1、第八章逻辑控制电路第八章逻辑控制电路w 二值可控元件驱动电路二值可控元件驱动电路w 可编程逻辑器件可编程逻辑器件 控制电路 w开环控制w闭环控制(一)开环控制测量电路测量电路 控制电路控制电路 扰动量扰动量传感器传感器放大放大电路电路输出输出变换变换电路电路设定设定电路电路执行执行机构机构给定给定机构机构被控被控对象对象图1-8 开环控制系统的基本组成 精度不高:一、对扰动的测量误差影响控制精度。一、对扰动的测量误差影响控制精度。二、扰动模型的不精确性影响控制精度。二、扰动模型的不精确性影响控制精度。（二）闭环控制 设定设定电路电路比较比较电路电路校正校正电路电路变换变换电路电路给定给定机构机
2、构执行执行机构机构被控被控对象对象输出输出传感器传感器扰动扰动放大放大电路电路控制电路控制电路图1-9 闭环控制系统的基本组成加校正电路 主要考虑从发现输出量发生变化到执行控制需主要考虑从发现输出量发生变化到执行控制需要一段时间，为了提高响应速度常引入微分环要一段时间，为了提高响应速度常引入微分环节。节。另外，当输出量在扰动影响下作周期变化时，另外，当输出量在扰动影响下作周期变化时，由于控制作用的滞后，可能产生振荡。为了防由于控制作用的滞后，可能产生振荡。为了防止振荡，需要引入适当的积分环节。在实际电止振荡，需要引入适当的积分环节。在实际电路中，往往比较电路的输出先经放大再送入校路中，往往比较
3、电路的输出先经放大再送入校正电路，视需要可能再次放大正电路，视需要可能再次放大 第一节第一节 二值可控元件驱动电路二值可控元件驱动电路 一、功率开关驱动电路一、功率开关驱动电路 二、继电器与电磁阀驱动电路二、继电器与电磁阀驱动电路 三、步进电动机驱动电路三、步进电动机驱动电路一、功率开关驱动电路一、功率开关驱动电路分类：分类：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。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
4、电阻性负载驱动电路和电感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。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 设计要点设计要点: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
5、保V导通时工作于导通时工作于 饱和区，以降低饱和区，以降低V的导通电阻及减小的导通电阻及减小功耗。功耗。（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 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。功率场效应晶体管功率场效应晶体管。功率场效应晶体管是电压控制器件，具有很高的输入阻抗，是电压控制器件，具有很高的输入阻抗，所需的驱动功率很小，对驱动电路要求所需的驱动功率很小，对驱动电路要求较低。功率场效应晶体管具有较高的开较低。功率场效应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启阈值电压，有较高的噪声容限和抗干扰能力
6、。扰能力。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)场效应管驱动电路 VS VD V Ui R IL ZL +Ec b)a)漏极 D 栅极 G VDS 源极S（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 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
7、管来构成。晶闸管有单向晶闸管和双闸管来构成。晶闸管有单向晶闸管和双向晶闸管两种类型。向晶闸管两种类型。图8-3a 单向晶闸管图形符号 阳极 A 门极 G 阴极 K 单向晶闸管亦称单向可控硅（SCR）一、导通条件一、导通条件二、关断条件二、关断条件 单向晶闸管的工作状况：单向晶闸管的工作状况：晶闸管导通条件：晶闸管导通条件：在阳极在阳极A与阴极与阴极K之间加正向电之间加正向电压，同时在门极压，同时在门极G与阴极与阴极K之间之间加正向电压（触发），这样阳加正向电压（触发），这样阳极极A与阴极与阴极K之间即进入导通状之间即进入导通状态。晶闸管一旦导通，只要阳态。晶闸管一旦导通，只要阳极极A与阴极与阴
8、极K之间的电流不小于之间的电流不小于其维持电流其维持电流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已经导通的晶闸管完全没有影响。响。阳极 A 门极 G 阴极 K 晶闸管关断条件：晶闸管关断条件：主电极阳极主电极阳极A与阴极与阴极K之间的电流小之间的电流小于其维持电流于其维持电流IH，晶闸管即进入关晶闸管即进入关断状态。断状态。电极 MT2 门极 G 电极 MT1 图8-3b 双向晶闸管图形符号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，双向晶闸管与单向晶闸
9、管相比较，双向晶闸管的主要区别是：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，只要绝对值触发电压不分极性，只要绝对值达到触发门限值即可使双向晶闸管达到触发门限值即可使双向晶闸管导通。导通。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 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
10、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。二、继电器与电磁阀驱动电路二、继电器与电磁阀驱动电路继电器广泛用于生产控制和电力系统中，继电器广泛用于生产控制和电力系统中，具有接触电阻小、流通电流大和耐压高具有接触电阻小、流通电流大和耐压高等优点，至今仍无法用无触点器件取代等优点，至今仍无法用无触点器件取代对继电器或接触器的驱动，实际上是对对继电器或接触器的驱动，实际上是对其励磁线圈电流通断的控制。继电器励其励磁线圈电流通断的控制。继电器励磁线圈所需的励磁电源有直流与交流两磁线圈所需的励磁电源有直流与交流两种。种。图图8-5交流继电器的控制交流继电器的控制 3-相/5
11、0Hz/380V A1 B1 C1 +5V KD1-1 KA1 Ui KA1-1 A2 B2 C2 VD KD1 R V 三、步进电动机驱动电路三、步进电动机驱动电路步进电动机简称步进电机，可在开环条步进电动机简称步进电机，可在开环条件下十分方便地将数字系统的脉冲数转件下十分方便地将数字系统的脉冲数转变成与其相对应的角位移或线位移，因变成与其相对应的角位移或线位移，因而是控制系统中常用的自动化执行元件。而是控制系统中常用的自动化执行元件。图图8-6步进电步进电动机控动机控制电路制电路框图框图 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
12、电动机脉冲分配电路亦称环行分配器，用来对输入的步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。相脉冲序列信号。功率放大电路对脉冲分配电路输出的信号进行放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。大，产生使电动机旋转所需的激磁电流。步进方向信号指定各相导通的先后次序，用以改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。变步进电机旋转方向。电源控制信号用来在必要时使各相电流为零，电源控制信号用来在必要时使各相电流为零，以达到降低功耗等的目的。以达到
13、降低功耗等的目的。脉冲分配电路可用数字电路组合、软件序列分配、专门单片集成元件、GAL器件等构成。功率放大电路的特性对步进电机的性能有极其明显的影响。功率放大电路有单电压、双电压、斩波稳流、步距细分等类型。（一）单电压功率放大电路（一）单电压功率放大电路 图图8-7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 步进电机每相绕组的供电都是由功率开关电路来执行的，三相步进电机应有三个功率放大电路单元 图图8-8绕组电流绕组电流I L的波形的波形a）Ui频率低时频率低时b）Ui频率高时频率高时 Ui IL a)Ui IL b)同时增大外接电阻RC和电源电
14、压Ec，可使步进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 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，增大系统故障的发生率。为此，发展了双电压、斩波稳流等驱动电路（二）斩波稳流式功率放大电路（二）斩波稳流式功率放大电路 图图8-9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 经经D触发器引入触发器引入Up信号的主要目的是给信号的主要目的是给定超声
15、斩波频率，以避免单纯由定超声斩波频率，以避免单纯由R6上的上的电压波动来控制电压波动来控制V1通断引入的不规则噪通断引入的不规则噪声。声。第二节可编程逻辑器件第二节可编程逻辑器件(PLD)PLD与定制器件的主要区别是可编程性，与定制器件的主要区别是可编程性，其逻辑功能可由用户构造或设置。其逻辑功能可由用户构造或设置。使用使用PLD设计优点设计优点 灵活，研制周期缩短，空间尺寸减小，灵活，研制周期缩短，空间尺寸减小，降低系统故障率。降低系统故障率。PLD从其出现至今，经历了由从其出现至今，经历了由PROM、FPLA到到PAL和和GAL的发展过程。的发展过程。图8-10PLD电路单元图形符号及其真
16、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 图8-11通常与门和PLD与门的图形符号 A B C A&B D&D C图8-12通常或门和PLD或门的图形符号 A B C A 1 B D 1 D C可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑PAL（一）（一）PAL器件结构器件结构（二）（二）PAL器件的类型器件的类型（三）（三）PAL器件的应用实例器件的应用实例（一）（一）PAL器件结构器件结构图图8-13PAL器件的基本逻辑结构器件的基本逻辑结构 输入&1 1 1 1 O
17、2 O1 O0 O3 输出 可编程的 “与”阵列 不可编程的 “或”阵列 I0I1I2I3（二）（二）PAL器件的类型器件的类型主要分主要分20引脚和引脚和24引脚两大类，还有引脚两大类，还有40（或（或44）和）和80（或（或84）引脚的宏）引脚的宏PAL器器件件 按电路能耗又可分为标准型、半功耗和按电路能耗又可分为标准型、半功耗和1/4功耗型；功耗型；按运行速度又可分为标准型、高速和超按运行速度又可分为标准型、高速和超高速型；高速型；按可靠性又可分为军用和民用等。按可靠性又可分为军用和民用等。（三）（三）PAL器件的应用实例器件的应用实例图8-14二相四绕组步进电动机驱动原理图 +E 步进
18、电动机 步进时钟 CK 环 功 选中信号 E1 行 Q0 率 A 选中信号 E2 分 Q1 驱 B 初态设置 S 配 Q2 动 C 转向控制 D 电 Q3 电 D 路 路 图8-15环行分配器输出信号4序逻辑 Q0 1,0 1,1 Q2 0,0 0,1 表8-1 二相四绕组步进电机驱动步序 步进步序10101010正 转反 转 Q0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q31101010102100101103010101014011010011表8-2步进电机状态功能选择 升沿0001步进电机反向旋转CKE1E2SD状态功能任意1任意任意任意保持电动机当前状态任意任意1任意任意保持电动机当前状态升沿001
19、任意设置输出为初状态升沿0000步进电机正向旋转图8-16电动机驱动步序卡诺图 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 已知某直流电磁阀的驱动电流为已知某直流电磁阀的驱动电流为6A，用用2mA的的标准标准TTL电平实施控制，试设计一合适的驱动电路。电平实施控制，试设计一合适的驱动电路。按照图组成电路：其中场效按照图组成电路：其中场效应晶体管应晶体管V1采用采用IRF640，耐压耐压200(V)，极限工作电流极限工作电流15(A)；泄流二极管泄流二极管VD需耐需耐压压200(V)，极限工作电流极限工作电流10(A)；
20、箝位二极管箝位二极管VS的箝的箝位电压为位电压为6.8(V)，极限工作极限工作电流电流100(mA)；电阻电阻R1为为510()，电源，电源Ec按照直流电按照直流电磁阀的要求取定。磁阀的要求取定。+EC VD ZL IL R1 VV1 UiVS 8-2 若图若图8-4中的负载中的负载ZL是电阻加热器，应在电是电阻加热器，应在电路中做何改动以便实现不同加热速度的给定？路中做何改动以便实现不同加热速度的给定？改动后的电路如图所示。改动后的电路如图所示。Ui为控制加热开始和停止的为控制加热开始和停止的电平信号。电平信号。Us则为则为5kHz的矩形波。通过改变的矩形波。通过改变Us的占的占空比，可控制
21、空比，可控制V1的导通角，从而实现不同加热速度的的导通角，从而实现不同加热速度的给定。给定。EZL ILP1R5R1VDR2R3 ue b2 A V14N25R6SCR1VSb1 V2C1R4Ui K4N25P2USR78-3 图图8-9的电路应如何改动，才能使图的电路应如何改动，才能使图8-6中中的电源控制信号发挥作用？的电源控制信号发挥作用？改动后的电路如图所示。增加正与门改动后的电路如图所示。增加正与门D5，Us为实现电为实现电源控制的电平信号。当源控制的电平信号。当Us为高电平时，为高电平时，D5的输出由步的输出由步进脉冲信号进脉冲信号Ui控制；当控制；当Us为低电平时，为低电平时，D
22、5的输出为低的输出为低电平，强制电平，强制V1与与V截止，步进电动机各绕组电流为零截止，步进电动机各绕组电流为零 +5V +80V 光耦合器 R4 D1 R3 Up D Q Uq VD3 C1 V1 R VD1 R1 N D3 UR&+12V L IL R2 N R5 RL Ui&D5 1 D4 V2 Us VD2 GND R6 VD4 图 X8-3 8-4 试设计一完整的三相步进电动机驱动电路。试设计一完整的三相步进电动机驱动电路。采用采用3个题个题8-3图所示的电路单元，并配置相应图所示的电路单元，并配置相应的环行分配器电路，即可实现对三相步进电动的环行分配器电路，即可实现对三相步进电动机的驱动。基本电路如图所示，其中机的驱动。基本电路如图所示，其中Up为斩波为斩波信号，信号，Ui为步进脉冲信号，为步进脉冲信号，Ud为旋转方向控制为旋转方向控制信号，信号，Us为电源控制信号。为电源控制信号。Up 50kHz 振荡器 +A 功率驱动电路 A A Ui 光耦合器 环行 +B Ud 光耦合器 分配器 功率驱动电路 B B 电动机 Us 光耦合器 +C 功率驱动电路 C C AC-DC 电源 图 X8-4
