机电接口电路设计禁忌1．在机电接口设计中，绝不可小看工业现场强电信号对系统的干扰，处理不当将无法工作各种工业过程的测量和控制系统中，干扰是一个不容忽视的因素，必须认真对待。信号隔离则是抵抗外界干扰的一个必要而有效的手段，它可　　以实现以下两个功能：隔断外界的共模电压和隔断从外界窜进来的电磁干扰。
　　一般的机电系统既包括弱电控制部分，又包括强电驱动部分。其弱电工作环境中常常包含有强电或强电磁干扰等。为了防止电网电压等对测量回路的损坏，避免电磁等于扰造成系统不正常运行，需要隔绝电气方面的联系，即实行弱电和强电隔离，同时又要保证系统内部控制信号的联系，使系统工作稳定，保证设备与操作人员的安全。
　　微机测控系统输出的开关信号一般不能直接驱动外设，需要经接口转换后才能用于驱动设备开启或关闭；许多外设诸如大功率的交流接触器、电磁铁、电动机等在开关过程中会产生较强的电磁干扰信号，如不加以隔离将可能会窜人测控系统中造成系统误动作或损坏。
　　在生物医疗仪器上，为防止漏电、高电压等对人体的意外伤害，也常采用隔离放大技术，以确保患者安全。此外，在许多其他场合也常需要采用隔离放大技术。
　　信号隔离的目的在于从电路上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使测控装置与现场仅保持信号联系，而不直接发生电的联系。隔离的实质是把引进干扰的通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。测控装置与现场信号之间、弱电和强电之间常用的隔离方式有光电隔离、继电器隔离、变压器隔离、隔离放大器等。另外在布线上也应该注意隔离。
　　工业现场与计算机控制系统之间传输的信号可以分为两类：模拟量和数字量。两种信号的隔离方法有所不同。数字信号包括仪器仪表的bcd码、开关状态的闭合与断开、指示灯的亮与灭、继电器或接触器的吸合与释放、电动机的起动与停止、阀门的打开与关闭等，数字信号的隔离可以采用光电隔离、继电器隔离等方法。在许多机电系统中，需要测量和控制的参数往往是连续变化的模拟信号，如温度、压力、流量和位移等，对于模拟信号的隔离常采用隔离放大器。为完成地线隔离，将放大器加上静电和电磁屏蔽浮置起来，这种放大器叫隔离放大器，或叫隔离器，其输入和输出电路与电源没有直接的电路耦合关系。在以下场合，需使用隔离放大器：①测量处于高共模电压下的低电平信号；②需消除由于对信号源地网络的干扰(加大电流的跳变)所引起的测量误差；③避免构成地回路及其寄生拾取问题(不需要对偏流提供返回通路)；④保护应用系统电路不致因输入端或输出端大的共模电压造成损坏。
　　在机电系统中，被控对象往往是功率较大的驱动元件或设备，如阀门、电动机等，这样就要用到功率驱动接口电路。在机电系统中，应用较多的有半导体功率开关元件和线性功率兀件；半导体功率开关元件一般是晶闸管，线性功率元件通常是功率晶体管、功率场效应晶体管和功率模块。其功率场效应晶体管的驱动方式通常有：①ttl驱动：由于功率场效应晶体管绝大多数是由vmos或tmos工艺制成，它们的控制极是一个浮栅极，故而它们是由电位控制而不是由电流控制的。这样，小功率的ttl集成电路也足以驱动大功率的场效应晶体管。功率场效应晶体管的导通门槛电压一般为2～4v，所以在驱动电路中不采用一般的ttl集成电路，而采用集电极开路的ttl集成电路。在集电极开路的ttl集成电路驱动电路中，为了提高输出驱动电平的幅值，可以通过一个上拉电阻接到+5v电源。不过，为了保证能有足够高的电平驱动功率场效应晶体管导通，也为了保证它能迅速截止，实际上是把上拉电阻接到10～15v电源上。~c~aos驱动：用cmos集成电路直接驱动功率场效应晶体管有一个最明显的优点，那就是可以采用10～15v的电压源，这就使得cmos集成电路起码有iov的输出高电平，从而可以驱动功率场效应晶体管在导通时处于充分导通状态。因为功率场效应晶体管的门槛电压****为4v左右，只要栅极的输入信号高于这个门槛电压．　　功率场效应晶体管就会处于良好的导通状态。用cmos集成电路直接驱动场效应晶体管时无需附加电路和上拉电阻，所以驱动电路比较简单。③隔离式驱动：隔离式驱动就是驱动电路与功率场效应晶体管的电源系统采用两个完全无公共点的电源系统，这样可以消除电气干扰。这种驱动方式在一些特殊场合特别有用。常用的信号隔离的方法有：
　　(1)光耦合器隔离光耦合器可根据要求不同，由不同种类的发光元件和受光元件组合成许多系列。根据受光元件的不同可分为晶体管输出型和晶闸管输出型两类，但从隔离方法的角度来看都是一样的，即都是通过“电一光一电”这种转换，利用“光”这一环节来完或隔离功能。
　　1)晶体管输出型光耦合器，其受光元件是光敏晶体管。除了没有使用基极外，光敏晶体管与普通晶体管一样，光作为晶体管的输入取代了基极电流。当光耦合器的发光二极管发光时，光敏晶体管受光的影响就会有电流流过，该电流基本上受光的照度控制。由于光耦合器是电流输出型器件，不受输出端工作电压的影响，因此可以用于不同电平之间的转换。光耦合器也常用于较远距离的信号隔离传送。一方面光耦合器可以起到隔离两个系统地线的作用，使两个系统的电源相互独立，消除因地电位不同所产生的影响；另一方面，光耦合器的发光二极管是电流驱动器件，可以形成电流环路的传送形式。由于电流环电路是低阻抗电路．它对噪声的敏感度低，因此提高了通信系统的抗干扰能力，常用于有噪声干扰的环境下传输信号。光敏晶体管的集电极电流，。与发光二极管的电流，。之比称为光耦合器的电流传输比cdr。不同结构的光耦合器电流传输比相差很大，如输出端是单个晶体管的光耦合器4n20的电流传输比≥20％，输出端使用达林顿管的光耦合器4n33的电流传输比≥500％。
　　电流传输比与发光二极管的工作电流有关。当电流为10～20ma时，电流传输比****；当电流小于10ma或大于30ma时传输比都将下降。温度升高，传输比也会下降，因此在使用时要留一些裕量。光耦合器在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间有一定的延迟时间，，不同结构的光耦合器的输入输出延迟时间相差很大。例如4n20的导通延迟时间是2．8¨s，关断延迟时间是4．51．zs；4n33的导通延迟时间是o．o6μs，关断延迟时间是4.5μ。；使用时要加以考虑。
　　晶体管输出型光耦合器可作为开关使用，这时发光二极管和光敏晶体管平常都处于关断状态。在发光二极管中通过电流脉冲时，光敏晶体管在电流脉冲持续的时间内导通。
　　在机电系统中，由于被控对象往往处在较强的噪声环境中，因此，为确保系统可靠地工．需要切断计算机与外设之间的公共地线，以防止外部的干扰信号及地线环路中产生的噪声电信号通过公共地线进入计算机系统。通常，a／d转换器和d／a转换器与计算机间可以采用下列两种隔离方式来切断电气联系：
　　①对a／d和d／a进行模拟隔离。对a／d和d／a的模拟信号进行隔离，通常采用隔离放大器对模拟量进行隔离，但所使用的隔离放大器必须满足a／d和d／a转换的精度和线性度要求。例如，对12位a／d和d／a进行隔离，其隔离放大器要达到13位，甚至14位的精度不能小于12位精度；如此高精度的隔离放大器，价格十分昂贵。
　　②在i／o与a／d和d／a之间进行隔离，这种方法通常称为数字隔离。具体做法是用若干锁存器对地址信号、控制信号、数据信号进行锁存，然后用这些信号对a／d和d／a芯进行操作，完成多路开关的选通、a／d和d／a的转换。在a／d转换时，先将模拟量变成数字量，将数字量通过光电隔离后再送入计算机；在d／a转换时，先对数字量进行隔离然压．

　　后再进行d／a转换。这种方法可靠、方便、经济，不影响a／d和d／a转换的精度和线性度；主要缺点是速度太慢，如采用普通的廉价光电隔离器件，****转换的速率为3000～5000点／s。但这对于一般工业控制对象(如温度、压力、流量等)还是可以满足要求的。利用光耦合器实现输出端的通道隔离时，还需注意：被隔离的通道两侧必须单独使用各自的电源，即用于驱动发光管的电源与驱动光敏晶体管的电源不应是共地的电源，对于隔离后的输出通道必须单独供电，否则，如果使用同一电源，外部干扰信号可能通过电源窜人系统中来，如图5-72所示，

这样就失去了隔离的意义。
　　晶闸管输出型光耦合器的输出端是光敏晶闸管或光敏双向晶闸管。当光耦合器的输入端有一定的电流流人时，晶闸管导通。有的光耦合器的输出端还配有过零检测电路，如moc3061，用于控制晶闸管过零触发，以减少用电器在接通电源时对电网的影响。
　　2)继电器隔离。继电器方式的开关量输出是目前最常用的一种输出方式，在驱动大型设备时，常常利用继电器作为测控系统到输出驱动级之间的第一级执行机构，通过第一级继电器输出，可完成从低压直流到高压交流的过渡。继电器输出也可用于低压场合，与晶体管等低压输出驱动器相比，继电器输出时输入端与输出端有一定的隔离功能，但由于采用电磁吸合方式，在开关瞬闻，触点容易产生火花从而引起干扰；在交流高压等场合使用，触点也容易氧化；由于继电器的驱动线圈有一定的电感，在关断瞬间可能会产生较大的电压，因此在继电器的驱动电路上常常反接一个保护二极管用于反向放电。不同的继电器，允许的驱动电流也不一样，在电路设计时可适当加一限流电阻；在某些需较大驱动电流的场合，则可在光电隔离器与继电器之间再接一级晶体管以增加驱动电流。
　　3)固态继电器隔离。固态继电器，简称ssr，是近年发展起来的一种新型电子继电器．它利用电子元件(如开关晶体管、双向晶闸管等半导体器件)的开关特性，可实现无触点无火花地接通和断开电路，具有输入控制电流小、无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、体积小、质量轻、寿命长、工作可靠等特点，并且耐冲击、抗潮湿、抗腐蚀，因此在微机测控等领域中已逐渐取代传统的电磁式继电器和磁力开关作为开关量输出控制元件。固态继电器按使用场合可以分为交流型(ac-ssr)和直流型(dc．ssr)两类，它们分别在交流或直流电源上做负载的开关，不能混用。交流型按触发形式又可分为过零触发型固态继电器和随机导通型固态继电器。当控制信号输入后，过零触发型总在交流电源为零电压附近导通，产生的干扰小，一般用于计算机i／o接日等场合，如图5-73所示；

随机导通型则是在交流电源的任意状态下导通或关闭，在导通瞬间可能产生较大的干扰。直流型的ssr与交流型的ssr相比，无过零控制电路，也不必设置吸收回路，开关器件一般用大功率开关晶体管，其他工作原理相同　　使用固态继电路应切记：①禁忌将负载两端短路，以避免造成****性损坏；②如果外部运行环境温度高，选用的固态继电器必须留有较大的功率余量；③当用固态继电器控制感性负载时，应接上氧化锌压敏电阻做保护；④固态继电器内部一般有5～10ma的漏电流，因此不宣用它直接控制功率很小的负载。
　　(2)电磁隔离放大器  目前，在信号处理中应用****泛的隔离放大器是变压器耦合的线性隔离放大器，如anolog devices公司的ad277j、a13202、ad204、ad289、d290、ad210、ad28l等。ad202／ad204是低成本电磁隔离放大器系列中的一个品种，其功能框图如图5-74所示。ad202／ad204的区别在于ad202只由+15v直流电压供电，而ad204则是通过外部提供时钟(ad246)供电。从图中可看出，该芯片由放大器、调制器、解调器、整流和滤波电路、电源变换器等组成。工作时，十15v电源连到电源输入引脚31，使片内(ad202)振荡器工作，从而产生频率为25khz的载波信号，通过变压器耦合，经整流和滤波，在隔离输出部分形成电流为2ma的±7．5v隔离电压。该电压除作为片内电源外，还可作为外围电路(如传感器、浮地信号调节、前置放大器)的电源。ad204电源从引脚33由输入时钟提供。在输入电路中，片内独立放大器能够作为ad202／a13204输入信号的缓冲级或放大级。放大后的信号经调制器调制后能变换成载波信号，经变压器送人同步解调器，以致在输出端重现输入信号。由于解调信号要经过三阶滤波器滤波，从而使得输出信号中的噪声和波纹达到最小，为后级应用电路提供良好的激励源。为了能充分发挥该芯片的固有性能，使甩中有两点注意：
　　1)实际应用中，输入电路的信号可以是电压型也可是电流型的，前者能组成单位增益缓冲器和增益g>1的前置放大器；后者能组成单路或多路电流加法放大器。
　　2)要调节增益和零点时，可采用同相放大的输入调节电路，如图5_75a所示。该电路中的调节元件主要由所选输入电路的结构决定，而与电路调节所处的位置(输入或输出)无关。通常零点调节放在输入端，而且调节次序是先调零点，后调增益，禁忌颠倒。
　　为了使共模抑制比的影响达到最小值，在信号源的低端必须串联一个几百欧的电阻。增益调节位于输入调节电路的上端，反馈电阻rf=50kω，此时增益应为10或更大。而在增益较低时调节功能稍差。当g=2时调节功能差一半；当g=l(跟随器)时，增益不可能再向下调节，这是该电路的不足之处。
　　为了克服上述缺点，可采用图5—75b的反相放大输入调节电路。该电路能在公共点上把失调电压调节为零，并且具有较好的电流注入性能，从而减小对后级增益调节的影响。因此，当增益从l～100变化时，该电路均能正常工作　

 (3)线性光电隔离放大器  线性光隔离放大器利用发光二极管的光反向送回输入端，正向送至输出端，从而提高了放大器的精度和线性度。放大器的输入端和输出端是用光隔离的，所以不存在电气连接。常见的线性光隔离放大器有burr-bro。。公司的is0100、3650和3652~3650/52是光耦合集成隔离放大器，与以前采用变压器耦合调制解调技术的隔离放大器相比，它具有体积小、价格低、频带宽、可靠性高等优点。它采用了直流模拟调制技术代替载波技术，从根本上消除了以前的调制隔离放大器存在的电磁干扰问题，同时克服了简单led和光敏二极管构成的隔离器随时间和温度的变化而存在非线性和不稳定性的缺点。目前，3650／52光耦线性隔离放大器以其明显的优越性广泛用于工业过程控制，如传感器隔离、生物医学设备(病情监测)、精密测试仪器、数据获取等领域。图5-76给出了3650／52的等效电路。

2个经过严格匹配的光敏二极管，一个(cr3)在输入端，另一个(cr2)在输出端，它们能****限度地减少非线性及时间温度不稳定性。放大器k，、发光二极管crl和光敏二极管cr3构成负反馈电路，uin=，inrg(r。是用户提供的增益调谐电阻)。由于cr2和cr3严格匹配，而且它们从crl接收到等量光，因此，i2=i1=n。放大器k2被连接成电流一电压转换器，可以看出，这种经过改进的隔离电路克服了简单的led和光敏二极管组合的某些缺点，因为两个光敏二极管完全匹配，传输函数实际上与led输出性能无关，线性度只是匹配精度的函数，它可通过在输入端引入负反馈而得到进一步的提高，应用先进的激光微调技术可进一步补偿残余的匹配误差，使线路的线性度更佳。    一一3652的隔离和输出电路与3650完全相同。只是3652的输入部分增加了fet缓冲放大器和输入保护电阻，因而能获得更高的差模和共模输入阻抗(10·ω)、很低的偏置电流(50pa)及过压保护。输入端+ir和一ir比+i和一i能提供更高的差分电压和共模电压输人。为了获得优良的隔离特性，在制板过程中外部元件要对称布局，以提高共模抑制比,输　　入：3650隔离放大。两个3650为电动机接地点和控制系统接地点提供了良好的隔离，隔离电源为b—b公司的dc／dc隔离转换器772。图5—78给出了3652在病人病情监测器中的应用。

由于3652是真正的平衡输入放大器，具有极高的差模和共模阻抗，因此能****程度地抑制非平衡阻抗引起的共模噪声。
　　总之，在机电接口设计中，为了抑制过程通道的干扰，必须对信号进行隔离。常用的隔离方式有光电隔离、继电器隔离、固态继电器隔离、隔离放大器等。另外，在布线上也应该注意隔离。光隔离器将输入输出端的信号通过光联系起来，从而切断了电的联系。根据受光元件的不同可分为晶体管输出型和晶闸管输出型两种。继电器方式的开关量输出，是目前量常用的一种输出方式，在驱动大型设备时，常常利用继电器作为测控系统到输出驱动级之问的第一级执行机构，通过第一级继电器输出，可完成从低压直流到高压交流的过渡。固态继电器根据使用场合可以分为交流型和直流型两类，它们分别在直流或交流电源上做负载的开关，按触发形式可分为过零触发型固态继电器和随机导通型固态继电器。隔离放大器可以防止共模噪声窜人系统，常用的隔离放大器中采用的耦合方式主要有变压器耦合和光耦合。
　　2．控制量输出通道的功率接口电路设计离不开对现代电动机驱动控制技术的研究

      现代电动机的驱动控制技术和电子技术的发展有着直接、密切的关系，电子技术、电子　　器件的新成就，极大地推动了电动机驱动控制技术的发展。小功率直流电动机的现代驱动控制都是采用晶体管放大器来实现的。晶体管放大器可以分为线性放大器和开关放大器两种类型，线性放大器几乎都采用晶体管，而开关放大器可采用晶体管，也可采用晶阐管等。线性放大器的优点是，在运行范围内有比较好的线性控制特性，没有明显的控制滞后现象，控制速度范围宽，对附近的电路干扰小。但是线性放大器工作时产生大量的热量，效率和散热问题严重，其****效率不超过50％，必须采用大的功率器件，加大散热面积，采用强追风冷等措施，这样就限制了其使用范围。开关式放大器中，输出级的功率器件工作在开关状态，即不是饱和导通状态就是截止状态。截止状态的器件不消耗能量，而饱和导通的功率器件上的压降又很小，这样功率输出级的损耗就很小，整体的效率就高。控制量输出通道功率接口电路主要有：
　　(1)功率放大电路常用的有：①全部采用npn晶体管构成的h桥电路，通过给4个晶体管的基极施加开关驱动信号，使全部晶体管工作在饱和区内；另外为了不使上下桥臂的晶体管同时导通而发生短路，应在基极驱动信号的时序上采取一些措施；②采用npn和pnp型晶体管射极跟随器构成的h桥电路，采用pnp和npn两种不同导通类型的晶体管，各个晶体管的发射极作为驱动电路的输出端；这样的优点是可把桥上的晶体管基极相连接，施加一个驱动信号即可，电路比较简单；另外这种电路的上下桥臂不会同时导通，即不会发生短路事故；③采用pnp和npn型晶体管集电极跟随器构成的h桥电路，在pnp和npn型晶体管的集电极上接负载，构成电压跟随器。该电路中4个晶体管基极电流的驱动方向是不同的，另外应使上下桥臂不能同时导通。
　　(2)正反转控制基本电路利用以上驱动电路可方便地实现电动机的正反转控制，但在使用驱动电路过程中，可能错接电源端子或输出端子，也可能在使用h桥电路驱动直流电动机时，由于驱动信号的时序错误而发生短路制动，为此，在设计驱动电路的时候必须考虑短路或过电流等情况，采取电流截止负反馈限流和安装过电流保护等措施。
　　(3)智能功率集成电路机电一体化技术的发展始终与电子技术的发展息息相关，从20世纪80年代中期以来，国际上在电子技术领域内出现了一种全新的功率集成电路——智能功率集成电路(也称智能功率模块)。所谓智能功率集成电路指的是该电路至少把逻辑控制电路和功率半导体管集成在同一芯片上，通常是指输出功率大于1w的集成电路。在这个电路上还包括过电流、过电压、超温和欠电压等保护电路，有的还将电路内部状态作为一个诊断信号输出。在这个定义下，智能功率集成电路包括了汽车设备、工厂自动化设备、办公自动化设备和消费类电子设备所使用的电动机控制器、平板显示驱动器以及高压多路调制解调器等。智能功率集成电路的出现，打破了以往微电子与电力电子技术长期分割的局面，实现了人们多年的愿望。智能功率集成电路可使电力电子装置缩小体积，减轻质量，而且更适合大规模生产，从而使成本降低。功率集成电路是强电与弱电连接的桥梁，是机与电统一起来实现机电一体化的重要手段，目前的功率水平可达数十安／1200~’以上，所采用的功率器件有双极型器件(如晶体管和晶阉管)、单极型器件(如场效应晶体管)或复合器件(如bi．mos)，控制电路大部分采用mos技术。智能功率集成电路实现了集成电路功率化、功率器件集成化和智能化，使功率与信息控制统一在一个器件内，成为机电一体化系统中弱电与强电的接口。它不但具有一定功率输出能力，而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能，从而将智能赋予功率器件，通过智能作用对功率器件状态进行监控。例如，负载　　开路、过电流、输出短路、电源短路、电源欠电压、过电压、过热等不正常故障出现时，电路即做出保护，并输出故障诊断信号。大多数功率集成电路的输入都与ttl或cmos电平兼容，可以直接由微处理器控制，状态信息也可反馈至微处理器。智能功率集成电路的使用给电动机控制系统带来极大方便，简化开发和调整工作，缩小体积，减轻质量，提高可靠性和抗干扰能力，改善性能，而且也节约成本。它具有小型、多功能、使用方便等优点，适合于交流220v电网的应用。
　　(4)远距离传送电流环  电流环路是一种低阻电路，它可以减少噪声干扰，允许在较长距离传送数据，常用于噪声干扰较严重的环境。由于采用了光隔离器，可以实现两个不同系统间的接地隔离，可用在距离为900m(3()00fl[)以50icbps速率发送数据的场合。传送距离受环路导线电阻的限制，在此电路中环路电阻禁忌大于30n。凡要求系统或电路间电源隔离的场合均可以使用光隔离器，从而使两部分的地线和电源都不共用，达到系统间的全隔离。
　　(5)指示器驱动为了显示运行过程的状态，以引起操作者的注意并采取必要的操作，可以用信号直接驱动一些通用指示器，如led灯(发光二极管)、led七段数字显示器或白炽灯等。驱动器可直接使用ttl器件或s型1vrl器件。但不能使用ls型器件，也不能使用nmos大规模集成电路，因为它们不具备直接驱动led灯的能力。即使是ttl器件也只能驱动单个led灯，不可再接其他负载或器件，因为led灯会把ttl的输出嵌位在一个对其他电路无效的逻辑电平，使电路不能正常工作。一般情况，应使用驱动器做驱动led灯的缓冲器。
　　(6)继电器驱动在控制较高电源电压或电流时，需要使用继电器或电磁开关，因为ttl器件的负载能力不可能直接驱动继电器。除此以外，为了防止继电器或电磁开关绕组反电动势对驱动电路的冲击，还需要采取专门的保护措施。texas公司生产的双驱动器sn75475可用来控制继电器或电磁开关。它可以在电压为100v时提供300ma的驱动电流，可用ttl器件驱动。为了防止绕组(电感负载)瞬态反电动势的冲击，电路接有输出嵌位二极管。
　　(7)步进电动机控制步进电动机在机电控制领域使用得相当多，靠开环控制做精密定位。在计算机外部设备中得到了普遍应用，绘图机、磁盘机、打印机等多采用步进电动机控制。在工业生产领域机电一体化设备上也大量使用步进电动机，例如，各种数控设备(机床、切割机、机器人关节控制等)。
　　步进电动机的主要特性为：电动机的旋转角度与输入脉冲个数成比例，角度误差小，不会有累积误差，电动机的转速可用改变输入脉冲频率的高低来控制；电动机的起、停，加、减速，正、反转反应快，易控制；由于对电动机作开环控制，与闭环反馈控制相比，节省成本；步进电动机结构简单，可靠性高，使用寿命长。
　　应该注意的一点是：在复杂环境下使用步进电动机，如果抗干扰问题处理不好，会产生丢步问题，即发出的控制脉冲个数，多于电动机的旋转角度。
　　(8)直流电动机控制  直流电动机的驱动及调速都比较简单，接通直流电动机绕组的电源即可使直流电动机旋转，改变电源电压的数值即可对直流电动机进行调速。直流电动机的价格比步进电动机便宜，普遍用于玩具、家电产品及计算机的磁盘机。但是在作精密控制对需要使用闭环控制方式，以致增加了复杂性及成本。一般在大转矩、简单控制的场合采用直流电动机控制，在小转矩、精密控制情况下则使用步进电动机。现代采用脉冲电源给直流　　电动机供电，这种供电方式可以降低直流电动机电刷压降的影响，也使控制方便。常用的控制方式有以下两种：①脉冲调宽式(pwm)：驱动电源的脉冲频率不变，脉冲波形的宽度(通电时间)可变，通电时间越长表示加到直流电动机的直流平均功率越太，转速就越快；反之，转速就变慢，频率设定要适当，不可过低(否则电动机无法起动)，调整通电时间即可对转速进行控制；②脉冲调频式(pfm)：驱动电源电压波形的脉冲工作频率可变，但波形的宽度(通电时间)不变，工作频率越高，则通电次数就多，直流平均功率就大，电动机转速提高；反之，电动机转速降低。
　　(9)交流电动机控制交流电动机(主要指异步电动机和同步电动机两大类)传动占电气传动总容量的80％左右，是一种使用最为广泛的电动机。交流电气传动与直流电气传动均诞生于19世纪，但长期以来交流电动机只能作为不变速传动动力来使用。虽然交流调速早有多种方法问世，并获得了一些实际的应用，但其调速性能始终无法与直流电气传动系统相比。直到20世纪70年代，世界范围的石油危机迫使全世界投入了巨大的科技力量，历经十年之久才解决了交流电动机调速系统的理论和方法问题，并使其正在逐步取代直流传动，成为高性能电气传动的主流和基础。可以改变感应电动机转速的方法有3种：①改变极对数；②使电动机的转差率发生变化(例如调节定子电压、转子电阻以及转子电压等)；③调节电源频率。其中，改变同步转速的极对数调速和变频调速的效率是****的，而变极对数只能有级调速，应用场合有限，只有变频调速应用****。由于一般变频调速采用恒转矩调速，即希望****转矩r一保持为定值，为此在改变电源频率的同时，电源电压u也作相应的变化，使u／f恒定。早期的变频调速采用晶闸管作主开关器件，用矩形波模拟正弦波，其性能指标不高；幅度和频率分开调节，装置笨重庞大，妨碍了它的推广应用。后来，原联邦德国学者率先提出正弦脉冲宽度调制(sew~)技术，用于交流电动机变频调速，大大提高了性能指标，使谐波含量大为减少，效率提高，运转平稳，噪声降低，受到了广泛重视。spwm的基本思想是：保持输出脉冲电压幅度不变，用调节脉冲的宽度和间隔(同时改变u和，)实现与正弦波等效的波形。将此脉冲电压加到电动机上，所得到的电流波形接近于正弦波。spwm技术在20世纪70年代和80年代获得了迅速发展，很多人为此付出了不少的心血，提出了各种各样的实现模式，至今仍方兴末艾。现代****的异步电动机变频调速装置几乎都采用了spwm技术；与之配合，逆变桥采用了全控型的高速开关器件，如gtr、功率mosfet、gto(门极关断晶闸管)和igbt(绝缘栅双极型晶体管)，调频与调压均在逆变桥完成，大大简化了主电路。
　　就硬件方面讲，产生spwm控制信号的方法主要有3种：①采用微处理器；②采用专用大规模集成电路；③采用微处理器和专用大规模集成电路相结合。
　　采用微处理器的好处是灵活，功能强，易于保密；不足之处是开发周期长，通用性差。
　　采用专用大规模集成电路的好处是使用简单，省去了编写软件的麻烦，开发周期短；不足之处是灵活性差，难以完成更多的功能。如sle4520是一种应用acmos技术制作的低功耗高频大规模三相pwm集成电路。它是一种可编程器件，与8位或16位微处理器或微机配合使用，在适当的软件控制下，sle4520就能产生驱动三相逆变器的spwm三相六路信号。日本富士电动机r系列ipm为第三代的igbt—ipm，适用于通用变频器等，内设欠压、过热、过流保护等功能，开关频率范围为1～20khz。具有：①与n系列模块n--~innn电气特性，通过软开关性能实现低浪涌、低噪声；②高可靠性，仅仅由硅半导体芯片组成，与以往品种　　(j—ipm和n—ipm)相比，元器件数量大幅度减小了，具有优良的性价比；通过探测igbtd芯片结温来提供温度保护，防止芯片过热损坏，使可靠性更高；③封装互换性好，主端子、控制端子、安装孔位置与以往的品种(j—ipm和n—ipm)兼容，高度比以往品种低，体积小。得到了很好的应用，设计时可供借鉴。
　　3．机电接口设计应注重低功耗设计，禁忌功耗太大，散热困难

      (1)硬件设计1)在满足系统接口功能前提下，尽量选用低功耗器件，cmos器件功耗比ttl器件低得多。
　　2)充分利用大规模集成电路的低功耗工作方式，以降低功耗。如a／d7703是20位模／数转换器，工作时其电源功耗为25mw，而休眠(不工作)时静态功耗仅为lop。w。
　　3)在满足系统工作速度的条件下，尽量降低系统时钟频率。因为任何电路都存在一定的分布电容以及晶体管pn结电容，工作频率越高，电容充放电速度就越快，导致电流就越大，功耗就增加。
　　4)光隔离器可灵活使用。在有些接口电路设计中，为避免主机与现场的电磁联系，提高系统可靠性，要使用光隔离器做信号的连接。但是光隔离器功耗较大，单个隔离器工作电流在20ma左右，高速隔离器的工作电流更大。所以要降低功耗只能从减少工作时间人手。
　　例如，要求主机每隔半小时发出一个10ms的正脉冲，即光隔离器在半小时内只工作10ms，其余时间都不工作。在满足同样工作要求时，可以使用不同电路，见图5-79。