后向通道与执行机构1

第8章后向通道与执行机构,概述,根据前一章的介绍可知,前向通道的作用在于将被控对象的各种信息转换成微机可以接收的信息,供微机运算和处理。对于其运算或处理后产生的控制命令或控制量,也必须转换成相应的物理量才能对被控对象实施控制,实现这一功能的装置称为输出通道,亦称后向通道。,后向通道的输出是执行机构的信号源,它要完成微机与控制机构之间的信号转换、功率驱动、速度匹配和生产环境的抗干扰等功能。本章根据其功能依次介绍功率驱动、信号转换和常见接口等电路,对于各种执行机构的驱动电路和D/A转换电路是本章的重点。,8.1输出通道的结构,输出通道包括数字量的输出和模拟量的输出,相应分为：数字量输出通道模拟量输出通道,8.1.1数字量输出通道,数字量输出通道主要由输出锁存器、数字光电隔离器和功率驱动电路等组成,如图8-1所示。,在计算机控制的生产过程中,开关的闭合、电磁阀的打开等二值状态执行器的工作命令都来自输出通道。这些控制命令从计算机送出后,首先要保持控制状态,直到下次给出新的值为止,这就需要锁存。常见的锁存器件有74LS273、74LS373等,它们能对8位输出状态信号实现锁存也可采用并行接口扩展芯片8155或8255实现多位I/O端口的锁存输出,采用隔离电路的目的在于将计算机与被控对象隔离开,以防止来自现场的干扰或强电侵入,通常采用的隔离器件是光电藕合器,至于功率驱动电路将在下一节专门予以介绍。,8.1.2模拟量输出通道,控制系统中的执行机构有些是由开关量或脉冲量驱动的,而很多也需要由连续信号驱动,诸如开度连续调节的阀门、速度连续变化的电机和导通角连续调节的晶闸管等。这就需要通过模拟量输出通道把计算机输出的数字信号转换成相应的模拟信号。,模拟量输出通道常见的有独立D/A转换形式和共享D/A转换形式两种,它们都是将计算机输出的数字量通过I/O接口输出,经D/A转换和相应驱动电路送入执行机构。,图8-2(a)所示是独立D/A转换形式的结构,这种结构首先由I/O接口电路接受来自CPU的数据、地址及控制信号,并向CPU送应答信号,再由D/A转换器将数字量转换成模拟量。,由隔离级的光电藕合器把计算机与被控对象隔离开来,由功率驱动电路实现V/I转换对于多路模拟量输出相互不受影响,缺点是使用较多的D/A转换器,成本较高。,图8-2(b)所示是共享D/A转换形式的结构,这种结构由于D/A转换器是共用的,所以对每一个模拟输出量都需要一个采样/保持器,以实现稳定输出。,采样/保持器与D/A转换器之间有一个多路开关,当CPU送出某一执行机构的控制量时,也送出采样/保持器的选通信号,D/A转换后的模拟量值就锁存在对应的采样/保持器中,一直保持到下一次输出。这种结构的优点是节省,只用一个D/A转换器,使之可在CPU控制下分时工作,依次把各数字量转换成模拟电压或电流,通过多路开关输出给各路采样/保持器。但由于保持器不能长久保持信号不变,因此这种结构精度较差,只适用于精度要求不高、通路较多的情况。,微机控制的对象繁多,控制原理也各不相同,被控对象根据执行机构的不同,信号变化范围、传输速率也不尽相同。在微机控制系统的输出通道中不但要考虑电平变换、信号放大、速度匹配等问题,还要考虑信号的通信和执行器的选择。,8.2开关量输出的常用器件与电路,8.2.1功率开关接口技术,从微机输出口送出的开关或数字信号一般必须通过相应的接口电路进行锁存、隔离和驱动。锁存可用相应锁存器完成隔离用光电器件驱动部分电路可以由晶体管、场效应管或集电极开路的TTL电路、漏极开路的MOS电路等功率器件组成,一般数字输出通道被驱动的输出设备有:继电器LED数码管液晶显示器报警器及指示灯等其中功率不大的部件可采用小功率集晶体管或功率集成电路,加以适当的偏置电阻、限流电阻就可以直接驱动。,例如,对于单个LED构成的报警器或指示灯,可采用如图8-3所示的驱动方式。,若驱动的负载数目较多时,可采用专用驱动集成电路,如图8-4所示。,对于功率较大的负载,如继电器、电动机和电磁阀等,可以利用功率场效应管驱动。功率场效应管也称为功率MOSFET,与双极型晶体管相比,它有以下几个特点:,功率场效应管MOSFET特点:,功率场效应管是多数载流子导电,不存在少数载流子的储存效应,因而,有较高的开关速度;功率场效应管具有较宽的安全工作区,不易产生热点,同时,由于它是一种具有正温度系数的器件,所以可并联使用;,功率场效应管具有较强的过载能力,短时过载能力通常为额定值的4倍;功率场效应管具有较高的开启电压,即阈值电压,通常阈值电压为26V,因此具有较高的噪声容限和抗干扰能力;,功率场效应管是电压控制器件,具有较高的输入阻抗,对驱动电路要求较低;另外,对于TTL电平输出的控制信号,可以直接与MOSFET连接。但TTL电路通常输出的高电平大约是3.6V，而场效应管的导通门槛电压是24V,为使场效应管迅速且充分导通,一般需在栅极加912V的电压,因而信号输出电路需采用集电极开路的TTL集成电路。,例如：,用集电极开路的TTL集成电路构成的驱动电路中,一般将上拉电阻接至1015V的电源上,以确保场效应管充分导通,如图8-5所示。,7407导通时RG吸入电流7407截止时,将通过RG对场效应管的输入电容充电当7407吸入电流越大,RG的充电速度越快时,功率场效应管的开关速度就越快。功率越大的场效应管,其输入电容就越大,为了提高开关速度,可以采用多个门并联驱动的方式。,采用CMOS集成电路直接驱动功率场效应管的一个最明显的优点就是由于CMOS电路可采用1015V电源供电,最少有1OV的高电平输出,从而使功率场效应管可充分导通。,CMOS集成电路的带载能力较弱,即拉出电流和吸入电流的能力都较弱,故对开关速度不利,不及TTL集成电路的驱动速度高。为了加大拉出电流和吸入电流,可以把多个CMOS缓冲器并联起来驱动功率场效应管,某些对速度要求并不高的场合也可以用单只晶体管进行驱动,其电路结构很简单,如图8-6所示。,8.2.2电磁式继电器的驱动,继电器是电气控制中最常用的器件之一,它利用改变金属触点位置来实现闭合或分开,具有接触电阻小、耐压高等优点,特别适用于大电流、高电压的场合。,1.电磁式继电器,电磁式继电器一般由线圈和触头组成。当线圈有电流通过时,由于磁场的作用,使开关触点闭合(或断开)。它有常开和常闭触头,当线圈无电流通过时,则常开触头断开、常闭触头闭合;线圈有电流通过时相反。线圈所加电应有交流和直流两种,直流电压常有5V、6V、9V、12V、24V等类型;交流电压有220V或380V。,使用交流电源的继电器也称交流接触器。常用的继电器驱动电路如图8-7所示。,继电器触点切换时往往伴随着电弧或火花,严重时可能会影响电路的切断。火花放电时触点产生电磨损,会降低继电器的使用寿命。电弧的大小与被切断电路的负载特性有关,如果切断的是感性负载,由于电感会阻碍电流的变小并产生很高的感生电压,使灭弧困难增加,所以同样的触点在切换电感性负载时的断流容量比切断电阻负载时小,一般为电阻性负载的30%。为了避免电弧可能通过电源将干扰藕合至微机,使微机失控,电路中采用了光耦合器。,图中的二极管IN4148起续流作用,当线圈切断电流时产生的感生电动势可以通过二极管泄放,以保护三极管。,2.干簧继电器,干簧继电器是另一类继电器,其结构图如图8-8所示。它由密封在玻璃管壳内的一对玻璃合金簧片及绕在管壳外的励磁线圈组成,簧片具有高导磁率和低矫顽力,其末端覆有黄金触点,用以保证接触时极低的接触电阻,玻璃壳内充氮气以防触点氧化。,当励磁线圈充电时,线圈产生轴向磁场,簧片被磁化并互相吸合,从而使触点闭合;当线圈断电后,簧片由于弹性而恢复它原先的位置。,干簧继电器触点闭合时,导通电阻很低,一般小于0.1;触点断开时,其分断电阻很高,一般大于1000M干簧继电器的工作频率可达1040次/秒,吸合、释放时间约1ms继电器的触点间、触点和励磁线圈间的击穿电压值超过数百伏,其工作寿命可达万次。干簧继电器与半导体开关不同,它的性能不受环境温度和湿度的影响,因此干簧继电器在数字控制系统中已有很长的使用历史。目前它在低速、低电平或高精度的数据采集、检测系统中仍被广泛使用。,8.2.3可控硅输出接口,可控硅是一种功率半导体器件,简称SCR,也称晶闸管。可分为单向可控硅和双向可控硅,在微机控制系统中,可作为功率驱动器件。它具有控制功率小、无触点、长寿命等优点,在交流电机调速、调功、随动等系统有着广泛的应用。,1.单向可控硅,单向可控硅有三个引脚,其符号标示如图8-9(a)所示。其中A极为阳极,K极为阴极,G极为控制极或称触发极或门控极。其内部结构如图8-9(b)所示。,从其内部结构可以看出,当在其A、K两端加上正向电压,而在其控制极G端不加电压时,单向可控硅不导通,正向电流极小,处于截止状态。,如果在控制极上加上正向电压,则可控硅导通,由于三极管V1、V2处于深度饱和状态,所以正向导通压降很小,且此时即使撤去控制电压,仍能保持导通状态。利用切断控制电流的方法不能切断负载电流。只有当阳极电流降至足够小的定值I