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嵌入式領(lǐng)域中電機控制應用的可編程片上系統（PSoC）
作者：
時(shí)間：2016-12-15
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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無(wú)論是小到手持設備還是大到機械機床，在當今的嵌入式和工業(yè)應用中，控制系統的基本要素仍然占據著(zhù)舉足輕重的地位。大多數自動(dòng)控制系統都采用負反饋機制來(lái)控制物理參數，如位置、速度、扭矩、電壓、電流以及強度等。在此，需要控制的參數均由適當的變換器進(jìn)行感測，之后再反饋回輸入與參考值進(jìn)行比較。將經(jīng)采樣的輸出信號與參考輸入相減，即是所謂的負反饋。差異信號（“誤差”）放大后會(huì )驅動(dòng)系統（激勵），讓輸出接近參考值。換言之，系統可最小化誤差信號，因而是一種閉環(huán)控制系統。電子機械系統在傳統控制系統中占絕大多數，而電機控制則是一種常見(jiàn)的應用。
圖1：控制電機速度的閉環(huán)系統
一般說(shuō)來(lái)，可將電機控制系統分為各種不同的子系統，如速度、位置或方向控制系統等。我們首先看一下構造簡(jiǎn)單的速度控制系統，其電機采用常量電壓（V）。在默認情況下，電機在特定的供電電壓（V）下具有特定的轉速（x）。如果向電機施加相同電壓（V）的負載，那么其轉速可能下降（y）。這樣，我們就不能控制電機的速度，也就是說(shuō)不能確保轉速不受任何外部因素的影響。這是一種開(kāi)環(huán)系統，因而我們要采取一定的反饋機制，以便能感應電機的速度并對有關(guān)因素進(jìn)行補償。
圖1顯示了閉環(huán)電機控制系統。這里，運動(dòng)控制器將來(lái)自反饋系統的信號與實(shí)際輸入進(jìn)行比較，以獲得誤差信號，然后將其放大后提供給電機。在此系統中，向電機饋送校正因數的“運動(dòng)控制器”和“放大器”模塊可一起由混合信號控制器實(shí)現，而光學(xué)轉動(dòng)編碼器則作為傳感器，因為我們能通過(guò)控制器輕松對該組件的輸出信號進(jìn)行解碼。下文將對上述各個(gè)系統的模塊做進(jìn)一步地闡述。
DC和步進(jìn)電機簡(jiǎn)介
電機就是可將電能轉換為機械能的設備。下列給出了不同領(lǐng)域常用的一些電機類(lèi)型：
(Ⅰ) DC電機：最簡(jiǎn)單的DC電機就是在軸上加線(xiàn)圈繞組，固定永磁鐵（見(jiàn)圖2）。在將電壓（V）施加給線(xiàn)圈時(shí)，電流（i）通過(guò)線(xiàn)圈。由于已有磁場(chǎng)（B），會(huì )有力（F）作用在線(xiàn)圈上（弗萊明右手法則）使其轉動(dòng)。
一旦線(xiàn)圈達到永磁鐵的磁極之一，就會(huì )受到斥力并向另一磁極運動(dòng)，從而形成持續轉動(dòng)，速度由所施加的DC電壓決定。
圖2：DC電機的工作原理
(Ⅱ) 步進(jìn)電機：永磁步進(jìn)電機由永磁轉子、線(xiàn)圈繞組和磁傳導定子組成。
為線(xiàn)圈繞組施加電壓會(huì )產(chǎn)生電磁場(chǎng)，出現南北極。定子承載著(zhù)磁場(chǎng)。通過(guò)順序通電或“步進(jìn)”定子線(xiàn)圈，能改變磁場(chǎng)，進(jìn)而生成旋轉運動(dòng)。圖2描述了雙相電機的工作情況。在第一步中，為雙相定子的A相施加電壓，就會(huì )將轉子磁鎖在如圖所示的位置，這是因為異性相吸；在第二步中，關(guān)閉A相打開(kāi)B相，讓轉子順時(shí)針旋轉90度；在第三步中，B相打開(kāi)，極性與第一步相反，又產(chǎn)生90度旋轉；在第四步中，A相關(guān)閉，B相打開(kāi)，極性與第二步相反。重復上述序列會(huì )讓轉子每次以90度步進(jìn)順時(shí)針旋轉。
在步進(jìn)電機中，電機旋轉的速度取決于第一步到第四步的執行速度。
圖3：步進(jìn)電機的工作原理
旋轉編碼器簡(jiǎn)介及其分類(lèi)
電機控制系統的下一個(gè)部分就是能感應電機狀態(tài)并將狀態(tài)饋送回控制器的反饋傳感器。如前所述，旋轉編碼器可發(fā)揮反饋傳感器的作用。
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