機電一體化系統(tǒng)設(shè)計-第五章 工業(yè)控制計算機及其接口技術(shù)（5.2計算機接口技術(shù)）

一、信息采集接口

1、轉(zhuǎn)換形式2、常用的A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的原理如圖5-1所示。由逐次逼近存放器、D/A轉(zhuǎn)換器、比較器和緩沖存放器等組成。當啟動信號由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，逐次逼近存放器清0，這時，D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓Uo也為0。當啟動信號變?yōu)楦唠娖綍r，轉(zhuǎn)換開始，同時，逐次逼近存放器進行計數(shù)。圖5-1A/D轉(zhuǎn)換器的原理在第一個時鐘脈沖到來時，控制電路把最高位送到逐次逼近存放器，使它的輸出為10000000，這個輸出數(shù)字一出現(xiàn)，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Uo就成為滿量程值的128/255。這時，假設(shè)Uo>Ui，那么作為比較器的運算放大器的輸出就成為低電平，控制電路據(jù)此去除逐次逼近存放器中的最高位；假設(shè)Uo≤Ui，那么比較器輸出高電平，控制電路使最高位的1保存下來。假設(shè)最高位被保存下來，那么逐次逼近存放器的內(nèi)容為10000000，下一個時鐘脈沖使次低位D6為1。于是，逐次逼近存放器的值為11000000，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓Uo到達滿量程值的192/255。此后，假設(shè)Uo>Ui，那么比較器輸出為低電平，從而使次高位復位；假設(shè)Uo<Ui，那么比較器輸出為高電平，從而保存次高位為1……。重復上述過程，經(jīng)過N次比較以后，逐次逼近式存放器中得到的值就是轉(zhuǎn)換后的數(shù)值。2.8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC08093.ADC0808/0809的外引腳功能

IN0～IN7——8個模擬量輸入端。START——啟動A/D轉(zhuǎn)換器，當START為高電平時，開始A/D轉(zhuǎn)換。EOC——轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當A/D轉(zhuǎn)換完畢之后，發(fā)出一個正脈沖，表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。OE——輸出允許信號。如果此信號被選中，那么允許從A/D轉(zhuǎn)換器的鎖存器中讀取數(shù)字量。CLOCK——時鐘信號。ALE——地址鎖存允許，高電平有效。當ALE為高電平時，允許C、B、A所示的通道被選中，并將該通道的模擬量接入A/D轉(zhuǎn)換器。ADDA、ADDB、ADDC——通道號地址選擇端。D7～D0——數(shù)字量輸出端。UREF〔+〕、ＵREF〔-〕——參考電壓輸入端，分別接+、-極性的參考電壓，用來提供D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻的標準電平。4.ADC0808/0809和8086CPU的連接圖

MOVAL，00H；可以是不為00H的其他數(shù)字OUT78H，AL；選通IN0通路并開始轉(zhuǎn)換MOVAL，00H；OUT7FH，AL；選通IN7通路并開始轉(zhuǎn)換…轉(zhuǎn)換結(jié)束，ADC0808/0809從EOC端發(fā)出一個正脈沖信號，通過中斷控制器8259A向CPU發(fā)出中斷請求，CPU響應(yīng)中斷后，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷效勞程序。在中斷效勞程序中，執(zhí)行一條輸入指令，即可讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。8255A芯片8255A芯片的控制字及其工作方式8255A工作方式控制字格式：

MOVAL,98H；8255初始化OUT83H,AL；MOVAL,00HOUT81H,AL；選擇通道000ADDAL,10HOUT81H,AL；PB4=1啟動ADC轉(zhuǎn)換SUBAL,10HLOOP:INAL,82H；從C口的PC7檢查EOCTESTAL,80H；檢查EOCJZLOOP；PC7=0繼續(xù)查詢INAL,84H；OE有效INAL,80H；由A口讀入數(shù)據(jù)HLT暫停二、模擬量輸出接口

D／A轉(zhuǎn)換器是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的電路，它由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、參考電壓、電子開頭等組成，典型的R—2R網(wǎng)絡(luò)D／A原理圖如圖5—21所示。從圖中可見，不管電子開關(guān)接在2點還是接地，流過每個支路的2R上的電流都是固定不變的，從參考電壓端看其輸入電阻為R，從參考電源流入的總電流為J，那么每個支路〔流經(jīng)2R電阻)的電流依次為：J／2，J／4，J／8．J／16，而I=VREF／R。故輸出電壓為

vOUT＝—VREF／24[d3·23+d2·22+d1·21+d0·20]

式中d3～d0為輸入代碼，d＝“o〞，那么開關(guān)接地；d＝“1〞，那么開關(guān)接到輸出上。

如果采月n個電子開關(guān)組成的網(wǎng)絡(luò)，那么

vOUT＝—VREF／2n[dn-1·2n-1+……+d0·20]式中n指D／A電路能夠被轉(zhuǎn)換的二進制位數(shù)，如有8位、10位、12位等，有時也稱為分辨率。三、直流伺服電動機功率接口

PWM放大器的優(yōu)點是功率管工作在開關(guān)狀態(tài)，管耗小。它的根本原理是：利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電源電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率(例如2000HZ)的方波電壓，加在直流電動機的電樞上，通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。直流伺服電機控制接口四、交流電動機變頻調(diào)速功率接口

1、變頻器種類通用變頻器：節(jié)能，節(jié)電20%，用于壓縮機、泵、攪拌機、擠壓機等；提高控制性能實現(xiàn)自動化，用于運輸機械、起重機等。紡織專用變頻器：改善傳動特性，實現(xiàn)自動化。如紡織、化纖機械。

矢量控制變頻器：提高傳動精度及實現(xiàn)系統(tǒng)的集散控制。冶金、印刷、造紙。要求高精度的轉(zhuǎn)矩控制，加速度大，能與上位機進行通訊。機床專用變頻器：用于機床主軸傳動控制，以滿足工藝上要求得大加減速轉(zhuǎn)矩，寬廣的恒功率控制及高精度的定位控制，提高機床自動化。電梯專用矢量變換控制變頻器：實現(xiàn)緩慢平穩(wěn)的升降速。高頻變頻器：用于超精密加工、高速電動機。如專用脈沖調(diào)幅型變頻器，頻率達3kHZ，對應(yīng)轉(zhuǎn)速18×104r/min。2、變頻器選擇分析控制對象的負載特性選擇電動機的容量根據(jù)用途選擇適宜的變頻器類型確定變頻器容量

五、步進電機功率驅(qū)動接口

(一)脈沖分配脈沖分配軟件脈沖分配

軟件環(huán)形分配器的設(shè)計方法有很多，如查表法、比較法、移位存放器法等，它們各有特點，其中常用的是查表法。步序?qū)щ娤喙ぷ鳡顟B(tài)數(shù)值（16進制）程序的數(shù)據(jù)表正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)CBATABA00101HTAB0DB01HAB01103HTAB1DB03HB01002HTAB2DB02HBC11006HTAB3DB06HC10004HTAB4DB04HCA10105HTAB5DB05H〔二〕步進電動機的功率放大1．單電壓功率放大電路

此電路的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單，缺乏之處是Rc消耗能量大，電流脈沖前后沿不夠陡，在改善了高頻性能后，低頻工作時會使振蕩有所增加，使低頻特性變壞。2．上下電壓功率放大電路電源U1為高電壓，電源大約為80～150V，U2為低電壓電源，大約為5～20V。在繞組指令脈沖到來時，脈沖的上升沿同時使VT1和VT2導通。由于二極管VD1的作用，使繞組只加上高電壓U1，繞組的電流很快到達規(guī)定值。到達規(guī)定值后，VT1的輸入脈沖先變成下降沿，使VT1截止，電動機由低電壓U2供電，維持規(guī)定電流值，直到VT2輸入脈沖下降沿到來VT2截止。缺乏之處是在上下壓銜接處的電流波形在頂部有下凹，影響電動機運行的平穩(wěn)性。

3．斬波恒流功放電路特點：當Vin為“0〞電平，由與門A2輸出Vb為“0〞電平，功率管〔達林頓管〕VT截止，繞組W上無電流通過，采樣電阻上R3上無反響電壓，A1放大器輸出高電平；當Vin為高電平時，由與門A2輸出的Vb也是高電平，功率管VT導通，繞組W上有電流，采樣電阻上R3上出現(xiàn)反響電壓Vf，由分壓電阻R1、R2得到設(shè)定電壓與反響電壓相減，來決定A1輸出電平的上下，來決定Vin-信號能否通過與門A2。假設(shè)Vref->Vf時Vin信號通過與門，形成Vb正脈沖，翻開功率管VT；反之，Vref-<Vf時Vin信號被截止，無Vb正脈沖，功率管VT截止。這樣在一個Vin脈沖內(nèi)，功率管VT會屢次通斷，使繞組電