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　　機(jī)電接口電路設(shè)計(jì)禁忌1．在機(jī)電接口設(shè)計(jì)中，絕不可小看工業(yè)現(xiàn)場強(qiáng)電信號對系統(tǒng)的干擾，處理不當(dāng)將無法工作各種工業(yè)過程的測量和控制系統(tǒng)中，干擾是一個(gè)不容忽視的因素，必須認(rèn)真對待。信號隔離則是抵抗外界干擾的一個(gè)必要而有效的手段，它可　　以實(shí)現(xiàn)以下兩個(gè)功能：隔斷外界的共模電壓和隔斷從外界竄進(jìn)來的電磁干擾。
　　一般的機(jī)電系統(tǒng)既包括弱電控制部分，又包括強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)部分。其弱電工作環(huán)境中常常包含有強(qiáng)電或強(qiáng)電磁干擾等。為了防止電網(wǎng)電壓等對測量回路的損壞，避免電磁等于擾造成系統(tǒng)不正常運(yùn)行，需要隔絕電氣方面的聯(lián)系，即實(shí)行弱電和強(qiáng)電隔離，同時(shí)又要保證系統(tǒng)內(nèi)部控制信號的聯(lián)系，使系統(tǒng)工作穩(wěn)定，保證設(shè)備與操作人員的安全。
　　微機(jī)測控系統(tǒng)輸出的開關(guān)信號一般不能直接驅(qū)動(dòng)外設(shè)，需要經(jīng)接口轉(zhuǎn)換后才能用于驅(qū)動(dòng)設(shè)備開啟或關(guān)閉；許多外設(shè)諸如大功率的交流接觸器、電磁鐵、電動(dòng)機(jī)等在開關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾信號，如不加以隔離將可能會(huì)竄人測控系統(tǒng)中造成系統(tǒng)誤動(dòng)作或損壞。
　　在生物醫(yī)療儀器上，為防止漏電、高電壓等對人體的意外傷害，也常采用隔離放大技術(shù)，以確�；颊甙踩�。此外，在許多其他場合也常需要采用隔離放大技術(shù)。
　　信號隔離的目的在于從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，使測控裝置與現(xiàn)場僅保持信號聯(lián)系，而不直接發(fā)生電的聯(lián)系。隔離的實(shí)質(zhì)是把引進(jìn)干擾的通道切斷，從而達(dá)到隔離現(xiàn)場干擾的目的。測控裝置與現(xiàn)場信號之間、弱電和強(qiáng)電之間常用的隔離方式有光電隔離、繼電器隔離、變壓器隔離、隔離放大器等。另外在布線上也應(yīng)該注意隔離。
　　工業(yè)現(xiàn)場與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)之間傳輸?shù)男盘柨梢苑譃閮深悾耗�擬量和數(shù)字量。兩種信號的隔離方法有所不同。數(shù)字信號包括儀器儀表的BCD碼、開關(guān)狀態(tài)的閉合與斷開、指示燈的亮與滅、繼電器或接觸器的吸合與釋放、電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與停止、閥門的打開與關(guān)閉等，數(shù)字信號的隔離可以采用光電隔離、繼電器隔離等方法。在許多機(jī)電系統(tǒng)中，需要測量和控制的參數(shù)往往是連續(xù)變化的模擬信號，如溫度、壓力、流量和位移等，對于模擬信號的隔離常采用隔離放大器。為完成地線隔離，將放大器加上靜電和電磁屏蔽浮置起來，這種放大器叫隔離放大器，或叫隔離器，其輸入和輸出電路與電源沒有直接的電路耦合關(guān)系。在以下場合，需使用隔離放大器：①測量處于高共模電壓下的低電平信號；②需消除由于對信號源地網(wǎng)絡(luò)的干擾(加大電流的跳變)所引起的測量誤差；③避免構(gòu)成地回路及其寄生拾取問題(不需要對偏流提供返回通路)；④保護(hù)應(yīng)用系統(tǒng)電路不致因輸入端或輸出端大的共模電壓造成損壞。
　　在機(jī)電系統(tǒng)中，被控對象往往是功率較大的驅(qū)動(dòng)元件或設(shè)備，如閥門、電動(dòng)機(jī)等，這樣就要用到功率驅(qū)動(dòng)接口電路。在機(jī)電系統(tǒng)中，應(yīng)用較多的有半導(dǎo)體功率開關(guān)元件和線性功率兀件；半導(dǎo)體功率開關(guān)元件一般是晶閘管，線性功率元件通常是功率晶體管、功率場效應(yīng)晶體管和功率模塊。其功率場效應(yīng)晶體管的驅(qū)動(dòng)方式通常有：①TTL驅(qū)動(dòng)：由于功率場效應(yīng)晶體管絕大多數(shù)是由VMOS或TMOS工藝制成，它們的控制極是一個(gè)浮柵極，故而它們是由電位控制而不是由電流控制的。這樣，小功率的TTL集成電路也足以驅(qū)動(dòng)大功率的場效應(yīng)晶體管。功率場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)通門檻電壓一般為2～4v，所以在驅(qū)動(dòng)電路中不采用一般的TTL集成電路，而采用集電極開路的TTL集成電路。在集電極開路的TTL集成電路驅(qū)動(dòng)電路中，為了提高輸出驅(qū)動(dòng)電平的幅值，可以通過一個(gè)上拉電阻接到+5v電源。不過，為了保證能有足夠高的電平驅(qū)動(dòng)功率場效應(yīng)晶體管導(dǎo)通，也為了保證它能迅速截止，實(shí)際上是把上拉電阻接到10～15V電源上。~c~aos驅(qū)動(dòng)：用CMOS集成電路直接驅(qū)動(dòng)功率場效應(yīng)晶體管有一個(gè)最明顯的優(yōu)點(diǎn)，那就是可以采用10～15V的電壓源，這就使得CMOS集成電路起碼有IOV的輸出高電平，從而可以驅(qū)動(dòng)功率場效應(yīng)晶體管在導(dǎo)通時(shí)處于充分導(dǎo)通狀態(tài)。因?yàn)楣β蕡鲂��?yīng)晶體管的門檻電壓****為4V左右，只要柵極的輸入信號高于這個(gè)門檻電壓．　　功率場效應(yīng)晶體管就會(huì)處于良好的導(dǎo)通狀態(tài)。用cMOS集成電路直接驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)晶體管時(shí)無需附加電路和上拉電阻，所以驅(qū)動(dòng)電路比較簡單。③隔離式驅(qū)動(dòng)：隔離式驅(qū)動(dòng)就是驅(qū)動(dòng)電路與功率場效應(yīng)晶體管的電源系統(tǒng)采用兩個(gè)完全無公共點(diǎn)的電源系統(tǒng)，這樣可以消除電氣干擾。這種驅(qū)動(dòng)方式在一些特殊場合特別有用。常用的信號隔離的方法有：
　　(1)光耦合器隔離光耦合器可根據(jù)要求不同，由不同種類的發(fā)光元件和受光元件組合成許多系列。根據(jù)受光元件的不同可分為晶體管輸出型和晶閘管輸出型兩類，但從隔離方法的角度來看都是一樣的，即都是通過“電一光一電”這種轉(zhuǎn)換，利用“光”這一環(huán)節(jié)來完或隔離功能。
　　1)晶體管輸出型光耦合器，其受光元件是光敏晶體管。除了沒有使用基極外，光敏晶體管與普通晶體管一樣，光作為晶體管的輸入取代了基極電流。當(dāng)光耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光時(shí)，光敏晶體管受光的影響就會(huì)有電流流過，該電流基本上受光的照度控制。由于光耦合器是電流輸出型器件，不受輸出端工作電壓的影響，因此可以用于不同電平之間的轉(zhuǎn)換。光耦合器也常用于較遠(yuǎn)距離的信號隔離傳送。一方面光耦合器可以起到隔離兩個(gè)系統(tǒng)地線的作用，使兩個(gè)系統(tǒng)的電源相互獨(dú)立，消除因地電位不同所產(chǎn)生的影響；另一方面，光耦合器的發(fā)光二極管是電流驅(qū)動(dòng)器件，可以形成電流環(huán)路的傳送形式。由于電流環(huán)電路是低阻抗電路．它對噪聲的敏感度低，因此提高了通信系統(tǒng)的抗干擾能力，常用于有噪聲干擾的環(huán)境下傳輸信號。光敏晶體管的集電極電流，。與發(fā)光二極管的電流，。之比稱為光耦合器的電流傳輸比cDR。不同結(jié)構(gòu)的光耦合器電流傳輸比相差很大，如輸出端是單個(gè)晶體管的光耦合器4N20的電流傳輸比≥20％，輸出端使用達(dá)林頓管的光耦合器4N33的電流傳輸比≥500％。
　　電流傳輸比與發(fā)光二極管的工作電流有關(guān)。當(dāng)電流為10～20mA時(shí)，電流傳輸比****；當(dāng)電流小于10mA或大于30mA時(shí)傳輸比都將下降。溫度升高，傳輸比也會(huì)下降，因此在使用時(shí)要留一些裕量。光耦合器在傳輸脈沖信號時(shí)，輸入信號和輸出信號之間有一定的延遲時(shí)間，，不同結(jié)構(gòu)的光耦合器的輸入輸出延遲時(shí)間相差很大。例如4N20的導(dǎo)通延遲時(shí)間是2．8¨s，關(guān)斷延遲時(shí)間是4．51．zs；4N33的導(dǎo)通延遲時(shí)間是O．O6μs，關(guān)斷延遲時(shí)間是4.5μ。；使用時(shí)要加以考慮。
　　晶體管輸出型光耦合器可作為開關(guān)使用，這時(shí)發(fā)光二極管和光敏晶體管平常都處于關(guān)斷狀態(tài)。在發(fā)光二極管中通過電流脈沖時(shí)，光敏晶體管在電流脈沖持續(xù)的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通。
　　在機(jī)電系統(tǒng)中，由于被控對象往往處在較強(qiáng)的噪聲環(huán)境中，因此，為確保系統(tǒng)可靠地工．需要切斷計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的公共地線，以防止外部的干擾信號及地線環(huán)路中產(chǎn)生的噪聲電信號通過公共地線進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。通常，A／D轉(zhuǎn)換器和D／A轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)間可以采用下列兩種隔離方式來切斷電氣聯(lián)系：
　�、賹�A／D和D／A進(jìn)行模擬隔離。對A／D和D／A的模擬信號進(jìn)行隔離，通常采用隔離放大器對模擬量進(jìn)行隔離，但所使用的隔離放大器必須滿足A／D和D／A轉(zhuǎn)換的精度和線性度要求。例如，對12位A／D和D／A進(jìn)行隔離，其隔離放大器要達(dá)到13位，甚至14位的精度不能小于12位精度；如此高精度的隔離放大器，價(jià)格十分昂貴。
　�、谠贗／o與A／D和D／A之間進(jìn)行隔離，這種方法通常稱為數(shù)字隔離。具體做法是用若干鎖存器對地址信號、控制信號、數(shù)據(jù)信號進(jìn)行鎖存，然后用這些信號對A／D和D／A芯進(jìn)行操作，完成多路開關(guān)的選通、A／D和D／A的轉(zhuǎn)換。在A／D轉(zhuǎn)換時(shí)，先將模擬量變成數(shù)字量，將數(shù)字量通過光電隔離后再送入計(jì)算機(jī)；在D／A轉(zhuǎn)換時(shí)，先對數(shù)字量進(jìn)行隔離然壓．

　　后再進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換。這種方法可靠、方便、經(jīng)濟(jì)，不影響A／D和D／A轉(zhuǎn)換的精度和線性度；主要缺點(diǎn)是速度太慢，如采用普通的廉價(jià)光電隔離器件，****轉(zhuǎn)換的速率為3000～5000點(diǎn)／s。但這對于一般工業(yè)控制對象(如溫度、壓力、流量等)還是可以滿足要求的。利用光耦合器實(shí)現(xiàn)輸出端的通道隔離時(shí)，還需注意：被隔離的通道兩側(cè)必須單獨(dú)使用各自的電源，即用于驅(qū)動(dòng)發(fā)光管的電源與驅(qū)動(dòng)光敏晶體管的電源不應(yīng)是共地的電源，對于隔離后的輸出通道必須單獨(dú)供電，否則，如果使用同一電源，外部干擾信號可能通過電源竄人系統(tǒng)中來，如圖5-72所示，

這樣就失去了隔離的意義。
　　晶閘管輸出型光耦合器的輸出端是光敏晶閘管或光敏雙向晶閘管。當(dāng)光耦合器的輸入端有一定的電流流人時(shí)，晶閘管導(dǎo)通。有的光耦合器的輸出端還配有過零檢測電路，如MOC3061，用于控制晶閘管過零觸發(fā)，以減少用電器在接通電源時(shí)對電網(wǎng)的影響。
　　2)繼電器隔離。繼電器方式的開關(guān)量輸出是目前最常用的一種輸出方式，在驅(qū)動(dòng)大型設(shè)備時(shí)，常常利用繼電器作為測控系統(tǒng)到輸出驅(qū)動(dòng)級之間的第一級執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過第一級繼電器輸出，可完成從低壓直流到高壓交流的過渡。繼電器輸出也可用于低壓場合，與晶體管等低壓輸出驅(qū)動(dòng)器相比，繼電器輸出時(shí)輸入端與輸出端有一定的隔離功能，但由于采用電磁吸合方式，在開關(guān)瞬聞，觸點(diǎn)容易產(chǎn)生火花從而引起干擾；在交流高壓等場合使用，觸點(diǎn)也容易氧化；由于繼電器的驅(qū)動(dòng)線圈有一定的電感，在關(guān)斷瞬間可能會(huì)產(chǎn)生較大的電壓，因此在繼電器的驅(qū)動(dòng)電路上常常反接一個(gè)保護(hù)二極管用于反向放電。不同的繼電器，允許的驅(qū)動(dòng)電流也不一樣，在電路設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)加一限流電阻；在某些需較大驅(qū)動(dòng)電流的場合，則可在光電隔離器與繼電器之間再接一級晶體管以增加驅(qū)動(dòng)電流。
　　3)固態(tài)繼電器隔離。固態(tài)繼電器，簡稱SSR，是近年發(fā)展起來的一種新型電子繼電器．它利用電子元件(如開關(guān)晶體管、雙向晶閘管等半導(dǎo)體器件)的開關(guān)特性，可實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)無火花地接通和斷開電路，具有輸入控制電流小、無機(jī)械噪聲、無抖動(dòng)和回跳、開關(guān)速度快、體積小、質(zhì)量輕、壽命長、工作可靠等特點(diǎn)，并且耐沖擊、抗潮濕、抗腐蝕，因此在微機(jī)測控等領(lǐng)域中已逐漸取代傳統(tǒng)的電磁式繼電器和磁力開關(guān)作為開關(guān)量輸出控制元件。固態(tài)繼電器按使用場合可以分為交流型(AC-ssR)和直流型(DC．SsR)兩類，它們分別在交流或直流電源上做負(fù)載的開關(guān)，不能混用。交流型按觸發(fā)形式又可分為過零觸發(fā)型固態(tài)繼電器和隨機(jī)導(dǎo)通型固態(tài)繼電器。當(dāng)控制信號輸入后，過零觸發(fā)型總在交流電源為零電壓附近導(dǎo)通，產(chǎn)生的干擾小，一般用于計(jì)算機(jī)I／O接日等場合，如圖5-73所示；

隨機(jī)導(dǎo)通型則是在交流電源的任意狀態(tài)下導(dǎo)通或關(guān)閉，在導(dǎo)通瞬間可能產(chǎn)生較大的干擾。直流型的SSR與交流型的SSR相比，無過零控制電路，也不必設(shè)置吸收回路，開關(guān)器件一般用大功率開關(guān)晶體管，其他工作原理相同　　使用固態(tài)繼電路應(yīng)切記：①禁忌將負(fù)載兩端短路，以避免造成****性損壞；②如果外部運(yùn)行環(huán)境溫度高，選用的固態(tài)繼電器必須留有較大的功率余量；③當(dāng)用固態(tài)繼電器控制感性負(fù)載時(shí)，應(yīng)接上氧化鋅壓敏電阻做保護(hù)；④固態(tài)繼電器內(nèi)部一般有5～10mA的漏電流，因此不宣用它直接控制功率很小的負(fù)載。
　　(2)電磁隔離放大器  目前，在信號處理中應(yīng)用****泛的隔離放大器是變壓器耦合的線性隔離放大器，如Anolog Devices公司的AD277J、A13202、AD204、AD289、D290、AD210、AD28l等。AD202／AD204是低成本電磁隔離放大器系列中的一個(gè)品種，其功能框圖如圖5-74所示。AD202／AD204的區(qū)別在于AD202只由+15V直流電壓供電，而AD204則是通過外部提供時(shí)鐘(AD246)供電。從圖中可看出，該芯片由放大器、調(diào)制器、解調(diào)器、整流和濾波電路、電源變換器等組成。工作時(shí)，十15V電源連到電源輸入引腳31，使片內(nèi)(AD202)振蕩器工作，從而產(chǎn)生頻率為25kHz的載波信號，通過變壓器耦合，經(jīng)整流和濾波，在隔離輸出部分形成電流為2mA的±7．5V隔離電壓。該電壓除作為片內(nèi)電源外，還可作為外圍電路(如傳感器、浮地信號調(diào)節(jié)、前置放大器)的電源。AD204電源從引腳33由輸入時(shí)鐘提供。在輸入電路中，片內(nèi)獨(dú)立放大器能夠作為AD202／A13204輸入信號的緩沖級或放大級。放大后的信號經(jīng)調(diào)制器調(diào)制后能變換成載波信號，經(jīng)變壓器送人同步解調(diào)器，以致在輸出端重現(xiàn)輸入信號。由于解調(diào)信號要經(jīng)過三階濾波器濾波，從而使得輸出信號中的噪聲和波紋達(dá)到最小，為后級應(yīng)用電路提供良好的激勵(lì)源。為了能充分發(fā)揮該芯片的固有性能，使甩中有兩點(diǎn)注意：
　　1)實(shí)際應(yīng)用中，輸入電路的信號可以是電壓型也可是電流型的，前者能組成單位增益緩沖器和增益G>1的前置放大器；后者能組成單路或多路電流加法放大器。
　　2)要調(diào)節(jié)增益和零點(diǎn)時(shí)，可采用同相放大的輸入調(diào)節(jié)電路，如圖5_75a所示。該電路中的調(diào)節(jié)元件主要由所選輸入電路的結(jié)構(gòu)決定，而與電路調(diào)節(jié)所處的位置(輸入或輸出)無關(guān)。通常零點(diǎn)調(diào)節(jié)放在輸入端，而且調(diào)節(jié)次序是先調(diào)零點(diǎn)，后調(diào)增益，禁忌顛倒。
　　為了使共模抑制比的影響達(dá)到最小值，在信號源的低端必須串聯(lián)一個(gè)幾百歐的電阻。增益調(diào)節(jié)位于輸入調(diào)節(jié)電路的上端，反饋電阻RF=50kΩ，此時(shí)增益應(yīng)為10或更大。而在增益較低時(shí)調(diào)節(jié)功能稍差。當(dāng)G=2時(shí)調(diào)節(jié)功能差一半；當(dāng)G=l(跟隨器)時(shí)，增益不可能再向下調(diào)節(jié)，這是該電路的不足之處。
　　為了克服上述缺點(diǎn)，可采用圖5—75b的反相放大輸入調(diào)節(jié)電路。該電路能在公共點(diǎn)上把失調(diào)電壓調(diào)節(jié)為零，并且具有較好的電流注入性能，從而減小對后級增益調(diào)節(jié)的影響。因此，當(dāng)增益從l～100變化時(shí)，該電路均能正常工作　

 (3)線性光電隔離放大器  線性光隔離放大器利用發(fā)光二極管的光反向送回輸入端，正向送至輸出端，從而提高了放大器的精度和線性度。放大器的輸入端和輸出端是用光隔離的，所以不存在電氣連接。常見的線性光隔離放大器有Burr-Bro。。公司的IS0100、3650和3652~3650/52是光耦合集成隔離放大器，與以前采用變壓器耦合調(diào)制解調(diào)技術(shù)的隔離放大器相比，它具有體積小、價(jià)格低、頻帶寬、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。它采用了直流模擬調(diào)制技術(shù)代替載波技術(shù)，從根本上消除了以前的調(diào)制隔離放大器存在的電磁干擾問題，同時(shí)克服了簡單LED和光敏二極管構(gòu)成的隔離器隨時(shí)間和溫度的變化而存在非線性和不穩(wěn)定性的缺點(diǎn)。目前，3650／52光耦線性隔離放大器以其明顯的優(yōu)越性廣泛用于工業(yè)過程控制，如傳感器隔離、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備(病情監(jiān)測)、精密測試儀器、數(shù)據(jù)獲取等領(lǐng)域。圖5-76給出了3650／52的等效電路。

2個(gè)經(jīng)過嚴(yán)格匹配的光敏二極管，一個(gè)(CR3)在輸入端，另一個(gè)(CR2)在輸出端，它們能****限度地減少非線性及時(shí)間溫度不穩(wěn)定性。放大器K，、發(fā)光二極管CRl和光敏二極管CR3構(gòu)成負(fù)反饋電路，uIN=，INRG(R。是用戶提供的增益調(diào)諧電阻)。由于CR2和CR3嚴(yán)格匹配，而且它們從cRl接收到等量光，因此，I2=I1=N。放大器K2被連接成電流一電壓轉(zhuǎn)換器，可以看出，這種經(jīng)過改進(jìn)的隔離電路克服了簡單的LED和光敏二極管組合的某些缺點(diǎn)，因?yàn)閮蓚�(gè)光敏二極管完全匹配，傳輸函數(shù)實(shí)際上與LED輸出性能無關(guān)，線性度只是匹配精度的函數(shù)，它可通過在輸入端引入負(fù)反饋而得到進(jìn)一步的提高，應(yīng)用先進(jìn)的激光微調(diào)技術(shù)可進(jìn)一步補(bǔ)償殘余的匹配誤差，使線路的線性度更佳。    一一3652的隔離和輸出電路與3650完全相同。只是3652的輸入部分增加了FET緩沖放大器和輸入保護(hù)電阻，因而能獲得更高的差模和共模輸入阻抗(10·Ω)、很低的偏置電流(50PA)及過壓保護(hù)。輸入端+IR和一IR比+I和一I能提供更高的差分電壓和共模電壓輸人。為了獲得優(yōu)良的隔離特性，在制板過程中外部元件要對稱布局，以提高共模抑制比,輸　　入：3650隔離放大。兩個(gè)3650為電動(dòng)機(jī)接地點(diǎn)和控制系統(tǒng)接地點(diǎn)提供了良好的隔離，隔離電源為B—B公司的Dc／Dc隔離轉(zhuǎn)換器772。圖5—78給出了3652在病人病情監(jiān)測器中的應(yīng)用。

由于3652是真正的平衡輸入放大器，具有極高的差模和共模阻抗，因此能****程度地抑制非平衡阻抗引起的共模噪聲。
　　總之，在機(jī)電接口設(shè)計(jì)中，為了抑制過程通道的干擾，必須對信號進(jìn)行隔離。常用的隔離方式有光電隔離、繼電器隔離、固態(tài)繼電器隔離、隔離放大器等。另外，在布線上也應(yīng)該注意隔離。光隔離器將輸入輸出端的信號通過光聯(lián)系起來，從而切斷了電的聯(lián)系。根據(jù)受光元件的不同可分為晶體管輸出型和晶閘管輸出型兩種。繼電器方式的開關(guān)量輸出，是目前量常用的一種輸出方式，在驅(qū)動(dòng)大型設(shè)備時(shí)，常常利用繼電器作為測控系統(tǒng)到輸出驅(qū)動(dòng)級之問的第一級執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過第一級繼電器輸出，可完成從低壓直流到高壓交流的過渡。固態(tài)繼電器根據(jù)使用場合可以分為交流型和直流型兩類，它們分別在直流或交流電源上做負(fù)載的開關(guān)，按觸發(fā)形式可分為過零觸發(fā)型固態(tài)繼電器和隨機(jī)導(dǎo)通型固態(tài)繼電器。隔離放大器可以防止共模噪聲竄人系統(tǒng)，常用的隔離放大器中采用的耦合方式主要有變壓器耦合和光耦合。
　　2．控制量輸出通道的功率接口電路設(shè)計(jì)離不開對現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的研究

      現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展有著直接、密切的關(guān)系，電子技術(shù)、電子　　器件的新成就，極大地推動(dòng)了電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展。小功率直流電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)控制都是采用晶體管放大器來實(shí)現(xiàn)的。晶體管放大器可以分為線性放大器和開關(guān)放大器兩種類型，線性放大器幾乎都采用晶體管，而開關(guān)放大器可采用晶體管，也可采用晶闡管等。線性放大器的優(yōu)點(diǎn)是，在運(yùn)行范圍內(nèi)有比較好的線性控制特性，沒有明顯的控制滯后現(xiàn)象，控制速度范圍寬，對附近的電路干擾小。但是線性放大器工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，效率和散熱問題嚴(yán)重，其****效率不超過50％，必須采用大的功率器件，加大散熱面積，采用強(qiáng)追風(fēng)冷等措施，這樣就限制了其使用范圍。開關(guān)式放大器中，輸出級的功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，即不是飽和導(dǎo)通狀態(tài)就是截止?fàn)顟B(tài)。截止?fàn)顟B(tài)的器件不消耗能量，而飽和導(dǎo)通的功率器件上的壓降又很小，這樣功率輸出級的損耗就很小，整體的效率就高�？刂屏枯敵鐾ǖ拦β式涌陔娐分饕�有：
　　(1)功率放大電路常用的有：①全部采用NPN晶體管構(gòu)成的H橋電路，通過給4個(gè)晶體管的基極施加開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號，使全部晶體管工作在飽和區(qū)內(nèi)；另外為了不使上下橋臂的晶體管同時(shí)導(dǎo)通而發(fā)生短路，應(yīng)在基極驅(qū)動(dòng)信號的時(shí)序上采取一些措施；②采用NPN和PNP型晶體管射極跟隨器構(gòu)成的H橋電路，采用PNP和NPN兩種不同導(dǎo)通類型的晶體管，各個(gè)晶體管的發(fā)射極作為驅(qū)動(dòng)電路的輸出端；這樣的優(yōu)點(diǎn)是可把橋上的晶體管基極相連接，施加一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號即可，電路比較簡單；另外這種電路的上下橋臂不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，即不會(huì)發(fā)生短路事故；③采用PNP和NPN型晶體管集電極跟隨器構(gòu)成的H橋電路，在PNP和NPN型晶體管的集電極上接負(fù)載，構(gòu)成電壓跟隨器。該電路中4個(gè)晶體管基極電流的驅(qū)動(dòng)方向是不同的，另外應(yīng)使上下橋臂不能同時(shí)導(dǎo)通。
　　(2)正反轉(zhuǎn)控制基本電路利用以上驅(qū)動(dòng)電路可方便地實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，但在使用驅(qū)動(dòng)電路過程中，可能錯(cuò)接電源端子或輸出端子，也可能在使用H橋電路驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)信號的時(shí)序錯(cuò)誤而發(fā)生短路制動(dòng)，為此，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)候必須考慮短路或過電流等情況，采取電流截止負(fù)反饋限流和安裝過電流保護(hù)等措施。
　　(3)智能功率集成電路機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展始終與電子技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，從20世紀(jì)80年代中期以來，國際上在電子技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)了一種全新的功率集成電路——智能功率集成電路(也稱智能功率模塊)。所謂智能功率集成電路指的是該電路至少把邏輯控制電路和功率半導(dǎo)體管集成在同一芯片上，通常是指輸出功率大于1w的集成電路。在這個(gè)電路上還包括過電流、過電壓、超溫和欠電壓等保護(hù)電路，有的還將電路內(nèi)部狀態(tài)作為一個(gè)診斷信號輸出。在這個(gè)定義下，智能功率集成電路包括了汽車設(shè)備、工廠自動(dòng)化設(shè)備、辦公自動(dòng)化設(shè)備和消費(fèi)類電子設(shè)備所使用的電動(dòng)機(jī)控制器、平板顯示驅(qū)動(dòng)器以及高壓多路調(diào)制解調(diào)器等。智能功率集成電路的出現(xiàn)，打破了以往微電子與電力電子技術(shù)長期分割的局面，實(shí)現(xiàn)了人們多年的愿望。智能功率集成電路可使電力電子裝置縮小體積，減輕質(zhì)量，而且更適合大規(guī)模生產(chǎn)，從而使成本降低。功率集成電路是強(qiáng)電與弱電連接的橋梁，是機(jī)與電統(tǒng)一起來實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的重要手段，目前的功率水平可達(dá)數(shù)十安／1200~’以上，所采用的功率器件有雙極型器件(如晶體管和晶閹管)、單極型器件(如場效應(yīng)晶體管)或復(fù)合器件(如BI．MOS)，控制電路大部分采用MOs技術(shù)。智能功率集成電路實(shí)現(xiàn)了集成電路功率化、功率器件集成化和智能化，使功率與信息控制統(tǒng)一在一個(gè)器件內(nèi)，成為機(jī)電一體化系統(tǒng)中弱電與強(qiáng)電的接口。它不但具有一定功率輸出能力，而且具有邏輯、控制、傳感、檢測、保護(hù)和自診斷等功能，從而將智能賦予功率器件，通過智能作用對功率器件狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。例如，負(fù)載　　開路、過電流、輸出短路、電源短路、電源欠電壓、過電壓、過熱等不正常故障出現(xiàn)時(shí)，電路即做出保護(hù)，并輸出故障診斷信號。大多數(shù)功率集成電路的輸入都與TTL或cMOS電平兼容，可以直接由微處理器控制，狀態(tài)信息也可反饋至微處理器。智能功率集成電路的使用給電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)帶來極大方便，簡化開發(fā)和調(diào)整工作，縮小體積，減輕質(zhì)量，提高可靠性和抗干擾能力，改善性能，而且也節(jié)約成本。它具有小型、多功能、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，適合于交流220V電網(wǎng)的應(yīng)用。
　　(4)遠(yuǎn)距離傳送電流環(huán)  電流環(huán)路是一種低阻電路，它可以減少噪聲干擾，允許在較長距離傳送數(shù)據(jù)，常用于噪聲干擾較嚴(yán)重的環(huán)境。由于采用了光隔離器，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同系統(tǒng)間的接地隔離，可用在距離為900m(3()00fl[)以50Icbps速率發(fā)送數(shù)據(jù)的場合。傳送距離受環(huán)路導(dǎo)線電阻的限制，在此電路中環(huán)路電阻禁忌大于30n。凡要求系統(tǒng)或電路間電源隔離的場合均可以使用光隔離器，從而使兩部分的地線和電源都不共用，達(dá)到系統(tǒng)間的全隔離。
　　(5)指示器驅(qū)動(dòng)為了顯示運(yùn)行過程的狀態(tài)，以引起操作者的注意并采取必要的操作，可以用信號直接驅(qū)動(dòng)一些通用指示器，如LED燈(發(fā)光二極管)、LED七段數(shù)字顯示器或白熾燈等。驅(qū)動(dòng)器可直接使用TTL器件或s型1vrL器件。但不能使用Ls型器件，也不能使用NMOs大規(guī)模集成電路，因?yàn)樗鼈儾痪邆渲苯域?qū)動(dòng)LED燈的能力。即使是TTL器件也只能驅(qū)動(dòng)單個(gè)LED燈，不可再接其他負(fù)載或器件，因?yàn)長ED燈會(huì)把TTL的輸出嵌位在一個(gè)對其他電路無效的邏輯電平，使電路不能正常工作。一般情況，應(yīng)使用驅(qū)動(dòng)器做驅(qū)動(dòng)LED燈的緩沖器。
　　(6)繼電器驅(qū)動(dòng)在控制較高電源電壓或電流時(shí)，需要使用繼電器或電磁開關(guān)，因?yàn)門TL器件的負(fù)載能力不可能直接驅(qū)動(dòng)繼電器。除此以外，為了防止繼電器或電磁開關(guān)繞組反電動(dòng)勢對驅(qū)動(dòng)電路的沖擊，還需要采取專門的保護(hù)措施。TExAs公司生產(chǎn)的雙驅(qū)動(dòng)器SN75475可用來控制繼電器或電磁開關(guān)。它可以在電壓為100V時(shí)提供300mA的驅(qū)動(dòng)電流，可用TTL器件驅(qū)動(dòng)。為了防止繞組(電感負(fù)載)瞬態(tài)反電動(dòng)勢的沖擊，電路接有輸出嵌位二極管。
　　(7)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在機(jī)電控制領(lǐng)域使用得相當(dāng)多，靠開環(huán)控制做精密定位。在計(jì)算機(jī)外部設(shè)備中得到了普遍應(yīng)用，繪圖機(jī)、磁盤機(jī)、打印機(jī)等多采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制。在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域機(jī)電一體化設(shè)備上也大量使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，例如，各種數(shù)控設(shè)備(機(jī)床、切割機(jī)、機(jī)器人關(guān)節(jié)控制等)。
　　步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要特性為：電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度與輸入脈沖個(gè)數(shù)成比例，角度誤差小，不會(huì)有累積誤差，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可用改變輸入脈沖頻率的高低來控制；電動(dòng)機(jī)的起、停，加、減速，正、反轉(zhuǎn)反應(yīng)快，易控制；由于對電動(dòng)機(jī)作開環(huán)控制，與閉環(huán)反饋控制相比，節(jié)省成本；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，使用壽命長。
　　應(yīng)該注意的一點(diǎn)是：在復(fù)雜環(huán)境下使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，如果抗干擾問題處理不好，會(huì)產(chǎn)生丟步問題，即發(fā)出的控制脈沖個(gè)數(shù)，多于電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。
　　(8)直流電動(dòng)機(jī)控制  直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)及調(diào)速都比較簡單，接通直流電動(dòng)機(jī)繞組的電源即可使直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，改變電源電壓的數(shù)值即可對直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。直流電動(dòng)機(jī)的價(jià)格比步進(jìn)電動(dòng)機(jī)便宜，普遍用于玩具、家電產(chǎn)品及計(jì)算機(jī)的磁盤機(jī)。但是在作精密控制對需要使用閉環(huán)控制方式，以致增加了復(fù)雜性及成本。一般在大轉(zhuǎn)矩、簡單控制的場合采用直流電動(dòng)機(jī)控制，在小轉(zhuǎn)矩、精密控制情況下則使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。現(xiàn)代采用脈沖電源給直流　　電動(dòng)機(jī)供電，這種供電方式可以降低直流電動(dòng)機(jī)電刷壓降的影響，也使控制方便。常用的控制方式有以下兩種：①脈沖調(diào)寬式(PWM)：驅(qū)動(dòng)電源的脈沖頻率不變，脈沖波形的寬度(通電時(shí)間)可變，通電時(shí)間越長表示加到直流電動(dòng)機(jī)的直流平均功率越太，轉(zhuǎn)速就越快；反之，轉(zhuǎn)速就變慢，頻率設(shè)定要適當(dāng)，不可過低(否則電動(dòng)機(jī)無法起動(dòng))，調(diào)整通電時(shí)間即可對轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制；②脈沖調(diào)頻式(PFM)：驅(qū)動(dòng)電源電壓波形的脈沖工作頻率可變，但波形的寬度(通電時(shí)間)不變，工作頻率越高，則通電次數(shù)就多，直流平均功率就大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高；反之，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低。
　　(9)交流電動(dòng)機(jī)控制交流電動(dòng)機(jī)(主要指異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)兩大類)傳動(dòng)占電氣傳動(dòng)總?cè)萘康?0％左右，是一種使用最為廣泛的電動(dòng)機(jī)。交流電氣傳動(dòng)與直流電氣傳動(dòng)均誕生于19世紀(jì)，但長期以來交流電動(dòng)機(jī)只能作為不變速傳動(dòng)動(dòng)力來使用。雖然交流調(diào)速早有多種方法問世，并獲得了一些實(shí)際的應(yīng)用，但其調(diào)速性能始終無法與直流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)相比。直到20世紀(jì)70年代，世界范圍的石油危機(jī)迫使全世界投入了巨大的科技力量，歷經(jīng)十年之久才解決了交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的理論和方法問題，并使其正在逐步取代直流傳動(dòng)，成為高性能電氣傳動(dòng)的主流和基礎(chǔ)。可以改變感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有3種：①改變極對數(shù)；②使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率發(fā)生變化(例如調(diào)節(jié)定子電壓、轉(zhuǎn)子電阻以及轉(zhuǎn)子電壓等)；③調(diào)節(jié)電源頻率。其中，改變同步轉(zhuǎn)速的極對數(shù)調(diào)速和變頻調(diào)速的效率是****的，而變極對數(shù)只能有級調(diào)速，應(yīng)用場合有限，只有變頻調(diào)速應(yīng)用****。由于一般變頻調(diào)速采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，即希望****轉(zhuǎn)矩r一保持為定值，為此在改變電源頻率的同時(shí)，電源電壓U也作相應(yīng)的變化，使u／f恒定。早期的變頻調(diào)速采用晶閘管作主開關(guān)器件，用矩形波模擬正弦波，其性能指標(biāo)不高；幅度和頻率分開調(diào)節(jié)，裝置笨重龐大，妨礙了它的推廣應(yīng)用。后來，原聯(lián)邦德國學(xué)者率先提出正弦脈沖寬度調(diào)制(sew~)技術(shù)，用于交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速，大大提高了性能指標(biāo)，使諧波含量大為減少，效率提高，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲降低，受到了廣泛重視。SPWM的基本思想是：保持輸出脈沖電壓幅度不變，用調(diào)節(jié)脈沖的寬度和間隔(同時(shí)改變U和，)實(shí)現(xiàn)與正弦波等效的波形。將此脈沖電壓加到電動(dòng)機(jī)上，所得到的電流波形接近于正弦波。SPWM技術(shù)在20世紀(jì)70年代和80年代獲得了迅速發(fā)展，很多人為此付出了不少的心血，提出了各種各樣的實(shí)現(xiàn)模式，至今仍方興末艾�，F(xiàn)代****的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速裝置幾乎都采用了SPWM技術(shù)；與之配合，逆變橋采用了全控型的高速開關(guān)器件，如GTR、功率MOSFET、GTO(門極關(guān)斷晶閘管)和IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)，調(diào)頻與調(diào)壓均在逆變橋完成，大大簡化了主電路。
　　就硬件方面講，產(chǎn)生SPWM控制信號的方法主要有3種：①采用微處理器；②采用專用大規(guī)模集成電路；③采用微處理器和專用大規(guī)模集成電路相結(jié)合。
　　采用微處理器的好處是靈活，功能強(qiáng)，易于保密；不足之處是開發(fā)周期長，通用性差。
　　采用專用大規(guī)模集成電路的好處是使用簡單，省去了編寫軟件的麻煩，開發(fā)周期短；不足之處是靈活性差，難以完成更多的功能。如SLE4520是一種應(yīng)用ACMOS技術(shù)制作的低功耗高頻大規(guī)模三相PWM集成電路。它是一種可編程器件，與8位或16位微處理器或微機(jī)配合使用，在適當(dāng)?shù)能浖�控制下，SLE4520就能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)三相逆變器的SPWM三相六路信號。日本富士電動(dòng)機(jī)R系列IPM為第三代的IGBT—IPM，適用于通用變頻器等，內(nèi)設(shè)欠壓、過熱、過流保護(hù)等功能，開關(guān)頻率范圍為1～20kHz。具有：①與N系列模塊N--~INNN電氣特性，通過軟開關(guān)性能實(shí)現(xiàn)低浪涌、低噪聲；②高可靠性，僅僅由硅半導(dǎo)體芯片組成，與以往品種　　(J—IPM和N—IPM)相比，元器件數(shù)量大幅度減小了，具有優(yōu)良的性價(jià)比；通過探測IGBTD芯片結(jié)溫來提供溫度保護(hù)，防止芯片過熱損壞，使可靠性更高；③封裝互換性好，主端子、控制端子、安裝孔位置與以往的品種(J—IPM和N—IPM)兼容，高度比以往品種低，體積小。得到了很好的應(yīng)用，設(shè)計(jì)時(shí)可供借鑒。
　　3．機(jī)電接口設(shè)計(jì)應(yīng)注重低功耗設(shè)計(jì)，禁忌功耗太大，散熱困難

      (1)硬件設(shè)計(jì)1)在滿足系統(tǒng)接口功能前提下，盡量選用低功耗器件，cMOS器件功耗比TTL器件低得多。
　　2)充分利用大規(guī)模集成電路的低功耗工作方式，以降低功耗。如A／D7703是20位模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，工作時(shí)其電源功耗為25mw，而休眠(不工作)時(shí)靜態(tài)功耗僅為lop。w。
　　3)在滿足系統(tǒng)工作速度的條件下，盡量降低系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。因?yàn)槿魏坞娐范即嬖谝欢ǖ姆植茧娙菀约熬�體管PN結(jié)電容，工作頻率越高，電容充放電速度就越快，導(dǎo)致電流就越大，功耗就增加。
　　4)光隔離器可靈活使用。在有些接口電路設(shè)計(jì)中，為避免主機(jī)與現(xiàn)場的電磁聯(lián)系，提高系統(tǒng)可靠性，要使用光隔離器做信號的連接。但是光隔離器功耗較大，單個(gè)隔離器工作電流在20mA左右，高速隔離器的工作電流更大。所以要降低功耗只能從減少工作時(shí)間人手。
　　例如，要求主機(jī)每隔半小時(shí)發(fā)出一個(gè)10ms的正脈沖，即光隔離器在半小時(shí)內(nèi)只工作10ms，其余時(shí)間都不工作。在滿足同樣工作要求時(shí)，可以使用不同電路，見圖5-79。