第3章--计算机控制系统的常用硬件6(执行机构)

计算机控制技术——执行机构执行机构的作用在计算机控制系统中，必须将经过采集、转换、处理的被控参量（或状态）与给定值（或事先安排好的动作顺序）进行比较，然后根据偏差来控制有关输出部件，达到自动调节被控量（或状态）的目的。例如，在机床加工工业中，经常控制马达的正反转及其转速，以完成进刀、退刀及走刀的任务。在雷达天线位置跟踪系统中，需要控制伺服阀油缸的位置。在各种温湿度控制系统中，经常需要控制阀门的开闭和开度，以控制液体和气体的流量。在机器人控制系统中，经常要控制各关节上伺服电机的转动方向和速度。在程控交换系统和配料过程控制系统中，经常要控制继电器、接触器，以满足各种动作的需要等等。所有这些伺服电机、马达、阀门、继电器、接触器等输出部件，统称为执行机构，也称为执行装置或执行器。执行机构的作用是接收计算机发出的控制信号，并把它转换成调整机构的动作，使生产过程按照预先规定的要求正常进行。执行机构的种类执行机构有各种各样的形式，按所需能量的形式可分为气动执行机构、电动执行机构和液压执行机构。常用的执行机构为气动和电动的。1．气动执行机构以压缩空气为动力的执行机构称为气动执行机构。气动执行机构主要分为薄膜式与活塞式两大类。薄膜式执行机构应用最广。由于气动执行机构结构简单、价格低，输出推力大，防火防爆，动作可靠，维修方便，适用于防火、防爆场合，因此被广泛应用在化工、炼油生产中，在冶金、电力、纺织等工业部门也得到大量使用。气动执行机构与计算机的连接极为方便，只要将电量信号经电气转换器转换成标准的气压信号之后，即可与气动执行机构配套使用。2．电动执行机构电动执行机构是工程上应用最多、使用最方便的一种执行器，特点是体积小、种类多、使用方便。下面简单介绍几种常用的电动执行机构。1）电磁式继电器它是一种由小电流的通断控制大电流通断的常用开关控制器件，主要由线圈、铁芯、衔铁和触点等部件组成。继电器的触点是与线圈分开的，通过控制继电器线圈上的电流可以使继电器上的触点开关闭合或断开，从而使外部高电压或大电流与微型机隔开。电磁式继电器线圈的驱动电源可以是直流的，也可以是交流的，电压规格也有很多种。输出触点的电流、电压也有很多种规格。电磁式继电器的线圈、触点可以使用各自独立的电源，两者之间相互绝缘，耐压可达千伏以上。它还有很大的电流放大作用，因此，电磁式继电器是一种很好的开关量输出隔离及驱动器件。它的不足是机械式触点动作时间较慢，在开关瞬间触电容易产生火花，引起干扰，减低使用寿命。2）固态继电器在继电器控制中，由于采用电磁吸合方式，在开关瞬间，触点容易产生火花，从而引起干扰；对于交流高压等场合，触点还容易氧化，因而影响系统的可靠性。所以随着微型机控制技术的发展，人们又研究出一种新型的输出控制器件——固态继电器。由于固态继电器输入控制电流小，输出无触点，所以与电磁式继电器相比，具有体积小、重量轻、无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、工作可靠、寿命长等优点，因此，在微机控制系统中得到了广泛的应用，大有取代电磁继电器之势。固态继电器简称SSR（SolidStateRelay），它利用电子技术实现了控制回路与负载回路之间的电隔离和信号耦合，而且没有任何可动部件或触点，却能实现电磁继电器的功能，故称为固态继电器。它实际上是一种带光电耦合器的无触点开关。3）大功率场效应管由于场效应管输入阻抗高，关断漏电流小，响应速度快，而且与同功率继电器相比，体积较小，价格便宜，所以在开关量输出控制中也常作为开关元件使用。大功率场效管包括控制栅极G、漏极D、源极S。对于NPN型场效应管来讲，当G为高电平时，源极与漏极导通，允许电流通过，否则场效应管关断。4）晶闸管又称可控硅（SiliconControlledRectifier，简称SCR），是一种大功率的半导体器件，具有体积小、效率高、寿命长，用小功率控制大功率、开关无触点等特点，在交直流电机调速系统、调功系统、随动系统中应用广泛。单向晶闸管具有单向导电功能，在控制系统中多用于直流大电流场合，也可在交流系统中用于大功率整流回路。双向晶闸管也叫三端双向可控硅，在结构上相当于两个单向晶闸管的反向并联，但共享一个控制极，具有双向导通功能，因此特别适用于交流大电流场合。5）电磁阀电磁阀是在气体或液体流动的管路中受电磁力控制开闭的阀体。广泛应用于液压机械、空调系统、热水器、自动机床等系统中。它由线圈、固定铁芯、可动铁芯和阀体等组成。当线圈不通电时，可动铁芯受弹簧作用与固定铁芯脱离，阀门处于关闭状态；当线圈通电时，可动铁芯克服弹簧力的作用而与固定铁芯吸合，阀门处于打开状态。这样，就控制了液体和气体的流动。再通过流动的液体或气体推动油缸或汽缸来实现物体的机械运动。电磁阀通常是处于关闭状态的，通电时才开启，以避免电磁铁长时间通电而发热烧毁。但也有例外，当电磁铁用于紧急切断时，则必须使其平常开启，通电时关闭。这种紧急切断用的电磁阀，在结构上与普通电磁阀有所不同，必须采取一些特殊措施。电磁阀有交流和直流之分。交流电磁阀使用方便，但容易产生颤动，启动电流大，并会引起发热。直流电磁阀工作可靠，但需专门的直流电源，电压分12V、24V和48V。6）调节阀它是用电动机带动执行机构连续动作以控制开度大小的阀门，又称为电动阀。调节阀由于电动机行程可完成直线行程也可完成旋转的角度行程，所以可以带动直线移动的调节阀如直通单座阀、直通双座阀、三通阀、隔膜阀、角形阀等，也可以带动叶片旋转阀芯的蝶形阀。根据流体力学的观点，调节阀是一个局部阻力可变的节流元件。通过改变阀心的行程可改变调节阀的阻力系数，从而达到控制流量的目的。7）伺服电机伺服电机也称为执行电动机，是控制系统中应用十分广泛的一类执行元件。它可以将输入的电压信号变换为轴上的角位移和角速度输出。在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；信号消失之后，转子又能即时自行停转。由于这种“伺服”性能，因而将这种控制性能较好、功率不大的电动机称做伺服电动机。8）步进电机步进电机是工业过程控制和仪器仪表中重要的控制元件之一，它是一种将电脉冲信号转换为直线位移或角位移的执行器。步进电机按其运动方式可分为旋转式步进电机和直线式步进电机，前者每输入一个电脉冲转换成一定的角位移，后者每输入一个电脉冲转换成一定的直线位移。步进电机的工作速度与电脉冲频率成正比，基本上不受电压、负载及环境条件变化的影响，与一般电机相比能够提供较高精度的位移和速度控制。此外，步进电机还有快速启停的显著特点，并能直接接收来自计算机的数字信号，而不需经过D/A转换，使用十分方便，所以在定位场合中得到了广泛的应用。如在数控线切割机床上用于带动丝杠，控制工作台运动；在绘图仪、打印机、光学仪器中用于定位绘图笔、打印头、光学镜头等。步进电动机控制器步进电动机驱动器步进电动机执行机构的驱动就接口技术而言，执行装置的接口与一般输出设备的接口没什么两样，主要差别在于，要想驱动它们，必须具有较大的输出功率，这就要求接口不仅能与微型机的TTL、CMOS等器件连接，而且能向执行装置提供大电流、高电压驱动信号，以带动其动作。另一方面，由于各种执行装置的动作原理不尽相同，有的用电动，有的用气动或液压，因此如何使微型机输出的信号与之匹配，也是执行装置接口必须解决的重要问题。在各种执行装置的接口中，为了实现与执行装置的功率配合，一般都要在微机输出口（包括数据总线及I/O接口）与执行装置之间增加一级驱动器。1．继电器的驱动控制方法电磁继电器方式的开关量输出是一种最常用的输出方式，通过弱电控制外界交流或直流的高电压、大电流设备。继电器驱动电路的设计要根据所用继电器线圈的吸合电压和电流而定，控制电流一定要大于继电器的吸合电流才能使继电器可靠地工作。虽然继电器本身带有一定的隔离作用，但在与微型机接口时通常还是采用光电隔离器进行隔离。常用的接口驱动电路如图3-25所示。当开关量PC0输出为高电平时，经反向驱动器7404变为低电平，使光耦隔离器的发光二极管发光，从而使光敏三极管导通，同时使三极管9013导通，因而使继电器J的线圈通电，继电器常开触点J1-1闭合，使交流220V电源接通，从而驱动大型负荷设备；反之，当PC0输出低电压时，使J1-1断开。2．固态继电器的驱动控制方法直流SSR主要用于带动直流负载的场合，如直流电动机控制，直流步进电机控制和电磁口等。交流型SSR采用双相可控硅作为开关器件，用于交流大功率驱动场合，如交流电动机控制、交流电磁阀控制等。图3-26为一种常用的直流固态继电器驱动电路，当数据线Di输出数字“0”即低电平时，经7406反相变为高电平，使NPN型三极管导通，SSR输入端得电则输出端接通大型交流负荷设备RL。3．晶闸管的驱动控制方法晶闸管常用于高电压大电流的负载，在实际使用时要采用光电隔离措施，触发脉冲电压应大于4V，脉冲宽度应大于20μs。在微型机控制系统中，常用I/O接口的某一位产生触发脉冲。为了提高效率，要求触发脉冲与交流同步。通常采用检测交流电过零点来实现。图4-33为经光耦隔离的双向晶闸管输出驱动电路，当CPU数据线Di输出高电平“1”时，经7406反相变为低电平，光耦二极管导通，使光敏晶闸管导通，导通电流再触发双向晶闸管导通，从而驱动大型交流负荷设备RL。4．电磁阀的驱动控制方法由于电磁阀也是由线圈的通断电来控制的，其工作原理与继电器基本相同，都是带动活动芯运动，故其与微型机的接口与继电器相同，也是由光电隔离及开关电路等来控制的。对于交流电磁阀，由于线圈要求是交流电，所以通常使用双向可控硅驱动或使用一个直流继电器作为中间继电器控制。图3-29为交流电磁阀接口电路图。交流电磁阀线圈由双向可控硅KS驱动。光电隔离器MOC3041的作用是触发双向晶闸管KS以及隔离微型机和电磁阀系统。光电隔离器的输入端接7407，由8255的PC0控制。当PC0输出为低电平时，双向晶闸管KS导通，电磁阀吸合；PC0输出高电平时，双向晶闸管KS关断，电磁阀释放。MOC3041内部带有过零电路，因此双向晶闸管KS工作在过零触发方式。5．步进电机的驱动控制方法典型的步进电机控制系统如图3-30所示。步进电机控制系统主要是由步进控制器、功率放大器及步进电机组成。步进控制器是由缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑及正、反转控制门等组成。它的作用就是能把输入的脉冲转换成环型脉冲，以便控制步进电机，并能进行正、反向控制。功率放大器的作用是把控制器输出的环型脉冲加以放大，以驱动步进电机转动。在这种控制方式中，由于步进控制器线路复杂、成本高，因而限制了它的应用。如果采用计算机控制系统，由软件代替上述步进控制器，则问题将大大简化。这不仅简化了线路，降低了成本，而且可靠性也大为提高。特别是采用微型机控制，更可以根据系统的需要灵活改变步进电机的控制方案，使用起来很方便。典型的微型机控制步进电机系统原理图如图3-31所示。图3-30与图3-31相比，主要区别在于用微型机代替了步进控制器。因此，微型机的主要作用就是把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实现方向控制。每当步进电机脉冲输入线上得到一个脉冲，它便沿着转向控制线信号所确定的方向走一步。只要负载是在步进电机允许的范围之内，那么，每个脉冲将使电动机转动一个固定的步距角度，根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始位置，便可预知步进电机的最终位置。