机电一体化第五章.ppt

1 第五章工业控制机与接口技术 工业控制计算机系统是机电一体化系统的中枢 其主要作用是按编制好的程序完成系统信息采集 加工处理 分析和判断 并作出相应的调节和控制决策 发出数字形式或模拟形式的控制信号 控制执行机构 各种电机 伺服阀 继电器开关等 的动作 实现机电一体化系统的目的功能 2 本章主要内容 第一节工业控制计算机第二节计算机控制接口技术第三节可编程控制器第四节数字控制器技术 3 第一节工业控制计算机 一 工业控制计算机系统组成工业控制计算机系统的硬件由计算机基本系统 人 机对话系统 系统支持模块 过程输入 输出 I O 子系统等组成 4 图5 1工业计算机系统硬件组成示意图 5 在过程I O子系统中 过程输入设备把系统测控对象的工作状况和被控对象的物理 工位接点状态转换为计算机能接受的数字信号 过程输出设备把计算机输出的数字信息转换为能驱动各种执行机构的功率信号 6 人一机对话系统用于操作者与计算机系统之间的信息交换 主要包括键盘 图形或数码显示器 声光指示器 语音提示器等 系统支持模块包括软盘 硬盘 光盘驱动器 串行通讯接口 打印机并行接口 调制解调器 等 工业控制计算机系统的软件包括适应工业控制的实时系统软件 通用软件和工业控制软件等 7 二 工业控制计算机系统的基本要求 由于工业控制计算机面向机电一体化系统的工业控制现场 因此它的结构组成 工作性能与用科学计算 数据处理及办公自动化的普通计算机有所不同 工业控制计算机具有以下特点 1 具有完善的过程输入 输出功能2 具有实时控制功能3 具有可靠性4 具有较强的环境适应性和抗干扰能力5 具有丰富的软件 8 三 工业控制计算机的分类及其应用特点 根据计算机系统软硬件及其应用特点 常用工业控制计算机有可编程序控制器PLC 总线型工业控制计算机以及单片机三类 其他的包括 数字信号处理器 ARM等 在设计机电一体化系统时 必须根据控制方案 体系结构 复杂程度 系统功能等 正确地选用工业控制计算机系统 9 1 可编程序控制器 可编程序控制器简称PLC 是继电器逻辑控制技术与计算机技术相结合而发展起来的一种工业控制计算机系统 它的低端为继电器逻辑的代用品 而其高端实际上是一种高性能的计算机实时控制系统 它以顺序控制为主 能完成各种逻辑运算 定时 计数 记忆和算术运算等功能 既能控制开关量 又能控制模拟量 10 PLC功能强大 提供编程软件和组态软件 方便PLC编程和上位机开发 11 采用了存储器技术 将控制过程用简单的 用户编程语言 编成程序 存入存储器中 运行时 计算机从存储器中一条一条地取出程序指令 依次控制各输入输出点 PLC把计算机的功能完善 通用 灵活 智能等特点与继电器控制的简单 直观 价格便宜等优点结合起来 可以取代传统的继电接触器顺序控制 而且具备继电接触控制所不具备的优点 PLC的最大特点 12 主要特点如下 1 控制程序可变 具有很好的柔性 2 可靠性强 选用于工业环境 3 编程简单 使用方便 4 功能完善 5 体积小 重量轻 易于装入机器内部 13 2 总线型工业控制计算机 总线结构型的工业控制计算机 根据功能要求把控制系统划分成具有一种或几种独立功能的硬件模块 从内总线入手把各功能模块设计制造成 标准 的印刷电路板插件 即模块 像搭积木一样将硬件插件插入一块公共的称为 底板 的电路板插槽上组成一个模块系统 14 每块插件之间的信息都通过底板进行交换 从而达到控制系统的整体功能 这就是所谓的模块化设计 由于总线结构的控制计算机系统将一个较复杂的系统分解成具有独立功能的模块 再把所需的功能模板插到底板上构成一个计算机控制系统 15 1 提高设计效率 缩短设计和制造周期 2 提高了系统的可靠性 3 便于调试和维修 4 能适应技术发展的需要 迅速改进系统的性能 总线型工业控制计算机具有如下的优点 16 3 单片机 单片机是把计算机系统硬件的主要部分如CPU 存储器 ROM RAM I O口 定时 计数器及中断控制器等都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机 单片机可视为一个不带外部设备的计算机 相当于一个没有显示器 键盘 不带监控程序的单板机 17 用单片控制系统具有以下特点 1 受集成度限制 片内存储器容量小 2 可靠性高 3 易扩展 4 控制功能强 5 一般的单片机内无监控程序或系统通用管理软件 软件开发工作量大 18 单片机和PLC的区别与选择 区别 1 PLC是建立在单片机之上的产品 单片机是一种集成电路 2 单片机可以构成各种各样的应用系统 从微型 小型到中型 大型都可 PLC是单片机应用系统的一个特例 3 不同厂家的PLC有相同的工作原理 类似的功能和指标 有一定的互换性 而单片机则不然 PLC与单片机系统的选用 1 对单项工程或重复数极少的项目 采用PLC方案是方便 快捷的途径 成功率高 可靠性好 但成本较高 2 对于量大的配套项目 采用单片机系统具有成本低 效益高的优点 但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定 可靠地运行 19 专用于机电控制的DSP处理器 20 嵌入式系统 嵌入式系统是以应用为中心 以计算机技术为基础 并且软硬件可裁剪 适用于应用系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗有严格要求的专用计算机系统 它一般由嵌入式微处理器 外围硬件设备 嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成 用于实现对其他设备的控制 监视或管理等功能 包括嵌入式硬件和嵌入式软件 ARM WINCE WINMobile 21 22 分布网络式测控 23 第二节计算机控制接口技术 在机电一体化系统中 由于机械系统与计算机控制系统在性质上有很大差别 要在二者之间建立信息采集和控制就必须通过计算机控接口对信息进行变换 调整 匹配 缓冲 因此计算机控制接口有着重要的作用 另外 尽管微机系统的引入使机械系统具有了 智能 达到了更高的自动化程度 但是机电一体化系统的运行仍离不开人的干预 必须在操作者的监控下进行 因此 人机接口也是必不可少的 计算机控制接口包括信息采集接口和控制输出接口 人机接口包括输入接口和输出接口 24 一 模拟信息采集接口 在模拟量信息采集通道中 先利用传感器将从信号源检测的非电量转换为电量 并进行信号处理 主要是放大 再经采样 保持器 将模拟信号变换成时间上离散的采样保持信号后 送A D转换器将模拟保持信号转换成数字信号 送入计算机 图5 2数据采集通道的一般组成 25 在实际中 生产过程涉及的信号源往往不止一个 对多个信号源的数据采集通道有下面几种结构形式 1 多路A D通道从每个信号源检测的信号都有各自独立的采集通道 即每个通道都有独自的采样 保持器和A D转换器 常用于需要同步高速采集 同步转换的计算机系统 26 2 多路同时采样 分时转换采集通道 从多路信号源来的数据经各自的采样 保持器后 经模拟多路开关 共用一个A D转换器 此结构使用模拟多路开关进行多路选择 使多路信号按一定的顺序切换到共用A D转换器上进行模 数转换 27 3 多路信号源共享采样 保持器和A D转换器 从多路信号源来的数据先经多路开关按某种顺序切换到具有采样 保持器和A D转换器的通道上 如图5 3c 此结构共用一套采样 保持器和A D转换器 节省硬件成本 但转换速度更慢 常用于分时采样 分时转换的控制系统 28 图5 3几种采集通道的结构形式 29 2 常用A D转换器 A D转换过程 30 8位逐次逼近式A D转换器的原理图 31 32 1 8位A D转换器ADC0808 0809 1 电路组成及转换原理ADC0808 0809都是含8位A D转换器 8路多路开关 以及与微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件 其转换方法为逐次逼近型 33 图5 4ADC0808 0809原理图 A D转换器 34 在A D转换器内部有一个高阻抗斩波稳定比较器 一个带模拟开关树组的256电阻分压器组成的D A转换器 以及一个逐次逼近型寄存器 8路的模拟开关的通 断由地址锁存器和译码器控制 可以在8个通道中任意访问一个单边的模拟信号 8R梯形电阻 3位D A转转器 0 1 参考电压非常重要 类似秤杆子 35 2 ADC0808 0809的引脚功能 CLOCK 实时时钟 可通过外接RC电路改变时钟频率 VREF VREF 参考电压端子 用以提供D A转换器权电阻的标准电平 对于一般单极性模拟量输入信号 VREF 5 00V VREF 0 00V VCC 电源端子 接 5V GND 接地端 36 START 启动信号 C B A 通道号选择端子 C为最高位 A为最低位 ALE 地址锁存允许 高电平有效 当ALE为高电平时 允许C B A所示的通道被选中 并把该通道的模拟量接入A D转换器IN7 IN0 8个模拟量输入端 37 EOC 转换结束信号 当A D转换结束后 发出一个正脉冲 表示A D转换完毕 此信号可作为A D转换是否结束的检测信号或中断申请信号D7 D0 数字量输出端 OE 输出允许信号 高电平有效 当此信号有效时 允许从所存器中读取数字量 此信号可作为ADC0808 0809的片选信号 38 图5 5ADC0808 0809时序图 39 3 时序图 选通道 从图5 5可以看出 启动脉冲START和地址锁存允许脉冲ALE的上升沿将地址送给地址总线 模拟量经C B A选择开关所指定的通道送至A D转换器 转换过程 在START信号下降沿的作用下 逐次逼近过程开始 在时钟的控制下 一位一位地逼近 此时 转换结束信号EOC呈低电平状态 读取数据 由于逐次逼近需要一定的过程 所以 在此期间内模拟输入值维持不变 比较器需一次一次进行比较 直到转换结束 EOC呈高电平 此时 若计算机发出一个允许命令 OE呈高电平 则可读出数据 40 单一电源 5V供电 模拟输入范围为0 5V 分辨率为8位 最大不可调误差 ADC0808 1 2LSB ADC0809 1LSB 功耗为15mW 4 ADC0808 0809的技术指标 41 转换速度取决于芯片的时钟频率 时钟频率范围 10 1280kHz 当CLOCK等于500kHz时 转换速度为128 s 可锁存三态输出 输出与TTL兼容 无需进行零位及满量程调整 温度范围为40 85 42 ADC0808 0809具有较高的转换速度和精度 受温度影响较小 能较长时间保证精度 重现性好 功耗较低 且具有8路模拟开关 所以对于过程控制它是比较理想的器件 43 若指定8路传感器信号输入端口地址为78H 7FH 转换结束信号以中断方式与CPU联络 采用74LS138作输入通道地址译码器 那么 可画出ADC0808 0809和CPU的连接原理电路图如图5 6所示 5 与计算机的接口电路 44 图5 6ADC0808 0809和CPU的连接电路图 IN指令 OUT指令 1 1 45 由于ADC0808 0809的数据输出带三态输出门 故可直接接到CPU数据总线上 按图5 6所示接线 74LS138的译出的地址范围正好是78H 7FH 低3位地址线A2 A0直接分别接到ADC0808 0809的采样地址输入端C B A上 用于选通8路输入通路中的其中一路 46 CONTV1 MOVAL 00H 可以是不为00H的其它数字 OUT78H AL 选通IN0通路并开始转换INAL 78H读转换的结果CONTV7 MOVAL 00H OUT7FH AL 选通IN7通路并开始转换 那么用一条输出指令即可启动某一通路开始转换 47 转换结束 ADC0808 0809从EOC端发出一个正脉冲信号 通过中断控制器8259A向CPU发出中断请求 CPU响应中断后 转去执行中断服务程序 中断服务程序中 执行一条输入指令 即可读取转换后数据 如执行INAL 78H 即可将以启动转换的IN0通路的转换数据读入AL中 因为执行这条指令时 使片选信号和读信号同时出现有效低电平 ADC0808 0809的输出允许信号OE端出现一开门正脉冲 使输出三态门开启 CPU可读取转换后的数据 48 图5 7所示为ADC0808通过并行接口8255A与计算机接口电路 添加8255A的控制字 图5 7ADC0808通过8255A与计算机的连接电路 PB输出口 PA输入口 PC高4输入口 分析P8255A的地址ADC0808的地址 49 若从输入通道IN0 A B C为0 0 0 读入一个模拟量 经ADC0808转换后送CPU 8255A端口地址为80H 83H ADC0808端口地址为84H 87H有关程序如下 MOVAL 98H 8255A初始化 方式0 PA口输入 PB口输出OUT83H AL PC高4位输入MOVAL 00HOUT81H AL 选择通道000ADDAL 10HOUT81H AL PB4 1启动ADC转换SUBAL 10HLOOP INAL 82H 从C口的PC7检查EOCTESTAL 80H 检测PC7JZLOOP PC7 0即EOC 0 转换未结束 继续查询INAL 84H 允许输出转换结果OE有效 结果送入8255A的A口INAL 80H 由8255AA口读入数据HLT 50 2 12位A D转换器AD574 1 AD574结构及原理 图5 8AD574结构原理图 51 2 AD574的引脚功能 图5 9AD574引脚图 AD574各个型号都采用28引脚双列直插式封装 52 53 54 55 56 AD574控制信号真值表 57 AD574有单极性输入和双极性输入两种工作方式 图5 10给出了单极性输入工作方式 模拟量从0 10V 或0 20V 端子输入 根据量程决定 参考输入电平REFIN 10 00V REFOUT 10V 图5 11为双极性输入工作方式 3 AD574的输入方式 58 图5 10单极性输入电路图 图5 11双极性输入电路图 5v 10v 59 4 AD574的主要技术指标1 分辨率12位2 非线性误差 1 2LSB3 模拟输入双极性 5V 10V单极性0 10V 0 20V4 供电电源VLOGIC逻辑电平 4 5V 5 5VVCC供电电源 13 5V 16 5V5 内部参考电平10 00 0 1 max V6 转换时间15 35 s7 存放温度 60 150 60 如图5 12所示为AD574与计算机接口电路 输入模拟电压信号是双极性 按双极性输入接线 通过运算放大器放大后的输入直流电压的线性变化范围为 5 5V 从10VIN端输入 AD574的CE端固定接 5V 恒为 1 那么当按74LS138译码器给AD574已得的一个偶地址执行一条输出指令时 有CS 0 A0 0 R C 0 就可启动AD574按12位转换 5 与计算机的接口电路 61 图5 12AD574与计算机的连接电路 双极性 接地按照双8位输出 62 转换结束信号STS接到系统并行接口8255A的某一输入线上 CPU可以检测该输入线的状态 当检测到该输入线的状态由 1 变为 0 时 表示转换已结束 因12 8端接DGND端 则CPU连续执行两条输入指令即可读取转换后数据第一条输入指令按启动转换时的偶地址 A0 0 操作 读入的是转换后的高8位数据 第二条输入指令应按启动转换时的偶地址加1后的奇地址 A0 1 操作 读入的是转换后的低4位数据后跟4个 0 63 设转换结束信号STS接8255A的PA2 8255A已初始化设定为A口输入 查询法启动和读取AD574的转换数据的接口程序如下 64 OUTADPORT AL 启动A D按12位转换 ADPORT是AD574的一个偶地址WAIT1 INAL PA 读取转换结束信号 PA是8255A的A端口地址MOVCL 03RCRAL CL 右移三次JCWAIT1 如为高电平 则等待INAL ADPORT 读取转换后高8位数据MOVAH AL 高8位数据传送到AHINAL ADPORT 1 读取转换后的低4位数据后跟4个0 65 66 二 模拟量输出通道中的D A转换 67 图 a 数字量保持方式图 b 模拟量保持方式图5 13D A转换通道的几种结构形式 D A转换通道依据输出保持器与D A转换器的位置关系有两种结构形式 如图5 13 68 并行D A转换器的工作原理 D A转换器是把输入的数字量转换为与输入量成比例的模拟信号的器件 为了了解它的工作原理 先分析一下下图所示的R 2RT形电阻解码网络的原理电路 输入 输出 69 流经电阻的电流依次为 N位R 2R电阻解码网络 In In 1 70 由于Iout1端输出的总电流是置 1 的各位加权电流的总和 IOUT2端输出的总电流是置 0 的各位加权电流的总和 因此当D A转换器输入为全 1 时 IOUT1和IOUT2分别为 71 当运算放大器的反馈电阻Rb等于反相端输入电阻R时 其输出模拟电压为对于任意二进制码 其输出模拟电压为 式中 ai 1或ai 0 由上式便可得到相应的模拟量输出 72 图5 14DAC0832原理框图及引脚 1 DAC0832结构及原理 DAC0832是具有两级输入数据寄存器 或称输入数据缓冲器 的8位D A转换器 其内部结构如图5 14所示 它主要由一个8位输入寄存器 一个8位DAC寄存器 具有R 2RT型电阻解码网络的8位D A转换器 输入控制电路等部分组成 锁存器的作用 73 锁存器的作用 不易实现 74 2 DAC0832的引脚及功能 IOUT1 IOUT2 为两个模拟电流输出端 这两个输出信号常作运算放大器差动输入信号 并且IOUT1 IOUT2 常数 Rfb反馈电阻接出端 可接一电阻作为外接运算放大器的反馈电阻 VREF VCC AGND DGND分别为 10 10V的参考电压 5 15V的电源电压 模拟地 数字地 VREF电压稳定性好 模拟输出精度就高 外部标准电压通过VREF与T形电阻网络相连 75 为片选信号 输入线 低电平有效 常常与地址译码器相连来控制对8位输入数据寄存器的选择 ILE是允许输入锁存信号 输入线 高电平有效 76 是两个写信号 均为输入线 低电平有效 因为DAC0832有两级输入数据寄存器 在双缓冲工作方式时 要进行两级写操作 控制第一级输入数据寄存器 控制第二级DAC寄存器 77 在DAC0832中有两级锁存器 第一级锁存器称为输入寄存器 它的锁存信号为ILE 第二级锁存器称为DAC寄存器 它的锁存信号也称为通道控制信号XFER 因为有两级锁存器 所以DAC0832可以工作在双缓冲器方式下 即在输出模拟信号的同时 可以采集下一个数据 这样可以有效地提高转换速度 另外 有了两级锁存器以后 可以在多个D A转换器同时工作时 利用第二级锁存器的锁存信号来实现多个转换器的同时输出 78 79 DAC0832三种作方式 1 直通方式 当ILE接高电平 CS WR1 WR2和 XFER都接数字地时 DAC处于直通方式 2 单缓冲方式 只要把两个寄存器中的任何一个接成直通方式 而用另一个锁存数据 DAC就可处于单缓冲工作方式 3 双缓冲方式 把两个寄存器都锁存数据 80 1 分辨率 8位 2 电流转换时间 1 s 3 满刻度误差 1LSB 4 单电源 5 15VDC 5 参考电压 10 10V 3 DAC0832的技术指标 DAC0832模拟输出的是电流信号 当需要模拟输出为电压时 可在DAC0832的输出端接一个运算放大器 将电流信号转换成电压信号 81 4 D A转换器的输出方式 输出方式 单极性电压输出和双极性电压输出之别 82 单极性电压输出 83 DAC0832双极性电压输出电路 在随动系统中 由偏差产生的控制量不仅与其大小有关 而且与极性有关 在这种情况下 要求D A转换器输出电压为双极性 只要在单极性电压输出的基础上添加一级电压放大器 并配合相关的电阻网络 就可以构成双极性电压输出 84 DAC0832双极性电压输出电路 A2的作用是把A1单向输出电压转换成双向电压输出 其原理是将A2的输入端通过电阻R1与参考电压UREF相连 UREF经电阻R1流向A2 提供电流I1 因此运算放大器A2的输入电流为两个支路I1I2的和 I 85 I 86 5 与计算机的接口电路按单缓冲方式 图5 17DAC0832与计算机接口电路 缓冲方式 单缓冲 数据输入寄存器缓冲 87 计算机控制大功率交直流负载 会引起各种现场干扰 为保证控制计算机安全可靠地运行 功率接口需要选择合适的驱动和隔离方案 其中低压直流负载可以选用功率晶体管 高压直流负载和交流负载常采用继电器驱动 交流负载可以采用双向晶闸管或固态继电器 常采用的隔离原件为光电耦合器或继电器 隔离时一定要注意单片机系统用一组电源 外围器件用一组电源 三 开关型功率接口 88 包括 晶体管光电耦合器晶闸管电磁继电器 固态继电器大功率场效应管作用 1 隔离 2 电平转换 3 整流 变频 4 执行部件的起动 停止 正反转控制等 89 90 1 光电隔离技术在开关量控制中 最常用的器件是光电隔离器 光电隔离器是把发光元件与受光元件封装在一起 当发光二极管有正向电流通过时 即产生人眼看不见的红外光 其光谱范围为700 1000nm 受光元件接收光照以后便导通 而当该电流撤去时 发光二极管熄灭 受光元件随即截止 利用这种特性即可达到开关控制的目的 由于该器件是通过 电 光 电 的转换实现对输出设备进行控制的 彼此之间没有没有电气连接和耦合 因而可以起到隔离的作用 91 隔离电压与光电隔离器的结构形式有关 双列直插式塑料封装形式的隔离电压一般为2500v左右 陶瓷封装形式的隔离电压一般为5000 10000V 不同型号的光电隔离器输入电流也不同 一般为10mA左右 其输出电流的大小将决定控制输出外设的能力 一般负载电流比较较小的外设可直接带动 若负载电流比较大时可在输出端加驱动器 92 93 TTL电平不能直接驱动发光二极管 因此需要驱动器 光电耦合器的输入 输出端两个电源必须单独供电 否则如果使用同一电源 或者共地的两个电源 外部干扰信号可能通过电源串到系统来 就失去了隔离的意义 94 光耦输入隔离 电平转换 95 晶闸管是一种大功率电器元件 也称可控硅 它具有体积小 效率高 寿命长等优点 在自动控制系统中 可作为大功率驱动器件 实现用小功率控件控制大功率设备 晶闸管包括单向晶闸管和双向晶闸管 2 晶闸管接口 96 1 单向晶闸管接口 单向晶闸管又称可控硅整流器 其最大特点是有截止和导通两个稳定状态 开关作用 同时又具有单向导电的整流作用 97 图5 21控制计算机与单向晶闸管接口电路 1触发 双向二极管 用来触发可控硅 起到过压保护的作用 直流负载 0断开 控制计算机控制单向晶闸管实现220V交流开关的例子 98 2 双向晶闸管驱动接口 双向晶闸管在结构上可看成是两个单向晶闸管反向并联构成的 这种结构使其在应用特性与单向晶闸管不同 第一 它在触发后是交流双向导通的 第二 在门极中所加的触发信号不论是正还是负都可以使双向晶闸管导通 通常用作过零开关 对交流回路进行功率控制 图5 22双向晶闸与计算机接口阻抗负载 0 100 过零触发 在晶闸管控制电路中 常常要求晶闸管在电压过零或刚过零时触发晶闸管 开或关 以减小晶闸管导通时对电源的影响 冲击 这种触发方式为过零触发 过零触发需要过零检测电路 目前在许多晶闸管输出型光电耦合器中设有过零检测电路 101 内部有光耦 控制信号 负载电流 MOC3061 过零触发可控硅驱动器输出光电藕合器 102 3 继电器输出接口 继电器 电磁 通过改变金属触点的位置 使动触点与静触点闭合或分开 因此它具有接触电阻小 通过电流大及耐高压等特点 但动作可靠性不及晶闸管 继电器有电压线圈与电流线圈两种工作类型 它们本质上是相同的 电压继电器的电气参数包括线圈的电阻 电感或匝数 吸合电压 释放电压和最大允许工作电压 电流继电器的电气参数包括线圈匝数 吸合电流和最大允许工作电流 103 继电器 接触器的供电系统分为直流电磁系统和交流电磁系统 工作电压也较高 因此从微机输出的开关信号需经过驱动电路进行转换 使输出的电能能够适应其线圈的要求 继电器 接触器动作时 对电源有一定的干扰 为了提高微机系统的可靠性 在驱动电路与微机之间都用光电耦合器隔离 104 图5 25继电器接口电路 常用的接口电路如下图5 25所示 1 R1为限流电阻 二极管V的作用是保护晶体管9013 105 不同的继电器 其线圈驱动电流的大小 以及带动负载的能力不同 选用时应考虑下列因素 1 继电器额定工作电压 或电流 2 接点负荷 3 接点的数量或种类 常闭或常开 4 继电器的体积 封装形式 工作环境 接点吸合或释放时间等 106 107 在继电器控制中 由于采用电磁吸合方式 在开关的瞬间 触点容易产生火花 从而引起干扰 对于交流高压等场合 触点容易氧化 影响系统的可靠性 随着微型计算机控制技术的发展 近些年又研制出一种新型输出控制器件 固态继电器 固态继电器 SolidStateRelay 简称SSR 它用晶体管或者晶闸管代替常规继电器中的触点开关 而在前级中与光电隔离器融为一体 因此 固态继电器实际上是一种带光电隔离器的无触点开关 4 固态继电器接口 108 特点 控制电流小 输出无触点 所以与电磁继电器相比 具有体积小 重量轻 五机械噪声 无抖动和回跳 开关速度快 工作可靠等优点 在微型计算机控制系统中得到广泛应用 大有取代电磁继电器的趋势 根据结构形式 固态继电器有直流型固态继电器和交流型固态继电器之分 109 1 直流型SSR 固态继电器的输入部分是一个光电隔离器 因此 可用OC门或晶体管直接驱动 它的输出端经整形放大后带动大功率晶体管输出 输出工作电压可达30 180V 图5 26直流型SSR原理图 虚线框内部分表示SSR内部结构 110 直流型SSR的应用 应用于直流电动机控制 步进电机控制 电磁阀的控制等 三相步进电机控制原理图 环形脉冲分配器 111 交流型SSR 交流型SSR又可分为过零型和移相型两类 它采用双向可控硅作为开关器件 用于交流大功率驱动场合 如交流电机 交流电磁阀控制等 其原理电路如图5 28所示 112 图5 28交流过零型SSR原理图 双向可控硅 113 过零型 移相型 SW RL电流 1 2之间电压 RL电流 1 2之间电压 114 图5 30交流型SSR控制交流电动机原理图 iA 0 1 115 116 选用交流型固态继电器时主要注意它的额定电压和额定工作电流 固态继电器在使用时应注意以下几点 117 电子开关器件的通病是存在通态压降和断态漏电流 因此在使用时可在负载两端并联一个适当阻值的分流电阻抑制漏电流的影响 118 固态继电器电压过载能力差 当负载为感性时 在SSR的输出端必须接压敏电阻 压敏电阻标称电压可取电源电压有效值的1 6 1 9倍 119 固态继电器的电流容量 负载能力随温度升高而下降 使用的温度范围不宽 40 80 所以当温度较高时 选用SSR的输出电压和电流应留有一定的余量 同时应装散热器 120 对于白炽灯 电炉等具有 冷阻 特性的负载 在电源接通瞬间将产生超过额定电流的浪涌电流 这时 在选择额定电流时 应留有足够的余量 一般可按负载平时工作电流约等于固态继电器额定电流的三分之二来选择固态继电器 121 由于场效应管输入阻抗高 关断漏电流小 响应速度快 而且与同功率继电器相比 体积较小 价格便宜 所以在开关量输出控制中也常作为开关元件使用 场效应管的种类非常多 如IRF系列 电流可从几毫安到几十安培 耐压可从几十伏到几百伏 因此可以适合各种场合 5 大功率场效应管开关接口 122 G为控制极 D为漏极 S为源极 图5 31大功率场效应管表示符号 123 值得说明的是 由于大功率场效应管本身没有隔离作用 故使用时为了防止高压对微型计算机系统的干扰和破坏 通常在它的前边加一级光电隔离器 如4N25 IL113等 固态继电器中通常包含光电隔离器 124 图5 32采用大功率场效应管的步进电机控制电路原理图 利用大功率场效应管可以实现步进电机控制 125 脉宽调制 PWM 直流调速驱动系统原理如图所示 通过改变脉宽 占空比 来改变电枢回路的平均电压 得到不同大小的电压值Ua 使直流电机平滑调速 图4 6PWM直流调速驱动系统原理图a 控制原理图b 电压 时间关系图 四 直流电动机的功率接口 126 1 PWM功率驱动接口工作原理PWM功率驱动接口组成如图5 33所示 该接口由电压 脉宽变换器和开关功率放大器两部分组成 接口输入端与控制器直连 接受电压控制信号UI 接口的输出端与直流电动机直连 输出控制电压UP 127 图5 33PWM功率驱动接口组成框图 128 矩形波的正脉冲负脉冲 129 130 131 功率放大器 图5 35PWM功放电路的形式 0 1 1 0 DC电源 a 单极性功率放大器 b T型功率放大器 c H型桥式功率放大器 132 2 微机与PWM功率放大器的接口方法 图5 36中微机模拟量输出通道由DAC0832转换器和ADOP 07运算放大器组成 它把数字量 00H FFH 的控制信号转换成 2 0 2 0V模拟量控制信号UI ADOP 07与DAC0832之间的连线是一种特殊的连接方法 133 图5 36微机与PWM功率放大器的接口 134 五 交流电动机变频调速功率接口 变频调速是交流电机调速的发展方向 在系统设计时 主要是解决变频器的选用 与控制系统的连接及控制算法的实现等问题 变频器的作用是将供电电网的工频交流电变为适合于交流电动机调速的电压 频率可变的交流电 135 1 变频器的分类按照变频方式和控制方式可分为 电压型交 直 交变频器按变频方式电流型交 交变频器脉冲宽度调制型 PWM 按控制方式脉冲幅度调制型 PAM 矢量控制型 136 根据用途和使用效果 变频器分为以下几种 1 通用变频器 2 纺织专用变频器 3 矢量控制变频器 4 机床专用变频器 6 电梯专用矢量变换控制变频器 5 高频变频器 137 2 变频器选择 电动机的容量及负载特性是变频器选择的基本依据 在选择变频器前 首先要分析对象的负载特性并选择电动机的容量 根据用途选择合适的变频器类型 然后再进一步确定变频器的容量 138 一般的原则是 1 连续运行场合 2 多台电动机并联场合 3 起动时变频器所需的容量 139 140 三菱A540系列变频器 141 142 3 变频器使用方法 变频器是通过装置上的接线端子与外部连接的 接线端子分为主回路端子和控制回路端子 为主回路端子连接供电电源 交流电动机及外部能耗制动电