機電接口電路設計禁忌1．在機電接口設計中，絕不可小看工業現場強電信號對系統的干擾，處理不當將無法工作各種工業過程的測量和控制系統中，干擾是一個不容忽視的因素，必須認真對待。信號隔離則是抵抗外界干擾的一個必要而有效的手段，它可 以實現以下兩個功能：隔斷外界的共模電壓和隔斷從外界竄進來的電磁干擾。
一般的機電系統既包括弱電控制部分，又包括強電驅動部分。其弱電工作環境中常常包含有強電或強電磁干擾等。為了防止電網電壓等對測量回路的損壞，避免電磁等于擾造成系統不正常運行，需要隔絕電氣方面的聯系，即實行弱電和強電隔離，同時又要保證系統內部控制信號的聯系，使系統工作穩定，保證設備與操作人員的安全。
微機測控系統輸出的開關信號一般不能直接驅動外設，需要經接口轉換后才能用于驅動設備開啟或關閉；許多外設諸如大功率的交流接觸器、電磁鐵、電動機等在開關過程中會產生較強的電磁干擾信號，如不加以隔離將可能會竄人測控系統中造成系統誤動作或損壞。
在生物醫療儀器上，為防止漏電、高電壓等對人體的意外傷害，也常采用隔離放大技術，以確�；颊甙踩�。此外，在許多其他場合也常需要采用隔離放大技術。
信號隔離的目的在于從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，使測控裝置與現場僅保持信號聯系，而不直接發生電的聯系。隔離的實質是把引進干擾的通道切斷，從而達到隔離現場干擾的目的。測控裝置與現場信號之間、弱電和強電之間常用的隔離方式有光電隔離、繼電器隔離、變壓器隔離、隔離放大器等。另外在布線上也應該注意隔離。
工業現場與計算機控制系統之間傳輸的信號可以分為兩類：模擬量和數字量。兩種信號的隔離方法有所不同。數字信號包括儀器儀表的BCD碼、開關狀態的閉合與斷開、指示燈的亮與滅、繼電器或接觸器的吸合與釋放、電動機的起動與停止、閥門的打開與關閉等，數字信號的隔離可以采用光電隔離、繼電器隔離等方法。在許多機電系統中，需要測量和控制的參數往往是連續變化的模擬信號，如溫度、壓力、流量和位移等，對于模擬信號的隔離常采用隔離放大器。為完成地線隔離，將放大器加上靜電和電磁屏蔽浮置起來，這種放大器叫隔離放大器，或叫隔離器，其輸入和輸出電路與電源沒有直接的電路耦合關系。在以下場合，需使用隔離放大器：①測量處于高共模電壓下的低電平信號；②需消除由于對信號源地網絡的干擾(加大電流的跳變)所引起的測量誤差；③避免構成地回路及其寄生拾取問題(不需要對偏流提供返回通路)；④保護應用系統電路不致因輸入端或輸出端大的共模電壓造成損壞。
在機電系統中，被控對象往往是功率較大的驅動元件或設備，如閥門、電動機等，這樣就要用到功率驅動接口電路。在機電系統中，應用較多的有半導體功率開關元件和線性功率兀件；半導體功率開關元件一般是晶閘管，線性功率元件通常是功率晶體管、功率場效應晶體管和功率模塊。其功率場效應晶體管的驅動方式通常有：①TTL驅動：由于功率場效應晶體管絕大多數是由VMOS或TMOS工藝制成，它們的控制極是一個浮柵極，故而它們是由電位控制而不是由電流控制的。這樣，小功率的TTL集成電路也足以驅動大功率的場效應晶體管。功率場效應晶體管的導通門檻電壓一般為2～4v，所以在驅動電路中不采用一般的TTL集成電路，而采用集電極開路的TTL集成電路。在集電極開路的TTL集成電路驅動電路中，為了提高輸出驅動電平的幅值，可以通過一個上拉電阻接到+5v電源。不過，為了保證能有足夠高的電平驅動功率場效應晶體管導通，也為了保證它能迅速截止，實際上是把上拉電阻接到10～15V電源上。~c~aos驅動：用CMOS集成電路直接驅動功率場效應晶體管有一個最明顯的優點，那就是可以采用10～15V的電壓源，這就使得CMOS集成電路起碼有IOV的輸出高電平，從而可以驅動功率場效應晶體管在導通時處于充分導通狀態。因為功率場效應晶體管的門檻電壓****為4V左右，只要柵極的輸入信號高于這個門檻電壓． 功率場效應晶體管就會處于良好的導通狀態。用cMOS集成電路直接驅動場效應晶體管時無需附加電路和上拉電阻，所以驅動電路比較簡單。③隔離式驅動：隔離式驅動就是驅動電路與功率場效應晶體管的電源系統采用兩個完全無公共點的電源系統，這樣可以消除電氣干擾。這種驅動方式在一些特殊場合特別有用。常用的信號隔離的方法有：
(1)光耦合器隔離光耦合器可根據要求不同，由不同種類的發光元件和受光元件組合成許多系列。根據受光元件的不同可分為晶體管輸出型和晶閘管輸出型兩類，但從隔離方法的角度來看都是一樣的，即都是通過“電一光一電”這種轉換，利用“光”這一環節來完或隔離功能。
1)晶體管輸出型光耦合器，其受光元件是光敏晶體管。除了沒有使用基極外，光敏晶體管與普通晶體管一樣，光作為晶體管的輸入取代了基極電流。當光耦合器的發光二極管發光時，光敏晶體管受光的影響就會有電流流過，該電流基本上受光的照度控制。由于光耦合器是電流輸出型器件，不受輸出端工作電壓的影響，因此可以用于不同電平之間的轉換。光耦合器也常用于較遠距離的信號隔離傳送。一方面光耦合器可以起到隔離兩個系統地線的作用，使兩個系統的電源相互獨立，消除因地電位不同所產生的影響；另一方面，光耦合器的發光二極管是電流驅動器件，可以形成電流環路的傳送形式。由于電流環電路是低阻抗電路．它對噪聲的敏感度低，因此提高了通信系統的抗干擾能力，常用于有噪聲干擾的環境下傳輸信號。光敏晶體管的集電極電流，。與發光二極管的電流，。之比稱為光耦合器的電流傳輸比cDR。不同結構的光耦合器電流傳輸比相差很大，如輸出端是單個晶體管的光耦合器4N20的電流傳輸比≥20％，輸出端使用達林頓管的光耦合器4N33的電流傳輸比≥500％。
電流傳輸比與發光二極管的工作電流有關。當電流為10～20mA時，電流傳輸比****；當電流小于10mA或大于30mA時傳輸比都將下降。溫度升高，傳輸比也會下降，因此在使用時要留一些裕量。光耦合器在傳輸脈沖信號時，輸入信號和輸出信號之間有一定的延遲時間，，不同結構的光耦合器的輸入輸出延遲時間相差很大。例如4N20的導通延遲時間是2．8¨s，關斷延遲時間是4．51．zs；4N33的導通延遲時間是O．O6μs，關斷延遲時間是4.5μ。；使用時要加以考慮。
晶體管輸出型光耦合器可作為開關使用，這時發光二極管和光敏晶體管平常都處于關斷狀態。在發光二極管中通過電流脈沖時，光敏晶體管在電流脈沖持續的時間內導通。
在機電系統中，由于被控對象往往處在較強的噪聲環境中，因此，為確保系統可靠地工．需要切斷計算機與外設之間的公共地線，以防止外部的干擾信號及地線環路中產生的噪聲電信號通過公共地線進入計算機系統。通常，A／D轉換器和D／A轉換器與計算機間可以采用下列兩種隔離方式來切斷電氣聯系：
�、賹／D和D／A進行模擬隔離。對A／D和D／A的模擬信號進行隔離，通常采用隔離放大器對模擬量進行隔離，但所使用的隔離放大器必須滿足A／D和D／A轉換的精度和線性度要求。例如，對12位A／D和D／A進行隔離，其隔離放大器要達到13位，甚至14位的精度不能小于12位精度；如此高精度的隔離放大器，價格十分昂貴。
�、谠贗／o與A／D和D／A之間進行隔離，這種方法通常稱為數字隔離。具體做法是用若干鎖存器對地址信號、控制信號、數據信號進行鎖存，然后用這些信號對A／D和D／A芯進行操作，完成多路開關的選通、A／D和D／A的轉換。在A／D轉換時，先將模擬量變成數字量，將數字量通過光電隔離后再送入計算機；在D／A轉換時，先對數字量進行隔離然壓．
后再進行D／A轉換。這種方法可靠、方便、經濟，不影響A／D和D／A轉換的精度和線性度；主要缺點是速度太慢，如采用普通的廉價光電隔離器件，****轉換的速率為3000～5000點／s。但這對于一般工業控制對象(如溫度、壓力、流量等)還是可以滿足要求的。利用光耦合器實現輸出端的通道隔離時，還需注意：被隔離的通道兩側必須單獨使用各自的電源，即用于驅動發光管的電源與驅動光敏晶體管的電源不應是共地的電源，對于隔離后的輸出通道必須單獨供電，否則，如果使用同一電源，外部干擾信號可能通過電源竄人系統中來，如圖5-72所示，
這樣就失去了隔離的意義。
晶閘管輸出型光耦合器的輸出端是光敏晶閘管或光敏雙向晶閘管。當光耦合器的輸入端有一定的電流流人時，晶閘管導通。有的光耦合器的輸出端還配有過零檢測電路，如MOC3061，用于控制晶閘管過零觸發，以減少用電器在接通電源時對電網的影響。
2)繼電器隔離。繼電器方式的開關量輸出是目前最常用的一種輸出方式，在驅動大型設備時，常常利用繼電器作為測控系統到輸出驅動級之間的第一級執行機構，通過第一級繼電器輸出，可完成從低壓直流到高壓交流的過渡。繼電器輸出也可用于低壓場合，與晶體管等低壓輸出驅動器相比，繼電器輸出時輸入端與輸出端有一定的隔離功能，但由于采用電磁吸合方式，在開關瞬聞，觸點容易產生火花從而引起干擾；在交流高壓等場合使用，觸點也容易氧化；由于繼電器的驅動線圈有一定的電感，在關斷瞬間可能會產生較大的電壓，因此在繼電器的驅動電路上常常反接一個保護二極管用于反向放電。不同的繼電器，允許的驅動電流也不一樣，在電路設計時可適當加一限流電阻；在某些需較大驅動電流的場合，則可在光電隔離器與繼電器之間再接一級晶體管以增加驅動電流。
3)固態繼電器隔離。固態繼電器，簡稱SSR，是近年發展起來的一種新型電子繼電器．它利用電子元件(如開關晶體管、雙向晶閘管等半導體器件)的開關特性，可實現無觸點無火花地接通和斷開電路，具有輸入控制電流小、無機械噪聲、無抖動和回跳、開關速度快、體積小、質量輕、壽命長、工作可靠等特點，并且耐沖擊、抗潮濕、抗腐蝕，因此在微機測控等領域中已逐漸取代傳統的電磁式繼電器和磁力開關作為開關量輸出控制元件。固態繼電器按使用場合可以分為交流型(AC-ssR)和直流型(DC．SsR)兩類，它們分別在交流或直流電源上做負載的開關，不能混用。交流型按觸發形式又可分為過零觸發型固態繼電器和隨機導通型固態繼電器。當控制信號輸入后，過零觸發型總在交流電源為零電壓附近導通，產生的干擾小，一般用于計算機I／O接日等場合，如圖5-73所示；
隨機導通型則是在交流電源的任意狀態下導通或關閉，在導通瞬間可能產生較大的干擾。直流型的SSR與交流型的SSR相比，無過零控制電路，也不必設置吸收回路，開關器件一般用大功率開關晶體管，其他工作原理相同 使用固態繼電路應切記：①禁忌將負載兩端短路，以避免造成****性損壞；②如果外部運行環境溫度高，選用的固態繼電器必須留有較大的功率余量；③當用固態繼電器控制感性負載時，應接上氧化鋅壓敏電阻做保護；④固態繼電器內部一般有5～10mA的漏電流，因此不宣用它直接控制功率很小的負載。
(2)電磁隔離放大器 目前，在信號處理中應用****泛的隔離放大器是變壓器耦合的線性隔離放大器，如Anolog Devices公司的AD277J、A13202、AD204、AD289、D290、AD210、AD28l等。AD202／AD204是低成本電磁隔離放大器系列中的一個品種，其功能框圖如圖5-74所示。AD202／AD204的區別在于AD202只由+15V直流電壓供電，而AD204則是通過外部提供時鐘(AD246)供電。從圖中可看出，該芯片由放大器、調制器、解調器、整流和濾波電路、電源變換器等組成。工作時，十15V電源連到電源輸入引腳31，使片內(AD202)振蕩器工作，從而產生頻率為25kHz的載波信號，通過變壓器耦合，經整流和濾波，在隔離輸出部分形成電流為2mA的±7．5V隔離電壓。該電壓除作為片內電源外，還可作為外圍電路(如傳感器、浮地信號調節、前置放大器)的電源。AD204電源從引腳33由輸入時鐘提供。在輸入電路中，片內獨立放大器能夠作為AD202／A13204輸入信號的緩沖級或放大級。放大后的信號經調制器調制后能變換成載波信號，經變壓器送人同步解調器，以致在輸出端重現輸入信號。由于解調信號要經過三階濾波器濾波，從而使得輸出信號中的噪聲和波紋達到最小，為后級應用電路提供良好的激勵源。為了能充分發揮該芯片的固有性能，使甩中有兩點注意：
1)實際應用中，輸入電路的信號可以是電壓型也可是電流型的，前者能組成單位增益緩沖器和增益G>1的前置放大器；后者能組成單路或多路電流加法放大器。
2)要調節增益和零點時，可采用同相放大的輸入調節電路，如圖5_75a所示。該電路中的調節元件主要由所選輸入電路的結構決定，而與電路調節所處的位置(輸入或輸出)無關。通常零點調節放在輸入端，而且調節次序是先調零點，后調增益，禁忌顛倒。
為了使共模抑制比的影響達到最小值，在信號源的低端必須串聯一個幾百歐的電阻。增益調節位于輸入調節電路的上端，反饋電阻RF=50kΩ，此時增益應為10或更大。而在增益較低時調節功能稍差。當G=2時調節功能差一半；當G=l(跟隨器)時，增益不可能再向下調節，這是該電路的不足之處。
為了克服上述缺點，可采用圖5—75b的反相放大輸入調節電路。該電路能在公共點上把失調電壓調節為零，并且具有較好的電流注入性能，從而減小對后級增益調節的影響。因此，當增益從l～100變化時，該電路均能正常工作
(3)線性光電隔離放大器 線性光隔離放大器利用發光二極管的光反向送回輸入端，正向送至輸出端，從而提高了放大器的精度和線性度。放大器的輸入端和輸出端是用光隔離的，所以不存在電氣連接。常見的線性光隔離放大器有Burr-Bro。。公司的IS0100、3650和3652~3650/52是光耦合集成隔離放大器，與以前采用變壓器耦合調制解調技術的隔離放大器相比，它具有體積小、價格低、頻帶寬、可靠性高等優點。它采用了直流模擬調制技術代替載波技術，從根本上消除了以前的調制隔離放大器存在的電磁干擾問題，同時克服了簡單LED和光敏二極管構成的隔離器隨時間和溫度的變化而存在非線性和不穩定性的缺點。目前，3650／52光耦線性隔離放大器以其明顯的優越性廣泛用于工業過程控制，如傳感器隔離、生物醫學設備(病情監測)、精密測試儀器、數據獲取等領域。圖5-76給出了3650／52的等效電路。
2個經過嚴格匹配的光敏二極管，一個(CR3)在輸入端，另一個(CR2)在輸出端，它們能****限度地減少非線性及時間溫度不穩定性。放大器K，、發光二極管CRl和光敏二極管CR3構成負反饋電路，uIN=，INRG(R。是用戶提供的增益調諧電阻)。由于CR2和CR3嚴格匹配，而且它們從cRl接收到等量光，因此，I2=I1=N。放大器K2被連接成電流一電壓轉換器，可以看出，這種經過改進的隔離電路克服了簡單的LED和光敏二極管組合的某些缺點，因為兩個光敏二極管完全匹配，傳輸函數實際上與LED輸出性能無關，線性度只是匹配精度的函數，它可通過在輸入端引入負反饋而得到進一步的提高，應用先進的激光微調技術可進一步補償殘余的匹配誤差，使線路的線性度更佳。 一一3652的隔離和輸出電路與3650完全相同。只是3652的輸入部分增加了FET緩沖放大器和輸入保護電阻，因而能獲得更高的差模和共模輸入阻抗(10·Ω)、很低的偏置電流(50PA)及過壓保護。輸入端+IR和一IR比+I和一I能提供更高的差分電壓和共模電壓輸人。為了獲得優良的隔離特性，在制板過程中外部元件要對稱布局，以提高共模抑制比,輸 入：3650隔離放大。兩個3650為電動機接地點和控制系統接地點提供了良好的隔離，隔離電源為B—B公司的Dc／Dc隔離轉換器772。圖5—78給出了3652在病人病情監測器中的應用。
由于3652是真正的平衡輸入放大器，具有極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聲。
總之，在機電接口設計中，為了抑制過程通道的干擾，必須對信號進行隔離。常用的隔離方式有光電隔離、繼電器隔離、固態繼電器隔離、隔離放大器等。另外，在布線上也應該注意隔離。光隔離器將輸入輸出端的信號通過光聯系起來，從而切斷了電的聯系。根據受光元件的不同可分為晶體管輸出型和晶閘管輸出型兩種。繼電器方式的開關量輸出，是目前量常用的一種輸出方式，在驅動大型設備時，常常利用繼電器作為測控系統到輸出驅動級之問的第一級執行機構，通過第一級繼電器輸出，可完成從低壓直流到高壓交流的過渡。固態繼電器根據使用場合可以分為交流型和直流型兩類，它們分別在直流或交流電源上做負載的開關，按觸發形式可分為過零觸發型固態繼電器和隨機導通型固態繼電器。隔離放大器可以防止共模噪聲竄人系統，常用的隔離放大器中采用的耦合方式主要有變壓器耦合和光耦合。
2．控制量輸出通道的功率接口電路設計離不開對現代電動機驅動控制技術的研究
現代電動機的驅動控制技術和電子技術的發展有著直接、密切的關系，電子技術、電子 器件的新成就，極大地推動了電動機驅動控制技術的發展。小功率直流電動機的現代驅動控制都是采用晶體管放大器來實現的。晶體管放大器可以分為線性放大器和開關放大器兩種類型，線性放大器幾乎都采用晶體管，而開關放大器可采用晶體管，也可采用晶闡管等。線性放大器的優點是，在運行范圍內有比較好的線性控制特性，沒有明顯的控制滯后現象，控制速度范圍寬，對附近的電路干擾小。但是線性放大器工作時產生大量的熱量，效率和散熱問題嚴重，其****效率不超過50％，必須采用大的功率器件，加大散熱面積，采用強追風冷等措施，這樣就限制了其使用范圍。開關式放大器中，輸出級的功率器件工作在開關狀態，即不是飽和導通狀態就是截止狀態。截止狀態的器件不消耗能量，而飽和導通的功率器件上的壓降又很小，這樣功率輸出級的損耗就很小，整體的效率就高�？刂屏枯敵鐾ǖ拦β式涌陔娐分饕校�
(1)功率放大電路常用的有：①全部采用NPN晶體管構成的H橋電路，通過給4個晶體管的基極施加開關驅動信號，使全部晶體管工作在飽和區內；另外為了不使上下橋臂的晶體管同時導通而發生短路，應在基極驅動信號的時序上采取一些措施；②采用NPN和PNP型晶體管射極跟隨器構成的H橋電路，采用PNP和NPN兩種不同導通類型的晶體管，各個晶體管的發射極作為驅動電路的輸出端；這樣的優點是可把橋上的晶體管基極相連接，施加一個驅動信號即可，電路比較簡單；另外這種電路的上下橋臂不會同時導通，即不會發生短路事故；③采用PNP和NPN型晶體管集電極跟隨器構成的H橋電路，在PNP和NPN型晶體管的集電極上接負載，構成電壓跟隨器。該電路中4個晶體管基極電流的驅動方向是不同的，另外應使上下橋臂不能同時導通。
(2)正反轉控制基本電路利用以上驅動電路可方便地實現電動機的正反轉控制，但在使用驅動電路過程中，可能錯接電源端子或輸出端子，也可能在使用H橋電路驅動直流電動機時，由于驅動信號的時序錯誤而發生短路制動，為此，在設計驅動電路的時候必須考慮短路或過電流等情況，采取電流截止負反饋限流和安裝過電流保護等措施。
(3)智能功率集成電路機電一體化技術的發展始終與電子技術的發展息息相關，從20世紀80年代中期以來，國際上在電子技術領域內出現了一種全新的功率集成電路——智能功率集成電路(也稱智能功率模塊)。所謂智能功率集成電路指的是該電路至少把邏輯控制電路和功率半導體管集成在同一芯片上，通常是指輸出功率大于1w的集成電路。在這個電路上還包括過電流、過電壓、超溫和欠電壓等保護電路，有的還將電路內部狀態作為一個診斷信號輸出。在這個定義下，智能功率集成電路包括了汽車設備、工廠自動化設備、辦公自動化設備和消費類電子設備所使用的電動機控制器、平板顯示驅動器以及高壓多路調制解調器等。智能功率集成電路的出現，打破了以往微電子與電力電子技術長期分割的局面，實現了人們多年的愿望。智能功率集成電路可使電力電子裝置縮小體積，減輕質量，而且更適合大規模生產，從而使成本降低。功率集成電路是強電與弱電連接的橋梁，是機與電統一起來實現機電一體化的重要手段，目前的功率水平可達數十安／1200~’以上，所采用的功率器件有雙極型器件(如晶體管和晶閹管)、單極型器件(如場效應晶體管)或復合器件(如BI．MOS)，控制電路大部分采用MOs技術。智能功率集成電路實現了集成電路功率化、功率器件集成化和智能化，使功率與信息控制統一在一個器件內，成為機電一體化系統中弱電與強電的接口。它不但具有一定功率輸出能力，而且具有邏輯、控制、傳感、檢測、保護和自診斷等功能，從而將智能賦予功率器件，通過智能作用對功率器件狀態進行監控。例如，負載 開路、過電流、輸出短路、電源短路、電源欠電壓、過電壓、過熱等不正常故障出現時，電路即做出保護，并輸出故障診斷信號。大多數功率集成電路的輸入都與TTL或cMOS電平兼容，可以直接由微處理器控制，狀態信息也可反饋至微處理器。智能功率集成電路的使用給電動機控制系統帶來極大方便，簡化開發和調整工作，縮小體積，減輕質量，提高可靠性和抗干擾能力，改善性能，而且也節約成本。它具有小型、多功能、使用方便等優點，適合于交流220V電網的應用。
(4)遠距離傳送電流環 電流環路是一種低阻電路，它可以減少噪聲干擾，允許在較長距離傳送數據，常用于噪聲干擾較嚴重的環境。由于采用了光隔離器，可以實現兩個不同系統間的接地隔離，可用在距離為900m(3()00fl[)以50Icbps速率發送數據的場合。傳送距離受環路導線電阻的限制，在此電路中環路電阻禁忌大于30n。凡要求系統或電路間電源隔離的場合均可以使用光隔離器，從而使兩部分的地線和電源都不共用，達到系統間的全隔離。
(5)指示器驅動為了顯示運行過程的狀態，以引起操作者的注意并采取必要的操作，可以用信號直接驅動一些通用指示器，如LED燈(發光二極管)、LED七段數字顯示器或白熾燈等。驅動器可直接使用TTL器件或s型1vrL器件。但不能使用Ls型器件，也不能使用NMOs大規模集成電路，因為它們不具備直接驅動LED燈的能力。即使是TTL器件也只能驅動單個LED燈，不可再接其他負載或器件，因為LED燈會把TTL的輸出嵌位在一個對其他電路無效的邏輯電平，使電路不能正常工作。一般情況，應使用驅動器做驅動LED燈的緩沖器。
(6)繼電器驅動在控制較高電源電壓或電流時，需要使用繼電器或電磁開關，因為TTL器件的負載能力不可能直接驅動繼電器。除此以外，為了防止繼電器或電磁開關繞組反電動勢對驅動電路的沖擊，還需要采取專門的保護措施。TExAs公司生產的雙驅動器SN75475可用來控制繼電器或電磁開關。它可以在電壓為100V時提供300mA的驅動電流，可用TTL器件驅動。為了防止繞組(電感負載)瞬態反電動勢的沖擊，電路接有輸出嵌位二極管。
(7)步進電動機控制步進電動機在機電控制領域使用得相當多，靠開環控制做精密定位。在計算機外部設備中得到了普遍應用，繪圖機、磁盤機、打印機等多采用步進電動機控制。在工業生產領域機電一體化設備上也大量使用步進電動機，例如，各種數控設備(機床、切割機、機器人關節控制等)。
步進電動機的主要特性為：電動機的旋轉角度與輸入脈沖個數成比例，角度誤差小，不會有累積誤差，電動機的轉速可用改變輸入脈沖頻率的高低來控制；電動機的起、停，加、減速，正、反轉反應快，易控制；由于對電動機作開環控制，與閉環反饋控制相比，節省成本；步進電動機結構簡單，可靠性高，使用壽命長。
應該注意的一點是：在復雜環境下使用步進電動機，如果抗干擾問題處理不好，會產生丟步問題，即發出的控制脈沖個數，多于電動機的旋轉角度。
(8)直流電動機控制 直流電動機的驅動及調速都比較簡單，接通直流電動機繞組的電源即可使直流電動機旋轉，改變電源電壓的數值即可對直流電動機進行調速。直流電動機的價格比步進電動機便宜，普遍用于玩具、家電產品及計算機的磁盤機。但是在作精密控制對需要使用閉環控制方式，以致增加了復雜性及成本。一般在大轉矩、簡單控制的場合采用直流電動機控制，在小轉矩、精密控制情況下則使用步進電動機。現代采用脈沖電源給直流 電動機供電，這種供電方式可以降低直流電動機電刷壓降的影響，也使控制方便。常用的控制方式有以下兩種：①脈沖調寬式(PWM)：驅動電源的脈沖頻率不變，脈沖波形的寬度(通電時間)可變，通電時間越長表示加到直流電動機的直流平均功率越太，轉速就越快；反之，轉速就變慢，頻率設定要適當，不可過低(否則電動機無法起動)，調整通電時間即可對轉速進行控制；②脈沖調頻式(PFM)：驅動電源電壓波形的脈沖工作頻率可變，但波形的寬度(通電時間)不變，工作頻率越高，則通電次數就多，直流平均功率就大，電動機轉速提高；反之，電動機轉速降低。
(9)交流電動機控制交流電動機(主要指異步電動機和同步電動機兩大類)傳動占電氣傳動總容量的80％左右，是一種使用最為廣泛的電動機。交流電氣傳動與直流電氣傳動均誕生于19世紀，但長期以來交流電動機只能作為不變速傳動動力來使用。雖然交流調速早有多種方法問世，并獲得了一些實際的應用，但其調速性能始終無法與直流電氣傳動系統相比。直到20世紀70年代，世界范圍的石油危機迫使全世界投入了巨大的科技力量，歷經十年之久才解決了交流電動機調速系統的理論和方法問題，并使其正在逐步取代直流傳動，成為高性能電氣傳動的主流和基礎�？梢愿淖兏袘妱訖C轉速的方法有3種：①改變極對數；②使電動機的轉差率發生變化(例如調節定子電壓、轉子電阻以及轉子電壓等)；③調節電源頻率。其中，改變同步轉速的極對數調速和變頻調速的效率是****的，而變極對數只能有級調速，應用場合有限，只有變頻調速應用****。由于一般變頻調速采用恒轉矩調速，即希望****轉矩r一保持為定值，為此在改變電源頻率的同時，電源電壓U也作相應的變化，使u／f恒定。早期的變頻調速采用晶閘管作主開關器件，用矩形波模擬正弦波，其性能指標不高；幅度和頻率分開調節，裝置笨重龐大，妨礙了它的推廣應用。后來，原聯邦德國學者率先提出正弦脈沖寬度調制(sew~)技術，用于交流電動機變頻調速，大大提高了性能指標，使諧波含量大為減少，效率提高，運轉平穩，噪聲降低，受到了廣泛重視。SPWM的基本思想是：保持輸出脈沖電壓幅度不變，用調節脈沖的寬度和間隔(同時改變U和，)實現與正弦波等效的波形。將此脈沖電壓加到電動機上，所得到的電流波形接近于正弦波。SPWM技術在20世紀70年代和80年代獲得了迅速發展，很多人為此付出了不少的心血，提出了各種各樣的實現模式，至今仍方興末艾�，F代****的異步電動機變頻調速裝置幾乎都采用了SPWM技術；與之配合，逆變橋采用了全控型的高速開關器件，如GTR、功率MOSFET、GTO(門極關斷晶閘管)和IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)，調頻與調壓均在逆變橋完成，大大簡化了主電路。
就硬件方面講，產生SPWM控制信號的方法主要有3種：①采用微處理器；②采用專用大規模集成電路；③采用微處理器和專用大規模集成電路相結合。
采用微處理器的好處是靈活，功能強，易于保密；不足之處是開發周期長，通用性差。
采用專用大規模集成電路的好處是使用簡單，省去了編寫軟件的麻煩，開發周期短；不足之處是靈活性差，難以完成更多的功能。如SLE4520是一種應用ACMOS技術制作的低功耗高頻大規模三相PWM集成電路。它是一種可編程器件，與8位或16位微處理器或微機配合使用，在適當的軟件控制下，SLE4520就能產生驅動三相逆變器的SPWM三相六路信號。日本富士電動機R系列IPM為第三代的IGBT—IPM，適用于通用變頻器等，內設欠壓、過熱、過流保護等功能，開關頻率范圍為1～20kHz。具有：①與N系列模塊N--~INNN電氣特性，通過軟開關性能實現低浪涌、低噪聲；②高可靠性，僅僅由硅半導體芯片組成，與以往品種 (J—IPM和N—IPM)相比，元器件數量大幅度減小了，具有優良的性價比；通過探測IGBTD芯片結溫來提供溫度保護，防止芯片過熱損壞，使可靠性更高；③封裝互換性好，主端子、控制端子、安裝孔位置與以往的品種(J—IPM和N—IPM)兼容，高度比以往品種低，體積小。得到了很好的應用，設計時可供借鑒。
3．機電接口設計應注重低功耗設計，禁忌功耗太大，散熱困難
(1)硬件設計1)在滿足系統接口功能前提下，盡量選用低功耗器件，cMOS器件功耗比TTL器件低得多。
2)充分利用大規模集成電路的低功耗工作方式，以降低功耗。如A／D7703是20位模／數轉換器，工作時其電源功耗為25mw，而休眠(不工作)時靜態功耗僅為lop。w。
3)在滿足系統工作速度的條件下，盡量降低系統時鐘頻率。因為任何電路都存在一定的分布電容以及晶體管PN結電容，工作頻率越高，電容充放電速度就越快，導致電流就越大，功耗就增加。
4)光隔離器可靈活使用。在有些接口電路設計中，為避免主機與現場的電磁聯系，提高系統可靠性，要使用光隔離器做信號的連接。但是光隔離器功耗較大，單個隔離器工作電流在20mA左右，高速隔離器的工作電流更大。所以要降低功耗只能從減少工作時間人手。
例如，要求主機每隔半小時發出一個10ms的正脈沖，即光隔離器在半小時內只工作10ms，其余時間都不工作。在滿足同樣工作要求時，可以使用不同電路，見圖5-79。
如果選用電路a、b，會使光隔離器絕大部分時間處于工作狀態，不能降低功耗。而選用電路c、d，則對降低功耗有利。
5)簡單實用的低功耗Ls一232通信接口電路應用。節能是所有工程設計都要追求的重要目標之一，接口設計當然也不例外，對便攜式智能儀器來說更是如此。便攜式儀器的通信方式比較簡單，只向微計算機發送信息，且通信距離短，在滿足使用要求的前提下，可對Ls一232接口作適當簡化，以達到降低功耗的目的。 一圖5—80所示
為由803l向微型計算機單向發送。該接口的負電源由cMOs電源變換器 7660提供的，7660轉換效率可達98％，但輸出功率只有幾毫安。電路中電阻R1、R2用于電平移位，可把8031串口輸出的0～5V信號移位成一2～+2V的信號。CD4069反向器之一用于整形，把一2～+2V的信號整形成一5～+5V的信號；反相器用于反相，把單片機輸出的正邏輯信號轉換為RS一232串行通信的負邏輯信號，第三至第六反向器并聯用于輸出驅動。接口的輸出總功耗只有5～10mW。
改進的自帶電源變換器RS一232集成電路芯片的接口：
為減少RS一232接[21需要多塊集成電路及外+12V、一12V電源的麻煩，幾家著名器件生產廠家都推出了自己新型的RS一232接口芯片：MCl54506、MCl54507(MOTOROLA公司)，MAX232(MAXIM公司)，ICL232(INTERSIL公司)。這幾種芯片的主要優點是：其一，把三組驅動與接收電路集成在一塊芯片上，只用這一塊芯片就滿足了串行通信功能；其二，芯片內部設有電源變換電路，可以直接把芯片電源VCC從+5v變換為+IOV和一IOV電源，滿足RS-232通信電源的需要。MCl45406和MCl45407的芯片結構和特性基本相同，都含有三對特性相同的驅動／接收電路，MCl45406沒有內部電源變換器，它可以與MCl45407配套使用，MCl45407內部電源變換器可供6個驅動電路使用(即1塊MCl45406和1塊MCl45407各有3個驅動電路)。
圖5-81為用一片MCl45407構成的單片機與Pc機間的雙向RS~32通信接口。
(2)使用軟件設計技巧 以降低功耗，基本原則是盡量減少工作時間。例如，少用或不用軟件循環實現延時；采用中斷方式不用查詢方式檢查外設狀態；數碼顯示器用靜態方式工作，不用動態掃描方式工作等。
4接口設計中應特別注意長線傳輸問題，防止信號延遲、畸變和衰減太多
隨著計算機技術的發展，長線傳輸數據的技術問題已經很成熟了，即可實地解決實際工作中遇到的各種長線傳輸問題了。長線是個相對概念，對那些必須考慮傳輸延遲的連線，就需要作為長線看待。對毫微秒(1718)級數字電路來說，1lll左右的連線就應當作為長線看待：
而對10ns級的電路，幾米長的連線才作為長線處理。計算機測控系統是一個從傳感器到執行機構的龐大自動控制系統，由現場到主機的連線往往長達幾十米到幾百米，信息在長線上傳輸會遇到三個問題：一是有信號延遲，據經驗和計算可知，單位長度上的傳輸延遲為：架空單線是3 3ns／m，雙絞線是5ns／m，同軸電纜是6ns／m；二是高速數字脈沖信號在傳輸過程中會產生畸變和衰減，引起干擾脈沖；三是長線傳輸易受到外界和其他傳輸線的干擾。醫此，在長線傳輸過程中，必須采取定時、匹配、濾波等一系列有效措施，以提高系統的可靠 性和穩定性。
根據有關資料報道，當計算機主頻為lMHz時，超過O 5m的傳輸線就應作為長線處理；而主頻為3MHz的計算機，超過O 3m的傳輸線也要作為長線處理。目前，在工控機中O．5m以上的線都作為長線處理，即采用雙絞線或扁平電纜。
(1)雙絞線的使用注意事項雙絞線是一種常用的傳輸線，和同軸電纜相比，它的頻帶寬度較低，特性阻抗(渡阻抗R，)較高，體積小，柔軟，價廉等。雙絞線特別適用于互補信號的傳輸。雙絞線之間竄擾較小，容易制造，裝配、焊接方便，得到了廣泛的應用。雙絞線的使用注意事項為：
1)對稱使用時，當絞線的兩線間距比絞線到外部元件或導線的距離小到可看作“0”
時，則絞線的兩線可相互抵消外來干擾。但若將其中一條線接地，變成非對稱使用時，則對外來干擾中的反相序分量的干擾有抑制作用，而對同向序分量則無抑制作用。
2)單線接地的雙絞線抑制干擾效果差，必須使用時，則要降低始端阻抗，以便部分降低始端非對稱性和減少噪聲。
3)當把接地的線在其中間再接地時，稱為中點接地。則在該接地點也會產生反射波，這樣被傳輸的波通過接地線的接地點時就會產生波形失真。
4)使用長距離平行的兩對雙絞線做引線時，由于闖距變化會使傳輸線路的均勻性變壞，應每隔一段距離兩對雙絞線就交叉一次，這樣做有利于抑制于擾。只要是單線接地方式，當lO～20對雙絞線同時工作時，其影響到另一對雙絞線的噪聲幾乎與信號相等。
5)雙絞線通過接插件會使噪聲增加，而干擾其他雙絞線。平行走線的兩對雙絞線一起通過接插件時，就要產生10％～15％的干擾噪聲。
6)雙絞線的節距對噪聲抑制也很有關系，應該采用圖5—82所示
的不等節距的安排，這時被感應側所產生的感應電勢是互相抵消的。
7)一般繼電器等市電頻率電器要使用雙絞線；脈沖信號的長線傳輸也常使用雙絞線。
驅動器一般采用射極跟隨器，以降低輸出阻抗，如圖5—83所示。
(2)長線傳輸的阻抗匹配。為了把信號在長線傳輸過程中產生的反射消除掉或抑制到****限度，需要對長線進行阻抗匹配。為此，必須事先知道傳輸線的波阻抗RP(波阻抗反映了信號沿傳輸線運動時動態的電壓波和電流波的關系)，RP可用示波器測量。如圖5—84所示，調節可變電阻R，達到完全匹配時，R=RP，反射波消失，門 A輸出波形不畸時的R值就是導線的波阻抗。阻抗匹配的方法有以下幾種：
1)終端并聯電阻的阻抗匹配。如圖5—85所示。
圖中，R，為雙絞線波阻抗，R1、R2為終端匹配電阻，_RP=R1×R2(R1+R2)。此種匹配法，因終端電阻低，會加重負載。
2)始端串聯電阻匹配。在長線的始端串人電阻。
增大長線波阻抗以達到和終端輸入阻抗匹配的目的。
R=RP一RSCL中R為始端匹配電阻，RP為傳輸線波阻抗，RSCL為門A輸出低電平時的輸出阻抗，約20il。這種匹配法的主要缺點是終端的低電平(即0電平)被抬高，相當于增加了輸出阻抗，使低電平的抗干擾能力降低，如圖5—86所示。
3)終端并聯隔直流的特性阻抗匹配。如圖5—87所示，采用隔直流的電容串接在并聯匹配電路中，當c較大時，則zC=l／ωc≈O。電容c只起隔直流作用，不影響阻抗匹配。因此，只要R=RP即可。c值的確定：c=10T/(R1+R)=10T／(R1+RP)。式中，T為傳輸脈沖寬度；R1為始端驅動門低電平輸出阻抗，約20Ω；R為匹配電阻；RP為波阻抗。
4)終端并接嵌位二極管。其作用有以下幾方面：①接收輸入端低電平被嵌位0．3v以內，可減少反擊和振蕩；②吸收反射波，二極管吸收了電流反射波，減少了波的反射；③大大減少線間接竄干擾，提高了動態抗干擾能力，如圖5—88所示。
5)驅動門驅動長線后，應不再帶其他負載。
6)觸發器輸出要經隔離再輸出。
7)可以使用變壓器或光隔離器實現不共地的線傳輸。
8)使用Oc門(集電極開路門)做雙向總線傳輸。
Oc門的****特點是可以把輸出端連在一起，形成“線或”，從而Oc門可以直接用于單向或雙向總線傳輸，如圖5—89所示。
使用的電阻R在100～200Ω間接選用，一般可用150Ω。74f06、7407多用在點對點的系統中，如用在具有多個驅動器的系統內，7414施密特觸發器常被用作接收器，它與7424x驅動接收器相比具有較強的抗干擾性能。
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