10_逻辑与数字控制电路

1、测控电路2022-5-24 10. 逻辑与数字控制电路 测控电路22022-5-2410. 逻辑与数字控制电路逻辑与数字控制电路 继电控制电路继电控制电路可编程逻辑组件可编程逻辑组件数控机床控制电路数控机床控制电路 功率开关驱动电路功率开关驱动电路一、功率开关驱动电路一、功率开关驱动电路分类：分类：n按照电路中所采用的功率器件类型分类，按照电路中所采用的功率器件类型分类，常见的有晶体管驱动电路、场效应管驱常见的有晶体管驱动电路、场效应管驱动电路和晶闸管驱动电路等类型。动电路和晶闸管驱动电路等类型。n按照电路所驱动的负载类型分类，常见按照电路所驱动的负载类型分类，常见的有电阻性负载驱动电路和电感

2、性负载的有电阻性负载驱动电路和电感性负载驱动电路等类型。驱动电路等类型。n按照电路所控制的负载电源类型分类，按照电路所控制的负载电源类型分类，常见的有直流电源负载驱动电路和交流常见的有直流电源负载驱动电路和交流电源负载驱动电路等类型电源负载驱动电路等类型 （一）晶体管直流负载功率驱动电路（一）晶体管直流负载功率驱动电路 +Ec VD ZL IL Ui R V I b 图8-1晶体管功率驱动电路 负载所需的电流不太大负载所需的电流不太大 Ui低电平，低电平，V截止，截止，IL=0; Ui高电平，高电平，V导通，导通，IL=(Ec-Uce)/ZL; VD是续流二极管，对晶体管是续流二极管，对晶体管

3、V起起保护作用。当驱动感性负载时，在保护作用。当驱动感性负载时，在晶体管关断瞬间，感性负载所存储晶体管关断瞬间，感性负载所存储的能量可通过的能量可通过VD的续流作用而泄放，的续流作用而泄放，从而避免被反向击穿从而避免被反向击穿设计要点设计要点: +Ec VD ZL IL Ui R V I b 晶体管功率驱动电路 合理确定合理确定Ui、R与与V的电流放大系数的电流放大系数 值之间的数值关系，充分满足：值之间的数值关系，充分满足： I b I L / 可确保可确保V导通时工作于饱和区，以降导通时工作于饱和区，以降低低V的导通电阻及减小功耗。的导通电阻及减小功耗。 当所需的负载电流当所需的负载电流I

4、L较大时，由于单个较大时，由于单个晶体管的晶体管的值有限，输入控制信号电流值有限，输入控制信号电流Ib必须很大，以确保必须很大，以确保V导通时工作于饱和区。导通时工作于饱和区。为减小对控制信号电流强度的要求，可采为减小对控制信号电流强度的要求，可采用用复合晶体管复合晶体管(达林顿器件达林顿器件)构成功率驱动构成功率驱动电路。电路。（二）场效应晶体管直流负载功率驱动电路（二）场效应晶体管直流负载功率驱动电路 n用于功率驱动电路的场效应晶体管称为用于功率驱动电路的场效应晶体管称为功率场效应晶体管。功率场效应晶体管。n功率场效应晶体管是电压控制器件，具功率场效应晶体管是电压控制器件，具有很高的输入阻

5、抗，所需的驱动功率很有很高的输入阻抗，所需的驱动功率很小，小，对驱动电路要求较低对驱动电路要求较低。功率场效应功率场效应晶体管具有较高的开启阈值电压，有较晶体管具有较高的开启阈值电压，有较高的噪声容限和抗干扰能力。高的噪声容限和抗干扰能力。 n场效应晶体管大多数为绝缘栅型场效应场效应晶体管大多数为绝缘栅型场效应管，亦称管，亦称MOS场效应管。功率场效应场效应管。功率场效应晶体管在制造中多采用晶体管在制造中多采用V沟槽工艺，简沟槽工艺，简称为称为VMOS场效应管。其改进型则称为场效应管。其改进型则称为TMOS场效应管场效应管 图8-2场效应晶体管功率驱动电路 a)VMOS场效应管电极b)场效应管

6、驱动电路 VS VD V Ui R IL ZL +Ec b)a) 漏极 D 栅极 G VDS 源极S 若漏极若漏极D与源极与源极S接反，会导致接反，会导致性能丧失或损坏。性能丧失或损坏。UiUGS，V导通，导通， IL=Ec/(ZL+RDS)。（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 n交流负载的功率驱动电路，通常采用晶交流负载的功率驱动电路，通常采用晶闸管来构成。晶闸管有闸管来构成。晶闸管有单向晶闸管单向晶闸管和和双双向晶闸管向晶闸管两种类型。两种类型。 阳极 A 门极 G 阴极 K 7.1.1 功率开关驱动电路功率开关驱动电路单向晶闸管亦称单向单向晶闸管亦称单向可控

7、硅可控硅(SCR)。 导通条件：导通条件： 阳极阳极A与阴极与阴极K之间加正向电压，同时之间加正向电压，同时在门极在门极G与阴极与阴极K之间加正向电压之间加正向电压(触发触发)，这样阳极这样阳极A与阴极与阴极K之间进入导通状态。之间进入导通状态。 晶闸管一旦导通，只要阳极晶闸管一旦导通，只要阳极A与阴极与阴极K之间的电流不小于其维持电流之间的电流不小于其维持电流IH，门极，门极G与阴极与阴极K之间是否还存在正向电压，对已之间是否还存在正向电压，对已经导通的晶闸管完全没有影响。经导通的晶闸管完全没有影响。 关断条件：关断条件： 阳极阳极A与阴极与阴极K之间的电流小于其维持电流之间的电流小于其维持

8、电流IH，晶闸管即，晶闸管即进入关断状态。进入关断状态。 电极 MT2 门极 G 电极 MT1 双向晶闸管图形符号双向晶闸管亦称双向半导体开关元件双向晶闸管亦称双向半导体开关元件(TRIAC)。 与单向晶闸管相比较，双向晶与单向晶闸管相比较，双向晶闸管的主要区别是：闸管的主要区别是： 在触发之后是双向导通的；在触发之后是双向导通的； 触发电压不分极性，只要绝触发电压不分极性，只要绝对值达到触发门限值即可使双向对值达到触发门限值即可使双向晶闸管导通。晶闸管导通。 触发电压加在门极触发电压加在门极G与电极与电极MT2之间。之间。 关断条件：电极关断条件：电极MT1与电极与电极MT2之之间的电流小于

9、其维持电流间的电流小于其维持电流IH。 图图8-4交流半波导通功率驱动电路交流半波导通功率驱动电路 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 单晶管n实用中应注意实用中应注意: 如果驱动的是感性负载，必须设置合理如果驱动的是感性负载，必须设置合理的关断泄流回路，一方面可保护开关器的关断泄流回路，一方面可保护开关器件，另外也可起到消除对外电磁干扰的件，另外也可起到消除对外电磁干扰的作用。作用。n主要用于机床的起动、停止等基本操作主要用于机床的起动、停止等基本操作和安全保护上，具有操作方便、

10、安全可和安全保护上，具有操作方便、安全可靠的特点。靠的特点。10. 1 继电控制电路继电控制电路 测控电路152022-5-24三相异步电机控制电路三相异步电机控制电路10. 1 继电控制电路继电控制电路 L1 L2 L3 KM1-1 。FU2SB1 SB2SW手动手动自动自动KM1-2KM1KA1-1FU1FR1FR1-1QSM3三相交流电源三相交流电源三相交流电机三相交流电机闸刀开关闸刀开关起动按钮起动按钮停止按钮停止按钮热继电器热继电器继电器继电器继电器继电器主触点主触点 继电器继电器自锁触自锁触点点熔断器熔断器熔断器熔断器热继电热继电器触点器触点受外部继电受外部继电器控制触点器控制触点

11、转换开关转换开关主回路主回路控制回路控制回路（一）工作原理（一）工作原理 测控电路162022-5-24(1) 开关开关 转换到新位置后保持在该位置，状态易于识别。 工作安全可靠。 允许的工作电压、电流大，按额定值选用。主回路工作电压、电流大，采用闸刀开关；控制回路采用转换开关，允许的工作电压、电流大小些，操作轻便。 x刀y掷:表示同时可以接通x条通路，可以切换到y个工作位置。 操作不方便。 10. 1 继电控制电路继电控制电路三相异步电机控制电路三相异步电机控制电路（二）主要功能器件（二）主要功能器件 测控电路172022-5-2410. 1 继电控制电路继电控制电路三相异步电机控制电路三相

12、异步电机控制电路(2) 按钮按钮 按下按钮后在弹簧作用下回到原位置。按钮回复原位后靠继电器保持所需工作状态。 操作方便，但不如开关工作安全可靠，状态也不明显。 允许的工作电压、电流有额定值。比闸刀开关小。 （二）主要功能器件（二）主要功能器件 测控电路182022-5-2410. 1 继电控制电路继电控制电路三相异步电机控制电路三相异步电机控制电路(2) 按钮按钮(2) 按钮按钮 可以包含多组常开和常闭触点，起动按钮多利用常开触点，停止按钮多利用常闭触点。 停止按钮易于看到，易于触及。可以有多个，甚至一片。 （二）主要功能器件（二）主要功能器件常闭触点常开触点弹簧 测控电路192022-5-2

13、410. 1 继电控制电路继电控制电路三相异步电机控制电路三相异步电机控制电路(3) 继电器继电器 将电路的通断控制向下传的器件。 继电器在结构上为电磁铁加触点，是电磁铁控制的开关。 具有功率放大作用，线圈中通过电流小、加到线圈上的电压也小，触点允许的电流、电压大。 触点导通电阻小、切断电阻大。 （二）主要功能器件（二）主要功能器件 测控电路202022-5-2410. 1 继电控制电路继电控制电路三相异步电机控制电路三相异步电机控制电路（二）主要功能器件（二）主要功能器件1 3 常闭触点常闭触点1 2 常开触点常开触点4铁心铁心5线圈线圈6线圈引线线圈引线7弹簧弹簧8铁軛铁軛12345678

14、(3) 继电器继电器 测控电路212022-5-2410. 1 继电控制电路继电控制电路三相异步电机控制电路三相异步电机控制电路(3) 继电器继电器继电器由触点，线圈与磁路系统及反作用弹簧等组成。当在线圈中通入一定数值的电流或施加一定的电压时，可使可动衔铁吸合，因而带动附属机构使活动触点与一固定触点接通，与另一固定触点断开。利用触点的这种闭合或打开，就可以对电路进行通断控制。继电器具有以一控多功能。KM1-1表示KM1的第一对触点。通过自锁触点实现记忆保持功能。 （二）主要功能器件（二）主要功能器件 L1 L2 L3 KM1-1 FU2SB1 SB2SW 手动手动自动自动KM1-2KM1KA1

15、-1FU1FR1FR1-1QSM3三相交流电源三相交流电源三相交流电机三相交流电机闸刀开关闸刀开关起动按钮起动按钮停止按钮停止按钮热继电器热继电器继电器继电器继电器继电器主触点主触点 继电器继电器自锁触自锁触点点熔断器熔断器熔断器熔断器热继电热继电器触点器触点受外部继电受外部继电器控制触点器控制触点转换开关转换开关主回路主回路控制回路控制回路10. 1 继电控制电路继电控制电路三相异步电机控制电路三相异步电机控制电路(3) 继电器继电器（二）主要功能器件（二）主要功能器件10. 1 继电控制电路继电控制电路三相异步电机控制电路三相异步电机控制电路n继电器是控制和保护线路中广泛应用的一种自动控制

16、电器。其工作原理是在输入一定的物理量（例如电流、电压、转速、时间、温度等）的作用下，自动接通或者断开触点，完成电路同、断功能。n常用的继电器分为：电流继电器、电压继电器、中间继电器、时间继电器、热继电器等。(3) 继电器继电器（二）主要功能器件（二）主要功能器件当工作器械在长期的小范围（相对与熔断器而言）超载，热继电器内的热敏元件（如双金属片）工件，热继电器动作，切断控制回路，对进行器械起保护作用。用作保护用的继电器常需要人工干预，才能回到正常状态。10. 1 继电控制电路继电控制电路三相异步电机控制电路三相异步电机控制电路(3) 继电器继电器（二）主要功能器件（二）主要功能器件 测控电路25

17、2022-5-24三相异步电机控制电路三相异步电机控制电路(4) 熔断器熔断器熔断器俗称保险丝，由易熔金属指成，当工作器械出现显著超载时，立即切断电路。需要更换熔断器工作器械才能继续工作，这样做有利于保障安全。熔断器的选择要保证工作器械的安全。（二）主要功能器件（二）主要功能器件10. 1 继电控制电路继电控制电路 测控电路262022-5-24(三三) 自动控制模式自动控制模式由计算机软件或外部信号控制动作10. 1 继电控制电路继电控制电路三相异步电机控制电路三相异步电机控制电路UiKD1KA13 3相相保护二极管保护二极管 /50Hz /380V A1 B1 C1 +5V KD1-1 K

18、A1 Ui KA1-1 A2 B2 C2 VD KD1 R V L1 L2 L3 KM1-1 FU2SB1 SB2SW 手动手动自动自动KM1-2KM1KA1-1FU1FR1FR1-1QSM3三相交流电源三相交流电源三相交流电机三相交流电机闸刀开关闸刀开关起动按钮起动按钮停止按钮停止按钮热继电器热继电器继电器继电器继电器继电器主触点主触点 继电器继电器自锁触自锁触点点熔断器熔断器熔断器熔断器热继电热继电器触点器触点受外部继电受外部继电器控制触点器控制触点转换开关转换开关主回路主回路控制回路控制回路10. 1 继电控制电路继电控制电路三相异步电机控制电路三相异步电机控制电路n一般的逻辑器件，如门

19、电路都是不可编程的，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、输出都通过硬件连接是固定的。接的输入、输出都通过硬件连接是固定的。nPLDPLD与定制器件的主要区别是可编程性，其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。逻辑功能可由用户通过软件编程构造或设置。使设计灵活，研制周期缩短，空间尺寸减小，使设计灵活，研制周期缩短，空间尺寸减小，降低故障率。降低故障率。10. 2 可编程逻辑组件可编程逻辑组件10.2.1 可编程逻辑器件(PLD) 测控电路292022-5-2410.2.1

20、 可编程逻辑器件(PLD)10. 2 可编程逻辑组件可编程逻辑组件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 = 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302022-5-2410. 2 可编程逻辑组件可编程逻辑组件10.2.1 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

21、& B D D C & ABC A 1 B D D C1 测控电路312022-5-2410. 2 可编程逻辑组件可编程逻辑组件10.2.2 可编程阵列逻辑 (PAL) I0 I1 I3 I2 输入 & & & & & & & & & & & & & & & & 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

22、跨线连接（一）（一）PAL器件结构器件结构 输入 & & & & & & & & & & & & & & & & 1 1 1 1 O 2 O 1 O 0 O 3 输出 可编程的 “与” 阵列 不可编程的 “或” 阵列 I 0 I 1 I 2 I 3 可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑PAL (Programmable Array Logic)几乎可以构成各几乎可以构成各种逻辑功能器件，从而种逻辑功能器件，从而使逻辑电路的设计容易使逻辑电路的设计容易得到简化。一片得到简化。一

23、片PAL器器件可以替代件可以替代412片简片简单逻辑芯片，使逻辑电单逻辑芯片，使逻辑电路结构紧凑。路结构紧凑。 PAL器件结构器件结构320312IIIIIO10. 2 可编程逻辑组件可编程逻辑组件10.2.2 可编程阵列逻辑 (PAL)应用举例：步进电动机的控制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

24、率率 A分分 Q1驱驱 B10. 2 可编程逻辑组件可编程逻辑组件10.2.2 可编程阵列逻辑 (PAL)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。+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 B10. 2 可编程逻辑组件可编程逻辑组件10.2.2 可编程阵列逻辑 (PAL)应用举例：步进电动机的控制步进步序步进步序正正 转转反反

25、转转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。 01QQ 23QQ 10. 2 可编程逻辑组件可编程逻辑组件10.2.2 可编程阵列逻辑 (PAL)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201010EQEQQnnn221212EQEQQnnn对于其它步进电动机，根据它们的编码，上面公式中的E1和E

26、2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SEEQn2110SEEQn211210. 2 可编程逻辑组件可编程逻辑组件10.2.2 可编程阵列逻辑 (PAL)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10. 2 可编程逻辑组件

27、可编程逻辑组件10.2.2 可编程阵列逻辑 (PAL)应用举例：步进电动机的控制D=0D=1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=2k10. 2 可编程逻辑组件可编程逻辑组件10.2.2 可编程阵列逻辑 (PAL)应用举例：步进电动机的控制101nQ21nQ1D 001nQ21nQ1D n=1 001nQ21nQ1D n=

28、2 n=3 101nQ21nQ1D n=4D=0时Q0n+1的卡诺图101nQ21nQ1D 00110. 2 可编程逻辑组件可编程逻辑组件10.2.2 可编程阵列逻辑 (PAL)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Q0Q2Q0Q2111112100130000401101111110. 2 可编程逻辑组件可编程逻辑组件10.2.2 可编程阵列逻辑 (PAL)应用举例：步进电动机的控制101nQ21nQ1D

29、 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10. 2 可编程逻辑组件可编程逻辑组件10.2.2 可编程阵列逻辑 (PAL)应用举例：步进电动机的控制D=0D=1步进步序Q0Q2Q0Q21111121001300004011011111001nQ21nQ1D 101nQ21nQ1D n=1 001nQ21nQ1D n=2 n=3 101nQ21nQ1D n=4D=0时Q2n+1的卡诺图101nQ21nQ1D 01010. 2 可编程逻辑组件可编程逻辑组件10.2.2 可编程阵列逻辑 (PAL)

30、应用举例：步进电动机的控制D=0D=1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 101001nQ21nQ1D 10110. 2 可编程逻辑组件可编程逻辑组件10.2.2 可编程阵列逻辑 (PAL)应用举例：步进电动机的控制101nQ21nQ1D 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10. 2 可编程逻辑组件可编程

31、逻辑组件10.2.2 可编程阵列逻辑 (PAL)应用举例：步进电动机的控制101nQ21nQ1D 0101100Q2n+1的卡诺图101nQ21nQ1D 0010011Q0n+1的卡诺图nnnnnnnnnnnQDQDQDQQQDQQDQQDQ222020202010nnnnnnnnnnnDQQDQDQQDQQQDQQDQ00202020201210. 2 可编程逻辑组件可编程逻辑组件10.2.2 可编程阵列逻辑 (PAL)应用举例：步进电动机的控制201010EQEQQnnn221212EQEQQnnnSEEQn2110SEEQn2112考虑到nnnnnQDEEQDEEEQEQSEEQ2212

32、21201021101011nnQQnnnnnDQEEQDEEEQEQSEEQ021021221221121213nnQQPAL16R4 PAL DESIGH SPECIFICATIONSMC 06/22/96STEPPED MOTOR CONTROLLER SHANGHAI CONTROL TECHNOLOGY INSTITUTECK E1A E2A SA DA E1B E2B SB DB GND/OC /Q3B /Q1B /Q2B /Q0B /Q2A /Q0A /Q3A /Q1A UccQ0A : = /E1A*/E2A*SA ; SETP 1 IF SET + Q0A*E1A ; HOL

33、D IF E1A + Q0A*E2A ; HOLD IF E2A + /E1A*/E2A*/DA*Q2A ; LOAD Q2A IF /DA + /E1A*/E2A*DA*/Q2A ; LOAD /Q2A IF DA10. 2 可编程逻辑组件可编程逻辑组件10.2.2 可编程阵列逻辑 (PAL)应用举例：步进电动机的控制IF (Ucc) Q1A := /Q0AQ2A : = /E1A*/E2A*SA ; SETP 1 IF SET + Q2A*E1A ; HOLD IF E1A + Q2A*E2A ; HOLD IF E2A + /E1A*/E2A*/DA*/Q0A ; LOAD Q0A IF

34、 /DA + /E1A*/E2A*DA*Q0A ; LOAD /Q0A IF DAIF (Ucc) Q3A := /Q2AQ0B : = /E1B*/E2B*SB ; SETP 1 IF SET + Q0B*E1B ; HOLD IF E1B + Q0B*E2B ; HOLD IF E2B + /E1B*/E2B*/DB*Q2B ; LOAD Q2B IF /DB + /E1B*/E2B*DB*/Q2B ; LOAD /Q2B IF DB10. 2 可编程逻辑组件可编程逻辑组件10.2.2 可编程阵列逻辑 (PAL)应用举例：步进电动机的控制IF (Ucc) Q1B := /Q0BQ2B :

35、= /E1B*/E2B*SB ; SETP 1 IF SET + Q2B*E1B ; HOLD IF E1B + Q2B*E2B ; HOLD IF E2B + /E1B*/E2B*/DB*/Q0B ; LOAD Q0B IF /DB + /E 1B*/E2B*DB*Q0B ; LOAD /Q0B IF DBIF (Ucc) Q3B := /Q2B10. 2 可编程逻辑组件可编程逻辑组件10.2.2 可编程阵列逻辑 (PAL)应用举例：步进电动机的控制 测控电路502022-5-2410. 2 可编程逻辑组件可编程逻辑组件10.2.3 现场可编程阵列逻辑现场可编程阵列逻辑 (FPGA)在在PL

36、D与与PAL基础上发展了通用阵列逻辑基础上发展了通用阵列逻辑 (GAL)、复复杂可编程逻辑器件杂可编程逻辑器件(CPLD) 和现场可编程阵列逻辑和现场可编程阵列逻辑 (FPGA) 等等。FPGA由可编程逻辑模块由可编程逻辑模块(CLB)、输入输入/ /输输出模块出模块(IOB)和互联资源和互联资源(IR)三部分组成，用户可以通三部分组成，用户可以通过编程将许多独立的可编程逻辑模块模块连接成所需过编程将许多独立的可编程逻辑模块模块连接成所需要的数字系统要的数字系统 。 测控电路512022-5-2410. 2 可编程逻辑组件可编程逻辑组件10.2.3 现场可编程阵列逻辑现场可编程阵列逻辑 (FP

37、GA)IR IRIRIRIRIRIRIRIRIRIRIRIRIRIRIRIRIRIRIRIRIRIRIRIRIOBIOBIOBIOB 测控电路522022-5-2410.3.1 工作原理10. 3 数控机床控制电路数控机床控制电路位置控制位置控制位置指令位置检测这是一根轴的电路，多轴常还需要联动，数控系统已发展到六轴、七轴全闭环伺服系统全闭环伺服系统 测控电路532022-5-2410.3.1 工作原理如果位置信号不从工作台位移取出，而从传动丝杠的转角取出，则称为半闭环系统。如果没有位置反馈，工作台按指令运动，则称为开环系统。10. 3 数控机床控制电路实例数控机床控制电路实例 测控电路542

38、022-5-2410. 3 数控机床控制电路实例数控机床控制电路实例10.3.1 工作原理细分辨向电路细分辨向电路 位置比较与位置比较与速度给定单元速度给定单元保护电路保护电路速度调节电路速度调节电路电网电源电路电网电源电路电动机电流电动机电流 测试电路测试电路电流调节电路电流调节电路功率驱动电路功率驱动电路触发脉冲发生器触发脉冲发生器可逆计数器可逆计数器0方波方波90方波方波加计数脉冲加计数脉冲零位信号零位信号实测位移实测位移速度给定速度给定实测速度实测速度锁零信号锁零信号电动机电动机电流给定电流给定实测电流实测电流位移传感器信号位移传感器信号测量信号测量信号形成电路形成电路电枢电流电枢电流

39、电枢电流电枢电流去直流稳压电源去直流稳压电源热保护热保护温度测试温度测试3相相/50Hz/380V3相相/50Hz/12V3相相/50Hz/380V位置指令位置指令减计数脉冲减计数脉冲 测控电路552022-5-24 光电编码器输出相位差光电编码器输出相位差90 的两路方波信号，经的两路方波信号，经细分辨向电路输出加减计数脉冲，可逆计数器记录细分辨向电路输出加减计数脉冲，可逆计数器记录工作台位移。配合零位信号确定工作台绝对位置。工作台位移。配合零位信号确定工作台绝对位置。将实际位置与指令位置进行比较确定工作台应当快将实际位置与指令位置进行比较确定工作台应当快速运动、慢速运动或停止运动。在多轴联

40、到的场合速运动、慢速运动或停止运动。在多轴联到的场合下，指令位置可能来自其它运动。下，指令位置可能来自其它运动。 根据计数脉冲根据计数脉冲的频率可以确定工作台的实际运的频率可以确定工作台的实际运动速度。动速度。 10. 3 数控机床控制电路实例数控机床控制电路实例10.3.1 工作原理 测控电路562022-5-2410. 3 数控机床控制电路实例数控机床控制电路实例10.3.1 工作原理 速度调节电路将所要求的给定速度与实测速度进行速度调节电路将所要求的给定速度与实测速度进行比较，确定电动机的给定电流。电流调节电路将给定电比较，确定电动机的给定电流。电流调节电路将给定电流与实测的电动机电枢电

41、流进行比较，进行电流调节。流与实测的电动机电枢电流进行比较，进行电流调节。电流调节电路的输出送到触发脉冲发生器，控制功率驱电流调节电路的输出送到触发脉冲发生器，控制功率驱动电路中的晶闸管的导通时间，从而改变电动机的电枢动电路中的晶闸管的导通时间，从而改变电动机的电枢电流和转速。电网电源电路给触发脉冲发生器、功率驱电流和转速。电网电源电路给触发脉冲发生器、功率驱动电路和直流稳压电路供电。保护电路测试电动机和晶动电路和直流稳压电路供电。保护电路测试电动机和晶闸管的温度，在过热情况下进行保护。闸管的温度，在过热情况下进行保护。 10. 3 数控机床控制电路实例数控机床控制电路实例细分辨向电路细分辨向

42、电路 位置比较与位置比较与速度给定单元速度给定单元保护电路保护电路速度调节电路速度调节电路电网电源电路电网电源电路电动机电流电动机电流 测试电路测试电路电流调节电路电流调节电路功率驱动电路功率驱动电路触发脉冲发生器触发脉冲发生器可逆计数器可逆计数器0方波方波90方波方波加计数脉冲加计数脉冲零位信号零位信号实测位移实测位移速度给定速度给定实测速度实测速度锁零信号锁零信号电动机电动机电流给定电流给定实测电流实测电流位移传感器信号位移传感器信号测量信号测量信号形成电路形成电路电枢电流电枢电流电枢电流电枢电流去直流稳压电源去直流稳压电源热保护热保护温度测试温度测试3相相/50Hz/380V3相相/50

43、Hz/12V3相相/50Hz/380V位置指令位置指令减计数脉冲减计数脉冲10.3.2 测量信号形成电路 测控电路582022-5-2410.3.2 测量信号形成电路10. 3 数控机床控制电路实例数控机床控制电路实例光电编码器一通道电路光电编码器一通道电路GDS+12VVLD1V1N1去细分辨向电路去细分辨向电路 测控电路592022-5-24 传感器可以是码盘或光栅。光电二极管传感器可以是码盘或光栅。光电二极管VD1将码盘将码盘或莫尔条纹光通量的变化转换成电流变化，经场效应或莫尔条纹光通量的变化转换成电流变化，经场效应晶体管晶体管V1构成的跟随器进行阻抗变换和功率放大后，构成的跟随器进行阻

44、抗变换和功率放大后，送入由送入由N1构成的电压比较器，整形成为方波信号。构成的电压比较器，整形成为方波信号。 两路相同的测量信号形成电路形成相位差两路相同的测量信号形成电路形成相位差90 的的A、B两个通道方波信号。两个通道方波信号。A、B两路方波信号送入细分辨两路方波信号送入细分辨向电路。向电路。 零位传感器可以采用零位光栅、狭缝、光电开关等。零位传感器可以采用零位光栅、狭缝、光电开关等。在光栅零位或狭缝通过时发出零位脉冲信号。在光栅零位或狭缝通过时发出零位脉冲信号。 10. 3 数控机床控制电路实例数控机床控制电路实例10.3.2 测量信号形成电路10. 3 数控机床控制电路实例数控机床控

45、制电路实例 位置比较与位置比较与速度给定单元速度给定单元保护电路保护电路速度调节电路速度调节电路电网电源电路电网电源电路电动机电流电动机电流 测试电路测试电路电流调节电路电流调节电路功率驱动电路功率驱动电路触发脉冲发生器触发脉冲发生器可逆计数器可逆计数器0方波方波90方波方波加计数脉冲加计数脉冲零位信号零位信号实测位移实测位移速度给定速度给定实测速度实测速度锁零信号锁零信号电动机电动机电流给定电流给定实测电流实测电流位移传感器信号位移传感器信号测量信号测量信号形成电路形成电路电枢电流电枢电流电枢电流电枢电流去直流稳压电源去直流稳压电源热保护热保护温度测试温度测试3相相/50Hz/380V3相相

46、/50Hz/12V3相相/50Hz/380V位置指令位置指令减计数脉冲减计数脉冲细分辨向电路细分辨向电路10.3.3 细分辨向电路 测控电路612022-5-2410.3.3 细分辨向电路10. 3 数控机床控制电路实例数控机床控制电路实例DG7 & & & & & & & & DG5 DG10 R1 & & 1 1& & 1 1 1 1A 1 1DG1 C1 DG3 R2 DG2 C2 DG4 DG8 R3 C3 C4 DG9 R4 DG6 A A B B B BB A A A A 1 B B B

47、 A A A A B B B 1加法计数脉冲加法计数脉冲减法计数脉冲减法计数脉冲0方波信号方波信号90方波信号方波信号10.3.4 位置比较与速度给定单元10. 3 数控机床控制电路实例数控机床控制电路实例保护电路保护电路速度调节电路速度调节电路电网电源电路电网电源电路电动机电流电动机电流 测试电路测试电路电流调节电路电流调节电路功率驱动电路功率驱动电路触发脉冲发生器触发脉冲发生器可逆计数器可逆计数器0方波方波90方波方波加计数脉冲加计数脉冲零位信号零位信号实测位移实测位移速度给定速度给定实测速度实测速度锁零信号锁零信号电动机电动机电流给定电流给定实测电流实测电流位移传感器信号位移传感器信号测

48、量信号测量信号形成电路形成电路电枢电流电枢电流电枢电流电枢电流去直流稳压电源去直流稳压电源热保护热保护温度测试温度测试3相相/50Hz/380V3相相/50Hz/12V3相相/50Hz/380V位置指令位置指令减计数脉冲减计数脉冲细分辨向电路细分辨向电路 位置比较与位置比较与速度给定单元速度给定单元 测控电路632022-5-2410.3.4 位置比较与速度给定单元10. 3 数控机床控制电路实例数控机床控制电路实例 远离目标位置时需要快速运动； 接近目标位置时需要慢速运动； 到达目标后需要停止运动； 切削运动与非切削运动速度完全不同； 精加工与粗加工切削运动速度不同； 切削运动速度还与材料等

49、有关； 这一部分工作常以软件为主完成。 测控电路642022-5-2410. 3 数控机床控制电路实例数控机床控制电路实例10.3.4 位置比较与速度给定单元 目标位置常是阶段目标； 在多轴联动的情况下，目标位置常取决于另一轴 位置，在联动轴中包含回转轴时，回转轴常是 主导轴； 联动运动时两轴运动间存在线性关系占相当比例， 如螺旋线加工、渐开线齿轮加工； 曲面加工时两轴运动之间存在非线性关系； 有时要求三个以上的轴联动，如螺旋齿轮加工，需 要分别确定各个轴与主导轴间传动关系。 测控电路652022-5-2410. 3 数控机床控制电路实例数控机床控制电路实例10.3.4 位置比较与速度给定单元

50、 由于惯性、切削力、摩擦等作用很难通过设定就保 证机床刀具相对于工件按理想轨迹运动； 需要不断对轨迹进行修正，将工件形状误差限制在 许可范围内，这种通过对轨迹进行修正使得刀具相 对于工件按接近理想轨迹运动的方法称为插补； 按直线运动和按线性传动关系运动最为常见，这种 插补称为直线插补，另一种采用插补为圆弧插补； 对于其它传动关系的联动运动，常分段进行直线或 圆弧插补。 测控电路662022-5-2410. 3 数控机床控制电路实例数控机床控制电路实例10.3.4 位置比较与速度给定单元(一）直线插补直线插补时，通常将坐标原点设在直线起点上。对于第一象限直线OA，其方程可表示为 X/Y-Xe/Y

51、e0 偏差函数 FiYiXe-XiYe若Fi0，表示加工点位于直线上；若Fi0，表示加工点位于直线上方；若Fi0，表示加工点位于直线下方。 X Y O 测控电路672022-5-2410. 3 数控机床控制电路实例数控机床控制电路实例10.3.4 位置比较与速度给定单元(一）直线插补若若Fi0，规定在，规定在+X方向走一步方向走一步 11eee1(1)iiiiiiXXFX YYXFY若若Fi0，规定，规定+Y方向走一步方向走一步 11eee1(1)iiiiiiYYFXYY XFX步长由允许的加工误差确定步长由允许的加工误差确定 A 测控电路682022-5-2410. 3 数控机床控制电路实例

52、数控机床控制电路实例10.3.4 位置比较与速度给定单元(二）圆弧插补偏差函数若Fi0，表示加工点位于圆上；若Fi0，表示加工点位于圆外；若Fi0，表示加工点位于圆内。222iiiFXYR 测控电路692022-5-2410. 3 数控机床控制电路实例数控机床控制电路实例10.3.4 位置比较与速度给定单元12) 1(122211iiiiiiiXFRYXFXX12) 1(122211iiiiiiiYFRXYFYY1）逆圆插补 若Fi0，规定-X方向走一步若Fi0，规定+Y方向走一步(二）圆弧插补011223344YX 测控电路702022-5-2410. 3 数控机床控制电路实例数控机床控制电

53、路实例10.3.4 位置比较与速度给定单元(二）圆弧插补2）顺圆插补 若Fi0，规定-Y方向走一步122211(1)21iiiiiiiYYFYXRFY若Fi0，规定+X方向走一步122211(1)21iiiiiiiXXFXYRFX011223344YX 测控电路712022-5-24速度反馈信号的形成 计数脉冲的频率表示运动速度，但是进入速度调节电路的速度反馈信号需要电压信号uSF 。uSF的幅值由脉冲频率决定，极性由脉冲的极性决定。10. 3 数控机床控制电路实例数控机床控制电路实例10.3.4 位置比较与速度给定单元频频率率电电压压变变换换电电路路加法计数脉冲加法计数脉冲uSF减法计数脉冲

54、减法计数脉冲SRQ 110. 3 数控机床控制电路实例数控机床控制电路实例10.3.5 速度调节电路保护电路保护电路电网电源电路电网电源电路电动机电流电动机电流 测试电路测试电路电流调节电路电流调节电路功率驱动电路功率驱动电路触发脉冲发生器触发脉冲发生器可逆计数器可逆计数器0方波方波90方波方波加计数脉冲加计数脉冲零位信号零位信号实测位移实测位移速度给定速度给定实测速度实测速度锁零信号锁零信号电动机电动机电流给定电流给定实测电流实测电流位移传感器信号位移传感器信号测量信号测量信号形成电路形成电路电枢电流电枢电流电枢电流电枢电流去直流稳压电源去直流稳压电源热保护热保护温度测试温度测试3相相/50

55、Hz/380V3相相/50Hz/12V3相相/50Hz/380V位置指令位置指令减计数脉冲减计数脉冲细分辨向电路细分辨向电路 位置比较与位置比较与速度给定单元速度给定单元速度调节电路速度调节电路uiRLkuSFuSR 测控电路732022-5-2410.3.5 速度调节电路10. 3 数控机床控制电路实例数控机床控制电路实例- -+ + +N1- -+ + +N2- -+ + +N3 - - + + + + N4uSFuiRuSRR1R2 RPVS 12V+12V V2锁零信号锁零信号信号调理信号调理V1电流给定电流给定速度给定速度给定实测速度实测速度Lk 测控电路742022-5-24 位置

56、比较单元的输出的速度控制指令电压位置比较单元的输出的速度控制指令电压uSR，经，经N1集成运集成运放所构成的反相放大器进行反相和阻抗匹配后加于放所构成的反相放大器进行反相和阻抗匹配后加于N2的反相输的反相输入端。来自测速装置的信号入端。来自测速装置的信号uSF经阻容滤波与微分处理后也加于经阻容滤波与微分处理后也加于N2的反相输入端。测速反馈信号经微分处理后，可以获得转速的反相输入端。测速反馈信号经微分处理后，可以获得转速微分负反馈的效果，减少转速超调量。引入速度微分负反馈时，微分负反馈的效果，减少转速超调量。引入速度微分负反馈时，必须对速度信号进行滤波，以免引进新的干扰。必须对速度信号进行滤波

57、，以免引进新的干扰。N2运放及其外运放及其外围元件构成围元件构成PI调节器调节器 。 N2的输出的输出uiR和和uSF与与uSR之差成正比，它作为电流调节器的之差成正比，它作为电流调节器的电流给定，改变通过电动机电枢的电流，使电流给定，改变通过电动机电枢的电流，使uSF接近接近uSR。10. 3 数控机床控制电路实例数控机床控制电路实例10.3.5 速度调节电路 测控电路752022-5-2410. 3 数控机床控制电路实例数控机床控制电路实例 电路引入调节器增益速度自适应控制。电路引入调节器增益速度自适应控制。N2的反馈量由电阻的反馈量由电阻R1、可变电阻、可变电阻RP、R2的值决定。的值决

58、定。 V2的控制栅极受的控制栅极受N4组成的转速组成的转速绝对值电路控制。高速时场效应晶体管绝对值电路控制。高速时场效应晶体管V2截止，截止，R1、RP断路，断路，N2的反馈量最大，故调节器增益最小；低速时的反馈量最大，故调节器增益最小；低速时V2工作于放大器工作于放大器状态时，根据其工作点，可以不同程度地改变其等效电阻，使状态时，根据其工作点，可以不同程度地改变其等效电阻，使R2、RP接入不同的电阻，并通过接入不同的电阻，并通过V2接地，从而不同程度地减小接地，从而不同程度地减小了了N2的反馈量，使调节器增益加大。的反馈量，使调节器增益加大。 10.3.5 速度调节电路 测控电路762022

59、-5-2410. 3 数控机床控制电路实例数控机床控制电路实例10.3.5 速度调节电路-+N1-+N2-+N3 - + + N4uSFuiRuSRR1R2 RPVS12V+12V V2锁零信号LK滤波与微分 V1电流给定速度给定实测速度 测控电路772022-5-24 N2输入端两个反向并联的二极管的作用是将输入信号输入端两个反向并联的二极管的作用是将输入信号限幅，以保护集成运放限幅，以保护集成运放N2，而输出端与地之间所接双向稳，而输出端与地之间所接双向稳压管压管VS的作用是将输出电压的作用是将输出电压uiR正负限幅。正负限幅。 当给定速度当给定速度uSR为零时，为防止速度控制电路漂移引起

60、为零时，为防止速度控制电路漂移引起的电动机微动，发出锁零信号的电动机微动，发出锁零信号Lk使使V1导通，导通， N2的输出信号的输出信号UiR被钳到锁零信号被钳到锁零信号LK的电位，以避免电动机爬行。的电位，以避免电动机爬行。 10. 3 数控机床控制电路实例数控机床控制电路实例10.3.5 速度调节电路10. 3 数控机床控制电路实例数控机床控制电路实例10.3.6 电流测试电路电流测试电路保护电路保护电路电网电源电路电网电源电路电流调节电路电流调节电路功率驱动电路功率驱动电路触发脉冲发生器触发脉冲发生器可逆计数器可逆计数器0方波方波90方波方波加计数脉冲加计数脉冲零位信号零位信号实测位移实测位移速度给定速度给定实测速度实测速度锁零信号锁零信号电动机电动机电流给定电流给定实测电流实测电流位移传感器信号位移传感器信号测量信号测量信号形成电路形成电路电枢电流电枢电流电枢电流电枢电流去直流稳压电源去直流稳压电源热保护热保护温度测试温度测试3相相/50Hz/380V3相相/50Hz/12V3相相/50Hz/380V位置指令位