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測控電路第十章邏輯與數(shù)字控制電路第一頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日第十章邏輯控制電路一、功率開關(guān)驅(qū)動電路晶體管直流負(fù)載功率驅(qū)動電路場效應(yīng)管直流負(fù)載功率驅(qū)動電路晶閘管交流負(fù)載功率驅(qū)動電路二、繼電器與電磁閥驅(qū)動電路三、步進電動機驅(qū)動電路異步電動機的二值控制電路步進電動機驅(qū)動電路第二頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日一、功率開關(guān)驅(qū)動電路分類: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)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。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)動電路和交流電源負(fù)載驅(qū)動電路等類型

第三頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日(一)晶體管直流負(fù)載功率驅(qū)動電路

圖8-1晶體管功率驅(qū)動電路VD是續(xù)流二極管,對晶體管V起保護作用。當(dāng)驅(qū)動感性負(fù)載時,在晶體管關(guān)斷瞬間,感性負(fù)載所存儲的能量可通過VD的續(xù)流作用而泄放,從而避免被反向擊穿(I)當(dāng)控制信號Ui為低電平時,I

b較小,晶體管V截止,負(fù)載ZL中電流IL為0;(II)當(dāng)控制信號Ui為高電平時,I

b較大,晶體管V導(dǎo)通(工作于飽和區(qū)),負(fù)載ZL中電流IL=(Ec-Uce)/ZL,Uce為晶體管V集電極與發(fā)射極間的飽和電壓降。第四頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日(一)晶體管直流負(fù)載功率驅(qū)動電路

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:合理確定Ui、R與V的電流放大系數(shù)值之間的數(shù)值關(guān)系,充分滿足

IbIL/,可確保V導(dǎo)通時工作于飽和區(qū),以降低V的導(dǎo)通電阻及減小功耗。

第五頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日(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,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啟閾值電壓,有較高的噪聲容限和抗干擾能力。

第六頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日場效應(yīng)晶體管大多數(shù)為絕緣柵型場效應(yīng)管,亦稱MOS場效應(yīng)管。功率場效應(yīng)晶體管在制造中多采用V溝槽工藝,簡稱為VMOS場效應(yīng)管。其改進型則稱為TMOS場效應(yīng)管第七頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日圖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b)a)

漏極D

柵極G

VDS

源極S第八頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日(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。

第九頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日圖8-3a單向晶閘管圖形符號單向晶閘管亦稱單向可控硅(SCR)一、導(dǎo)通條件二、關(guān)斷條件第十頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日晶閘管導(dǎo)通條件:在陽極A與陰極K之間加正向電壓,同時在門極G與陰極K之間加正向電壓(觸發(fā)),這樣陽極A與陰極K之間即進入導(dǎo)通狀態(tài)。晶閘管一旦導(dǎo)通,只要陽極A與陰極K之間的電流不小于其維持電流IH,門極G與陰極K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響。晶閘管關(guān)斷條件:主電極陽極A與陰極K之間的電流小于其維持電流IH,晶閘管即進入關(guān)斷狀態(tài)。第十一頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日圖8-3b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(TRIAC)

與單向晶閘管相比較,雙向晶閘管的主要區(qū)別是:①在觸發(fā)之后是雙向?qū)ǖ模虎谟|發(fā)電壓不分極性,只要絕對值達到觸發(fā)門限值即可使雙向晶閘管導(dǎo)通。

第十二頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日圖8-4交流半波導(dǎo)通功率驅(qū)動電路(I)控制信號Ui為高電平Ui=1V1截止Uc足夠高V2管e與b1導(dǎo)通V3導(dǎo)通Uc->0u->0時,V3截止第十三頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日圖8-4交流半波導(dǎo)通功率驅(qū)動電路(II)控制信號Ui為低電平Ui=0V1導(dǎo)通Uc電壓低V2管e與b1截止V3截止R5很大IL=0第十四頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日實用中應(yīng)注意:如果驅(qū)動的是感性負(fù)載,必須設(shè)置合理的關(guān)斷泄流回路,一方面可保護開關(guān)器件,另外也可起到消除對外電磁干擾的作用。第十五頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日二、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,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。繼電器勵磁線圈所需的勵磁電源有直流與交流兩種。

第十六頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日圖8-5交流繼電器的控制控制信號Ui=0直流繼電器KD1勵磁線圈無電流活動觸點KD1-1在常閉端交流繼電器KA1勵磁線圈無電流活動觸點KA1-1在常閉端無電壓輸出第十七頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日圖8-5交流繼電器的控制控制信號Ui=1直流繼電器KD1勵磁線圈有電流KD1-1閉合交流繼電器KA1勵磁線圈有電流KA1-1閉合有電壓輸出第十八頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日三、步進電動機驅(qū)動電路步進電動機簡稱步進電機,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)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。

第十九頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日舉例:反應(yīng)式步進電動機

極與極之間的夾角為60°,每個定子磁極上均勻分布了五個齒,齒槽距相等,齒距角為9°。轉(zhuǎn)子鐵心上無繞組,只有均勻分布的40個齒,齒槽距相等,齒距角為360°/40=9°。繞組定子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心(1)反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu)

單段式三相反應(yīng)式步進電動機的結(jié)構(gòu):定子鐵心上有六個均勻分布的磁極,沿直徑相對兩個極上的線圈串聯(lián),構(gòu)成一相勵磁繞組。第二十頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日(2)反應(yīng)式步進電動機的工作原理

按電磁吸引的原理工作的。必須抓住兩點:磁力線力圖走磁阻最小的路徑,從而產(chǎn)生反應(yīng)力矩各相定子齒之間彼此錯齒1/m齒距,m為相數(shù)

幾個概念的含義:“拍”——定子相繞組每改變一次通電狀態(tài),稱為“一拍”。“單”——指只有一相繞組通電?!半p”——指有兩相繞組同時通電。第二十一頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日步進電機工作原理第二十二頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日圖8-6步進電動機控制電路框圖脈沖分配電路亦稱環(huán)行分配器,用來對輸入的步進脈沖進行邏輯變換,產(chǎn)生給定工作方式所需的各相脈沖序列信號。功率放大電路對脈沖分配電路輸出的信號進行放大,產(chǎn)生使電動機旋轉(zhuǎn)所需的激磁電流。步進方向信號指定各相導(dǎo)通的先后次序,用以改變步進電機旋轉(zhuǎn)方向。第二十三頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日電源控制信號用來在必要時使各相電流為零,以達到降低功耗等的目的。

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。

功率放大電路的特性對步進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。

第二十四頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日(一)單電壓功率放大電路

圖8-7單電壓功率放大電路步進電機每相繞組的供電都是由功率開關(guān)電路來執(zhí)行的,三相步進電機應(yīng)有三個功率放大電路單元

第二十五頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日圖8-8繞組電流I

L的波形a)Ui頻率低時b)Ui頻率高時第二十六頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日同時增大外接電阻RC和電源電壓Ec,可使步進電機轉(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)動電路第二十七頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日(二)斬波穩(wěn)流式功率放大電路

圖8-9斬波穩(wěn)流式功率放大電路(I)控制信號Ui為高電平Ui=1U2U1UON=1Q=1UODG1=0截止Uq=1V1導(dǎo)通,IL上升U1<U2第二十八頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日(二)斬波穩(wěn)流式功率放大電路

圖8-9斬波穩(wěn)流式功率放大電路(I)控制信號Ui為高電平Ui=1U2U1UON=0Q=0UODG1=1導(dǎo)通Uq=0V1截止,IL下降U1>U2第二十九頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日(二)斬波穩(wěn)流式功率放大電路

圖8-9斬波穩(wěn)流式功率放大電路(II)控制信號Ui為低電平Ui=0U2U1UODG2=0V2截止,IL下降為0第三十頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日經(jīng)D觸發(fā)器引入Up信號的主要目的是給定超聲斬波頻率,以避免單純由R6上的電壓波動來控制V1通斷引入的不規(guī)則噪聲。第三十一頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日第二節(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,其邏輯功能可由用戶構(gòu)造或設(shè)置。使用PLD設(shè)計優(yōu)點靈活,研制周期縮短,空間尺寸減小,降低系統(tǒng)故障率。PLD從其出現(xiàn)至今,經(jīng)歷了由PROM、FPLA到PAL和GAL的發(fā)展過程。第三十二頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日圖8-10PLD電路單元圖形符號及其真值表

圖8-11通常與門和PLD與門的圖形符號圖8-12通常或門和PLD或門的圖形符號

第三十三頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日可編程陣列邏輯PAL(一)PAL器件結(jié)構(gòu)(二)PAL器件的類型(三)PAL器件的應(yīng)用實例第三十四頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日(一)PAL器件結(jié)構(gòu)圖8-13PAL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

第三十五頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日(二)PAL器件的類型主要分20引腳和24引腳兩大類,還有40(或44)和80(或84)引腳的宏P(guān)AL器件按電路能耗又可分為標(biāo)準(zhǔn)型、半功耗和1/4功耗型;按運行速度又可分為標(biāo)準(zhǔn)型、高速和超高速型;按可靠性又可分為軍用和民用等。第三十六頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日(三)PAL器件的應(yīng)用實例圖8-14二相四繞組步進電動機驅(qū)動原理圖第三十七頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日圖8-15環(huán)行分配器輸出信號4序邏輯第三十八頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日表8-1二相四繞組步進電機驅(qū)動步序步進步序10101010正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)

Q0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q31101010102100101103010101014011010011第三十九頁,共四十二頁,編輯于2023年,星期日表

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