第10章 邏輯與數(shù)字控制電路

1、第第10章章 邏輯與數(shù)字控制電路邏輯與數(shù)字控制電路w 10.1 二值邏輯控制與驅(qū)動(dòng)電路二值邏輯控制與驅(qū)動(dòng)電路w 10.2 數(shù)控機(jī)床控制驅(qū)動(dòng)電路數(shù)控機(jī)床控制驅(qū)動(dòng)電路w 10.3 數(shù)控機(jī)床控制指令與編程坐標(biāo)系數(shù)控機(jī)床控制指令與編程坐標(biāo)系w 10.4 數(shù)控機(jī)床的插補(bǔ)原理數(shù)控機(jī)床的插補(bǔ)原理w 10.5 可編程邏輯器件可編程邏輯器件作用：作用：實(shí)現(xiàn)邏輯狀態(tài)的控制。實(shí)現(xiàn)邏輯狀態(tài)的控制。控制電路：控制電路： w 開環(huán)控制開環(huán)控制w 閉環(huán)控制閉環(huán)控制 第第10章章 邏輯與數(shù)字控制電路邏輯與數(shù)字控制電路開環(huán)控制：開環(huán)控制：圖圖1-8 開環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成開環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成 第第10章章 邏輯與數(shù)字控制電路

2、邏輯與數(shù)字控制電路測(cè)量電路測(cè)量電路 控制電路控制電路 擾動(dòng)量擾動(dòng)量傳感器傳感器放大放大電路電路輸輸出出轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電路電路設(shè)定設(shè)定電路電路執(zhí)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)給定給定機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)被控被控對(duì)象對(duì)象開環(huán)控制的精度不高開環(huán)控制的精度不高: 1. 對(duì)擾動(dòng)的測(cè)量誤差影響控制精度。對(duì)擾動(dòng)的測(cè)量誤差影響控制精度。 2. 擾動(dòng)模型的不精確性影響控制精度。擾動(dòng)模型的不精確性影響控制精度。 第第10章章 邏輯與數(shù)字控制電路邏輯與數(shù)字控制電路閉環(huán)控制閉環(huán)控制: 圖圖1-9 閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成第第10章章 邏輯與數(shù)字控制電路邏輯與數(shù)字控制電路 設(shè)定設(shè)定電路電路比較比較電路電路校正校正電路電路轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電路

3、電路給定給定機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)執(zhí)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)被控被控對(duì)象對(duì)象輸出輸出傳感器傳感器擾動(dòng)擾動(dòng)放大放大電路電路控制電路控制電路閉環(huán)控制加校正電路閉環(huán)控制加校正電路: 主要考慮從發(fā)現(xiàn)輸出量發(fā)生變化到執(zhí)行控制需要一段主要考慮從發(fā)現(xiàn)輸出量發(fā)生變化到執(zhí)行控制需要一段 時(shí)間，為了提高響應(yīng)速度常引入微分環(huán)節(jié)。時(shí)間，為了提高響應(yīng)速度常引入微分環(huán)節(jié)。當(dāng)輸出量在擾動(dòng)影響下作周期變化時(shí)，由于控制作用當(dāng)輸出量在擾動(dòng)影響下作周期變化時(shí)，由于控制作用 的滯后，可能產(chǎn)生振蕩。為了防止振蕩，需要引入適的滯后，可能產(chǎn)生振蕩。為了防止振蕩，需要引入適 當(dāng)?shù)姆e分環(huán)節(jié)。在實(shí)際電路中，往往比較電路的輸出當(dāng)?shù)姆e分環(huán)節(jié)。在實(shí)際電路中，往往比較電路的輸

4、出 先經(jīng)放大再送入校正電路，視需要可能再次放大。先經(jīng)放大再送入校正電路，視需要可能再次放大。 第第10章章 邏輯與數(shù)字控制電路邏輯與數(shù)字控制電路10.1.1 功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路按照電路中所采用的功率器件類型分類，常見的有晶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(dòng)電路、場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路和晶閘管驅(qū)動(dòng)電路體管驅(qū)動(dòng)電路、場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路和晶閘管驅(qū)動(dòng)電路 等類型。等類型。按照電路所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載類型分類，常見的有電阻性負(fù)按照電路所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載類型分類，常見的有電阻性負(fù) 載驅(qū)動(dòng)電路和電感性負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路等類型。載驅(qū)動(dòng)電路和電感性負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路等類型。按照電路所控制的負(fù)載電源類型分類，常

5、見的有直流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(dòng)電路和交流電源負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路等類型。電源負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路和交流電源負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路等類型。10.1 二值邏輯控制與驅(qū)動(dòng)電路二值邏輯控制與驅(qū)動(dòng)電路第第10章章 邏輯與數(shù)字控制電路邏輯與數(shù)字控制電路10.1.1.1 晶體管直流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路晶體管直流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路 + +Ec VD ZL IL Ui R V I b 圖圖10-1 晶體管功率驅(qū)動(dòng)電路晶體管功率驅(qū)動(dòng)電路 負(fù)載所需的電流不太大：負(fù)載所需的電流不太大： 10.1.1 功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路 當(dāng)控制信號(hào)當(dāng)控制信號(hào)Ui為低電平時(shí)，為低電平時(shí)，V截止，截止，IL=0； 當(dāng)

6、當(dāng)Ui為高電平時(shí)，為高電平時(shí)，V導(dǎo)通，導(dǎo)通，IL=(Ec-Uce)/ZL；VD續(xù)流二極管，保護(hù)續(xù)流二極管，保護(hù)V。 當(dāng)當(dāng)V截止時(shí)，感性負(fù)載所存截止時(shí)，感性負(fù)載所存儲(chǔ)的能量通過儲(chǔ)的能量通過VD的續(xù)流作用而的續(xù)流作用而泄放，避免泄放，避免V 被反向擊穿。被反向擊穿。設(shè)計(jì)要點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn): 合理確定合理確定Ui、R與與V的電流放大系數(shù)的電流放大系數(shù) 值之間的數(shù)值之間的數(shù) 值關(guān)系，充分滿足值關(guān)系，充分滿足 I b I L / 確保確保V導(dǎo)通時(shí)工作于飽和區(qū)，以降低導(dǎo)通時(shí)工作于飽和區(qū)，以降低V的導(dǎo)通電阻的導(dǎo)通電阻 并減小功耗。并減小功耗。 10.1.1.1 晶體管直流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路晶體管直流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路

7、 常用器件常用器件: 當(dāng)當(dāng) IL500mA時(shí)采用一般晶體管：時(shí)采用一般晶體管：3DG102、T8050 當(dāng)當(dāng) IL較大時(shí)采用復(fù)合管：較大時(shí)采用復(fù)合管：2S6039、DB651、S15001用于功率驅(qū)動(dòng)電路的場(chǎng)效應(yīng)管稱為功率場(chǎng)效應(yīng)管。功用于功率驅(qū)動(dòng)電路的場(chǎng)效應(yīng)管稱為功率場(chǎng)效應(yīng)管。功 率場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制器件，具有很高的輸入阻抗，率場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制器件，具有很高的輸入阻抗， 所需的驅(qū)動(dòng)功率很小，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求較低。功率場(chǎng)所需的驅(qū)動(dòng)功率很小，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求較低。功率場(chǎng) 效應(yīng)管具有較高的開啟閾值電壓，較高的噪聲容限和效應(yīng)管具有較高的開啟閾值電壓，較高的噪聲容限和 抗干擾能力?？垢蓴_能力。10.1.1

8、.2 場(chǎng)效應(yīng)管直流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路場(chǎng)效應(yīng)管直流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路 10.1.1 功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路場(chǎng)效應(yīng)管大多數(shù)為絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，亦稱場(chǎng)效應(yīng)管大多數(shù)為絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，亦稱MOS場(chǎng)效場(chǎng)效 應(yīng)管。功率場(chǎng)效應(yīng)管在制造中多采用應(yīng)管。功率場(chǎng)效應(yīng)管在制造中多采用V溝槽工藝，簡(jiǎn)溝槽工藝，簡(jiǎn) 稱為稱為VMOS場(chǎng)效應(yīng)管。其改進(jìn)型稱為場(chǎng)效應(yīng)管。其改進(jìn)型稱為TMOS場(chǎng)效應(yīng)管。場(chǎng)效應(yīng)管。圖圖10-2a VMOS場(chǎng)效應(yīng)管電極場(chǎng)效應(yīng)管電極10.1.1.2 場(chǎng)效應(yīng)管直流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路場(chǎng)效應(yīng)管直流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路 該圖是該圖是VMOS及及TMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管引出電極的內(nèi)部關(guān)系引出電極的內(nèi)部關(guān)系簡(jiǎn)

9、圖，虛線框表示其簡(jiǎn)圖，虛線框表示其封裝范圍。其中二極封裝范圍。其中二極管管VD1是在制造過程中是在制造過程中形成的。與普通場(chǎng)效形成的。與普通場(chǎng)效應(yīng)管不同，如果在使應(yīng)管不同，如果在使用中將漏極用中將漏極D與源極與源極S接反，會(huì)導(dǎo)致性能喪接反，會(huì)導(dǎo)致性能喪失或損壞。失或損壞。漏極漏極D 柵極柵極G VD1 源極源極S VS VD2 V Ui R IL ZL +Ec 圖圖10-2b 場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路 當(dāng)控制信號(hào)當(dāng)控制信號(hào)UiUGS時(shí)，時(shí)，V導(dǎo)通，導(dǎo)通，I L = Ec /(ZLRDS)。 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管VS 對(duì)控制信對(duì)控制信號(hào)號(hào)Ui進(jìn)行箝位，保護(hù)功率場(chǎng)進(jìn)行箝位，保護(hù)功率場(chǎng)效應(yīng)管

10、效應(yīng)管V。 常用器件：常用器件：IRF250、IRF350、IRF640等。等。10.1.1.2 場(chǎng)效應(yīng)管直流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路場(chǎng)效應(yīng)管直流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路 10.1.1.3 晶閘管交流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路晶閘管交流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路 交流負(fù)載的功率驅(qū)動(dòng)電路，通常采用晶閘管來構(gòu)成。交流負(fù)載的功率驅(qū)動(dòng)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。晶閘管有單向晶閘管和雙向晶閘管兩種類型。 10.1.1 功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路1. 單向晶閘管單向晶閘管(單向可控硅單向可控硅-SCR)導(dǎo)通條件：導(dǎo)通條件：UAK0 UGK0 (觸發(fā)電壓觸發(fā)電壓) 導(dǎo)通后：導(dǎo)通后：IAKIH (維

11、持電流維持電流)關(guān)斷條件：關(guān)斷條件：IAK觸發(fā)門限值，雙向?qū)āＳ|發(fā)門限值，雙向?qū)ā?關(guān)斷條件：關(guān)斷條件：IMT1.MT2IH 雙向與單向晶閘管的主要區(qū)別：雙向與單向晶閘管的主要區(qū)別：在觸發(fā)之后是雙向?qū)ǖ模辉谟|發(fā)之后是雙向?qū)ǖ?；觸發(fā)電壓不分極性，只要絕對(duì)觸發(fā)電壓不分極性，只要絕對(duì) 值達(dá)到觸發(fā)門限值即可雙導(dǎo)通。值達(dá)到觸發(fā)門限值即可雙導(dǎo)通。常用器件：常用器件：BTA06、BTA08、BTA12 10.1.1.3 晶閘管交流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路晶閘管交流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路 3. 交流半波導(dǎo)通功率驅(qū)動(dòng)電路交流半波導(dǎo)通功率驅(qū)動(dòng)電路 Ui u V1 V3 R1 P1 R2 R3 R5 R4 P2 C ZL

12、 IL +E VD VS V2 VLC 4N25 K G A b1 b2 e V2單結(jié)晶體管，單結(jié)晶體管， V3單向晶閘管。單向晶閘管。 當(dāng)控制信號(hào)當(dāng)控制信號(hào)Ui為高電平時(shí)，為高電平時(shí)，V3導(dǎo)通，導(dǎo)通，IL0；當(dāng)控制信號(hào)當(dāng)控制信號(hào)Ui為低電平時(shí)，為低電平時(shí)，V3截止，截止，IL=0。10.1.1.3 晶閘管交流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路晶閘管交流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路 如果控制信號(hào)如果控制信號(hào)Ui為高電平，為高電平，V1截止，截止，P1與與P2間電位間電位差取決于差取決于VS。在。在u為正半周時(shí)，為正半周時(shí)，P1與與P2間電壓使間電壓使C充電，充電，導(dǎo)致單結(jié)晶體管導(dǎo)致單結(jié)晶體管V2的的e與與b1間突然導(dǎo)通，使

13、晶閘管間突然導(dǎo)通，使晶閘管V3導(dǎo)導(dǎo)通，又使通，又使C放電為放電為0。在。在u為負(fù)半周時(shí)，為負(fù)半周時(shí)，UAK0，ILIH，V3截止截止半波導(dǎo)通半波導(dǎo)通(Ui為高電平且為高電平且u為正半周，為正半周，V3導(dǎo)通導(dǎo)通)。 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 10.1.1.3 晶閘管交流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路晶閘管交流負(fù)載功率驅(qū)動(dòng)電路 如果如果Ui為低電平，為低電平，V1導(dǎo)通，導(dǎo)通，P1與與P2間電位差顯著降間電位差顯著降低，低，V2無法建立使無法建立使V3導(dǎo)通的觸發(fā)電平，導(dǎo)通的觸發(fā)電平，IL=0

14、。調(diào)整調(diào)整C與與R2的數(shù)值，可改變的數(shù)值，可改變V3在在u正半周的導(dǎo)通角，正半周的導(dǎo)通角，從而達(dá)到改變負(fù)載從而達(dá)到改變負(fù)載ZL中平均電流中平均電流IL大小的目的。大小的目的。 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 10.1.2 繼電器與電磁閥驅(qū)動(dòng)電路繼電器與電磁閥驅(qū)動(dòng)電路繼電器與電磁閥均為繼電器與電磁閥均為感性負(fù)載感性負(fù)載，是典型二值可控元件。，是典型二值可控元件。繼電器廣泛用于生產(chǎn)控制和電力系統(tǒng)中，具有接觸電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

15、優(yōu)點(diǎn)，至今仍無法用無阻小、流通電流大和耐壓高等優(yōu)點(diǎn)，至今仍無法用無 觸點(diǎn)器件取代。觸點(diǎn)器件取代。對(duì)繼電器或接觸器的驅(qū)動(dòng)，實(shí)際上是對(duì)其勵(lì)磁線圈電對(duì)繼電器或接觸器的驅(qū)動(dòng)，實(shí)際上是對(duì)其勵(lì)磁線圈電 流通斷的控制。繼電器勵(lì)磁線圈所需的勵(lì)磁電源有直流通斷的控制。繼電器勵(lì)磁線圈所需的勵(lì)磁電源有直 流與交流兩種。流與交流兩種。10.1 二值邏輯控制與驅(qū)動(dòng)電路二值邏輯控制與驅(qū)動(dòng)電路對(duì)直流電源勵(lì)磁的繼電器可用圖對(duì)直流電源勵(lì)磁的繼電器可用圖10-1和圖和圖10-2，ZL為繼為繼電器的勵(lì)磁線圈電器的勵(lì)磁線圈(感性負(fù)載感性負(fù)載)，VD不可缺少。不可缺少。10.1.2 繼電器與電磁閥驅(qū)動(dòng)電路繼電器與電磁閥驅(qū)動(dòng)電路對(duì)交流電

16、源勵(lì)磁的繼電器，用圖對(duì)交流電源勵(lì)磁的繼電器，用圖10-4和和10-5。圖。圖10-5用直流繼電器間接控制交流繼電器。用直流繼電器間接控制交流繼電器。 3- -相相 /50Hz /380V A1 B1 C1 +5V KD1-1 KA1 Ui KA1-1 A2 B2 C2 VD KD1 R V V 10.1.2 繼電器與電磁閥驅(qū)動(dòng)電路繼電器與電磁閥驅(qū)動(dòng)電路 Ui為低電平時(shí)，為低電平時(shí)，V截止，截止，KD1的勵(lì)磁線圈無電流，的勵(lì)磁線圈無電流，觸點(diǎn)觸點(diǎn)KD1-1在常閉端。在常閉端。KA1的勵(lì)磁線圈也無電流，觸點(diǎn)的勵(lì)磁線圈也無電流，觸點(diǎn)KA1-1也在常閉端，也在常閉端，A2、B2、C2無電壓輸出。無電壓

17、輸出。 3- -相相 /50Hz /380V A1 B1 C1 +5V KD1-1 KA1 Ui KA1-1 A2 B2 C2 VD KD1 R V V 10.1.2 繼電器與電磁閥驅(qū)動(dòng)電路繼電器與電磁閥驅(qū)動(dòng)電路 3- -相相 /50Hz /380V A1 B1 C1 +5V KD1-1 KA1 Ui KA1-1 A2 B2 C2 VD KD1 R V V 當(dāng)控制信號(hào)當(dāng)控制信號(hào)Ui為高電平時(shí)，為高電平時(shí)，V導(dǎo)通，導(dǎo)通，KD1上電，接上電，接通通KA1的電源，的電源，A1、B1、C1處的處的380V三相交流電源經(jīng)三相交流電源經(jīng)A2、B2、C2端子輸出供給用電設(shè)備。端子輸出供給用電設(shè)備。10.2

18、數(shù)控機(jī)床控制驅(qū)動(dòng)電路數(shù)控機(jī)床控制驅(qū)動(dòng)電路數(shù)控機(jī)床運(yùn)行控制電路有兩類數(shù)控機(jī)床運(yùn)行控制電路有兩類： 第一類是只需做開關(guān)二值控制的驅(qū)動(dòng)電路，其控第一類是只需做開關(guān)二值控制的驅(qū)動(dòng)電路，其控制對(duì)象如：數(shù)控車床單純實(shí)施工件旋轉(zhuǎn)的主軸電動(dòng)機(jī)、制對(duì)象如：數(shù)控車床單純實(shí)施工件旋轉(zhuǎn)的主軸電動(dòng)機(jī)、數(shù)控銑床單純實(shí)施刀具旋轉(zhuǎn)的主軸電動(dòng)機(jī)等。數(shù)控銑床單純實(shí)施刀具旋轉(zhuǎn)的主軸電動(dòng)機(jī)等。 第二類是需要做給定空間軌跡運(yùn)行控制的驅(qū)動(dòng)電第二類是需要做給定空間軌跡運(yùn)行控制的驅(qū)動(dòng)電路，其控制對(duì)象如：數(shù)控車床按給定軌跡運(yùn)行的刀具路，其控制對(duì)象如：數(shù)控車床按給定軌跡運(yùn)行的刀具架拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)、數(shù)控銑床按給定規(guī)跡運(yùn)行的刀具架或架拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)、數(shù)控銑

19、床按給定規(guī)跡運(yùn)行的刀具架或工件運(yùn)動(dòng)的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)等。工件運(yùn)動(dòng)的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)等。第第10章章 邏輯與數(shù)字控制電路邏輯與數(shù)字控制電路10.2 數(shù)控機(jī)床控制驅(qū)動(dòng)電路數(shù)控機(jī)床控制驅(qū)動(dòng)電路 三相交流電源三相交流電源L1、L2、L3經(jīng)隔離開關(guān)經(jīng)隔離開關(guān)QS、熔斷器、熔斷器FU1引入。轉(zhuǎn)換開關(guān)引入。轉(zhuǎn)換開關(guān)SW在手動(dòng)位置，當(dāng)按下按鈕開關(guān)在手動(dòng)位置，當(dāng)按下按鈕開關(guān)SB1時(shí)，時(shí)，繼電器繼電器KM1吸合，其主觸點(diǎn)吸合，其主觸點(diǎn)KM1-1閉合，電動(dòng)機(jī)上電運(yùn)行；閉合，電動(dòng)機(jī)上電運(yùn)行；10.2.1 異步電動(dòng)機(jī)的二值控制電路異步電動(dòng)機(jī)的二值控制電路L1QSM3L2L3KM1-1FR1KM1FU1FU2FR1-1SB2SWSB

20、1KM1-2KA1-1手動(dòng)手動(dòng)自動(dòng)自動(dòng) 由于繼電器輔助觸點(diǎn)由于繼電器輔助觸點(diǎn)KM1-2也同時(shí)閉合，故當(dāng)松開也同時(shí)閉合，故當(dāng)松開按鈕開關(guān)按鈕開關(guān)SB1時(shí)，時(shí)，KM1線圈仍不失電，從而保持電動(dòng)機(jī)線圈仍不失電，從而保持電動(dòng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。當(dāng)按下按鈕繼續(xù)運(yùn)行。當(dāng)按下按鈕SB2時(shí)，時(shí)，KM1線圈失電，使主觸線圈失電，使主觸點(diǎn)點(diǎn)KM1-1脫開，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。脫開，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。10.2.1 異步電動(dòng)機(jī)的二值控制電路異步電動(dòng)機(jī)的二值控制電路L1QSM3L2L3KM1-1FR1KM1FU1FU2FR1-1SB2SWSB1KM1-2KA1-1手動(dòng)手動(dòng)自動(dòng)自動(dòng) 在主觸點(diǎn)在主觸點(diǎn)KM1-1與電動(dòng)機(jī)之間接有熱繼電器與

21、電動(dòng)機(jī)之間接有熱繼電器FR1，當(dāng)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載超過設(shè)定時(shí)間時(shí)，電動(dòng)機(jī)過載超過設(shè)定時(shí)間時(shí)，F(xiàn)R1線圈發(fā)熱使其與線圈發(fā)熱使其與SB2串串聯(lián)的觸點(diǎn)聯(lián)的觸點(diǎn)FR1-1脫開，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。脫開，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行。 當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)SW扳向下方時(shí)為自動(dòng)控制，此時(shí)由觸點(diǎn)扳向下方時(shí)為自動(dòng)控制，此時(shí)由觸點(diǎn)KA1-1使主控繼電器使主控繼電器KW1動(dòng)作控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。動(dòng)作控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。10.2.1 異步電動(dòng)機(jī)的二值控制電路異步電動(dòng)機(jī)的二值控制電路L1QSM3L2L3KM1-1FR1KM1FU1FU2FR1-1SB2SWSB1KM1-2KA1-1手動(dòng)手動(dòng)自動(dòng)自動(dòng)10.2 數(shù)控機(jī)床控制驅(qū)動(dòng)電路數(shù)控機(jī)床控制驅(qū)動(dòng)

22、電路10.2.2 伺服電動(dòng)機(jī)的控制電路伺服電動(dòng)機(jī)的控制電路伺服電動(dòng)機(jī)一般用于為實(shí)現(xiàn)給定伺服電動(dòng)機(jī)一般用于為實(shí)現(xiàn)給定空間軌跡空間軌跡運(yùn)行提供動(dòng)運(yùn)行提供動(dòng) 力的部件，其控制系統(tǒng)力的部件，其控制系統(tǒng)(伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng))需結(jié)合絲杠與導(dǎo)軌需結(jié)合絲杠與導(dǎo)軌 等行走機(jī)構(gòu)具體配置。等行走機(jī)構(gòu)具體配置。伺服系統(tǒng)接受來自數(shù)控系統(tǒng)的指令，經(jīng)放大和轉(zhuǎn)換來伺服系統(tǒng)接受來自數(shù)控系統(tǒng)的指令，經(jīng)放大和轉(zhuǎn)換來 驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床上的執(zhí)行件驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床上的執(zhí)行件(工作臺(tái)或刀架工作臺(tái)或刀架)，從而實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn) 預(yù)期的運(yùn)動(dòng)，隨時(shí)將運(yùn)動(dòng)結(jié)果反饋與輸入指令相比較，預(yù)期的運(yùn)動(dòng)，隨時(shí)將運(yùn)動(dòng)結(jié)果反饋與輸入指令相比較， 力求實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與輸入指令之

23、差為零。力求實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與輸入指令之差為零。伺服系統(tǒng)包含功率放大和反饋，不僅控制執(zhí)行件的速伺服系統(tǒng)包含功率放大和反饋，不僅控制執(zhí)行件的速 度、方向，而且控制幾個(gè)執(zhí)行件按一定規(guī)律合成的軌度、方向，而且控制幾個(gè)執(zhí)行件按一定規(guī)律合成的軌 跡運(yùn)動(dòng)。跡運(yùn)動(dòng)。環(huán)形分配器環(huán)形分配器工作臺(tái)工作臺(tái)齒輪箱齒輪箱步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)指令指令電源電源數(shù)控裝置數(shù)控裝置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)功率放大器功率放大器10.2.2.1 伺服系統(tǒng)的類型伺服系統(tǒng)的類型1. 開環(huán)伺服系統(tǒng)開環(huán)伺服系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)經(jīng)環(huán)形分配器驅(qū)動(dòng)電路控?cái)?shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)經(jīng)環(huán)形分配器驅(qū)動(dòng)電路控制和功率放大器，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過變速齒輪和制

24、和功率放大器，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過變速齒輪和滾珠絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行件滾珠絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行件(工作臺(tái)或刀架工作臺(tái)或刀架)移動(dòng)。移動(dòng)。 開環(huán)伺服系統(tǒng)一般包括脈沖頻率變換、脈沖分配、開環(huán)伺服系統(tǒng)一般包括脈沖頻率變換、脈沖分配、功率放大、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、變速齒輪、滾珠絲杠螺母副、功率放大、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、變速齒輪、滾珠絲杠螺母副、導(dǎo)軌副等組成環(huán)節(jié)。導(dǎo)軌副等組成環(huán)節(jié)。10.2.2.1 伺服系統(tǒng)的類型伺服系統(tǒng)的類型2. 全閉環(huán)伺服系統(tǒng)全閉環(huán)伺服系統(tǒng) 閉環(huán)伺服系統(tǒng)包含功率放大和反饋，從而使得輸出閉環(huán)伺服系統(tǒng)包含功率放大和反饋，從而使得輸出量值緊緊地響應(yīng)輸入量值的自動(dòng)控制系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床量值緊緊地響應(yīng)輸入量值的自

25、動(dòng)控制系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床上由于反饋信號(hào)所引出的位置不同，可分為全閉環(huán)系統(tǒng)上由于反饋信號(hào)所引出的位置不同，可分為全閉環(huán)系統(tǒng)和半閉環(huán)系統(tǒng)和半閉環(huán)系統(tǒng)。圖。圖10-8為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的典型構(gòu)成。為全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的典型構(gòu)成。位置控制位置控制感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器速度反饋速度反饋指令指令脈沖脈沖速度控制速度控制 伺服伺服電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)彈性無間彈性無間隙聯(lián)軸器隙聯(lián)軸器位置反饋位置反饋10.2.2.1 伺服系統(tǒng)的類型伺服系統(tǒng)的類型2. 全閉環(huán)伺服系統(tǒng)全閉環(huán)伺服系統(tǒng) 全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的反饋信號(hào)取自于機(jī)床工作臺(tái)全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的反饋信號(hào)取自于機(jī)床工作臺(tái)(或或刀架刀架) 的實(shí)際位置，所以系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的誤差、環(huán)內(nèi)各元的實(shí)際位置

26、，所以系統(tǒng)傳動(dòng)鏈的誤差、環(huán)內(nèi)各元件件(如絲杠螺母副、導(dǎo)軌副、聯(lián)軸器等如絲杠螺母副、導(dǎo)軌副、聯(lián)軸器等)的誤差以及運(yùn)動(dòng)的誤差以及運(yùn)動(dòng)中造成的誤差都可以得到補(bǔ)償，因此跟隨與定位精度很中造成的誤差都可以得到補(bǔ)償，因此跟隨與定位精度很高高。但系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)整都有較大難度，價(jià)格也較貴，但系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)整都有較大難度，價(jià)格也較貴，只在大型、精密數(shù)控機(jī)床上采用。只在大型、精密數(shù)控機(jī)床上采用。位置控制位置控制感應(yīng)同步器感應(yīng)同步器速度反饋速度反饋指令指令脈沖脈沖速度控制速度控制 伺服伺服電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)彈性無間彈性無間隙聯(lián)軸器隙聯(lián)軸器位置反饋位置反饋10.2.2.1 伺服系統(tǒng)的類型伺服系統(tǒng)的類型3. 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)半

27、閉環(huán)伺服系統(tǒng) 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的反饋信號(hào)取自于系統(tǒng)的中間部位半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的反饋信號(hào)取自于系統(tǒng)的中間部位(如驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上如驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上)，電機(jī)輸出軸到最末端，電機(jī)輸出軸到最末端件件(工作臺(tái)或刀架工作臺(tái)或刀架)之間的誤差，如聯(lián)軸器誤差、絲杠的之間的誤差，如聯(lián)軸器誤差、絲杠的彈性變形及螺距誤差、導(dǎo)軌的摩擦阻尼等都沒有得到補(bǔ)彈性變形及螺距誤差、導(dǎo)軌的摩擦阻尼等都沒有得到補(bǔ)償，所以其精度較低償，所以其精度較低。但系統(tǒng)安裝調(diào)試容易，穩(wěn)定性也但系統(tǒng)安裝調(diào)試容易，穩(wěn)定性也較好，結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，廣泛用于中小型數(shù)控機(jī)床上。較好，結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，廣泛用于中小型數(shù)控機(jī)床上。位置控制位置控制速度

28、反饋速度反饋指令指令脈沖脈沖速度控制速度控制 伺服伺服電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)彈性無間彈性無間隙聯(lián)軸器隙聯(lián)軸器位置反饋位置反饋工作臺(tái)工作臺(tái)10.2.2.1 伺服系統(tǒng)的類型伺服系統(tǒng)的類型4. 雙閉環(huán)伺服系統(tǒng)雙閉環(huán)伺服系統(tǒng) 圖圖10-8所示的全閉環(huán)伺服系統(tǒng)為速度所示的全閉環(huán)伺服系統(tǒng)為速度-位置雙閉環(huán)方位置雙閉環(huán)方式；圖式；圖10-9所示的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)為速度閉環(huán)所示的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)為速度閉環(huán)-位置半閉位置半閉環(huán)方式。圖環(huán)方式。圖10-10所示的為速度所示的為速度-電流環(huán)雙閉環(huán)伺服系統(tǒng)，電流環(huán)雙閉環(huán)伺服系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán)(電流環(huán)電流環(huán)) 的作用是由電流調(diào)節(jié)器對(duì)電動(dòng)機(jī)電樞回路的作用是由電流調(diào)節(jié)器對(duì)電動(dòng)機(jī)電樞回路中引起

29、滯后作用的某些時(shí)間常數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，使動(dòng)態(tài)電流中引起滯后作用的某些時(shí)間常數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，使動(dòng)態(tài)電流按所需的規(guī)律按所需的規(guī)律(通常按一階過渡過程通常按一階過渡過程)變化。變化。速度調(diào)節(jié)器速度調(diào)節(jié)器電流反饋電流反饋電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器 伺服伺服電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)速度反饋速度反饋10.2.2.2 開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路伺服電動(dòng)機(jī)一般用于為實(shí)現(xiàn)給定伺服電動(dòng)機(jī)一般用于為實(shí)現(xiàn)給定空間軌跡空間軌跡運(yùn)行提供動(dòng)運(yùn)行提供動(dòng) 力的部件，其控制系統(tǒng)力的部件，其控制系統(tǒng)(伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng))需結(jié)合絲杠與導(dǎo)軌需結(jié)合絲杠與導(dǎo)軌 等行走機(jī)構(gòu)具體配置。等行走機(jī)構(gòu)具體配置。伺服系統(tǒng)接受來自數(shù)控系統(tǒng)的指令，經(jīng)放大和轉(zhuǎn)換來伺服系統(tǒng)

30、接受來自數(shù)控系統(tǒng)的指令，經(jīng)放大和轉(zhuǎn)換來 驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床上的執(zhí)行件驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床上的執(zhí)行件(工作臺(tái)或刀架工作臺(tái)或刀架)，從而實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn) 預(yù)期的運(yùn)動(dòng)，隨時(shí)將運(yùn)動(dòng)結(jié)果反饋與輸入指令相比較，預(yù)期的運(yùn)動(dòng)，隨時(shí)將運(yùn)動(dòng)結(jié)果反饋與輸入指令相比較， 力求實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與輸入指令之差為零。力求實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與輸入指令之差為零。伺服系統(tǒng)包含功率放大和反饋，不僅控制執(zhí)行件的速伺服系統(tǒng)包含功率放大和反饋，不僅控制執(zhí)行件的速 度、方向，而且控制幾個(gè)執(zhí)行件按一定規(guī)律合成的軌度、方向，而且控制幾個(gè)執(zhí)行件按一定規(guī)律合成的軌 跡運(yùn)動(dòng)。跡運(yùn)動(dòng)。10.2.2 伺服電動(dòng)機(jī)的控制電路伺服電動(dòng)機(jī)的控制電路三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)

31、動(dòng)電路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)稱步進(jìn)電機(jī)，可在開環(huán)條步進(jìn)電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)稱步進(jìn)電機(jī)，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)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(duì)應(yīng)的角位移或線位移，因變成與其相對(duì)應(yīng)的角位移或線位移，因而是控制系統(tǒng)中常用的自動(dòng)化執(zhí)行元件。而是控制系統(tǒng)中常用的自動(dòng)化執(zhí)行元件。 第第10章章 邏輯與數(shù)字控制電路邏輯與數(shù)字控制電路圖圖8-6步進(jìn)電步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控動(dòng)機(jī)控制電路制電路框圖框圖 A+ 步進(jìn)脈沖 脈 功 B+ 沖 率 C+ 步進(jìn)方向 分 放 A 配 大 B 電源控制 電 電 C 路 路 電動(dòng)機(jī)w脈沖分配電路亦稱環(huán)行分配器，用來對(duì)輸入的步脈沖分配電路亦稱環(huán)行分配器，用來對(duì)輸入的步進(jìn)脈沖進(jìn)行

32、邏輯變換，產(chǎn)生給定工作方式所需的各進(jìn)脈沖進(jìn)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(hào)。相脈沖序列信號(hào)。w功率放大電路對(duì)脈沖分配電路輸出的信號(hào)進(jìn)行放功率放大電路對(duì)脈沖分配電路輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，產(chǎn)生使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)所需的激磁電流。大，產(chǎn)生使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)所需的激磁電流。w步進(jìn)方向信號(hào)指定各相導(dǎo)通的先后次序，用以改步進(jìn)方向信號(hào)指定各相導(dǎo)通的先后次序，用以改變步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。變步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。電源控制信號(hào)用來在必要時(shí)使各相電流為零，電源控制信號(hào)用來在必要時(shí)使各相電流為零，以達(dá)到降低功耗等的目的。以達(dá)到降低功耗等的目的。 w 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

33、等構(gòu)成。 w功率放大電路的特性對(duì)步進(jìn)電機(jī)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。 （一）單電壓功率放大電路（一）單電壓功率放大電路 圖圖8-7單電壓功率放大電路單電壓功率放大電路 Ui VD VS R RL RC L IL V +Ec 步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)應(yīng)有三個(gè)功率放大電路單元 圖圖8-8繞組電流繞組電流I L的波形的波形a）Ui頻率低時(shí)頻率低時(shí)b）Ui頻率高時(shí)頻率高時(shí) Ui IL a) Ui IL b)同時(shí)增大外接電阻RC和電源電壓Ec，可使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速高時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩顯著提高，但同時(shí)使功耗急劇增大 功耗的增加

34、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(dòng)電路 （二）斬波穩(wěn)流式功率放大電路（二）斬波穩(wěn)流式功率放大電路 圖圖8-9斬波穩(wěn)流式功率放大電路斬波穩(wěn)流式功率放大電路 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 經(jīng)經(jīng)D觸發(fā)器引入觸發(fā)器引入U(xiǎn)p信號(hào)的主要目的是給信號(hào)的主要目的是給定超聲斬波頻率，以避免單純由定超聲斬波頻率，以避免單純由R6上

35、的上的電壓波動(dòng)來控制電壓波動(dòng)來控制V1通斷引入的不規(guī)則噪通斷引入的不規(guī)則噪聲。聲。 第二節(jié)可編程邏輯器件第二節(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，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。其邏輯功能可由用戶構(gòu)造或設(shè)置。使用使用PLD設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn) 靈活，研制周期縮短，空間尺寸減小，靈活，研制周期縮短，空間尺寸減小，降低系統(tǒng)故障率。降低系統(tǒng)故障率。PLD從其出現(xiàn)至今，經(jīng)歷了由從其出現(xiàn)至今，經(jīng)歷了由PROM、FPLA到到PAL和和GAL的發(fā)展過程。的發(fā)展過程。圖8-10PLD電路單元圖形符號(hào)及其真值表 B = A A A A B D E F C =

36、 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 圖8-11通常與門和PLD與門的圖形符號(hào) A B C A & B D & D C圖8-12通?；蜷T和PLD或門的圖形符號(hào) A B C A 1 B D 1 D C可編程陣列邏輯可編程陣列邏輯PAL（一）（一）PAL器件結(jié)構(gòu)器件結(jié)構(gòu)（二）（二）PAL器件的類型器件的類型（三）（三）PAL器件的應(yīng)用實(shí)例器件的應(yīng)用實(shí)例（一）（一）PAL器件結(jié)構(gòu)器件結(jié)構(gòu)圖圖8-13PAL器件的基本邏輯結(jié)構(gòu)器件的基本邏輯結(jié)構(gòu) 輸入 & & & &

37、amp; & & & & & & & & & & & & 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 （二）（二）PAL器件的類型器件的類型主要分主要分20引腳和引腳和24引腳兩大類，還有引腳兩大類，還有40（或（或44）和）和80（或（或84）引腳的宏）引腳的宏P(guān)AL器器件件 按電路能耗又可分為標(biāo)準(zhǔn)型、半功耗和按電路能耗又可分為標(biāo)準(zhǔn)型、半功耗和1/4功耗型；功耗型；按運(yùn)行速度又可分為標(biāo)準(zhǔn)型、高速和超按運(yùn)行速度又可分為標(biāo)準(zhǔn)型、高速和超

38、高速型；高速型；按可靠性又可分為軍用和民用等。按可靠性又可分為軍用和民用等。 （三）（三）PAL器件的應(yīng)用實(shí)例器件的應(yīng)用實(shí)例圖8-14二相四繞組步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖 +E 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 步進(jìn)時(shí)鐘 CK 環(huán) 功 選中信號(hào) E1 行 Q0 率 A 選中信號(hào) E2 分 Q1 驅(qū) B 初態(tài)設(shè)置 S 配 Q2 動(dòng) C 轉(zhuǎn)向控制 D 電 Q3 電 D 路 路 圖8-15環(huán)行分配器輸出信號(hào)4序邏輯 Q0 1,0 1,1 Q2 0,0 0,1 表8-1 二相四繞組步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)步序 步進(jìn)步序10101010正 轉(zhuǎn)反 轉(zhuǎn) Q0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q31101010102100101103010101014011010011表8-2步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)功能選擇 升沿0001步進(jìn)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)CKE1E2SD狀態(tài)功能任意1任意任意任意保持電動(dòng)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)任意任意1任意任意保持電動(dòng)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)升沿001任意設(shè)置輸出為初狀態(tài)升沿0000步進(jìn)電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)圖8-16電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)步序卡諾圖 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 已知某直流電磁閥的驅(qū)動(dòng)電流為已知某直流電磁閥的驅(qū)動(dòng)電流為6A，用用2