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测控电路第七章控制电路 主讲：许德章博士、教授第一节逻辑控制电路第一节逻辑控制电路功率开关驱动电路按功率器件类型分：晶体管驱动电路场效应管驱动电路晶闸管驱动电路按负载类型：电阻性负载驱动电路电感性负载驱动电路按负载电源类型分：直流电源负载驱动电路交流电源负载驱动电路驱动对象功率开关驱动电路 继电器与电磁阀驱动电路步进电动机驱动电路第一节逻辑控制电路第一节逻辑控制电路一、晶体管驱动电路负载所需的电流不太大，一般适用5以内小功率直流电阻或电感性负载驱动。第一节逻辑控制电路第一节逻辑控制电路设计要点设计要点: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 值之间的数值关值之间的数值关系，充分满足：系，充分满足：I b I L/，可确保可确保V导通时工作于饱和导通时工作于饱和区，以降低区，以降低V的导通电阻及减小功耗。的导通电阻及减小功耗。第一节逻辑控制电路第一节逻辑控制电路二、场效应管驱动电路二、场效应管驱动电路 用于功率驱动电路的场效应晶体管称为功率场效应晶体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。功率场效应晶体管是电压控制器件，具有很高的输入阻管。功率场效应晶体管是电压控制器件，具有很高的输入阻抗，所需的驱动功率很小，对驱动电路要求较低。功率场效抗，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启阈值电压，有较高的噪声容限和抗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扰能力，适用于干扰能力，适用于10以内小功率直流电阻或电感性负载驱以内小功率直流电阻或电感性负载驱动。场效应晶体管大多数为绝缘栅型场效应管，亦称动。场效应晶体管大多数为绝缘栅型场效应管，亦称MOS场场效应管。功率场效应晶体管在制造中多采用效应管。功率场效应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b)a)漏极 D 栅极G VDS 源极S第一节逻辑控制电路第一节逻辑控制电路第一节逻辑控制电路第一节逻辑控制电路三、晶闸管驱动电路三、晶闸管驱动电路交流负载的功率驱动电路，通常采用晶闸管来交流负载的功率驱动电路，通常采用晶闸管来构成。晶闸管有单向晶闸管和双向晶闸管两种类型。构成。晶闸管有单向晶闸管和双向晶闸管两种类型。导通条件：导通条件：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，晶闸管即进入关断状态。晶闸管即进入关断状态。关断条件：关断条件：在阳极在阳极A与阴极与阴极K之间加正向电压，之间加正向电压，同时在门极同时在门极G与阴极与阴极K之间加正向电压（触发），这之间加正向电压（触发），这样阳极样阳极A与阴极与阴极K之间即进入导通状态。晶闸管一旦之间即进入导通状态。晶闸管一旦导通，只要阳极导通，只要阳极A与阴极与阴极K之间的电流不小于其维持之间的电流不小于其维持电流电流IH，门极门极G与阴极与阴极K之间是否还存在正向电压，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响。对已经导通的晶闸管完全没有影响。与单向晶闸管相比较，双向晶闸管主要区别是：与单向晶闸管相比较，双向晶闸管主要区别是：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，只要绝对值达到触发门限值即可使双触发电压不分极性，只要绝对值达到触发门限值即可使双向晶闸管导通。向晶闸管导通。第一节逻辑控制电路第一节逻辑控制电路继电器与电磁阀驱动电路继电器与电磁阀驱动电路1、继电器驱动电路、继电器驱动电路继电器广泛用于生产控制和电力系统中，具有接触电阻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等优点，至今仍无法用无触点器件小、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取代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。继电器励磁线圈所需的励磁电源有直流与交流两种。的控制。继电器励磁线圈所需的励磁电源有直流与交流两种。实用中应注意实用中应注意:如果驱动的是感性负载，必须设置合理的关断泄流回路，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件，另外也可起到消除对外电磁干扰的一方面可保护开关器件，另外也可起到消除对外电磁干扰的作用。作用。图图8-5交流继电器的控制交流继电器的控制 第一节逻辑控制电路第一节逻辑控制电路第一节逻辑控制电路第一节逻辑控制电路步进电机驱动电路步进电机驱动电路步进电动机简称步进电机，可在开环条件下十分方便地将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变成与其相对应的角位移或线位移，因而数字系统的脉冲数转变成与其相对应的角位移或线位移，因而是控制系统中常用的自动化执行元件。是控制系统中常用的自动化执行元件。v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。第一节逻辑控制电路第一节逻辑控制电路图图8-7单电压功率放大电路单电压功率放大电路 1、单电压功率放大电路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。第一节逻辑控制电路第一节逻辑控制电路图图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 第一节逻辑控制电路第一节逻辑控制电路v同时增大外接电阻RC和电源电压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。v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。第一节逻辑控制电路第一节逻辑控制电路第一节逻辑控制电路第一节逻辑控制电路2、斩波稳流式功率放大电路、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 v经经D触发器引入触发器引入Up信号的主要目的是给定超信号的主要目的是给定超声斩波频率，以避免单纯由声斩波频率，以避免单纯由R6上的电压波动上的电压波动来控制来控制V1通断引入的不规则噪声。通断引入的不规则噪声。第一节逻辑控制电路第一节逻辑控制电路第一节逻辑控制电路第一节逻辑控制电路 +ECVD ZL ILR1 VUiVS8.1 已知某直流电磁阀的驱动电流已知某直流电磁阀的驱动电流为为6A，用用2mA的标准的标准TTL电平实电平实施控制，试设计一合适的驱动电路施控制，试设计一合适的驱动电路。按照图组成电路：其中场效应按照图组成电路：其中场效应晶体管晶体管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)；泄泄流二极管流二极管VD需耐压需耐压200(V)，极限极限工作电流工作电流10(A)；箝位二极管箝位二极管VS的的箝位电压为箝位电压为6.8(V)，极限工作电流极限工作电流100(mA)；电阻电阻R1为为510()，电源，电源Ec按照直流电磁阀的要求取定。按照直流电磁阀的要求取定。第二节脉宽调制控制电路连续信号控制电路将交流信号连续变换成直流信号，或者将直流信号连续变换成交流信号来达到控制的目的，实现这种控制的电路称为连续信号控制电路。在实际应用中，连续信号控制电路主要是指直流电动机调速、交流电动机调速和功率电源控制中的导电角控制电路、脉宽调制控制电路、变频控制电路和电源程控电路等。第二节脉宽调制控制电路测量电路测量电路 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 开环控制特点：精度不高、对扰动的测量误差影响控制精度、扰动模型的不精确性影响控制精度。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第二节脉宽调制控制电路第二节脉宽调制控制电路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要一段时间，为了提高响应速度常引入微分环节。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正电路，视需要可能再次放大。第二节脉宽调制控制电路脉宽调制的原理脉宽调制的原理 一、脉宽调制控制电路的工作原理一、脉宽调制控制电路的工作原理1、电压脉宽变换器、电压脉宽变换器其功能是根据指令对脉宽进行调制。它是由三角波发生其功能是根据指令对脉宽进行调制。它是由三角波发生器、加法器、比较器三部分组成。器、加法器、比较器三部分组成。2、功率开关放大器、功率开关放大器由由H桥组成，实现对电机绕组电流的双向控制。桥组成，实现对电机绕组电流的双向控制。+N-R2R3RPR1RLUPu0ukUbECULVVD图9-8 PWM控制电路原理第二节脉宽调制控制电路+1.2V-1.2VtttttttttOOOOOOOOOuo1uo1uo1uo2uo2uo2uk-uPuk-uPuk-uPukuk图9-13 单极性脉宽调制器输出波形 a)uk=0 b)uk0 c)uk0a)b)c)第二节脉宽调制控制电路图9-10 PWM控制负载的波形图tt2T2TTTT+T+OOuLuLULULEE第二节脉宽调制控制电路第二节脉宽调制控制电路典型脉宽调制电路典型脉宽调制电路一、一、锯齿波脉宽调制器锯齿波脉宽调制器 二、三角波脉宽调制器二、三角波脉宽调制器 三、数字式脉宽调制器三、数字式脉宽调制器+-N1+N2-+R3R1R2CRPR5R6R7R9R8R10R13R11R14R12R15R16R17R18VS1VS2VD1VD2baV1V2V3V4V5uk+Ecuo1-Ecuo2uPR4图9-12 三角波脉宽调制器电路 第二节脉宽调制控制电路图9-9 锯齿波脉宽调制波形图 a)b)c)ttttttttOOOOOtOOOOTTTuPuPuPubububuP+uk+u0uP+uk+u0uP+uk+u0式中 ukm控制信号uk的最大值。第二节脉宽调制控制电路第二节脉宽调制控制电路数字式脉宽调制器可随控制信号的变化而改变脉冲序列数字式脉宽调制器可随控制信号的变化而改变脉冲序列的占空比的占空比/T。在数字式脉宽调制器中，控制信号是数字，在数字式脉宽调制器中，控制信号是数字，其值确定脉冲的宽度。当维持调制脉冲序列的周期不变，通其值确定脉冲的宽度。当维持调制脉冲序列的周期不变，通过改变脉冲的宽度，就能达到改变占空比过改变脉冲的宽度，就能达到改变占空比/T的目的。的目的。用微处理机来实现数字脉宽调制极其容易，通常的方法有两用微处理机来实现数字脉宽调制极其容易，通常的方法有两种：种：1)用软件方式来实现，即通过执行软件延时循环程序交替改用软件方式来实现，即通过执行软件延时循环程序交替改变端口某个二进制位输出逻辑状态来产生脉宽调制信号，设变端口某个二进制位输出逻辑状态来产生脉宽调制信号，设置不同的延时时间得到不同的占空比。置不同的延时时间得到不同的占空比。优点：简单、灵活、省硬件优点：简单、灵活、省硬件 缺点：需要占用缺点：需要占用CPU许多处理时间，对微处理机的速度要许多处理时间，对微处理机的速度要求很高，于控制不利；求很高，于控制不利；2)用硬件电路自动产生用硬件电路自动产生PWM信号，不占用信号，不占用CPU处理的时间。处理的时间。第二节脉宽调制控制电路脉宽（脉冲宽度）调制器是一个自动的电压脉宽（脉冲宽度）调制器是一个自动的电压-脉宽变换器脉宽变换器(亦称亦称V/W电路电路)。对它的基本要求是死区要小，调宽脉冲的前。对它的基本要求是死区要小，调宽脉冲的前后沿的斜率要大，也就是比较器的灵敏度要足够高。后沿的斜率要大，也就是比较器的灵敏度要足够高。在设计脉宽调制器的实际电路时，应使其简单、可靠，且在设计脉宽调制器的实际电路时，应使其简单、可靠，且不受外界干扰。比较器的灵敏度与系统的控制模式、实际控制不受外界干扰。比较器的灵敏度与系统的控制模式、实际控制系统的具体要求等有关，应综合考虑，否则在整个系统的线路系统的具体要求等有关，应综合考虑，否则在整个系统的线路处理上会带来一定困难。同时还需考虑与功率转换电路的耦合处理上会带来一定困难。同时还需考虑与功率转换电路的耦合问题。问题。第二节脉宽调制控制电路 PWM功率驱动电路功率驱动电路根据调制脉冲的极性可分为：根据调制脉冲的极性可分为：单极式单极式双极式双极式根据载波信号和基准信号的频率之间的关系，又可分为：根据载波信号和基准信号的频率之间的关系，又可分为：同步式同步式异步式异步式一、一、简单的不可逆简单的不可逆PWM控制电路控制电路电机只能单向转动、调速。电机只能单向转动、调速。二、二、制动不可逆制动不可逆PWM控制电路控制电路 电机只能单向转动、调速、可以制动。电机只能单向转动、调速、可以制动。三、三、H型双极式可逆型双极式可逆PWM控制电路控制电路电机能双向转动、调速。电机能双向转动、调速。四、四、T型双极式可逆型双极式可逆PWM控制电路控制电路 电机可双向转动、调速，但需要正、负电源。电机可双向转动、调速，但需要正、负电源。第二节脉宽调制控制电路第二节脉宽调制控制电路VD1M-ubVD2V+iaED+ECiaua,EuaUaEDia图9-15 简单不可逆PWM控制电路及其波形 a）电路原理图 b）电流和电压波形 v在这种简单的在这种简单的PWM控制电路中，电动机的电控制电路中，电动机的电枢电流是不能反向流动的，即无制动工作状枢电流是不能反向流动的，即无制动工作状态，一般仅适用于快速性要求不高的场合。态，一般仅适用于快速性要求不高的场合。而且，这种电路在轻载而且，这种电路在轻载(或空载或空载)情况下还可情况下还可能出现电枢电流断续的现象。能出现电枢电流断续的现象。第二节脉宽调制控制电路第二节脉宽调制控制电路+-Ea)BMV1V2VD1VD2ACEDub1ub21234b)ub1=-ub2ub1ub2TtOV1V1VD2tTEEDUaiaia,u112Oiaa)电路原理图b)电动状态电压和电流波形c)tTOtTub2ub1ub1=-ub2VD1VD1V2V2OEEDUaia3344ia,ud)tOia34121Tt1t24图9-16 制动不可逆PWM控制电路及其波形c)制动状态电压和电流波形d)电动和制动交替状态电流波形第二节脉宽调制控制电路第二节脉宽调制控制电路vH型控制电路在控制方式上分双极式、单极型控制电路在控制方式上分双极式、单极式和受限单极式三种。式和受限单极式三种。ub1,ub4411-E2211tttttOOOOOub2,ub3TEiauABia3ub2ub44M2V1V3V4V2VD3VD2VD1VD4ub1ub3EiaAB13（重载）（轻载）4图9-17 H型双极式PWM控制电路及其波形a）电路原理图 b）电压电流波形 第二节脉宽调制控制电路本章结束作业：8.1、9.4、9.6测控电路参考文献1.张国雄 金篆芷主编，测控电路，机械工业出版，20002.张国雄 沈生培主编，精密仪器电路，机械工业出版，19883.康华光主编，电子技术基础，北京，高等教育出版社，19994.李永敏主编，检测仪器电子电路，西北工业大学出版社，19945.张国雄、赵美蓉、李刚等，测控电路，国家精品课程电子教案，天津大学