矿大 机电一体化课件 第四章 机电控制系统电路设计

1、第四章机电控制系统电路设计，4.1概述4.2模拟信号调理电路4.2.1滤波和限制电路4.2.2运算放大器4.2.3绝缘技术4.3单片机周边接口电路4.3.1并行总线接口4.3.2 SPI总线接口4.3.3 SMBUS 4.4通信接口电路设计4.4.1 RS-232协议接口设计4.4.2 RS-485/RS422协议接口设计4.5继电器接触控制系统设计4.5.1常规低压电器产品4.5.2电气控制线路设计的基本要求4.5.3电动机控制电路设计4.5.4通用控制电气选择4.6交换机输入输出电路4.6 4.1概述各种电路和接口是机械和电气控制系统的信号检测、数据传输、电力驱动和人机信息交换的机械控制系

2、统的基本组成部分。 随着微电子技术和电子计算机技术的发展和普及，工业PC和微型计算机已经广泛应用于机械和电气控制系统。机电控制系统产品由于单片机技术、片上系统技术、嵌入式系统技术和计算机控制技术的广泛使用，正在向智能化、低功耗、经济高效的方向快速发展。一般来说，数字机电控制系统的电路和接口结构包括模拟信号调理电路和模拟开关。 a/d转换器接口电路；微处理器(微控制器)； d/a转换和接口电路；模拟功率驱动电路；人机界面电路；开关输入、输出电路；通信接口电路；如图4-1所示，共由9个部分组成的电源电路。本章详细介绍了模拟信号调理电路、SCM周边接口电路、通信接口电路、开关输入/输出电路、人机接口

3、电路等设计方法。4.2模拟信号调理电路模拟信号调理电路包括滤波器和限制电路、运算放大器电路。一般模拟信号调理电路包括以下功能：信号经常包含干扰和噪音，为了减少干扰和噪音的强度，在模拟信号调理电路中过滤信号，为了保护系统电路的安全，限制输入信号。在元件输出的电信号和系统的a/d输入信号可能不匹配的情况下，将检测和检测元件输出的电信号转换为a/d转换器可接受的信号。检测特定机械量的传感器输出信号可以是需要转换为满足a/d转换器输入要求的电压信号的非电压信号(例如，应变传感器输出量是桥臂电阻的情况下)。在一些恶劣的环境下，如果共同模式电压干扰严重，或发生高达数百伏的情况，不使用隔离方式就无法完成数据

4、收集工作。因此，根据站点环境，应考虑抑制共同模式干扰，并采取隔离措施等。4.2.1滤波器和限制电路，为了保护系统电路的安全和防止干扰和噪声信号的影响，来自传感器的各种模拟信号必须首先进行限制和过滤，以下是限制和过滤常用的一些电路。(1)单端输入的限制滤波电路，(a)单端输入(b)双端输入图4-2限制滤波电路，图4-2 (a)显示的电路适用于单端输入放大器电路的限制和滤波。其中，电压调节器v使用比输入信号大约2V的输入信号限制和电压调节器。选择泄漏电流少的稳定器管。对于诸如热电偶或其他毫伏电压信号等小信号，可以将稳定器管v转换为两个反向并行硅二极管。(2)在二端输入的限制滤波电路4-2 (b)中

5、显示的电路用于二端输入放大电路的限制和滤波。这里，电路比单个端输入复杂，因为需要考虑信号本身(两条信号线之间)的限制、过滤和每条线对系统的限制、过滤。，4.2.2运算放大器运算放大器电路的核心是运算放大器，运算放大器是理想运算放大器和实际运算放大器的主张。理想的op放大器意味着参数是理想化的运算放大器。开环放大a=，开环输入电阻ri=，偏移电压vos=0，偏移电流IOs=0，共模抑制比kcm=，共模输入电压范围，输出振幅和功率范围相同。但是实际生产的运算放大器并不达到绝对理想，参数不合适的运算放大器称为实际运算放大器。实际op放大器A、Ri、Vos0、Ioso、kcm 15k有时需要更大的输出

6、电流，op放大器的输出容量不足，op放大器的输出端添加晶体管(或复合晶体管)，晶体管电压转换率说明了运放的反应速度。多开关开关切换到新信号时，运算放大器时间必须非常短才能输出正确的值。因此，在执行a/d转换之前，必须延迟一定的时间。如果需要提高通路数转换的速度，则应选择电压转换率高的op放大器。共同模式电压范围必须确保op放大器输入部的共同模式信号在该op放大器的共同模式电压范围内工作，否则不能工作。启用单电源操作的op放大器的最小公共模式电压范围可以达到0V。输出电压幅度一般情况下，op放大器输出最大正电压低于正电源电压值V- v1，输出最小电压高于负电源电压值v- v2，输出电压范围明显受

7、电源电压值(V，V-)影响，确定电源电压后， v1， v2越小，输出电压宽度越大。设计计算电路时，必须确保运算放大器输出电压振幅符合要求。(2)由运算放大器组成的典型应用电路基本运算放大器电路如图4-3所示，基本运算放大器电路有逆相放大、同相放大和差分放大三种形式，并且运算放大器的所有其他复杂应用以这三种方式组合。图4-3基本运算放大器电路，图4-3 (a)是以输出与输入相反、输入阻抗低(R2/R1)为特征的基本逆相放大器、输入与输出关系。R3是输入电流平衡电阻，使用R3=R1/R2。如果放大器本身的输入阻抗足够高，并且输入偏置电流很小，则可以不使用R3。图4-3 (b)是输入阻抗高且经常直接

8、用作小信号放大器的基本同相单端信号放大器的I/o关系。R2取消后，是典型的电压从动件。对于存在过零电压的实际使用(例如op-07、CA3140，例如OP-07、ca 3140)，建议使用过零电路来调整操作中的零。图4-3 (c)是基本差分信号放大器。其中R1=R4，R2=R3是输入和输出关系：该电路提供了更好的公共模式抑制功能，但输入阻抗不高。经常在单电源中使用，以设计零迁移或零调节电路。由运算放大器组成的电流-电压转换电路(图4-5 4-5 420mA 0 1v信号运算转换放大器电路)，该电路经常用于机电控制系统输入电路。1个TI TLC2252，u1: a设计为0.25的逆相放大器，为了最

9、小化信号源分流和采样误差，信号输入电阻R1可以获得2个大值。2m。由运算放大器组成的电压-电流转换电路，图4-6是将输入的电压信号转换为电流信号输出的典型V-I转换电路，输出电流与输入电压的关系，rl=lk，R2=lk，R3=250，Vi为l 5v更改R3的电阻值将调整输出电流I和输入电压Vi之间的比例关系。图4-6运算放大器组成的V-I，高输入阻抗差分输入放大电路，考虑到实际使用的许多电路中消除信号的共模置乱问题，经常采用差分输入形式。，图4-7高输入阻抗差动放大装置，图4-7 (a)设计了使用两个高输入阻抗运算放大器的高电阻差动放大器。在图4-7 (a)中，设置R2/R1=R4/R3消除了

10、共模电压干扰Vcom。该电路的优点是设计简单，输入阻抗和共模抑制能力充分。缺点是不能灵活缩放，要求阻力的匹配精度大于0.1%。图4-7 (b)是高阻抗差分运算放大器设计的另一实例，用于输出和输入关系、精密整流放大器交流信号测量的实际有效值，以后检测到二极管整流时，发生二极管压降引起的错误。可以使用运算放大器设计精密整流电路。图4-8精密半波逆相整流放大电路图4-9绝对值放大电路，直流恒流源电路机电控制系统的信号测量中经常使用恒流源电路。精密稳定的恒流源都是和运算放大器一起使用稳定性高的参考源设计的。图4-10是实用的恒流源电路。这个电路可以通过电阻-电压转换来测量电阻。4.2.3隔离技术，从日

11、常经验中可以看出，操作中的电气设备、外壳未正确接地的情况下，用手触摸外壳会经常发生电击反应；使用表测量内部信号线的接地电压时，测量直流或电源频率的高压值，这是共模干涉电压。共模电压是与参考点电压的同一部分的一条或多条信号线相关的有差异的部分是差模电压。这进一步扩展了运算放大器的共同模式，微分模式电压的概念。工业设备的电气装置可以由于绝缘不良、分配电容器和静电检测，在传感器电气开关或信号传输线中结合一定的共同模式电压。特别是，如果这些部分浮动或接地具有高阻抗，则会发生高公共模式干扰，并通过传输线添加到计算机的每个I/o入口。电气设备负荷急剧变化，共模电压值也急剧变化。严重影响数据收集系统的正常运

12、行。使用隔离技术是克服强共模干扰的有效方法。(1)光隔离(光电耦合装置)，图4-13模拟信号光隔离工作原理，(2)绝缘放大器，其中绝缘放大器是所谓的三端口隔离方式，即通过变压器将输入信号、输出信号、电源等相互隔离。在测量医疗应用等小信号时，或者通过测试对象和测量设备主机之间的严格电气隔离，可以提供足够的抗干扰能力和安全保障的情况下，使用隔离运算放大器是很好的解决方案。绝缘放大器一般分为变压器隔离和光隔离两类，大多数高性能绝缘运算放大器是具有高电气隔离性能的内置输入隔离电源。D202是ADI公司的变压器耦合，小型封装的精密绝缘放大器，以PDIP38脚的模块封装提供。通过片上变压器电气隔离信号的输

13、入和输出。片上直流电压转换电路为输入水平、外部传感器和信号处理电路提供7.5v/2ma的隔离电源，优化周边电路设计，提高芯片的性价比。图4-14 ad 202功能框图，4.3单片机外围接口电路，微控制器是机电控制系统智能发展趋势不可缺少的关键部件，微控制器用各种外围模块构成机电控制系统的电子控制单元。目前，单片机的发展趋势是低功耗CMOS化、功能单片和卷小型化。低功耗CMOS是使用补充高密度金属氧化物半导体(CHMOS)工艺制造的，每个单片机基本上具有高速和低功耗功能。集成在单个芯片上，增强的微控制器(例如a/d转换器、脉宽调制电路(PMW)、watch dog(WDT)集成在单个芯片上，集成

14、在单个芯片上，通常包括中央处理器(CPU)、随机访问数据内存(RAM)、随机访问数据内存(RAM)，单片机外围接口电路可从功能方面分为系统监控接口电路、a/d和d/a接口电路、智能数字传感器接口电路等；单芯片周边接口电路可以按总线结构分为并行总线接口电路、SPI总线接口电路、SMBUS总线(I2C)接口电路和1-wire总线接口电路等。了解各种结构总线的特性，可以轻松完成机械和电气控制系统中功能不同的接口芯片和单片机的接口设计。4.3.1并行总线接口并行总线接口是单片机系统中最常用的数据传输方法，并行总线接口的优点是传输速度快，单片机编程简单，缺点是总线接口连接线多，占用PCB板区域多，电磁抗

15、干扰能力弱。程序内存和数据内存的扩展接口，以前微控制器外围设备的接口是以INTEL corporation的8位微处理器为接口对象的并行总线接口，即单芯片微计算机通过标准总线方式(包括数据总线、地址总线和控制总线)与各种外围设备进行接口的并行总线接口。典型设备(例如，程序存储包括2732、2764、27256，数据存储包括6116、6264和62566)。I/o接口设备是英特尔公司的8255、8253、8251、8279、8237、8259、8155、A/d和d/a设备，包括AD公司的AD0809、AD574、ADl674、DD，4.3.2 SPI总线接口串行专用接口(SPI)接口总线是全双工

16、同步串行总线。SPI总线可以分为3线和4线操作模式，允许在同一总线上挂多个主机和从属系统。在4线制模式下，通过保存选定内容(NSS)控制从属服务器的片选择，并且NSS是低级有效的。在三线模式下，NSS端口无效。SPI总线接口方法的缺点是：与并行总线相比，PCB电气连接较少，可以进行双向数据传输，并且数据传输速率没有并行总线。4.3.3 SMBUS(I2C)总线接口4.3.3.1 SMBUS(I2C)总线概述系统管理总线(SMBUS)是英特尔开发的双向双线总线，在I/o接口中只有两条电缆(SDA和SCl)串行链路(SCL)传输总线时钟，串行数据(SDA)传输总线数据。SMBUS总线仅通过串行数据SDA和时钟SCL线在总线上传输数据。每个设备都有唯一的地址，无论微控制器、LCD驱动器、内存或键盘接口如何，只要符合SMBUS总线(或I2C总线)规范，就可以将唯一地址配置为DIP非闩锁交换机或相关控制寄存器。SMBUS设备可以在数据流动的方向上分为发射器和接收器。发射器发送数据，接收器接收数据。通常，同一SMBUS设备可以是发射器和接收器。例如，SMBUS总线存储在发送数据之前接收存储空间地址，然后发送存储在该地址的数据。此时，存储用作发射器和接收器，接收到存储地址时用作