第9章_逻辑与数字控制电路

1、测控电路第第9 9章章 逻辑与数字控制电路逻辑与数字控制电路9.1 9.1 二值逻辑控制与驱动电路（二值逻辑控制与驱动电路（* *）9.2 9.2 异步与步进电动机驱动电路异步与步进电动机驱动电路9.3 9.3 可编程逻辑器件可编程逻辑器件9.4 9.4 数控机床的位移与速度测控系统数控机床的位移与速度测控系统测控电路功率放大功率放大大功率设备大功率设备小功率系统小功率系统测控中心测控中心输出驱动输出驱动执行部件执行部件控制信号控制信号一、一、作用作用二、二、输出驱动电路与输入检测电路的区别：输出驱动电路与输入检测电路的区别：1 1、足够的抗干扰措施足够的抗干扰措施2 2、安全运行的可靠性安全

2、运行的可靠性测控电路三、三、光电隔离电路光电隔离电路测控电路9.1.1功率开关驱动电路功率开关驱动电路9.1 9.1 二值逻辑控制与驱动电路二值逻辑控制与驱动电路按功率器件类型分：按功率器件类型分：晶体管驱动电路晶体管驱动电路场效应管驱动电路；场效应管驱动电路；晶闸管驱动电路晶闸管驱动电路按负载类型：按负载类型： 电感性负载驱动电路电感性负载驱动电路电阻性负载驱动电路；电阻性负载驱动电路；按负载电源类型分：按负载电源类型分：交流电源负载驱动电路交流电源负载驱动电路直流电源负载驱动电路；直流电源负载驱动电路；驱动对象驱动对象步进电动机驱动电路步进电动机驱动电路功率开关驱动电路；功率开关驱动电路；

3、继电器与电磁阀驱动电路；继电器与电磁阀驱动电路；测控电路晶体管驱动电路晶体管驱动电路场效应管驱动电路场效应管驱动电路晶闸管驱动电路晶闸管驱动电路9.1 9.1 二值逻辑控制与驱动电路二值逻辑控制与驱动电路直流负载直流负载交流负载交流负载9.1.1 功率开关驱动电路功率开关驱动电路测控电路一、一、晶体管驱动电路晶体管驱动电路（电流控制电流控制） +VcVD RL ILUiRV Ib 晶体管驱动电路晶体管驱动电路 当当Ui为为“0”时，时，Ib较小，较小，V 截止截止0LI当当Ui为为“1”时，时，Ib较大，较大，V 饱和饱和导通导通LCECLRVVI其中：其中：VC 电源电压电源电压VCE晶体管

4、饱和导通压降晶体管饱和导通压降 （硅管（硅管0.3V，锗管锗管0.1V）测控电路晶体管的三种工作状态：晶体管的三种工作状态：（二）（二） 饱和状态饱和状态 集电结、发射结均反向偏置，即集电结、发射结均反向偏置，即UBE 0 （2）IC UC / RC UCE 0 （三）（三） 截止状态截止状态即即UCE VB VE且且IC= IB（一）一）放大状态放大状态测控电路达林顿管结构达林顿管结构设计要点：设计要点：一般可驱动的负载电流一般可驱动的负载电流500500mAmA。如果需要驱动更大的负载时，可采用如果需要驱动更大的负载时，可采用多级驱动多级驱动或使用或使用VMOSVMOS管管。 （达林顿管（

5、达林顿管0. 5A15A） （1. 5A100A）bccbIIII/1 1. .驱动能力：驱动能力：（晶体管作为开关管）饱和导通时，（晶体管作为开关管）饱和导通时，测控电路2 2. .当负载为当负载为感性感性负载时负载时加泄放回路加泄放回路不让电流突变不让电流突变VD+VcRLILUiRV Ib 晶体管驱动电路晶体管驱动电路 测控电路3 3. .注意负载的注意负载的限流限流问题。问题。（如：如：LEDLED驱动电路驱动电路）LCEDCIVVVR 1其中：其中：VC 电源电压电源电压VD 发光二极管导通压降发光二极管导通压降（1.62.4V）VCE晶体管导通压降晶体管导通压降（硅管（硅管0.3V

6、）IL 负载所需电流负载所需电流（LED：520mA）biHIUR70. +VC VDR1IL UiRIb LED驱动电路驱动电路 V测控电路实例：喇叭控制电路实例：喇叭控制电路测控电路二、场效应管驱动电路二、场效应管驱动电路（电压控制电压控制） 具有很高的输入阻抗，所需的具有很高的输入阻抗，所需的驱动功率很小驱动功率很小，工作电，工作电流大，耐高压，较高的噪声容限和抗干扰能力。流大，耐高压，较高的噪声容限和抗干扰能力。 VS VD V Ui R IL ZL +Ec 场效应管驱动电路场效应管驱动电路当当Ui UGS 时，时，V 导通导通Vs的作用：对输入控制电压嵌位，的作用：对输入控制电压嵌位

7、，防止过高电压损坏场效应管。防止过高电压损坏场效应管。测控电路a) 漏极 D 栅极 G VDS 源极SVMOS场效应管电极场效应管电极二、二、场效应管驱动电路（电压控制）场效应管驱动电路（电压控制） 测控电路三、晶闸管交流负载功率驱动电路三、晶闸管交流负载功率驱动电路单向晶闸管（单向可控硅单向晶闸管（单向可控硅SCRSCR）双向晶闸管（双向半导体开关元件双向晶闸管（双向半导体开关元件TRIACTRIAC） 测控电路晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件。大功率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。它的出现使半导体器件由弱电领

8、域扩展到强电领域。 晶闸管晶闸管也像半导体二极管那样具有也像半导体二极管那样具有单向导电性，但它的导通时单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及开关等方面。调压及开关等方面。体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方便、寿命长、便、寿命长、 容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。伏）。 三、晶闸管交流负载功率驱动电路三、晶闸管交流负载功率驱动电路测控电路晶闸管晶闸管基本结构基本结构阳极阳极 P1P2N1N2晶闸管是具有三个晶闸管是具

9、有三个PNPN结结的四层结构的四层结构, , 其外形、结其外形、结构及符号如图。构及符号如图。晶闸管的外形、结构及符号晶闸管的外形、结构及符号三、晶闸管交流负载功率驱动电路三、晶闸管交流负载功率驱动电路测控电路单向晶闸管的工作条件：单向晶闸管的工作条件： 阳极A 门极G 阴极K 单向晶闸管图形符号单向晶闸管图形符号二、维持条件：二、维持条件：一、导通条件：一、导通条件：阳极阳极A A与阴极与阴极K K之间加正向电压，之间加正向电压，门极门极G G与阴极与阴极K K之间加正向电压（触发）之间加正向电压（触发） 阳极阳极A A与阴极与阴极K K之间的电流之间的电流 其维持电流其维持电流IHIH，而

10、与门极而与门极G G的电压无关。的电压无关。阳极阳极A A与阴极与阴极K K之间的电流之间的电流 维持电流维持电流关断条件：关断条件：M1M1和和M2M2间的电流间的电流 UP后，后，大量空穴注入基区，大量空穴注入基区，致使致使IE增加、增加、UE反反而下降，出现负阻。而下降，出现负阻。P测控电路UE UP时单结管导通，时单结管导通，UE UV时恢复截止。时恢复截止。 3. 不同单结晶体管的谷点电压不同单结晶体管的谷点电压谷点电流谷点电流都都 不一样。谷点电压大约在不一样。谷点电压大约在2 5V之间。常选用之间。常选用 稍大一些，稍大一些， 稍小的单结晶体管，以增大输稍小的单结晶体管，以增大输

11、 出脉冲幅度和移相范围。出脉冲幅度和移相范围。测控电路四四 继电器驱动电路继电器驱动电路（一）继电器特点（一）继电器特点 用于生产控制和电力系统中的输出控制用于生产控制和电力系统中的输出控制 接触电阻小、流通电流大和耐压高等优点接触电阻小、流通电流大和耐压高等优点 有隔离作用（把控制系统与强电执行部件隔开）有隔离作用（把控制系统与强电执行部件隔开）测控电路Ui常闭触点常开触点继电器结构原理图继电器电路图符号（二）继电器结构原理（二）继电器结构原理测控电路+VC UiVD K1 RV RL负载电源K1-1直流继电器电路（三）继电器驱动电路（三）继电器驱动电路测控电路3-相 /50Hz /380V

12、 A1 B1 C1 +5V KD1-1 KA1 Ui KA1-1 A2 B2 C2 VD KD1 RV 交流继电器的控制电路测控电路9.2 9.2 异步与步异步与步进电机驱动电路进电机驱动电路 步进电机是一种特殊的机电元件，不能直接接到步进电机是一种特殊的机电元件，不能直接接到交直流电源上工作，交直流电源上工作， 必须使用专用驱动器。必须使用专用驱动器。 步进电机驱动控制系统框图步进电机驱动控制系统框图测控电路9.2 9.2 异步与步异步与步进电机驱动电路进电机驱动电路一、一、步进电机步进电机 步进电机可在开环条件下，将步进电机可在开环条件下，将电脉冲信号电脉冲信号转变成转变成与其相对应的与其

13、相对应的角位移或线位移角位移或线位移。特点：属于特点：属于二值二值控制器件控制器件 用于用于开环开环控制，无累积误差，系统简单。控制，无累积误差，系统简单。测控电路步进电机的内部构造 测控电路ABBCC步进电机的实际结构步进电机的实际结构测控电路 A+ 步进脉冲 脉 功 B+ 冲 率 C+ 步进方向 分 放 A 配 大 B 电源控制 电 电 C 路 路 电动机w脉冲分配电路亦称环行分配器，用来对输入的步进脉冲进脉冲分配电路亦称环行分配器，用来对输入的步进脉冲进行逻辑变换，产生给定工作方式所需的各相脉冲序列信号。行逻辑变换，产生给定工作方式所需的各相脉冲序列信号。w功率放大电路对脉冲分配电路输出

14、的信号进行放大，产生功率放大电路对脉冲分配电路输出的信号进行放大，产生使电动机旋转所需的激磁电流。使电动机旋转所需的激磁电流。w步进方向信号指定各相导通的先后次序，用以改变步进电步进方向信号指定各相导通的先后次序，用以改变步进电机旋转方向。机旋转方向。一、一、步进电机步进电机测控电路 二、步进电机结构与工作原理二、步进电机结构与工作原理（以三相为例）（以三相为例）单三拍通电方式时转子的位置 * *增加转子和定子上齿数可缩小步距角增加转子和定子上齿数可缩小步距角 30步距角步距角A相通电，相通电，B和和C相断电相断电B相通电，相通电，A和和C相断电相断电C相通电，相通电，A和和B相断电相断电测控

15、电路 bbbb360 =m* Z* CAA12AA1243测控电路控制原理控制原理w转速控制：控制脉冲时序的频率转速控制：控制脉冲时序的频率w正反转控制：控制脉冲的相序正反转控制：控制脉冲的相序w转角控制：给相应的步数转角控制：给相应的步数 步进电机电气连线ABCCOM测控电路三、主要参数：三、主要参数：步距角步距角：每走一拍所转过的角度。：每走一拍所转过的角度。相电流相电流：电机每相通电时的额定电流。：电机每相通电时的额定电流。保持转矩保持转矩：电机通电情况下的输出转矩。：电机通电情况下的输出转矩。 （带载能力）（带载能力）失步频率失步频率：不失步的最高运行：不失步的最高运行频率频率。 （单

16、位时间内所走的步数）（单位时间内所走的步数）测控电路四、四、步进电机的驱动电路步进电机的驱动电路（一）单电压功率放大电路（一）单电压功率放大电路 单电压功率放大电路单电压功率放大电路 Ui VD VS R RL RC L IL V +Ec 步进电机每相绕组步进电机每相绕组的供电都是由功率的供电都是由功率开关电路来执行的，开关电路来执行的，三相步进电机应有三相步进电机应有三个功率放大电路三个功率放大电路单元单元 测控电路四、四、步进电机的驱动电路步进电机的驱动电路图8-8绕组电流I L的波形a）Ui频率低时b）Ui频率高时 Ui IL a) Ui IL b) Ui VD VS R RL RC L

17、 IL V +Ec （一）单电压功率放大电路（一）单电压功率放大电路测控电路四、四、步进电机的驱动电路步进电机的驱动电路（一）单电压功率放大电路（一）单电压功率放大电路 同时增大外接电阻同时增大外接电阻R RC C和电源电压和电源电压E Ec c，可使步进可使步进电机转速高时的输出转矩显著提高，但同时使功电机转速高时的输出转矩显著提高，但同时使功耗急剧增大耗急剧增大 功耗的增加一方面降低了效率，使电功耗的增加一方面降低了效率，使电源体积庞大；另一方面引起电气部件发热，增大源体积庞大；另一方面引起电气部件发热，增大系统故障的发生率。为此，发展了双电压、斩波系统故障的发生率。为此，发展了双电压、斩

18、波稳流等驱动电路稳流等驱动电路 测控电路四、四、步进电机的驱动电路步进电机的驱动电路（二）斩波稳流式功率放大电路（二）斩波稳流式功率放大电路斩波稳流式功率放大电路 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 L IL R6 Uq 测控电路四、步进电机的驱动电路*三相步进电机就有三个驱动电路单元三相步进电机就有三个驱动电路单元 +Vc ILUi I b步进电机的晶体管驱动电路步进电机的晶体管驱动电路VDRV测控电路五、步进电机的

19、控制时序方式（以三相为例）五、步进电机的控制时序方式（以三相为例）1、单三拍工作方式、单三拍工作方式 正传：正传：A B C 反转：反转： C B A 控制脉冲时序：控制脉冲时序： 特点：每次仅有一相绕组通电，功耗小特点：每次仅有一相绕组通电，功耗小 易失步（从一相切换到另一相，转子在平衡点处易产生振荡）易失步（从一相切换到另一相，转子在平衡点处易产生振荡）ABC123456T7测控电路2 2、双三拍工作方式、双三拍工作方式 正传：正传：AB BC CA AB BC CA 反转：反转： AC CB BAAC CB BA 控制脉冲时序：控制脉冲时序： 特点：每次有两相绕组通电，功耗大特点：每次有

20、两相绕组通电，功耗大 不易失步不易失步ABC 1 2 3 4 5 6测控电路3 3 、单、双六拍工作方式、单、双六拍工作方式正转：正转：A AB B BC C CA A AB B BC C CA 反转：反转： 控制脉冲时序：控制脉冲时序： 特点：兼于前两种之间特点：兼于前两种之间ABC 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6测控电路 一般的逻辑器件，如门电路都是不可编程的，或称定制一般的逻辑器件，如门电路都是不可编程的，或称定制式器件，即它的功能是固定的，连接的输入、输出都通过式器件，即它的功能是固定的，连接的输入、输出都通过硬件连接是固定的。硬件连接是固定的。 PLD PLD与定制器

21、件的主要区别是可编程性，其逻辑功能可与定制器件的主要区别是可编程性，其逻辑功能可由用户通过软件编程构造或设置。使设计灵活，研制周期由用户通过软件编程构造或设置。使设计灵活，研制周期缩短，空间尺寸减小，降低故障率。缩短，空间尺寸减小，降低故障率。9. 3 可编程逻辑组件可编程逻辑组件9.3.1 可编程逻辑器件(PLD)测控电路9. 3 可编程逻辑组件可编程逻辑组件9.3.1 可编程逻辑器件(PLD)PLD的输入信号A通过缓冲器，以其互补信号输至阵列电路。连线交叉处，实心点表示固定连接， “” 号的为编程连接，无任何符号即为不连接或是擦除单元输入输出 输入缓冲器B = AA A AB DE FC

22、= A 1B 0 1A B C 1 0 0 1 1 D E F 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1111测控电路9. 3 可编程逻辑组件可编程逻辑组件9.3.1 可编程逻辑器件(PLD) ）通常与门）通常与门 ）PLD与门与门）通常或门）通常或门 ）PLD或门或门 A B C A & B D D C & ABC A 1 B D D C1测控电路9. 3 可编程逻辑组件可编程逻辑组件9.3.1 可编程逻辑器件(PLD) I0 I1 I3 I2 输入 & & & & & & & & &

23、& & & & & & & 1 O2 O1 O0 O3 输出 可编程的 “与”阵列 不可编程的 “或”阵列 1 1 1 还有带反馈、带寄存器和异或门型可编程阵列逻辑 (PAL)可编程，可以通过编程连接；不可编程，需要通过跨线连接测控电路9. 3 可编程逻辑组件可编程逻辑组件9.3.1 可编程逻辑器件(PLD)在一个系统中往往有若干个步进电动机，只有被选中的步进电动机，才受到控制。各个步进电动机有不同的E1E2编码，本列中被选中的步进电动机部门为E1E20+E 步进电动机步进电动机步进时钟步进时钟CK 环环功功 选中信号选中信号E1 选中信

24、号选中信号E2 初态设置初态设置S 配配Q2动动C转向控制转向控制D电电 Q3电电D路路路路行行 Q0率率 A分分 Q1驱驱 B应用举例：步进电动机的控制测控电路9. 3 可编程逻辑组件可编程逻辑组件9.3.1 可编程逻辑器件(PLD)+E 步进电动机步进电动机步进时钟步进时钟CK 环环功功 选中信号选中信号E1 选中信号选中信号E2 初态设置初态设置S 配配Q2动动C转向控制转向控制D电电 Q3电电D路路路路行行 Q0率率 A分分 Q1驱驱 B应用举例：步进电动机的控制为使步进电动机在系统中正确运行，需要设定初始状态。每进一个时钟脉冲CK，按照转向控制信号D的要求，按确定方向转一步。测控电路

25、9. 3 可编程逻辑组件可编程逻辑组件9.3.1 可编程逻辑器件(PLD)应用举例：步进电动机的控制步进步序正 转反 转Q0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q3110101010210010110301010101401101001110101010在只有四状态情况下，只需要两个独立的在只有四状态情况下，只需要两个独立的Q就可以控就可以控制，这里制，这里 、 。因此只需要正确控制。因此只需要正确控制Q0 Q2就可以了。就可以了。 测控电路9. 3 可编程逻辑组件可编程逻辑组件9.3.1 可编程逻辑器件(PLD)应用举例：步进电动机的控制在该步进电动机未被选中情况下，要求它的状态不变，因此201010E

26、QEQQnnn对于其它步进电动机，根据它们的编码，上面公式中的E1和E2需要变为， E1或E2。本例中初始状态设为Q0 Q2 1。设置初始状态的逻辑方程为SEEQn2110SEEQn2112221212EQEQQnnn测控电路9. 3 可编程逻辑组件可编程逻辑组件9.3.1 可编程逻辑器件(PLD)应用举例：步进电动机的控制 Q0 1,0 1,1 Q2 0,0 0,1 Q0n Q0n 0 1 1 0 1 1 0 0 D 1 0 0 1 D 0 0 1 1 Q2n Q2n a) 10nQ卡诺图 b) 12nQ卡诺图 电动机驱动步序卡诺图电动机驱动步序卡诺图 环行分配器输出信号四序逻辑环行分配器输

27、出信号四序逻辑 卡诺图用来表达某状态变量的n+1态与各个量n态状态之间关系测控电路9. 3 可编程逻辑组件可编程逻辑组件9.3.1 可编程逻辑器件(PLD)应用举例：步进电动机的控制D=0D=1步进步序步进步序Q0Q2Q0Q21111121001300004011011111卡诺图的依据是真值表1. 根据n态选定单元格；2. 根据n+1态填入状态码101nQ21nQ1D n=1 001nQ21nQ1D n=2 001nQ21nQ1D n=3 101nQ21nQ1D n=4D=0时Q0n+1的卡诺图卡诺图的格数=2k测控电路9. 3 可编程逻辑组件可编程逻辑组件9.3.1 可编程逻辑器件(PLD

28、)应用举例：步进电动机的控制101nQ21nQ001nQ21nQn=1 001nQ21nQ1D n=2 n=3 101nQ21nQ1D n=4D=0时Q0n+1的卡诺图101nQ21nQ1D 001测控电路9. 3 可编程逻辑组件可编程逻辑组件9.3.1 可编程逻辑器件(PLD)应用举例：步进电动机的控制101nQ21nQ1D 001nQ21nQ1D n=1 001nQ21nQ1D n=2 n=3 101nQ21nQ1D n=4D=1时Q0n+1的卡诺图101nQ21nQ1D 001D=0D=1步进步序步进步序Q0Q2Q0Q21111121001300004011011111测控电路9. 3

29、可编程逻辑组件可编程逻辑组件9.3.1 可编程逻辑器件(PLD)应用举例：步进电动机的控制101nQ21nQ1D 001101nQ21nQ1D 001D=1时Q0n+1的卡诺图D=0时Q0n+1的卡诺图101nQ21nQ1D 0010011Q0n+1的卡诺图测控电路9. 3 可编程逻辑组件可编程逻辑组件9.3.1 可编程逻辑器件(PLD)应用举例：步进电动机的控制D=0D=1步进步序步进步序Q0Q2Q0Q21111121001300004011011111001nQ21nQ1D 101nQ21nQ1D n=1 001nQ21nQ1D n=2 n=3 101nQ21nQ1D n=4D=0时Q2n

30、+1的卡诺图101nQ21nQ1D 010测控电路9. 3 可编程逻辑组件可编程逻辑组件9.3.1 可编程逻辑器件(PLD)应用举例：步进电动机的控制D=0D=1步进步序步进步序Q0Q2Q0Q21111121001300004011011111101nQ21nQ1D 001nQ21nQ1D n=1 001nQ21nQ1D n=2 n=3 101nQ21nQ1D n=4D=1时Q2n+1的卡诺图001nQ21nQ1D 101测控电路9. 3 可编程逻辑组件可编程逻辑组件9.3.1 可编程逻辑器件(PLD)应用举例：步进电动机的控制001nQ21nQ1D 101101nQ21nQ1D 010D=1时Q2n+1的卡诺图D=0时Q2n+1的卡诺图101nQ21nQ1D 0101100Q2n+1的卡诺图测控