大功率驱动电路

功率驱动电路1三极管驱动电路2继电器驱动电路3晶闸管驱动电路4固态继电器驱动电路5直流电动机驱动接口电路6步进电动机及驱动电路引言数字量输出通道简称DO通道，它的任务是把计算机输出的微弱数字信号转换成能对生产过程进行控制的数字驱动信号。根据现场负荷的不同，如指示灯、继电器、接触器、电机、阀门等，可以选用不同的功率放大器件构成不同的开关量驱动输出通道。常用的有三极管输出驱动电路、继电器输出驱动电路、晶闸管输出驱动电路、固态继电器输出驱动电路等。对于低压情况下的小电流开关量，用功率三极管就可作开关驱动组件，其输出电流就是输入电流与三极管增益的乘积。三极管驱动电路1.普通三极管驱动电路当驱动电流只有十几mA或几十mA时，只要采用一个普通的功率三极管就能构成驱动电路，如图3-7-1所示。2.达林顿驱动电路当驱动电流需要达到几百毫安时，如驱动中功率继电器、电磁开关等装置，输出电路必须采取多级放大或提高三极管增益的办法。达林顿阵列驱动器是由多对两个三极管组成的达林顿复合管构成，它具有高输入阻抗、高增益、输出功率大及保护措施完善的特点，同时多对复合管也非常适用于计算机控制系统中的多路负荷。图3-7-2给出达林顿阵列驱动器MC1416的结构图与每对复合管的内部结构，MC1416内含7对达林顿复合管，每个复合管的集电极电流可达500mA，截止时能承受100V电压，其输入输出端均有箝位二极管，输出箝位二极管D2抑制高电位上发生的正向过冲，D1、D3可抑制低电平上的负向过冲。图3-7-3为达林顿阵列驱动中的一路驱动电路，当CPU数据线Di输出数字“0”即低电平时，经7406反相锁存器变为高电平，使达林顿复合管导通，产生的几百毫安集电极电流足以驱动负载线圈，而且利用复合管内的保护二极管构成了负荷线圈断电时产生的反向电动势的泄流回路。继电器驱动电路电磁继电器主要由线圈、铁心、衔铁和触点等部件组成，简称为继电器，它分为电压继电器、电流继电器、中间继电器等几种类型。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。常用的继电器有电压继电器、电流继电器、中间继电器等几种类型。由于继电器线圈需要一定的电流才能动作，所以必须采取措施加以驱动。继电器的驱动电路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，一定要大于继电器的吸合电流才能使继电器可靠地工作。图3-7-5为经光耦隔离器的继电器输出驱动电路，当CPU数据线Di输出数字“1”即高电平时，经7406反相驱动器变为低电平，光耦隔离器的发光二极管导通且发光，使光敏三极管导通，继电器线圈KA得电，动合触点闭合，从而驱动大型负荷设备。由于继电器线圈是电感性负载，当电路突然关断时，会出现较高的电感性浪涌电压，为了保护驱动器件，应在继电器线圈两端并联一个阻尼二极管，为电感线圈提供一个电流泄放回路。cVpV耦光6047KA220V图4-9继电器输出驱动电路Di晶闸管驱动电路晶闸管又称可控硅（SCR），是一种大功率的半导体器件，具有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。晶闸管是一个三端器件，其符号表示如图3-7-6所示，（a）为单向晶闸管，有阳极A、阴极K、控制极（门极）G三个极。当阳、阴极之间加正压时，控制极与阴极两端也施加正压使控制极电流增大到触发电流值时，晶闸管由截止转为导通；只有在阳、阴极间施加反向电压或阳极电流减小到维持电流以下，晶闸管才由导通变为截止。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，结构如图（b）所示。当两个电极T1、T2之间的电压大于1.5V时，不论极性如何，便可利用控制极G触发电流控制其导通。双向晶闸管具有双向导通功能，因此特别适用于交流大电流场合。晶闸管常用于高电压大电流的负载，不适宜与CPU直接相连，在实际使用时要采用隔离措施。图3-7-7为经光耦隔离的双向晶闸管输出驱动电路，当CPU数据线Di输出数字“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。固态继电器驱动电路固态继电器SSRSolidStateRelay是一种新型的无触点开关的电子继电器，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。它具有体积小、开关速度快、无机械噪声、无抖动和回跳、寿命长等传统继电器无法比拟的优点，在计算机控制系统中得到广泛的应用，大有取代电磁继电器之势。固态继电器SSR是一个四端组件，有两个输入端、两个输出端，其内部结构类似于图3-7-7中的晶闸管输出驱动电路。图3-7-8所示为其结构原理图，共由五部分组成。光耦隔离电路的作用是在输入与输出之间起信号传递作用，同时使两端在电气上完全隔离；控制触发电路是为后级提供一个触发信号，使电子开关（三极管或晶闸管）能可靠地导通；电子开关电路用来接通或关断直流或交流负载电源；吸收保护电路的功能是为了防止电源的尖峰和浪涌对开关电路产生干扰造成开关的误动作或损害，一般由RC串联网络和压敏电阻组成；零压检测电路是为交流型SSR过零触发而设置的。SSR的输入端与晶体管、TTL、CMOS电路兼容，输出端利用器件内的电子开关来接通和断开负载。工作时只要在输入端施加一定的弱电信号，就可以控制输出端大电流负载的通断。SSR的输出端可以是直流也可以是交流，分别称为直流型SSR和交流型SSR。直流型SSR内部的开关组件为功率三极管，交流型SSR内部的开关组件为双向晶闸管。而交流型SSR按控制触发方式不同又可分为过零型和移相型两种，其中应用最广泛的是过零型。过零型交流SSR是指当输入端加入控制信号后，需等待负载电源电压过零时，SSR才为导通状态；而断开控制信号后，也要等待交流电压过零时，SSR才为断开状态。移相型交流SSR的断开条件同过零型交流SSR，但其导通条件简单，只要加入控制信号，不管负载电流相位如何，立即导通。直流型SSR的输入控制信号与输出完全同步。直流型SSR主要用于直流大功率控制。一般取输入电压为4~32V，输入电流5~10mA。它的输出端为晶体管输出，输出工作电压为30~180V。交流型SSR主要用于交流大功率控制。一般取输入电压为4.32V，输入电流小于500mA。它的输出端为双向晶闸管，一般额定电流在1A到几百A范围内，电压多为380V或220V。图3-7-9为一种常用的固态继电器驱动电路，当数据线Di输出数字“0”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。非过零型导通时间立即导通过零型导通时间过零型导通时间关断时间相同，在过零时交流电源波形控制信号SSR两端的电压在导通时为0。非过零型SSR，加上控制信号便导通交流SSR输出波形如下图所示当然，在实际使用中，要特别注意固态继电器的过电流与过电压保护以及浪涌电流的承受等工程问题，在选用固态继电器的额定工作电流与额定工作电压时，一般要远大于实际负载的电流与电压，而且输出驱动电路中仍要考虑增加阻容吸收组件。具体电路与参数请参考生产厂家有关手册。直流电动机驱动接口电路电动机控制技术概述电动机是被广泛应用的原动机电动机的控制要求越来越高：启、停、逆转快速，调速快、准。电动机控制器的发展：电机控制元件经历了从交流放大器到磁放大器、可控离子变速器、可控硅、计算机控制。计算机控制又分为微机控制系统、单片机控制装置和专用控制板卡等，并且采用了复杂的控制算法。脉冲宽度调制技术，在直流小功率电动机调速中已经成熟，在直流中、小功率方面正在迅速取代可控硅SCR直流调速系统，但在交流和大功率电动机调速方面尚属研究中。电动机调速的发展趋势：微型化、智能化、一体化，即将以微型计算机（单片机）为核心的控制器做到电动机上。直流电动机驱动接口电路（1）本部分主要内容1、小功率直流电动机调速原理2、开环脉冲宽度调速系统3、脉冲宽度调速系统设计4、闭环脉冲宽度调速系统5、交流电动机控制接口技术直流电动机驱动接口电路（2）一小功率直流电动机调速原理脉冲宽度调制（PulseWidthModulation）PWM原理小功率直流电动机由转子和定子组成，定子可以是磁极或励磁绕组。其转速与加在转子电枢上的电压Ua有关，Ua↑→转速V↑；所加电压极性改变，则电动机反转。据此原理，通过改变电动机电枢电压接通和断开的时间比（即占空比）来控制电动机的转速，这种方法就称为脉冲宽度调制PWM。脉宽调制转速公式（平均转速）：Vd=Vmax*DVd----电动机平均转速Vmax全通电时速度（最大）D=t1/T----占空比，t1是通电时间，T是脉宽周期。D≤1。Vd∝D，与单纯的周期T无关Vd与D的关系如下页图所示直流电动机驱动接口电路（3）定子绕组及产生的磁场转子电枢直流电动机驱动接口电路（4）Vd与D只是近似的线性关系，与单纯的周期T无关（与步进电机的调速脉冲不同，步进电机的转速与脉冲频率成正比）。在D不变的情况下，T越小，电机转速越平稳。直流电动机驱动接口电路（5）二开环脉冲宽度调速系统1、开环脉冲宽度调速系统的组成由五部分组成：（1）占空比D的设定1）用电位器调节、2）用拨码开关、3）用数字键盘（2）脉冲宽度发生器软件编程（3）驱动器TTL放大电路（4）电子开关用晶体管、场效应管、可控硅、继电器（5）电动机直流电动机驱动接口电路（6）2、电动机控制接口上图中的第3、4两部分即为接口部分。直流电机与微机的接口有以下4种方法：（1）光电隔离器+大功率场效应管适用于自己开发的系统，价格低（2）固态继电器适用于自己开发的系统，价格低（3）专用接口芯片如L290、L291、L292等，价高、但可靠（4）专用接口板如7501、7502，主要用于STD或PC机系统如用单片机控制，即可产生并输出调制脉冲，再加上光电隔离器+大功率场效应管，或者加上固态继电器就构成了接口部件和脉宽调速控制器。直流电动机驱动接口电路（7）三脉冲宽度调速系统设计一、脉宽占空比设计由脉宽调制转速公式：Vd=Vmax*D电动机平均转速Vd、全通电时速度Vmax已知，对于给定的平均转速Vd，便可计算出占空比D。占空比D=t1/T，t1是通电时间，t2是断电时间。脉宽周期T=t1+t21、软件计数法设单位时间（t0）计一个数，则通电时间t1计数N1=t1/t0，断电时间t2计数N2=t2/t0，在脉冲输出端，输出高电平计数N1，输出低电平计数N2，并让输出端如此循环输出即可。2、硬件计数法用硬件计数器计数，分别输出高电平和低电平，也如此循环输出即可。直流电动机驱动接口电路（8）二、电动机转动控制原理正转：SW1、SW4闭合反转：SW2、SW3闭合刹车：SW2、SW4闭合（或SW1、SW3闭合）滑行：SW1、SW2、SW3、SW4全部断开三、电动机控制接口电路控制数据运转状态开关状态PA1PA0SW1SW2SW3SW410正转100101反转011011刹车010100滑行0000双向控制电动机工作状态真值表PA0、PA1为0时，SW1、SW3才有可能导通SWx状态：PA0、1为1时导通，为0时截止SWx用的是场效应管PB0---PB7：设置脉冲宽度，即方波的占空比74LS125：四总线三态缓冲器直流电动机驱动接口电路四、控制系统的软件设计1、流程图（右图）2、汇编程序设定占空比（或转速）通电时间断电时间直流电动机驱动接口电路（11）为了提高电动机脉冲宽度调速系统的精度，通常采用闭环脉冲宽度调速系统。闭环系统是在开环系统的基础上增加了电动机的速度检测回路，意在将检测到的速度与给定值比较，并由数字调节器（PID）进行