一文知道機(jī)電一體化系統(tǒng)的接口

在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，系統(tǒng)總體技術(shù)主要研究內(nèi)容是：系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和評價(jià)；接口技術(shù)；精度設(shè)計(jì)；可靠性分析和設(shè)計(jì)；人機(jī)工程設(shè)計(jì)。

一、接口的定義和分類

定義：狹義接口是指計(jì)算機(jī)接口；廣義接口：在系統(tǒng)各要素或子系統(tǒng)之間，必須平穩(wěn)地進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的輸入和輸出。因此在相互連接要素的交接面上必須具備相應(yīng)的某些條件，才能連接，該交接面稱為接口。

接口可分為直接接口和接口系統(tǒng)兩種形式。

圖1 直接接口與接口系統(tǒng)

常用接口的分類方法：

1.根據(jù)接口的變換和調(diào)整功能，可將接口分為零接口、被動(dòng)接口、主動(dòng)接口和智能接口；

2.根據(jù)接口的輸入/輸出對象，可將接口分為機(jī)械接口、電氣接口、信息接口與環(huán)境接口等；

3.根據(jù)接口的輸入/輸出類型，可將接口分為數(shù)字接口、開關(guān)接口、模擬接口和脈沖接口。

二、電氣接口

按照在系統(tǒng)中所起的作用，分為輸入接口、輸出接口；信號轉(zhuǎn)換與隔離接口；設(shè)備專用接口；通信顯示接口。

（一）、異步串行通信接口

RS-232C；接口信號、電氣特性、電平轉(zhuǎn)換

RS-499，RS-422A，RS-423A，RS-485；

20mA電流環(huán)

（二）常用接口元件

1.光電耦合器

在控制微機(jī)和功率放大電路之間，常常使用光電耦合器。光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，當(dāng)在發(fā)光二極管二端加正向電壓時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，照射光敏晶體管使之導(dǎo)通，產(chǎn)生輸出信號。

光電耦合器的信號傳遞采取電-光-電形式，發(fā)光部分和受光部分不接觸，因此其絕緣電阻可高達(dá)1010W以上，并能承受200OV以上的高壓，被耦合的兩個(gè)部分可以自成系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)電部分和弱電部分隔離，避免干擾由輸出通道竄入控制微機(jī)。光電耦合器的發(fā)光二極管是電流驅(qū)動(dòng)器件，能夠吸收尖峰干擾信號，所以具有很強(qiáng)的抑制干擾能力。

光電耦合器作為開關(guān)應(yīng)用時(shí)，具有耐用、可靠性高和高速等優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間一般為數(shù)微秒以內(nèi)，高速型光電耦合器的響應(yīng)時(shí)間有的甚至小于10ns 。

圖2 光電耦合器件

圖b是光電耦合器的接口電路，圖中的VT1是大功率晶體管，W是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、接觸器等的線圈，VD2 是續(xù)流二極管。若無二極管VD2，當(dāng) VT1 由導(dǎo)通到截止時(shí)，由換路定則可知，電感W的電流不能突然變?yōu)?，它將強(qiáng)迫通過晶體管VT1 。由于VT1 處于截止?fàn)顟B(tài)，在VT1 兩端產(chǎn)生非常大的電壓，有可能擊穿晶體管。若有續(xù)流管VD2，則為W 的電流提供了通路，電流不會強(qiáng)迫流過晶體管，從而保護(hù)了晶體管。

在接口電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮光電耦合器的兩個(gè)參數(shù)：電流傳輸比與時(shí)間延遲。電流傳輸比是指光電晶體管的集電極電流IC與發(fā)光二極管的電流Ii之比。不同結(jié)構(gòu)的光電耦合器的電流傳輸比相差很大，如輸出端是單個(gè)晶體管的光電耦合器4N25的電流傳輸比≥20%，而輸出端使用達(dá)林頓管的光電耦合器4N33的電流傳輸比≥500%，電流傳輸比受發(fā)光二極管的工作電流Ii影響，當(dāng)Ii 為10～2OmA時(shí)，電流傳輸比最大。時(shí)間延遲是指光電耦合器在傳輸脈沖信號時(shí)，輸出信號與輸入信號的延遲時(shí)間。

2．晶閘管

晶閘管又稱可控硅，是目前應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體功率開關(guān)元件，其控制電流可從數(shù)安到數(shù)千安。晶閘管的主要類型有單向晶閘管SCR，雙向晶閘管Trim和可關(guān)斷晶閘管GTO等三種基本類型，此外還有光控晶閘管、溫控晶閘管等特殊類型。

（1）單向晶閘管（SCR）

符號和原理如右圖所示。SCR有三個(gè)極，分別為陽極A陰極K和控制極G（又稱門極）從物理結(jié)構(gòu)看，它是一個(gè)PNPN器件，其工作原理可以用一個(gè)PNP晶體管和一個(gè)NPN晶體管的組合來加以說明。SCR有截止和導(dǎo)通兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換可以由導(dǎo)通條件和關(guān)斷條件來說明。

圖3 單向晶閘管

導(dǎo)通條件是指晶閘管從阻斷到導(dǎo)通所需的條件，這個(gè)條件是在晶閘管的陽極加上正向電壓，同時(shí)在控制極加上正向電壓。關(guān)斷條件是指晶閘管從導(dǎo)通到阻斷所需要的條件。晶閘管一旦導(dǎo)通，控制極對晶閘管就不起控制作用了。只有當(dāng)流過晶閘管的電流小于保持晶閘管導(dǎo)通所需要的電流即維持電流時(shí)，晶閘管才關(guān)斷。

（2）雙向晶閘管（TRIAC）

圖4 雙向晶閘管

雙向晶閘管是雙向?qū)ǖ?，它從一個(gè)方向過零進(jìn)入反向阻斷狀態(tài)只是一個(gè)十分短暫的過程，當(dāng)負(fù)載是感性負(fù)載時(shí)（如電樞），由于電流滯后于電壓，有可能使電壓過零時(shí)電流仍存在，從而導(dǎo)致雙向晶閘管失控（不關(guān)斷）。為使雙向晶閘管正常工作，應(yīng)在其兩主電極A1與A2間加RC電路。

雙向晶閘管（TRIAC）具有公共門極的一對反并聯(lián)普通晶閘管，其結(jié)構(gòu)和符號見圖。圖中N2區(qū)和P2區(qū)的表面被整片金屬膜連通，構(gòu)成雙向晶閘管的一個(gè)主電極，此電極的引出端子稱為主端子，用A2表示；N3區(qū)和P2區(qū)的一小部分被另一金屬膜連通，構(gòu)成一對反并聯(lián)主晶閘管的公共門極端，用G表示；P1區(qū)和N4區(qū)被金屬膜連通，構(gòu)成雙向晶閘管的另一個(gè)主電極，叫做主端子A1。這樣，P1-NI-P2-N2和P2-N1-P1-N4就分別構(gòu)成了雙向晶閘管中一對反并聯(lián)的晶閘管的主體

（3）門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）

內(nèi)部結(jié)構(gòu)及表示符號如圖所示。當(dāng)門極加上正控制信號時(shí)GTO導(dǎo)通，門極加上負(fù)控制信號時(shí)GTO截止。GTO是一種介于普通晶閘管和大功率晶體管之間的電力電子器件，它既像SCR那樣耐高壓、通過電流大、價(jià)格便宜，又像GTR那樣具有自關(guān)斷能力、工作頻率高、控制功率小、線路簡單、使用方便。

圖5 門極可關(guān)斷晶閘管

（4）光控晶閘管

是把光電耦合器件與雙向晶閘管結(jié)合到一起形成的集成電路，其典型產(chǎn)品有MOC3041、MOC3021等。光控晶閘管的輸入電流一般為lO～10OmA，輸入端反向電壓一般為6V；輸出電流一般為1A，輸出端耐壓一般為400～60OV。光控晶閘管是特種晶閘管，大多用于驅(qū)動(dòng)大功率的雙向晶閘管。

（5）溫控晶閘管

是一種小功率晶閘管，其輸出電流一般為100mA左右。溫控晶閘管的開關(guān)特性與普通晶閘管相同，性能優(yōu)于熱敏電阻、PN結(jié)溫度傳感器。溫控晶閘管的溫度特性是負(fù)特性，也就是說當(dāng)溫度升高時(shí)，正向溫控晶閘管的門檻電壓會降低。用溫控晶閘管可實(shí)現(xiàn)溫度的開關(guān)控制，在溫控晶閘管的門極和陽極或陰極之間加上適當(dāng)器件，如電位器、光敏管、熱敏電阻等，可以改變晶閘管導(dǎo)通溫度值。溫控晶閘管也是特種晶閘管，一般用于50V以下的低壓場合。

3．功率晶體管（GTR）

功率晶體管是指在大功率范圍應(yīng)用的晶體管，有時(shí)也稱為電力晶體管。GTR是20世紀(jì)70年代后期的新產(chǎn)品，它把傳統(tǒng)雙極晶體管的應(yīng)用范圍由弱電擴(kuò)展到強(qiáng)電領(lǐng)域，在中小功率領(lǐng)域有取代功率晶閘管的趨勢。與晶閘管相比，GTR不僅可以工作在開關(guān)狀態(tài)，也可以工作在模擬狀態(tài)；GTR的開關(guān)速度遠(yuǎn)大于晶閘管，并且控制比晶閘管容易；其缺點(diǎn)是價(jià)格高于晶閘管。

圖6 功率晶體管

GTR的結(jié)構(gòu)如圖a所示。功率晶體管不是一般意義上的晶體管，從本質(zhì)上講，它是一個(gè)多管復(fù)合結(jié)構(gòu)，有較大的電流放大倍數(shù)，其功率可高達(dá)幾千瓦。其中的VT1和VT2 組成達(dá)林頓管，二極管VD1是加速二極管，在輸入端b的控制信號從高電平變成低電平的瞬間，二極管VD1導(dǎo)通，可以使VT1的一部分射極電流經(jīng)過VD1流到輸入端b，從而加速了功率晶體管的關(guān)斷。VD2是續(xù)流二極管，對晶體管VT2起保護(hù)作用，特別對于感性負(fù)載，當(dāng)GTR關(guān)斷時(shí)，感性負(fù)載所存儲的能量可以通過VD2的續(xù)流作用而釋放，從而避免對GTR的反向擊穿。

在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，它基本上被用來做高速開關(guān)器件，圖b是用功率晶體管做功放元件的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一相繞組的驅(qū)動(dòng)電路。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意，當(dāng)功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)時(shí)，其基極輸入電流應(yīng)選得大一些，否則，晶體管會增加自身壓降來限制其負(fù)載電流，從而有可能使功率晶體管超過允許功率而損壞。這是因?yàn)榫w管在截止或高導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，功率都很小，但在開關(guān)過程中，晶體管可能出現(xiàn)高電壓、大電流，瞬態(tài)功耗會超過靜態(tài)功耗幾十倍。如果驅(qū)動(dòng)電流太小，會使晶體管陷入危險(xiǎn)區(qū)。

4．功率場效應(yīng)晶體管（MOSFET）

功率場效應(yīng)晶體管又稱功率MOSFET，它的結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)MOSFET不同，主要是把傳統(tǒng)MOSFET的電流橫向流動(dòng)變?yōu)榇怪睂?dǎo)電的結(jié)構(gòu)模式，目的是解決MOSFET器件的大電流、高電壓問題，如圖所示。其中G為柵極，即控制極，S為源極，D為漏極。在漏極D和源極S間的反向二極管是在管子制造過程中形成的。

圖7 功率場效應(yīng)晶體管

它具有比雙極性功率晶體管更好的特性，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）由于功率MOSFET是多數(shù)載流子導(dǎo)電，因而不存在少數(shù)載流子的儲存效應(yīng)，從而有較高的開關(guān)速度；

（2）具有較寬的安全工作區(qū)而不會產(chǎn)生熱點(diǎn)，同時(shí)，由于它具有正的電阻溫度系數(shù)，所以容易進(jìn)行并聯(lián)使用；

（3）有較高的閾值電壓（2～6V），因此有較高的噪聲容限和抗干擾能力；

（4）具有較高的可靠性和較強(qiáng)的過載能力，短時(shí)過載能力通常為額定值的四倍；

（5）由于它是電壓控制器件，具有很高的輸入阻抗，因此驅(qū)動(dòng)電流小，接口簡單。

5．C絕緣柵雙極晶體管（IGBT）

C絕緣柵雙極晶體管是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的新型復(fù)合器件，它將MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡單的特點(diǎn)，又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)。

6．固態(tài)繼電器（SSR）

固態(tài)繼電器是一種無觸點(diǎn)功率型通斷電子開關(guān)，又名固態(tài)開關(guān)。控制端有觸發(fā)信號時(shí)，主回路呈導(dǎo)通狀態(tài)，無控制信號時(shí)主回路呈阻斷狀態(tài)?？刂苹芈放c主回路間采取了電隔離及信號隔離技術(shù)。固態(tài)繼電器與電磁繼電器相比，具有工作可靠、使用壽命長、能與邏輯電路兼容、抗干擾能力強(qiáng)、開關(guān)速度快和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

圖示出為8031單片機(jī)通過固態(tài)繼電器控制交流接觸器的控制線路。當(dāng)P1.0輸出高電平時(shí)，固態(tài)繼電器導(dǎo)通，交流接觸器 K 閉合，主電路導(dǎo)通， P1.0為低電平，則主電路關(guān)斷。

圖8 固態(tài)繼電器與單片機(jī)接口

（三）、CPU與高壓大電流負(fù)載的接口

在機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中，有時(shí)需要用微機(jī)控制各種各樣的高壓、大電流負(fù)載，如電機(jī)、電磁鐵、繼電器等。顯然，這些大功率負(fù)載不能用CPU的I/O線來直接驅(qū)動(dòng)，而必須通過各種驅(qū)動(dòng)電路和開關(guān)電路來驅(qū)動(dòng)。此外，為了隔離和抗干擾，有時(shí)需加接光電耦合器。

1.光電耦合器及其驅(qū)動(dòng)電路