机电一体化体系的接口

2017-04-23 13:36分类：机械维修阅读：

　在机电一体化体系中，体系全体技能首要研讨内容是：体系方案方案和评估；接口技能；精度方案；牢靠性分析和方案；人机工程方案。
一、接口的界说和分类
界说：狭义接口是指核算机接口；广义接口：在体系各要素或子体系之间，有必要平稳地进行物质、能量和信息的输入和输出。因而在相互衔接要素的交代面上有必要具有相应的某些条件，才干衔接，该交代面称为接口。
接口可分为直接接口和接口体系两种办法。

图1 直接接口与接口体系
常用接口的分类办法：
1.依据接口的改换和调整功用，可将接口分为零接口、被迫接口、自动接口和智能接口；
2.依据接口的输入/输出方针，可将接口分为机械接口、电气接口、信息接口与环境接口等；
3.依据接口的输入/输出类型，可将接口分为数字接口、开关接口、模仿接口和脉冲接口。
二、电气接口
依照在体系中所起的效果，分为输入接口、输出接口；信号改换与阻隔接口；设备专用接口；通讯显现接口。
（一）、异步串行通讯接口
RS-232C；接口信号、电气特性、电平改换
RS-499，RS-422A，RS-423A，RS-485；
20mA电流环
（二）常用接口元件
1.光电耦合器
在操控微机和功率扩大电路之间，常常运用光电耦合器。光电耦合器由发光二极管和光敏晶体管构成，当在发光二极管二端加正向电压时，发光二极管点亮，照耀光敏晶体管使之导通，发作输出信号。
光电耦合器的信号传递选用电-光-电办法，发光有些和受光有些不触摸，因而其绝缘电阻可高达1010W以上，并能接受200OV以上的高压，被耦合的两个有些能够自成体系，能够完结强电有些和弱电有些阻隔，防止搅扰由输出通道窜入操控微机。光电耦合器的发光二极管是电流驱动器材，能够吸收尖峰搅扰信号，所以具有很强的按捺搅扰才干。
光电耦合器作为开关运用时，具有经用、牢靠性高和高速等长处，呼应时刻一般为数微秒以内，高速型光电耦合器的呼应时刻有的乃至小于10ns 。

图2 光电耦合器材
图b是光电耦合器的接口电路，图中的VT1是大功率晶体管，W是步进电动机、触摸器等的线圈，VD2 是续流二极管。若无二极管VD2，当 VT1 由导通到截止时，由换路定则可知，电感W的电流不能俄然变为0，它将逼迫经过晶体管VT1 。因为VT1 处于截止状况，在VT1 两头发作非常大的电压，有或许击穿晶体管。若有续流管VD2，则为W 的电流供给了通路，电流不会逼迫流过晶体管，然后维护了晶体管。
在接口电路方案中，应思考光电耦合器的两个参数:电流传输比与时刻推迟。电流传输比是指光电晶体管的集电极电流IC与发光二极管的电流Ii之比。不一样构造的光电耦合器的电流传输比相差很大，如输出端是单个晶体管的光电耦合器4N25的电流传输比≥20%，而输出端运用达林顿管的光电耦合器4N33的电流传输比≥500%，电流传输比受发光二极管的作业电流Ii影响，当Ii 为10～2OmA时，电流传输比最大。时刻推迟是指光电耦合器在传输脉冲信号时，输出信号与输入信号的推迟时刻。
2．晶闸管
晶闸管又称可控硅，是如今运用最广的半导体功率开关元件，其操控电流可从数安到数千安。晶闸管的首要类型有单向晶闸管SCR，双向晶闸管Trim和可关断晶闸管GTO等三种底子类型，此外还有光控晶闸管、温控晶闸管等格外类型。
(1)单向晶闸管(SCR)
符号和原理如右图所示。SCR有三个极，别离为阳极A阴极K和操控极G(又称门极)从物理构造看，它是一个PNPN器材，其作业原理能够用一个PNP晶体管和一个NPN晶体管的组合来加以阐明。SCR有截止和导通两个安稳状况，两种状况的改换能够由导通条件和关断条件来阐明。

图3 单向晶闸管
导通条件是指晶闸管从阻断到导通所需的条件，这个条件是在晶闸管的阳极加上正向电压，一同在操控极加上正向电压。关断条件是指晶闸管从导通到阻断所需求的条件。晶闸管一旦导通，操控极对晶闸管就不起操控效果了。只需当流过晶闸管的电流小于坚持晶闸管导通所需求的电流即坚持电流时，晶闸管才关断。
(2) 双向晶闸管(TRIAC)

图4 双向晶闸管
双向晶闸管是双导游通的，它从一个方向过零进入反向阻断状况仅仅一个非常时刻短的进程，当负载是理性负载时(如电枢)，因为电流滞后于电压，有或许使电压过零时电流仍存在，然后致使双向晶闸管失控(不关断)。为使双向晶闸管正常作业，应在其两主电极A1与A2间加RC电路。
双向晶闸管(TRIAC) 具有公共门极的一对反并联一般晶闸管，其构造和符号见图。图中N2区和P2区的外表被整片金属膜连通，构成双向晶闸管的一个主电极，此电极的引出端子称为主端子，用A2标明；N3区和P2区的一小有些被另一金属膜连通，构成一对反并联主晶闸管的公共门极点，用G标明；P1区和N4区被金属膜连通，构成双向晶闸管的另一个主电极，叫做主端子A1。这么，P1-NI-P2-N2和P2-N1-P1-N4就别离构成了双向晶闸管中一对反并联的晶闸管的主体
(3)门极可关断晶闸管(GTO)
内部构造及标明符号如图所示。当门极加上正操控信号时GTO导通，门极加上负操控信号时GTO截止。GTO是一种介于一般晶闸管和大功率晶体管之间的电力电子器材，它既像SCR那样耐高压、经过电流大、报价廉价，又像GTR那样具有自关断才干、作业频率高、操控功率小、线路简略、运用便当。

图5 门极可关断晶闸管
(4) 光控晶闸管
是把光电耦合器材与双向晶闸管联络到一同构成的集成电路，其典型商品有MOC3041、MOC3021等。光控晶闸管的输入电流一般为lO～10OmA，输入端反向电压一般为6V；输出电流一般为1A，输出端耐压一般为400～60OV。光控晶闸管是特种晶闸管，大多用于驱动大功率的双向晶闸管。
(5) 温控晶闸管　
是一种小功率晶闸管，其输出电流一般为100mA摆布。温控晶闸管的开关特性与一般晶闸管一样，功用优于热敏电阻、PN结温度传感器。温控晶闸管的温度特性是负特性，也即是说当温度添加时，正向温控晶闸管的门槛电压会下降。用温控晶闸管可完结温度的开关操控，在温控晶闸管的门极和阳极或阴极之间加上恰当器材，如电位器、光敏管、热敏电阻等，能够改动晶闸管导通温度值。温控晶闸管也是特种晶闸管，一般用于50V以下的低压场合。
3．功率晶体管（GTR）
功率晶体管是指在大功率方案运用的晶体管，有时也称为电力晶体管。GTR是20世纪70时代后期的新商品，它把传统双极晶体管的运用方案由弱电拓展到强电范畴，在中小功率范畴有代替功率晶闸管的趋势。与晶闸管比照，GTR不只能够作业在开关状况，也能够作业在模仿状况；GTR的开关速度远大于晶闸管，而且操控比晶闸管简略；其缺陷是报价高于晶闸管。

图6 功率晶体管
GTR的构造如图a所示。功率晶体管不是一般含义上的晶体管，从本质上讲，它是一个多管复合构造，有较大的电流扩大倍数，其功率可高达几千瓦。其间的VT1和VT2 构成达林顿管,二极管VD1是加快二极管，在输入端b的操控信号从高电平成为低电平的刹那间，二极管VD1导通，能够使VT1的一有些射极电流经过VD1流到输入端b，然后加快了功率晶体管的关断。VD2是续流二极管，对晶体管VT2起维护效果，格外关于理性负载，当GTR关断时，理性负载所存储的能量能够经过VD2的续流效果而开释，然后防止对GTR的反向击穿。
在机电一体化商品中，它底子上被用来做高速开关器材，图b是用功率晶体管做功放元件的步进电动机一相绕组的驱动电路。在实习运用中应留意，当功率晶体管作业在开关状况时，其基极输入电流应选得大一些，不然，晶体管会添加本身压降来束缚其负载电流，然后有或许使功率晶体管逾越答应功率而损坏。这是因为晶体管在截止或高导通状况时，功率都很小，但在开关进程中，晶体管或许呈现高电压、大电流，瞬态功耗会逾越静态功耗几十倍。假如驱动电流太小，会使晶体管堕入风险区。
4．功率场效应晶体管(MOSFET)
功率场效应晶体管又称功率MOSFET，它的构造和传统MOSFET不一样，首要是把传统MOSFET的电流横向活动变为笔直导电的构造办法，意图是处理MOSFET器材的大电流、高电压疑问，如图所示。其间G为栅极，即操控极，S为源极，D为漏极。在漏极D和源极S间的反向二极管是在管子制作进程中构成的。

图7 功率场效应晶体管
它具有比双极性功率晶体管非常好的特性，首要体如今以下几个方面:
（1）因为功率MOSFET是大都载流子导电，因而不存在少量载流子的贮存效应，然后有较高的开关速度；
（2）具有较宽的安全作业区而不会发作热门，一同，因为它具有正的电阻温度系数，所以简略进行并联运用；
（3）有较高的阈值电压(2～6V)，因而有较高的噪声容限和抗搅扰才干；
（4）具有较高的牢靠性和较强的过载才干，短时过载才干一般为额外值的四倍；
（5）因为它是电压操控器材，具有很高的输入阻抗，因而驱动电流小，接口简略。
5．C绝缘栅双极晶体管（IGBT）
C绝缘栅双极晶体管是20世纪80时代呈现的新式复合器材，它将MOSFET和GTR的长处集于一身，既具有输入阻抗高、速度快、热安稳性好和驱动电路简略的特色，又具有通态电压低、耐压高和接受电流大等长处。
6．固态继电器(SSR)
固态继电器是一种无触点功率型通断电子开关，又叫固态开关。操控端有触发信号时，主回路呈导通状况，无操控信号时主回路呈阻断状况。操控回路与主回路间选用了电阻隔及信号阻隔技能。固态继电器与电磁继电器比照，具有作业牢靠、运用寿数长、能与逻辑电路兼容、抗搅扰才干强、开关速度快和运用便当等长处。
图示出为8031单片机经过固态继电器操控沟通触摸器的操控线路。当P1.0输出高电往常，固态继电器导通，沟通触摸器 K 闭合，主电路导通， P1.0为低电平，则主电路关断。

图8 固态继电器与单片机接口
（三）、CPU与高压大电流负载的接口
在机电一体化操控体系中，有时需求用微机操控各式各样的高压、大电流负载，如电机、电磁铁、继电器等。显着，这些大功率负载不能用CPU的I/O线来直接驱动，而有必要经过各种驱动电路和开关电路来驱动。此外，为了阻隔和抗搅扰，有时需加接光电耦合器。
1.光电耦合器及其驱动电路