第四章 数字量输入输出通道课件

变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控 制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器， 逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形， 中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。
3.变频器
3.变频器
（1）整流器 它与单相获三相交流电源相连接，产生脉动的支流电压。整流器有两 种基本类型，可控的和不可控的。 （2）中间电路，它有以下3种类型： a）将整流电压变换成支流电流 b）使脉动的支流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用 c）将整流后固定的支流电压变换成可变的支流电 （3）逆变器 它产生马达电压的频率。另外，一些逆变器还可以将固定的支流电压 变换成可变的交流电压。 （4）控制电路 它将信号传给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接受来自这些部 分的信号。具体被控制的部分取决于各个变频器的设计。变频器都是 由控制电路利用信号来开关逆变器的半导器件，这是所有变频器的共 同点。变频器可以依据控制输出电压的开关模式来分类。
4.执行器——（二）执行机构
二、电动执行机构 电动执行机构的各部分的功能如下： 1、伺服放大器：用220V交流电源供电，将调节器信号和 位置反馈电路信号（均为4 ～20mA ）相比较，然后将偏 差放大后触发可控硅电路，控制电机正转或反转。 2、执行机构： 电机根据放大器的输出驱动电机正转或反转，通过传动机 构把电机转子的转动转换成推杆的直行程或角行程，传动 机构带有制动轮和制动盘，用于断电时或没有驱动电流时 保持原位置不动。 位置反馈电路利用差动变压器把推杆的实际行程转化成 4 ～20mA 电流送回放大器用于输入信号比较，反馈的作 用是用于保证行程和调节器送来的电流信号成要求的关系， 这种关系可由位置反馈电路决定，如线性关系，等百分比， 抛物线等特性。
调节阀有电动、气动、液压调节阀。 调节阀一般由执行机构和调节机构组成。
4.执行器——（二）执行机构
一、执行机构 执行机构的作用就是将调节器来的信号转变为相应的 推力和位移，用于带动调节机构完成调节动作。 根据所用能源的不同，执行机构分气动、液动、电动 和自力式等。气动执行机构是压缩空气供风，特点是 结构简单、安全防爆、低成本。液动执行机构以液压 为动力，特点是功率大、动作快，但是有成本高，结 构复杂。电动执行机构由电源和控制信号驱动伺服电 机来动作，这种仪表易与电动仪器连接，功率大，动 作快，但应注意在防爆场合下的使用。自力式执行机 构依靠被调介质本身的能力来动作，如由介质的压力 带动。
控制电流
D
L
K 外部设备
继电器原理图
线圈
铁芯
触点
2.继电器
（1）电磁继电器 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。
2.继电器 ——固态继电器
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。下图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。
学习情境1：输出通道构成与接口

任务一：输出通道的结构与信号交换 任务二：D/A转换器与单片机接口电路 任务三：输出通道中的常用器件
1.晶闸管 2.继电器 1）电磁继电器 2）固态继电器 3.变频器 4.执行器
1.晶闸管

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。
2.继电器
（2）固态继电器
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。
2.继电器
（1）电磁继电器
后图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。
2.继电器 ——固态继电器
交流SSR输出波形如下图所示。
过零型导 通时间
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 导通时间 立即导通
过零型导 关断时间 通时间 相同，在 过零时 非过零型SSR，加上控制信号便导通
2.继电器
（2）固态继电器
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。
在此电动执行机构系统中配上接口模块，可将此阀的行 程信号送给计算机用于显示阀位。
4.执行器——（二）执行机构
三、气动薄膜执行机构 由上膜盖、波纹膜片、下膜盖、推杆、弹簧、行程标尺 等部件组成。 在20 ～100KPa压缩空气的压力作用 下，产生对应的行程开关和推力。 阀门定位器及其作用： 构成一个以调节器操作值为给定值， 以推杆的实际行程为被调参数的自 动调节系统。 阀门加装阀门定位器可以克服阀杆 的反作用力，实现推杆准确到位， 同时可利用定位器的凸轮形状来调 整阀门的流量特性。
2.继电器
（2）固态继电器
单片机对固态继电器的控制
3.变频器
Fra Baidu bibliotek
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源 变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变 频器主要采用交—直—交方式，先把工频交流电源通 过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成 频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。
Vc
Di 7406
RL
+ _
SSR
～ ～
交 流 电 源
图 4-13固 态 继 电 器 输 出 驱 动 电 路
2.继电器
（2）固态继电器
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。
2.继电器
（1）电磁继电器
Vp Vc
KA
220V
光耦 Di
7406
图 4-9 继电器输出驱动电路
图 经光耦隔离器的继电器输出驱动电路
2.继电器
（2）固态继电器
固态继电器SSR（Solid State Relay）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。
4.执行器——（二）执行机构
二、电动执行机构 接收调节器输出的4 ～20mA信号，由放大器进行功率 放大，驱动电动机正反转产生推杆的直行程或角行程。 电动执行机构实际上是由伺服放大器以及执行机构共 同构成的电动执行机构系统，这个系统在结构上是一 个自动调节系统，被调参数为行程。系统由信号比较， 功率放大，单相低速同步电机，减速传动机构和位置 反馈电路组成。在这个系统中还可以加进操作器用于 实现手动和自动的切换操作。
1.晶闸管
晶闸管是一个三端器件，其符号如图所示，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。
4.执行器——（二）执行机构
二、电动执行机构 电动执行机构的各部分的功能如下： 3、操作器 可用于手动操作阀位，并指示行程。操作器有手、自动 选择，选择自动时，此操作器不起作用，当选择手动时， 它将伺服放大器断开，利用操作器面板上的升降按钮来 接通电动机的正反转电流，可以直接控制推杆行程的增 减。
图
SSR结构原理及符号
2.继电器 ——固态继电器
固态继电器SSR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。
+5V
180Ω MOC 3041 400Ω RL
KS G
T2 T1
47Ω 0.01μF
～ 220V
Di
7 406
图 4-11 双向晶闸管输出驱动电路
2.继电器
（1）电磁继电器
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。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 衔铁 流的高电压、大电流设备。
1.晶闸管
A
T2
G K
G T1
单项可控硅当阳、 阴极之间加正压时， 控制极有效时，可 控硅导通；只有在 阳、阴极间施加反 向电压，可控硅才 截止。 双向可控硅只要控 制信号有效，立即 导通。它的断开条 件当控制信号无效， 又要等待交流电压 过零时，才截止。
1.晶闸管
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。下图为经光耦隔离的 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。
A
G K
1.晶闸管
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 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。
T2
G T1
4.执行器
重点： 执行器的作用、分类，调节阀的原理、结构、分类作用 方式，调节阀的安装。 （一）概述 （二）执行机构 （三）调节机构 （四）执行器的选择与使用
4.执行器——（一）概述
执行器是接受调节器输出的信号，并完成相应操作， 已达到它影响调节对象参数目的的装置。 执行器可以使步进电机、调节阀、变频调速器等。 调节阀是自动控制系统中的一种主要执行器，绝大多 数系统的调节手段都是流量，调节阀就是用于改变流 体流量的一直执行器。
2.继电器 ——固态继电器
三相固态继电器C-3(5-80A)
单相特大功率固态继电器（300～1000A）
单相长条固态继电器（10～120A）
特大功率固态继电器套件B500（250～650A）
2.继电器
（2）固态继电器
固态继电器SSR是一个四端组件，有两个输入端、两个输出端。 SSR由五部分组成。