測控電路內(nèi)科大老師上課ppt 8

1、第八章邏輯控制電路第八章邏輯控制電路w 二值可控元件驅(qū)動電路二值可控元件驅(qū)動電路w 可編程邏輯器件可編程邏輯器件 控制電路 w開環(huán)控制w閉環(huán)控制 (一) 開環(huán)控制測量電路測量電路 控制電路控制電路 擾動量擾動量傳感器傳感器放大放大電路電路輸出輸出變換變換電路電路設(shè)定設(shè)定電路電路執(zhí)行執(zhí)行機構(gòu)機構(gòu)給定給定機構(gòu)機構(gòu)被控被控對象對象圖1-8 開環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成 精度不高:一、對擾動的測量誤差影響控制精度。一、對擾動的測量誤差影響控制精度。二、擾動模型的不精確性影響控制精度。二、擾動模型的不精確性影響控制精度。 （二）閉環(huán)控制 設(shè)定設(shè)定電路電路比較比較電路電路校正校正電路電路變換變換電路電路給定給定

2、機構(gòu)機構(gòu)執(zhí)行執(zhí)行機構(gòu)機構(gòu)被控被控對象對象輸出輸出傳感器傳感器擾動擾動放大放大電路電路控制電路控制電路圖1-9 閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成加校正電路 主要考慮從發(fā)現(xiàn)輸出量發(fā)生變化到執(zhí)行控制需主要考慮從發(fā)現(xiàn)輸出量發(fā)生變化到執(zhí)行控制需要一段時間，為了提高響應(yīng)速度常引入微分環(huán)要一段時間，為了提高響應(yīng)速度常引入微分環(huán)節(jié)。節(jié)。另外，當(dāng)輸出量在擾動影響下作周期變化時，另外，當(dāng)輸出量在擾動影響下作周期變化時，由于控制作用的滯后，可能產(chǎn)生振蕩。為了防由于控制作用的滯后，可能產(chǎn)生振蕩。為了防止振蕩，需要引入適當(dāng)?shù)姆e分環(huán)節(jié)。在實際電止振蕩，需要引入適當(dāng)?shù)姆e分環(huán)節(jié)。在實際電路中，往往比較電路的輸出先經(jīng)放大再送入校路中，往

3、往比較電路的輸出先經(jīng)放大再送入校正電路，視需要可能再次放大正電路，視需要可能再次放大 第一節(jié)第一節(jié) 二值可控元件驅(qū)動電路二值可控元件驅(qū)動電路 一、功率開關(guān)驅(qū)動電路一、功率開關(guān)驅(qū)動電路 二、繼電器與電磁閥驅(qū)動電路二、繼電器與電磁閥驅(qū)動電路 三、步進(jìn)電動機驅(qū)動電路三、步進(jìn)電動機驅(qū)動電路一、功率開關(guān)驅(qū)動電路一、功率開關(guān)驅(qū)動電路分類：分類：按照電路中所采用的功率器件類型分類，按照電路中所采用的功率器件類型分類，常見的有晶體管驅(qū)動電路、場效應(yīng)管驅(qū)常見的有晶體管驅(qū)動電路、場效應(yīng)管驅(qū)動電路和晶閘管驅(qū)動電路等類型。動電路和晶閘管驅(qū)動電路等類型。按照電路所驅(qū)動的負(fù)載類型分類，常見按照電路所驅(qū)動的負(fù)載類型分類，常

4、見的有電阻性負(fù)載驅(qū)動電路和電感性負(fù)載的有電阻性負(fù)載驅(qū)動電路和電感性負(fù)載驅(qū)動電路等類型。驅(qū)動電路等類型。按照電路所控制的負(fù)載電源類型分類，按照電路所控制的負(fù)載電源類型分類，常見的有直流電源負(fù)載驅(qū)動電路和交流常見的有直流電源負(fù)載驅(qū)動電路和交流電源負(fù)載驅(qū)動電路等類型電源負(fù)載驅(qū)動電路等類型 （一）晶體管直流負(fù)載功率驅(qū)動電路（一）晶體管直流負(fù)載功率驅(qū)動電路 +Ec VD ZL IL Ui R V I b 圖8-1晶體管功率驅(qū)動電路 負(fù)載所需的電流不太大 設(shè)計要點設(shè)計要點: 合理確定合理確定Ui、R與與V的電流放大系數(shù)的電流放大系數(shù) 值之間的數(shù)值關(guān)系，充分滿足值之間的數(shù)值關(guān)系，充分滿足 I b I L /

5、 ，可確?？纱_保V導(dǎo)通時工作于導(dǎo)通時工作于 飽和區(qū)，以降低飽和區(qū)，以降低V的導(dǎo)通電阻及減小的導(dǎo)通電阻及減小功耗。功耗。 （二）場效應(yīng)晶體管直流負(fù)載功率驅(qū)動電路（二）場效應(yīng)晶體管直流負(fù)載功率驅(qū)動電路 用于功率驅(qū)動電路的場效應(yīng)晶體管稱為用于功率驅(qū)動電路的場效應(yīng)晶體管稱為功率場效應(yīng)晶體管。功率場效應(yīng)晶體管功率場效應(yīng)晶體管。功率場效應(yīng)晶體管是電壓控制器件，具有很高的輸入阻抗，是電壓控制器件，具有很高的輸入阻抗，所需的驅(qū)動功率很小，對驅(qū)動電路要求所需的驅(qū)動功率很小，對驅(qū)動電路要求較低。功率場效應(yīng)晶體管具有較高的開較低。功率場效應(yīng)晶體管具有較高的開啟閾值電壓，有較高的噪聲容限和抗干啟閾值電壓，有較高的噪聲

6、容限和抗干擾能力。擾能力。 場效應(yīng)晶體管大多數(shù)為絕緣柵型場效應(yīng)場效應(yīng)晶體管大多數(shù)為絕緣柵型場效應(yīng)管，亦稱管，亦稱MOS場效應(yīng)管。功率場效應(yīng)場效應(yīng)管。功率場效應(yīng)晶體管在制造中多采用晶體管在制造中多采用V溝槽工藝，簡溝槽工藝，簡稱為稱為VMOS場效應(yīng)管。其改進(jìn)型則稱為場效應(yīng)管。其改進(jìn)型則稱為TMOS場效應(yīng)管場效應(yīng)管 圖8-2場效應(yīng)晶體管功率驅(qū)動電路 a)VMOS場效應(yīng)管電極b)場效應(yīng)管驅(qū)動電路 VS VD V Ui R IL ZL +Ec b)a) 漏極 D 柵極 G VDS 源極S（三）晶閘管交流負(fù)載功率驅(qū)動電路（三）晶閘管交流負(fù)載功率驅(qū)動電路 交流負(fù)載的功率驅(qū)動電路，通常采用晶交流負(fù)載的功率驅(qū)

7、動電路，通常采用晶閘管來構(gòu)成。晶閘管有單向晶閘管和雙閘管來構(gòu)成。晶閘管有單向晶閘管和雙向晶閘管兩種類型。向晶閘管兩種類型。 圖8-3a 單向晶閘管圖形符號 陽 極A 門 極G 陰 極K 單向晶閘管亦稱單向可控硅（SCR）一、導(dǎo)通條件一、導(dǎo)通條件二、關(guān)斷條件二、關(guān)斷條件 單向晶閘管的工作狀況：單向晶閘管的工作狀況： 晶閘管導(dǎo)通條件：晶閘管導(dǎo)通條件：在陽極在陽極A與陰極與陰極K之間加正向電之間加正向電壓，同時在門極壓，同時在門極G與陰極與陰極K之間之間加正向電壓（觸發(fā)），這樣陽加正向電壓（觸發(fā)），這樣陽極極A與陰極與陰極K之間即進(jìn)入導(dǎo)通狀之間即進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。晶閘管一旦導(dǎo)通，只要陽態(tài)。晶閘管一旦導(dǎo)通

8、，只要陽極極A與陰極與陰極K之間的電流不小于之間的電流不小于其維持電流其維持電流IH，門極門極G與陰極與陰極K之間是否還存在正向電壓，對之間是否還存在正向電壓，對已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管完全沒有影已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管完全沒有影響。響。 陽極A 門極G 陰極K 晶閘管關(guān)斷條件：晶閘管關(guān)斷條件：主電極陽極主電極陽極A與陰極與陰極K之間的電流小之間的電流小于其維持電流于其維持電流IH，晶閘管即進(jìn)入關(guān)晶閘管即進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。斷狀態(tài)。 電 極M T 2 門 極G 電 極M T 1 圖8-3b 雙向晶閘管圖形符號雙向晶閘管圖形符號雙向晶閘管亦稱雙向半導(dǎo)體開關(guān)元件（雙向晶閘管亦稱雙向半導(dǎo)體開關(guān)元件（TRIAC） 與單向晶

9、閘管相比較，雙向晶閘管與單向晶閘管相比較，雙向晶閘管的主要區(qū)別是：的主要區(qū)別是： 在觸發(fā)之后是雙向?qū)ǖ?；在觸發(fā)之后是雙向?qū)ǖ模?觸發(fā)電壓不分極性，只要絕對值觸發(fā)電壓不分極性，只要絕對值達(dá)到觸發(fā)門限值即可使雙向晶閘管達(dá)到觸發(fā)門限值即可使雙向晶閘管導(dǎo)通。導(dǎo)通。 圖圖8-4交流半波導(dǎo)通功率驅(qū)動電路交流半波導(dǎo)通功率驅(qū)動電路 Ui u V1 V3 R1 P1 R2 R3 R5 R4 P2 C ZL IL +E VD VS V2 VLC 4N25 K G A b1 b2 e 實用中應(yīng)注意實用中應(yīng)注意: 如果驅(qū)動的是感性負(fù)載，必須設(shè)置合理如果驅(qū)動的是感性負(fù)載，必須設(shè)置合理的關(guān)斷泄流回路，一方面可保護(hù)開關(guān)

10、器的關(guān)斷泄流回路，一方面可保護(hù)開關(guān)器件，另外也可起到消除對外電磁干擾的件，另外也可起到消除對外電磁干擾的作用。作用。二、繼電器與電磁閥驅(qū)動電路二、繼電器與電磁閥驅(qū)動電路繼電器廣泛用于生產(chǎn)控制和電力系統(tǒng)中，繼電器廣泛用于生產(chǎn)控制和電力系統(tǒng)中，具有接觸電阻小、流通電流大和耐壓高具有接觸電阻小、流通電流大和耐壓高等優(yōu)點，至今仍無法用無觸點器件取代等優(yōu)點，至今仍無法用無觸點器件取代對繼電器或接觸器的驅(qū)動，實際上是對對繼電器或接觸器的驅(qū)動，實際上是對其勵磁線圈電流通斷的控制。繼電器勵其勵磁線圈電流通斷的控制。繼電器勵磁線圈所需的勵磁電源有直流與交流兩磁線圈所需的勵磁電源有直流與交流兩種。種。 圖圖8-5

11、交流繼電器的控制交流繼電器的控制 3-相 /50Hz /380V A1 B1 C1 +5V KD1-1 KA1 Ui KA1-1 A2 B2 C2 VD KD1 R V 三、步進(jìn)電動機驅(qū)動電路三、步進(jìn)電動機驅(qū)動電路步進(jìn)電動機簡稱步進(jìn)電機，可在開環(huán)條步進(jìn)電動機簡稱步進(jìn)電機，可在開環(huán)條件下十分方便地將數(shù)字系統(tǒng)的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)件下十分方便地將數(shù)字系統(tǒng)的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)變成與其相對應(yīng)的角位移或線位移，因變成與其相對應(yīng)的角位移或線位移，因而是控制系統(tǒng)中常用的自動化執(zhí)行元件。而是控制系統(tǒng)中常用的自動化執(zhí)行元件。 圖圖8-6步進(jìn)電步進(jìn)電動機控動機控制電路制電路框圖框圖 A+ 步進(jìn)脈沖 脈 功 B+ 沖 率 C+ 步進(jìn)方向

12、 分 放 A 配 大 B 電源控制 電 電 C 路 路 電動機w脈沖分配電路亦稱環(huán)行分配器，用來對輸入的步脈沖分配電路亦稱環(huán)行分配器，用來對輸入的步進(jìn)脈沖進(jìn)行邏輯變換，產(chǎn)生給定工作方式所需的各進(jìn)脈沖進(jìn)行邏輯變換，產(chǎn)生給定工作方式所需的各相脈沖序列信號。相脈沖序列信號。w功率放大電路對脈沖分配電路輸出的信號進(jìn)行放功率放大電路對脈沖分配電路輸出的信號進(jìn)行放大，產(chǎn)生使電動機旋轉(zhuǎn)所需的激磁電流。大，產(chǎn)生使電動機旋轉(zhuǎn)所需的激磁電流。w步進(jìn)方向信號指定各相導(dǎo)通的先后次序，用以改步進(jìn)方向信號指定各相導(dǎo)通的先后次序，用以改變步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)方向。變步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)方向。電源控制信號用來在必要時使各相電流為零，電源控制

13、信號用來在必要時使各相電流為零，以達(dá)到降低功耗等的目的。以達(dá)到降低功耗等的目的。 w 脈沖分配電路可用數(shù)字電路組合、軟件序列分配、專門單片集成元件、GAL器件等構(gòu)成。 w功率放大電路的特性對步進(jìn)電機的性能有極其明顯的影響。功率放大電路有單電壓、雙電壓、斬波穩(wěn)流、步距細(xì)分等類型。 （一）單電壓功率放大電路（一）單電壓功率放大電路 圖圖8-7單電壓功率放大電路單電壓功率放大電路 Ui VD VS R RL RC L IL V +Ec 步進(jìn)電機每相繞組的供電都是由功率開關(guān)電路來執(zhí)行的，三相步進(jìn)電機應(yīng)有三個功率放大電路單元 圖圖8-8繞組電流繞組電流I L的波形的波形a）Ui頻率低時頻率低時b）Ui頻

14、率高時頻率高時 Ui IL a) Ui IL b)同時增大外接電阻RC和電源電壓Ec，可使步進(jìn)電機轉(zhuǎn)速高時的輸出轉(zhuǎn)矩顯著提高，但同時使功耗急劇增大 功耗的增加一方面降低了效率，使電源體積龐大；另一方面引起電氣部件發(fā)熱，增大系統(tǒng)故障的發(fā)生率。為此，發(fā)展了雙電壓、斬波穩(wěn)流等驅(qū)動電路 （二）斬波穩(wěn)流式功率放大電路（二）斬波穩(wěn)流式功率放大電路 圖圖8-9斬波穩(wěn)流式功率放大電路斬波穩(wěn)流式功率放大電路 光耦合器 UR +80V VLC - + + N & 1 R D C Q DG1 DG2 DF R1 R2 R3 R4 R1 RL Up Ui VS2 VD2 VS1 V1 VD1 V2 +12V +5V

15、L IL R6 Uq 經(jīng)經(jīng)D觸發(fā)器引入觸發(fā)器引入Up信號的主要目的是給信號的主要目的是給定超聲斬波頻率，以避免單純由定超聲斬波頻率，以避免單純由R6上的上的電壓波動來控制電壓波動來控制V1通斷引入的不規(guī)則噪通斷引入的不規(guī)則噪聲。聲。 第二節(jié)可編程邏輯器件第二節(jié)可編程邏輯器件(PLD) PLD與定制器件的主要區(qū)別是可編程性，與定制器件的主要區(qū)別是可編程性，其邏輯功能可由用戶構(gòu)造或設(shè)置。其邏輯功能可由用戶構(gòu)造或設(shè)置。使用使用PLD設(shè)計優(yōu)點設(shè)計優(yōu)點 靈活，研制周期縮短，空間尺寸減小，靈活，研制周期縮短，空間尺寸減小，降低系統(tǒng)故障率。降低系統(tǒng)故障率。PLD從其出現(xiàn)至今，經(jīng)歷了由從其出現(xiàn)至今，經(jīng)歷了由P

16、ROM、FPLA到到PAL和和GAL的發(fā)展過程。的發(fā)展過程。圖8-10PLD電路單元圖形符號及其真值表 B = A A A A B D E F C = A 0 0 0 0 1 B 0 1 0 0 1 A B C 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 D E F 圖8-11通常與門和PLD與門的圖形符號 A B C A & B D & D C圖8-12通?；蜷T和PLD或門的圖形符號 A B C A 1 B D 1 D C可編程陣列邏輯可編程陣列邏輯PAL（一）（一）PAL器件結(jié)構(gòu)器件結(jié)構(gòu)（二）（二）PAL器件的類型器件的類型（三）（三）PAL器件的應(yīng)用實例器件的應(yīng)用實例

17、（一）（一）PAL器件結(jié)構(gòu)器件結(jié)構(gòu)圖圖8-13PAL器件的基本邏輯結(jié)構(gòu)器件的基本邏輯結(jié)構(gòu) 輸入 & & & & & & & & & & & & & & & & 1 1 1 1 O2 O1 O0 O3 輸出 可編程的 “與”陣列 不可編程的 “或”陣列 I0I1I2I3 （二）（二）PAL器件的類型器件的類型主要分主要分20引腳和引腳和24引腳兩大類，還有引腳兩大類，還有40（或（或44）和）和80（或（或84）引腳的宏）引腳的宏P(guān)AL器器件件 按電路能耗又可分為標(biāo)準(zhǔn)型、半功耗和按電路能耗又可分為標(biāo)準(zhǔn)型、半功耗和1/4功耗型；功耗型；按運行速度又可分為標(biāo)準(zhǔn)型、高速和超按運行速度又可分為標(biāo)準(zhǔn)型、高

18、速和超高速型；高速型；按可靠性又可分為軍用和民用等。按可靠性又可分為軍用和民用等。 （三）（三）PAL器件的應(yīng)用實例器件的應(yīng)用實例圖8-14二相四繞組步進(jìn)電動機驅(qū)動原理圖 +E 步進(jìn)電動機 步進(jìn)時鐘 CK 環(huán) 功 選中信號 E1 行 Q0 率 A 選中信號 E2 分 Q1 驅(qū) B 初態(tài)設(shè)置 S 配 Q2 動 C 轉(zhuǎn)向控制 D 電 Q3 電 D 路 路 圖8-15環(huán)行分配器輸出信號4序邏輯 Q0 1,0 1,1 Q2 0,0 0,1 表8-1 二相四繞組步進(jìn)電機驅(qū)動步序 步進(jìn)步序10101010正 轉(zhuǎn)反 轉(zhuǎn) Q0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q31101010102100101103010101014

19、011010011表8-2步進(jìn)電機狀態(tài)功能選擇 升沿0001步進(jìn)電機反向旋轉(zhuǎn)CKE1E2SD狀態(tài)功能任意1任意任意任意保持電動機當(dāng)前狀態(tài)任意任意1任意任意保持電動機當(dāng)前狀態(tài)升沿001任意設(shè)置輸出為初狀態(tài)升沿0000步進(jìn)電機正向旋轉(zhuǎn)圖8-16電動機驅(qū)動步序卡諾圖 Q0n Q0n 0 1 1 0 1 1 0 0 D 1 0 0 1 D 0 0 1 1 Q2n Q2n a) b) 8.1 已知某直流電磁閥的驅(qū)動電流為已知某直流電磁閥的驅(qū)動電流為6A，用用2mA的的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)TTL電平實施控制，試設(shè)計一合適的驅(qū)動電路。電平實施控制，試設(shè)計一合適的驅(qū)動電路。 按照圖組成電路：其中場效按照圖組成電路：其中場

20、效應(yīng)晶體管應(yīng)晶體管V1采用采用IRF640，耐壓耐壓200(V)，極限工作電流極限工作電流15(A)；泄流二極管泄流二極管VD需耐需耐壓壓200(V)，極限工作電流極限工作電流10(A)；箝位二極管箝位二極管VS的箝的箝位電壓為位電壓為6.8(V)，極限工作極限工作電流電流100(mA)；電阻電阻R1為為510( )，電源，電源Ec按照直流電按照直流電磁閥的要求取定。磁閥的要求取定。 +EC VD ZL IL R1 VV1 UiVS 8-2 若圖若圖8-4中的負(fù)載中的負(fù)載ZL是電阻加熱器，應(yīng)在電是電阻加熱器，應(yīng)在電路中做何改動以便實現(xiàn)不同加熱速度的給定？路中做何改動以便實現(xiàn)不同加熱速度的給定？改動后的電路如圖所示。改動后的電路如圖所示。Ui為控制加熱開始和停止的為控制加熱開始和停止的電平信號。電平信號。Us則為則為5kHz的矩形波。通過改變的矩形波。通過改變Us的占的占空比，可控制空比，可控制V1的導(dǎo)通角，從而實現(xiàn)不同加熱速度的的導(dǎo)通角，從而實現(xiàn)不同加熱速度的給定。給定。EZL ILP1R5R1VDR2R3 ue b2 A V14N25R6SCR1VSb1 V2C1R4Ui K4N25P2USR78-3 圖圖8-9的電路應(yīng)