逻辑控制电路

采用3个题8-3图所示的电路单元，并配置相应 的环行分配器电路，即可实现对三相步进电动 机的驱动。基本电路如图所示，其中Up为斩波 信号，Ui为步进脉冲信号，Ud为旋转方向控制 信号，Us为电源控制信号。
50kHz 振荡器
Ui
光耦合器
Ud
光耦合器
Up
环行 分配器
+A 功率驱动电路 A A
+B 功率驱动电路 B B
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。
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。
（一）单电压功率放大电路
+Ec
按照图组成电路：其中场效
应 晶 体 管 V1 采 用 IRF640，
+
EC
耐压200(V)，极限工作电流
15(A)；泄流二极管VD需耐 压 200(V)， 极 限 工 作 电 流
VD
ZL
IL
10(A)；箝位二极管VS的箝
R1
位电压为6.8(V)，极限工作 Ui
电 流 1 0 0 ( mA)； 电 阻 R1 为
（二）闭环控制
扰动
给定 机构
设定 电路
比较 电路
放大 电路
校正 变换 电路 电路
执行 机构
被控 对象
输出
控制电路
传感器
图1-9 闭环控制系统的基本组成
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
漏极 D
+Ec
栅极 G
V DS
源极 S
VD ZL IL
R Ui
V
VS
a)
b)
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
（三）晶闸管交流负载功率驱动电路
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。
单向晶闸管亦称单向可控硅（SCR）
第八章 逻辑控制电路
二值可控元件驱动电路 可编程逻辑器件
控制电路
开环控制 闭环控制
(一) 开环控制
测量电路
传感器 扰动量
给定 机构
设定 电路
放大 电路
变换 电路
控制电路
执行 机构
被控 输出 对象
图1-8 开环控制系统的基本组成
精度不高:
一、对扰动的测量误差影响控制精度。 二、扰动模型的不精确性影响控制精度。
VS
510()，电源Ec按照直流电
磁阀的要求取定。
V V1
8-2 若图8-4中的负载ZL是电阻加热器，应在电
路中做何改动以便实现不同加热速度的给定？
改电空给定比动平。，后信可的号控电。制路UsV如则1图的为所导5k示通H角。z的，U矩i为从形控而波制实。加现通热不过开同改始加变和热U停速s的止度的占的
A+ 功 B+ 率 C+ 放 A 大 B 电 C 路
电动机
图8-6 步进电 动机控 制电路 框图
脉冲分配电路亦称环行分配器，用来对输入的步 进脉冲进行逻辑变换，产生给定工作方式所需的各 相脉冲序列信号。
功率放大电路对脉冲分配电路输出的信号进行放 大，产生使电动机旋转所需的激磁电流。
步进方向信号指定各相导通的先后次序，用以改 变步进电机旋转方向。
电动机
Us
光耦合器
AC-DC 电源
+C 功率驱动电路 C C
图 X8-4
①在触发之后是双向导通的；
②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。
ZL
IL
+E
P1
R5
R1 Ui
VD
VLC V1
4N25
R2
R3
b2
VS
V2
e b1
C
R4
P2
~u
A V3 K
G
图8-4 交流半波导通功率驱动电路
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，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。
第一节 二值可控元件驱动电路
一、功率开关驱动电路 二、继电器与电磁阀驱动电路 三、步进电动机驱动电路
一、功率开关驱动电路
分类：
按照电路中所采用的功率器件类型分类， 常见的有晶体管驱动电路、场效应管驱 动电路和晶闸管驱动电路等类型。
按照电路所驱动的负载类型分类，常见 的有电阻性负载驱动电路和电感性负载 驱动电路等类型。
（一）PAL器件结构 （二）PAL器件的类型 （三）PAL器件的应用实例
（一）PAL器件结构
输入 I3 I2 I1 I0
不可编程的 “或阵”列
&
&
&
&
&
&
&
&
&
&
&
&
&
&
&
&
图8-13 PAL器件的基本逻辑结构
可编程的 “与阵”列
1111 输出 O3 O2 O1 O0
（二）PAL器件的类型
主要分20引脚和24引脚两大类，还有40 （或44）和80（或84）引脚的宏PAL器 件 按电路能耗又可分为标准型、半功耗和 1/4功耗型； 按运行速度又可分为标准型、高速和超 高速型； 按可靠性又可分为军用和民用等。
E R1
Ui US
VD 4N25 4N25
P1
R5 ZL
IL
R2
R3
~u
e
b2
V1
A
R6 VS
b1
SCR 1 K
V2
C1 R4
P2 R7
8-3 图8-9的电路应如何改动，才能使图8-6中 的电源控制信号发挥作用？
改动后的电路如图所示。增加正与门D5，Us为实现电
源控制的电平信号。当Us为高电平时，D5的输出由步
1
任意 任意 任意
保持电动机当前状 态
保持电动机当前状 态
设置输出为初状态
升沿 0
0
0
0 步进电机正向旋转
升沿 0
0
0
步进电机反向旋转 1
Q0n 0110 D 1001
Q2n a)
Q0n 11 00 D 00 11
Q2n b)
图8-16 电动机驱动步序卡诺图
8.1 已知某直流电磁阀的驱动电流为6A，用2mA的 标准TTL电平实施控制，试设计一合适的驱动电路。
按照电路所控制的负载电源类型分类， 常见的有直流电源负载驱动电路和交流 电源负载驱动电路等类型
（一）晶体管直流负载功率驱动电路
负载所需的电流不太大
+Ec
VD ZL IL
Ui
R
V
Ib
图8-1 晶体管功率驱动电路
设计要点:
合理确定Ui、R与V的电流放大系数 值之间的数值关系，充分满足
I b I L / ，可确保V导通时工作于 饱和区，以降低V的导通电阻及减小 功耗。
表8-1 二相四绕组步进电机驱动步序
步进步序
正转
反转
Q0 Q1 Q2 Q3 Q0 Q1 Q2 Q3
1
1 0101010
2
1 0010110
3
0 1010101
4
0 1101001
1
1 0101010
表8-2 步进电机状态功能选择
CK 任意 任意 升沿
E1
E2
S
D
状态功能
1 任意
0
任意 1 0
任意 任意
二、继电器与电磁阀驱动电路
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 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。
3-相 /50Hz /380V
+5V
A1 B1 C1
（三）PAL器件的应用实例
步进时钟 CK 选中信号 E1 选中信号 E2 初态设置 S 转向控制 D
环
行 Q0 分 Q1 配 Q2 电 Q3 路
+E
功 率A 驱B 动C 电D 路
步进电动机
图8-14 二相四绕组步进电动机驱动原理图
Q0
1,0
1,1
Q2
0,0
0,1
图8-15 环行分配器输出信号4序逻辑
B=A A
C=A
ABC 0 01 1 10
A
AB DEF
0 00 01
B
0 10 01
1 00 01
1 10 01
DEF
图8-10 PLD电路单元图形符号及其真值表
Awk.baidu.com
&
B
D
C
ABC &D
图8-11 通常与门和PLD与门的图形符号
A
1
B
D
C
ABC
1D
图8-12 通常或门和PLD或门的图形符号
可编程阵列逻辑PAL
已经导通的晶闸管完全没有影 响。
阳极 A
门极 G 阴极 K
晶闸管关断条件：
主电极阳极A与阴极K之间的电流小 于其维持电流IH，晶闸管即进入关 断状态。
双向晶闸管亦称双向半导体开关元件（TRIAC）
电极 MT2
电极 MT1
门极 G
图8-3b 双向晶闸管图形符号
与单向晶闸管相比较，双向晶闸管 的主要区别是：
阳极 A 门极 G
阴极 K 图8-3a 单向晶闸管图形符号
单向晶闸管的工作状况：
一、导通条件 二、关断条件
晶闸管导通条件：
在阳极A与阴极K之间加正向电 压，同时在门极G与阴极K之间 加正向电压（触发），这样阳 极A与阴极K之间即进入导通状 态。晶闸管一旦导通，只要阳 极A与阴极K之间的电流不小于 其维持电流IH，门极G与阴极K 之间是否还存在正向电压，对
进脉冲信号Ui控制；当Us为低电平时，D5的输出为低
电平，强制V1与V２截止，步进电动机各绕组电流为零
+5V
+80V
光耦合器 R4
D1
R3
Up
DQ
Uq
VD3
C1
V1
R
VD1
R1
N
D3
UR
&
+12V
L IL
R2
N
R5
RL
Ui
& D5
1 D4
V2
Us
VD2
GND
R6 VD4
8-4 试设计一完整的三相步进电动机驱动电路。
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
（二）斩波稳流式功率放大电路
+5V
Up R1
DF
DQ C
R
UR
∞
-
+
+N
Ui R2
光耦合器
VLC
R4
+80V
R3
V1
Uq
VD1
VS1
&
DG1 1
DG2
+12V R1
（二）场效应晶体管直流负载功率驱动电路
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。
场效应晶体管大多数为绝缘栅型场效应 管，亦称MOS场效应管。功率场效应 晶体管在制造中多采用V沟槽工艺，简 称为VMOS场效应管。其改进型则称为 TMOS场效应管
步进电机每相绕组 的供电都是由功率
L IL
开关电路来执行的， 三相步进电机应有
RL VD
三个功率放大电路
RC
单元
R Ui
V
VS
图8-7 单电压功率放大电路
Ui IL
a) Ui IL
b)
图8-8
绕组电流I
的波形
L
a）Ui频率低时 b）Ui频率高时
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
L IL RL
VS2
V2 VD2
R6
图8-9 斩波稳流式功率放大电路
经D触发器引入Up信号的主要目的是给 定超声斩波频率，以避免单纯由R6上的 电压波动来控制V1通断引入的不规则噪 声。
第二节 可编程逻辑器件(PLD)
PLD与定制器件的主要区别是可编程性， 其逻辑功能可由用户构造或设置。 使用PLD设计优点 灵活，研制周期缩短，空间尺寸减小， 降低系统故障率。 PLD从其出现至今，经历了由PROM、 FPLA到PAL和GAL的发展过程。
KD1-1
VD
KD1
KA1
R
V
Ui
KA1-1
A2 B2 C2
图8-5 交流继电器的控制
三、步进电动机驱动电路
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。
步进脉冲 脉 冲
步进方向 分 配
电源控制 电 路