终被切断，使电流幅值大幅下降，降到新的阶段为止。
以上过程重复进行。Ua每一次变化，就会使转子转过一个细分步。
在这个电路中有一个最突出的特点，那就是用8713脉冲分配器所输出的脉冲信号取代了典型恒频脉宽细分电路中D/A转换器所提供的阶梯控制信号。这样的设计极大的简化了电路，并且降低了脉冲分配的控制难度。虽然用方波信号取代了阶梯波信号，使得单一相运行时的细分程度有所降低，但是由于步进电机的四相绕组是同进进行工作的，所以也可以达到了步进电机细分驱动控制的目的。
六、结束语
当前，步进电机的应用正不断深入到日常生活和工业制造的各个方面，并且国内外对步进电机及其控制技术的研究也在不断的进步。这些知识的掌握在今后的工作和生活之中将会起到非常积极的影响。
参考文献
[1] 吴守箴，臧英杰等.电气传动的脉宽调制控制技术[M].北京： 机械工业出版社，2002.
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机电一体化技术的应用与发展前景
摘要：机电一体化是一种复合技术，是机械技术与微电子技术、信息技术互相渗透的产物，是机电工业发展的必然趋势。文章简述了机电一体化技术的基本结构组成和主要应用领域，并指出其发展趋势。
关键词：机械工业；机电一体化；数控；模块化
现代科学技术的发展极大地推动了不同学科的交叉与渗透，引起了工程领域的技术改造与革命。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。
一、机电一体化的核心技术
机电一体化包括软件和硬件两方面技术。硬件是由机械本体、传感器、信息处理单元和驱动单元等部分组成。因此，为加速推进机电一体化的发展，必须从以下几方面着手。
（一）机械本体技术
机械本体必须从改善性能、减轻质量和提高精度等几方面考虑。现代机械产品一般都是以钢铁材料为主，为了减轻质量除了在结构上加以改进，还应考虑利用非金属复合材料。只有机械本体减轻了重量，才有可能实现驱动系统的小型化，进而在控制方面改善快速响应特性，减少能量消耗，提高效率。
（二）传感技术
传感器的问题集中在提高可靠性、灵敏度和精确度方面，提高可靠性与防干扰有着直接的关系。为了避免电干扰，目前有采用光纤电缆传感器的趋势。对外部信息传感器来说，目前主要发展非接触型检测技术。
（三）信息处理技术
机电一体化与微电子学的显著进步、信息处理设备（特别是微型计算机）的普及应用紧密相连。为进一步发展机电一体化，必须提高信息处理设备的可靠性，包括模/数转换设备的可靠性和分时处理的输入输出的可靠性，进而提高处理速度，并解决抗干扰及标准化问题。
（四）驱动技术
电机作为驱动机构已被广泛采用，但在快速响应和效率等方面还存在一些问题。目前，正在积极发展内部装有编码器的电机以及控制专用组件-传感器-电机三位一体的伺服驱动单元。
（五）接口技术
为了与计算机进行通信，必须使数据传递的格式标准化、规格化。接口采用同一标准规格不仅有利于信息传递和维修，而且可以简化设计。目前，技术人员正致力于开发低成本、高速串行的接口，来解决信号电缆非接触化、光导纤维以及光藕器的大容量化、小型化、标准化等问题。
（六）软件技术
软件与硬件必须协调一致地发展。为了减少软件的研制成本，提高生产维修的效率，要逐步推行软件标准化，包括程序标准化、程序模块化、软件程序的固化、推行软件工程等。
二、机电一体化技术的主要应用领域
（一）数控机床
数控机床及相应的数控技术经过40年的发展，在结构、功能、操作和控制精度上都有迅速提高，具体表现在：
1、总线式、模块化、紧凑型的结构，即采用多CPU、多主总线的体系结构。
2、开放性设计，即硬件体系结构和功能模块具有层次性、兼容性、符合接口标准，能最大限度地提高用户的使用效益。
3、WOP技术和智能化。系统能提供面向车间的编程技术和实现二、三维加工过程的动态仿真，并引入在线诊断、模糊控制等智能机制。
4、大容量存储器的应用和软件的模块化设计，不仅丰富了数控功能，同时也加强了CNC系统的控制功能。
5、能实现多过程、多通道控制，即具有一台机床同时完成多个独立加工任务或控制多台和多种机床的能力，并将刀具破损检测、物料搬运、机械手等控制都集成到系统中去。
6、系统的多级网络功能，加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力。
7、以单板、单片机作为控制机，加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数控装置。
（二）计算机集成制造系统（CIMS）
CIMS的实现不是现有各分散系统的简单组合，而是全局动态最优综合。它打破原有部门之间的界线，以制造为基干来控制“物流”和“信息流”，实现从经营决策、产品开发、生产准备、生产实验到生产经营管理的有机结合。企业集成度的提高可以使各种生产要素之间的配置得到更好的优化，各种生产要素的潜力可以得到更大的发挥。
（三）柔性制造系统（FMS）
柔性制造系统是计算机化的制造系统，主要由计算机、数控机床、机器人、料盘、自动搬运小车和自动化仓库等组成。它可以随机地、实时地、按量地按照装配部门的要求，生产其能力范围内的任何工件，特别适于多品种、中小批量、设计更改频繁的离散零件的批量生产。
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异步电动机 异步电动机(asynchronous motor) 又称感应电动机,是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。 异步电动机按照转子结构分为两种形式:有鼠笼式（鼠笼式异步电机）、绕线式异步电动机。
作电动机运行的异步电机。因其转子绕组电流是感应产生的，又称感应电动机。异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。各国的以电为动力的机械中，约有90％左右为异步电动机，其中小型异步电动机约占70％以上。在电力系统的总负荷中，异步电动机的用电量占相当大的比重。在中国，异步电动机的用电量约占总负荷的60％多。
异步电动机的基本特点是，转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统；与其他电机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。以三相异步电动机为例，与同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一。异步电动机还容易按不同环境条件的要求，派生出各种系列产品。它还具有接近恒速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械拖动的要求。其局限性是，它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率（见异步电机），因而调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合（如传动轧机、卷扬机、大型机床等），不如直流电动机经济、方便。此外,异步电动机运行时,从电力系统吸取无功功率以励磁，这会导致电力系统的功率因数变坏。因此，在大功率、低转速场合（如拖动球磨机、压缩机等）不如用同步电动机合理。
由于异步电动机生产量大,使用面广,要求其必须有繁多的品种、规格与各种机械配套。因此，异步电动机的设计、生产特别要注意标准化、系列化、通用化。在各类系列产品中，以产量最大、使用最广的三相异步电动机系列为基本系列；此外还有若干派生系列（在基本系列基础上作部分改变导出的系列）、专用系列（为特殊需要设计的具有特殊结构的系列）。
异步电动机的种类繁多，有防爆型三相异步电动机、ys系列三相异步电动机、y、y2系列三相异步电动机、YVP系列变频调速电动机等等.
新中国第一台异步电动机于50年代初在合肥工业大学诞生
三相异步电动机的转动原理
1）．基本原理
为了说明三相异步电动机的工作原理，我们做如下演示实验，如图5-2所示。
图 5-2 三相异步电动机工作原理
(1)．演示实验：在装有手柄的蹄形磁铁的两极间放置一个闭合导体，当转动手柄带动蹄形磁铁旋转时，将发现导体也跟着旋；若改变磁铁的转向，则导体的转向也跟着改变。
(2)．现象解释：当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。
转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。
(3)．结论：欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组。
绕线转子电动机在原理上相当于普通的异步电动机，结构上有所区别，也就是转子上有分布式绕组。如果把转子上的绕组在集电环处短接，这个电动机（用法上）就是一个普通的笼式异步电动机了。
绕线式异步电动机的使用，一般是在一些需要较大启动转矩的场合，比如吊车（起重机）。它的原理就是改变转子绕组的电阻，以改变异步电动机的转差率，从而改变电动机的转矩的。它的定子直接接在三相交流电源上，而转子绕组一般串联上一定阻值的可变电阻上。当电动机启动时，可变电阻的阻值为最大值，在启动完成后，通过调节该阻值，最终使得该阻值为零。
可变电阻值的选择，与电动机的转子绕组、电动机设计的启动转矩大小等均有关系。
