一文知道機電一體化系統的接口

在機電一體化系統中，系統總體技術主要研究內容是：系統方案設計和評價；接口技術；精度設計；可靠性分析和設計；人機工程設計。

一、接口的定義和分類

定義：狹義接口是指計算機接口；廣義接口：在系統各要素或子系統之間，必須平穩地進行物質、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兩種形式。

圖1 直接接口與接口系統

常用接口的分類方法：

1.根據接口的變換和調整功能，可將接口分為零接口、被動接口、主動接口和智能接口；

2.根據接口的輸入/輸出對象，可將接口分為機械接口、電氣接口、信息接口與環境接口等；

3.根據接口的輸入/輸出類型，可將接口分為數字接口、開關接口、模擬接口和脈沖接口。

二、電氣接口

按照在系統中所起的作用，分為輸入接口、輸出接口；信號轉換與隔離接口；設備專用接口；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、電平轉換

RS-499，RS-422A，RS-423A，RS-485；

20mA電流環

（二）常用接口元件

1.光電耦合器

在控制微機和功率放大電路之間，常常使用光電耦合器。光電耦合器由發光二極管和光敏晶體管組成，當在發光二極管二端加正向電壓時，發光二極管點亮，照射光敏晶體管使之導通，產生輸出信號。

光電耦合器的信號傳遞采取電-光-電形式，發光部分和受光部分不接觸，因此其絕緣電阻可高達1010W以上，并能承受200OV以上的高壓，被耦合的兩個部分可以自成系統，能夠實現強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。光電耦合器的發光二極管是電流驅動器件，能夠吸收尖峰干擾信號，所以具有很強的抑制干擾能力。

光電耦合器作為開關應用時，具有耐用、可靠性高和高速等優點，響應時間一般為數微秒以內，高速型光電耦合器的響應時間有的甚至小于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是步進電動機、接觸器等的線圈，VD2 是續流二極管。若無二極管VD2，當 VT1 由導通到截止時，由換路定則可知，電感W的電流不能突然變為0，它將強迫通過晶體管VT1 。由于VT1 處于截止狀態，在VT1 兩端產生非常大的電壓，有可能擊穿晶體管。若有續流管VD2，則為W 的電流提供了通路，電流不會強迫流過晶體管，從而保護了晶體管。

在接口電路設計中，應考慮光電耦合器的兩個參數：電流傳輸比與時間延遲。電流傳輸比是指光電晶體管的集電極電流IC與發光二極管的電流Ii之比。不同結構的光電耦合器的電流傳輸比相差很大，如輸出端是單個晶體管的光電耦合器4N25的電流傳輸比≥20%，而輸出端使用達林頓管的光電耦合器4N33的電流傳輸比≥500%，電流傳輸比受發光二極管的工作電流Ii影響，當Ii 為10～2OmA時，電流傳輸比最大。時間延遲是指光電耦合器在傳輸脈沖信號時，輸出信號與輸入信號的延遲時間。

2．晶閘管

晶閘管又稱可控硅，是目前應用最廣的半導體功率開關元件，其控制電流可從數安到數千安。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有三個極，分別為陽極A陰極K和控制極G（又稱門極）從物理結構看，它是一個PNPN器件，其工作原理可以用一個PNP晶體管和一個NPN晶體管的組合來加以說明。SCR有截止和導通兩個穩定狀態，兩種狀態的轉換可以由導通條件和關斷條件來說明。

圖3 單向晶閘管

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

（2） 雙向晶閘管（TRIAC）

圖4 雙向晶閘管

雙向晶閘管是雙向導通的，它從一個方向過零進入反向阻斷狀態只是一個十分短暫的過程，當負載是感性負載時（如電樞），由于電流滯后于電壓，有可能使電壓過零時電流仍存在，從而導致雙向晶閘管失控（不關斷）。為使雙向晶閘管正常工作，應在其兩主電極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普通晶閘管，其結構和符號見圖。圖中N2區和P2區的表面被整片金屬膜連通，構成雙向晶閘管的一個主電極，此電極的引出端子稱為主端子，用A2表示；N3區和P2區的一小部分被另一金屬膜連通，構成一對反并聯主晶閘管的公共門極端，用G表示；P1區和N4區被金屬膜連通，構成雙向晶閘管的另一個主電極，叫做主端子A1。這樣，P1-NI-P2-N2和P2-N1-P1-N4就分別構成了雙向晶閘管中一對反并聯的晶閘管的主體

（3）門極可關斷晶閘管（GTO）

內部結構及表示符號如圖所示。當門極加上正控制信號時GTO導通，門極加上負控制信號時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、價格便宜，又像GTR那樣具有自關斷能力、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合到一起形成的集成電路，其典型產品有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，大多用于驅動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。溫控晶閘管的開關特性與普通晶閘管相同，性能優于熱敏電阻、PN結溫度傳感器。溫控晶閘管的溫度特性是負特性，也就是說當溫度升高時，正向溫控晶閘管的門檻電壓會降低。用溫控晶閘管可實現溫度的開關控制，在溫控晶閘管的門極和陽極或陰極之間加上適當器件，如電位器、光敏管、熱敏電阻等，可以改變晶閘管導通溫度值。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用的晶體管，有時也稱為電力晶體管。GTR是20世紀70年代后期的新產品，它把傳統雙極晶體管的應用范圍由弱電擴展到強電領域，在中小功率領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狀態，也可以工作在模擬狀態；GTR的開關速度遠大于晶閘管，并且控制比晶閘管容易；其缺點是價格高于晶閘管。

圖6 功率晶體管

GTR的結構如圖a所示。功率晶體管不是一般意義上的晶體管，從本質上講，它是一個多管復合結構，有較大的電流放大倍數，其功率可高達幾千瓦。其中的VT1和VT2 組成達林頓管，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導通，可以使VT1的一部分射極電流經過VD1流到輸入端b，從而加速了功率晶體管的關斷。VD2是續流二極管，對晶體管VT2起保護作用，特別對于感性負載，當GTR關斷時，感性負載所存儲的能量可以通過VD2的續流作用而釋放，從而避免對GTR的反向擊穿。

在機電一體化產品中，它基本上被用來做高速開關器件，圖b是用功率晶體管做功放元件的步進電動機一相繞組的驅動電路。在實際應用中應注意，當功率晶體管工作在開關狀態時，其基極輸入電流應選得大一些，否則，晶體管會增加自身壓降來限制其負載電流，從而有可能使功率晶體管超過允許功率而損壞。這是因為晶體管在截止或高導通狀態時，功率都很小，但在開關過程中，晶體管可能出現高電壓、大電流，瞬態功耗會超過靜態功耗幾十倍。如果驅動電流太小，會使晶體管陷入危險區。

4．功率場效應晶體管（MOSFET）

功率場效應晶體管又稱功率MOSFET，它的結構和傳統MOSFET不同，主要是把傳統MOSFET的電流橫向流動變為垂直導電的結構模式，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 功率場效應晶體管

它具有比雙極性功率晶體管更好的特性，主要表現在以下幾個方面：

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

（2）具有較寬的安全工作區而不會產生熱點，同時，由于它具有正的電阻溫度系數，所以容易進行并聯使用；

（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的過載能力，短時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，因此驅動電流小，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80年代出現的新型復合器件，它將MOSFET和GTR的優點集于一身，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩定性好和驅動電路簡單的特點，又具有通態電壓低、耐壓高和承受電流大等優點。

6．固態繼電器（SSR）

固態繼電器是一種無觸點功率型通斷電子開關，又名固態開關?？刂贫擞杏|發信號時，主回路呈導通狀態，無控制信號時主回路呈阻斷狀態?？刂苹芈放c主回路間采取了電隔離及信號隔離技術。固態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、開關速度快和使用方便等優點。

圖示出為8031單片機通過固態繼電器控制交流接觸器的控制線路。當P1.0輸出高電平時，固態繼電器導通，交流接觸器 K 閉合，主電路導通， P1.0為低電平，則主電路關斷。

圖8 固態繼電器與單片機接口

（三）、CPU與高壓大電流負載的接口

在機電一體化控制系統中，有時需要用微機控制各種各樣的高壓、大電流負載，如電機、電磁鐵、繼電器等。顯然，這些大功率負載不能用CPU的I/O線來直接驅動，而必須通過各種驅動電路和開關電路來驅動。此外，為了隔離和抗干擾，有時需加接光電耦合器。

1.光電耦合器及其驅動電路

圖9 光電耦合器4N25的接口電路

2.Mcs-51單片機與繼電器的接口

3.單片機與雙向晶閘管的接口

4.單片機與功率場效應晶體管的接口