电气知识培训.pdf

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1、 - 1 - 运动控制卡输入运动控制卡输入/输出端口输出端口 相关电气知识相关电气知识 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 目目 录录 一控制卡输出信号的输出与隔离.2 集电极开路输出.2 差分信号输出.4 光电隔离.6 继电器隔离.7 二控制卡输入信号的输出与滤波.10 开关信号输入.10 差分信

2、号输入.10 RC 滤波电路11 三常用开关量传感器.12 光电开关.12 霍尔开关.14 气缸用磁性开关.15 电感式、电容式接近开关.15 漫反射式传感器.15 反射式传感器.16 对射式传感器.16 光纤传感器.16 四位置检测元件.17 旋转式光电编码器.17 光栅尺.21 编码器、光栅尺选型原则.23 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

3、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 2 - 一控制卡输出信号的输出与隔离 控制卡为数字电路，其上的芯片多为 5V 直流电源供电，与 TTL 电平兼容。而自 动化系统中大多数输入/输出元件如：继电器、指示灯、电磁阀、触摸屏、传感器等， 多为 24V 直流电源供电，以满足其驱动功率的需要。 控制卡的输出端口的作用就是要在 5V 与 24V 两种电源电路之间搭建一个桥梁， 完成信号放大、隔离外部干扰的功能。

4、TTL 电平（Transistor-Transistor Logic 晶体管-晶体管逻辑电平）信号表示二进制的方法： 高电平：+2.45 V 为逻辑“1“， 低电平：0+0.4 V 为逻辑“0“。 集电极开路输出集电极开路输出 这种输出方式通过控制卡上的NPN晶体管， 将晶体管的发射极引出端子连接至0V （接地） ，把集电极作为输出端，其主要作用是放大控制信号，驱动外部电器。输出电 路如图 1 所示。 晶体管工作在开关状态： 输出为低电平时，Vout0， 晶体管处于截止状态： iR 0； 输出为高电平时， VoutUon， 晶体管处于饱和状态： iR ( Vcc0.10.3 V) / RL；

5、注意：注意：外部 24V 电源和三极管必须共地。 图 1 集电极开路输出电路 雷泰公司的 2410、 5400、 6400 运动控制卡/控制器数字输出端口采用的是 ULN2803 芯片， 其为 8 路 NPN 型达林顿功放三极管集成芯片， 典型的输入电压是 5V(TTL 电平)， 集电极输出功率可达 40V75mA，并有用于瞬变拟制的续流箝位二极管。其电路原理 - 3 - 图如图 2 所示，可以将其等效于 8 个 NPN 三极管，如图 1 所示。 图 2 ULN2803 电路原理图 1、控制发光二极管（LED） 用运动控制卡数字输出端口控制发光二极管时，需要在 LED 前接一个限流电阻，限制

6、LED 的电流在 10mA 左右。若外部电源电压为 24V，则电阻值大概在 2k 左右。参见 图 3。 图 3 输出端口控制发光二极管 2、控制灯丝型指示灯 运动控制卡控制灯丝型指示灯时，需要接预热电阻，电阻值的大小，以电阻接上后， 输出口无输出时，灯不亮为原则。如图 4 所示。 图 4 输出端口控制灯丝型指示灯 运动控制卡 运动控制卡 - 4 - 3、控制继电器 继电器为感性负载，当继电器突然关断时，其电感会产生一个很大的反向电压，有可 能击穿 2803，所以在继电器外必须并联一个续流二极管，以保护输出端口。参见图 5。 图 5 输出端口控制继电器 注意： 1. 外接输出口电源（如上图中的2

7、4V）的地必须与端子板上的 GND 端口相连。 2. 在使用输出口时，接线时切勿把电源直接接到输出口上，否则，会损坏输出端口。 差分信号输出差分信号输出 RS- 422 标准：标准： 1977 年 EIA（电子工业协会）为改进 RS- 232 通信距离短、速率低的缺点，制定了 RS- 422 标准：RS- 422 定义了一种平衡通信接口，传输速率提高到 10Mb/s，传输距离 延长到 1200m （速率低于 100kb/s 时） ， 并允许在一条平衡总线上连接最多 10 个接收器。 RS- 422 与 RS- 232 不一样，数据信号采用差分传输方式，也称作平衡传输，它使 用一对双绞线，将其中

8、一线定义为 A，另一线定义为 B，如图 2。 图 6 RS-422 通讯电路图 通常情况下，发送驱动器 A、B 之间的正电平在+2+6V，是一个逻辑状态，负电 平在- 2- 6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号地 C；还有一“使能”端，在 RS- 422 运动控制卡 - 5 - 中这是可用可不用的。“使能”端是用于控制发送驱动器与传输线的切断与连接。当“使 能”端起作用时， 发送驱动器处于高阻状态， 称作“第三态”， 即它是有别于逻辑“1”与“0” 的第三态。 接收器也作与发送端相对的规定， 收、 发端通过平衡双绞线将 AA 与 BB 对应相连， 当在收端 AB 之间有大于+200mV 的电平

9、时，输出正逻辑电平，小于- 200mV 时，输出 负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电平范围通常在 200mV 至 6V 之间。参见图 3。 图 7 RS-422 电平 RS- 422 的优点： ? 由于输入端的差分放大作用，抵消了干扰噪声，提高抗干扰能力； ? 采用这种接法，两条信号线形成回路，与信号地无关，这样避免了电平偏移； ? 双端平衡驱动器的输出端比单端不平衡驱动对电压信号放大了一倍。 运动控制卡高速脉冲的输出：运动控制卡高速脉冲的输出： 运动控制卡的脉冲信号、方向信号为高速脉冲信号，一般的运动控制卡都采用 26LS31 芯片作其输出驱动电路。参见图 8。 图 8 差分输出信号与驱动器

10、的连接 屏蔽线 驱动 IC 相当于 AM26LS31 上位脉冲发生器 两端接地 接到连接器外壳上 伺服放大器 运动控制卡 脉冲信号 方向信号 伺服电机驱动器 - 6 - 光电隔离光电隔离 光电隔离原理：光电隔离原理： 光电隔离是由光电耦合器件来完成的。其输入端配置发光二极管作发光源，输出 端配置光敏三极管作受光器，工作时以光作为媒介来传递信息，因而输入和输出在电 气上是完全隔离的，如图 8 所示，故外部干扰信号也被隔离了。 图 9 光电隔离电路 光电耦合器件具有以下特点： ? 体积小，重量轻，使用方便，性能稳定； ? 不受磁场影响，不需磁屏蔽，抗干扰能力强； ? 无触点，寿命长，响应速度快，可

11、以传输高达 10MHz 的脉冲信号； ? 隔离电压等级高，输入和输出两端之间绝缘电压可达万伏以上。 光耦元件：光耦元件： 图 10 光耦元件外观及管脚定义图 TLP521 推荐使用的参数： （发光二极管电流） （光电管电流） - 7 - 5400 运动控制卡输出端口光电隔离方法：运动控制卡输出端口光电隔离方法：见图 10 图 10 5400 运动控制卡输出端口光电隔离原理图 继电器隔离继电器隔离 常用继电器：常用继电器： 1电磁继电器：它包括直流电磁继电器、交流电磁继电器。 直流电磁继电器：输入电路中的控制电流为直流电。 交流电磁继电器：输入电路中的控制电流为交流电。 2固态继电器：输入、输出

12、功能由电子元件完成，而无机械运动部件。 按触点负载分类：按触点负载分类： 微功率继电器：小于 0.2A 的继电器 弱功率继电器：0.22A 的继电器 中功率继电器：210A 的继电器 大功率继电器：10A 以上继电器 电磁继电器原理：电磁继电器原理： 继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系。因此，可以利用继电器的线圈接受 电气信号，而用触点发送和输出信号，从而避免强电和弱电信号之间的直接联系，实 现了抗干扰隔离。 图 11 继电器隔离原理图 5400 运动控制卡 - 8 - 如图 11 所示，当输入高电平时，晶体 三极管 T 饱和导通，继电器 J 吸合；当 A 点 为低电平时，T 截止，继电器

13、 J 则释放，完 成了信号的传递过程。D 是保护二极管。当 T 由导通变为截止时，继电器线圈两端产生 很高的反电势，以继续维持电流 IL。由于该 反电势一般很高，容易造成 T 的击穿。加入 二极管 D 后，为反电势提供了放电回路，从 而保护了三极管 T。 继电器结构参见图 12。 通用电磁继电器通用电磁继电器（欧姆龙 MYJ 系列） ： 安装在插座上的继电器 继电器 插座 引脚定义 图 12 通用继电器外形及引脚定义图 MYJ系列继电器线圈参数额定值： 图 12 继电器结构图 - 9 - MYJ系列继电器触点参数额定值： 固态继电器：固态继电器： 图 13 微型固态继电器外形图 图 14 欧姆

14、龙 16 点固态继电器外形 固态继电器是一种无触点电子开关。它具有四个端子，其中两个端子为输入控制 端，另外两端为输出受控制端。当在输入端施加控制信号后，即可控制输出端电路中 负载的通断。参见图 15。 图 15 固态继电器原理图 由于使用了光电耦合器，因此输入与输出之间实现了完全的电气隔离。整个器件 无可动部件及触点，所以它较之电磁继电器有可靠性高、寿命长，开关速度快，使用 MOC3063 三端双向可控硅 开关元件控制器 - 10 - 方便等一系列优点。 某微型固态继电器参数表： 输入参数 输出参数 冷却 条件 工作电流 安全系数 保护 控制 电压 关闭 电压 控制 电流 启动 电流 工作

15、指示 工作电压 工作 电流 绝缘电压 过压 过流 阻性 负载 感性 负载 3-12 VDC 1.5 VDC 25mA 5mA 可选 220VAC 380VAC 1-3A 2500VAC RC MOV 快熔丝 自然 风冷 60% 40% 二控制卡输入信号的输出与滤波 开关信号输入开关信号输入 运动控制卡输入端口一般都有光电隔离电路。因为采用电流方式输入，抗干扰能 力强，且没有电平转换的问题。 图 16 开关信号与输入端口连接的电路图 差分信号输入差分信号输入 编码器的输出信号一般为差分信号。差分信号和控制卡连接的方式参见图 17。 图 17 差分信号与输入端口连接的电路图 过滤器 4.7K DM

16、C5400卡内部X1(X2) EA+,EB+,EZ+ EA-,EB-,EZ- EXGND GND 编码器信号 EA,EB,EZ 编码器 过滤器 VDD 4.7K DMC5400卡内部 INPUT X1(X2) EXGND - 11 - RC 滤波电路滤波电路 无源无源 RC 低通滤波器原理：低通滤波器原理： 采用无源 RC 低通滤波器，可以有效的拟制高频干扰信号。 RC 低通滤波器的电路及特性见图 18。其传递函数如下： 其中：T = RC 无源 RC 低通滤波器截止频率：c 1 / T = 1 / RC 当输入信号的频率小于其截止频率：c时，信号不衰减； 当输入信号的频率大于其截止频率：c时

17、，信号频率越高，衰减越大；而且相位 也有滞后。参见图 19。 图 19 无源 RC 低通滤波器频率特性图 5400 运动控制卡运动控制卡 RC 滤波电路：滤波电路： 5400 运动控制卡通用数字输入端口光耦后面加有无源 RC 低通滤波器， 如图 20 所 示。R = 10 k，C = 0.1 F，故 RC 滤波器的截止频率为 1kHz。 图 20 5400 卡 RC 低通滤波器原理图 1 1 1 2 + = TsU U 图 18 RC 低通滤波器电路图 过滤器 VDD 4.7K DMC5400卡内部 INPUT X1(X2) EXGND R C Vcc - 12 - 三常用开关量传感器 限位开

18、关（触点开关、微动开关）限位开关（触点开关、微动开关） 例：例： 欧姆龙 ZC 55 系列限位开关： 1,000 万次以上的高寿命； 内置封装开关，实现高重复精度； 和一般的限位开关相比，动作力(OF)较小。 EN(TUV)、UL、CSA、CCC 的安全规格。 ZC 55 系列限位开关主要参数表： 触点行程：26 mm 光电开关光电开关 光电开关用途：转速检测，位置检测； 运动平台上的零点开关。 其特点是： ? 可靠性高 ? 响应速度快 ? 定位准确 图 21 限位开关外形图 图 22 光电开关外形图 - 13 - ? 价格便宜 例：例： RG150- 8 是单光束红外光电传感器，由原装进口高

19、发射功率的砷化镓（砷铝镓） 红外发射管和高灵敏度的光敏晶体管组成。槽宽 5 mm，光缝 0.8 mm。 图 23 RG150-8 尺寸及管脚定义图 - 14 - 霍尔开关霍尔开关 开关型霍尔传感器（简称霍尔开关）是一种新型的集成电路无触点开关，其外形 尺寸和内部结构如图 24 所示。其中 A 是恒压源；B 是霍尔电势发生器(霍尔片)；C 是 差分放大器；D 是施密特触发器；E 是 OC 门输出。图中(1)、(2)、(3)表示霍尔开关的 三个引出端，分别为电源 U+，接地(GND)和输出(OUT)。 图 24 霍尔开关外形及原理图 其工作原理为：在(1)、(2)端输入电压 Uc，经稳压器稳压后加

20、在霍尔片的两端。由 霍尔效应原理知：当霍尔片处在磁场中时，霍尔电势发生器就会有一个霍尔电压 UH输 出，该 UH经放大器放大后，送至施密特触发器整形，当施加的磁场达到该器件的工作 点时，施密特电路翻转，使 OC 门开关。 用途：转速检测，位置检测；运动平台的零点开关。 特点： ? 结构简单，塑料外壳，体积小， ? 需要一个小磁铁配合使用； ? 开关型元件，集电极开路输出； ? 无触点，寿命长； ? 开关速度快，工作频带宽（DC100KHz） ； 例：例： 44E 开关型霍尔集成元件主要参数： 型号 电源电压 Vcc（V） 开关动作磁场 B（mT） 内部电流 Icc（mA） 输出电流 Iout（

21、mA） 输出形式 工作温区 44E 4.524 45 9 20 单 OC 4085 1 2 3 - 15 - 气缸用磁性开关气缸用磁性开关 用于检测气缸活塞是否运动到位。一般执行关键动作的气缸都要安装磁性开关。 特点：重复精度高、有 LED 指示灯 图 25 某型号气缸磁性开关外形图及安装方式、接线图 电感式、电容式接近开关电感式、电容式接近开关 特点：特点： 外形： 3M30 mm 电感式、电容式原理 工作距离：0.640 mm 可耐高温、高压 开关输出信号 作用：作用： 电感式接近开关多用于金属物体的检测、定位。 电容式接近开关多用于金属、木材、塑料、粉末、颗粒、食品、液体等物体的检测、

22、定位。 漫反射式传感器漫反射式传感器 光源：红外线 工作距离：10mm50mm 测量区域：100100mm 光源：红光 工作距离：300mm600mm 测量区域：200200mm 工作电压：1036V DC 图 26 接近开关外形图 图 27 漫反射式传感器外形及应用图 - 16 - 反射式传感器反射式传感器 光源：脉冲式红光 工作距离：1500mm2000mm 反射镜： 84mm 图 28 反射式传感器外形及应用图 对射式传感器对射式传感器 光源：脉冲式红光 工作距离：2000mm20000mm 光纤传感器光纤传感器 特点： 有对射式和反射式 光纤可弯曲、柔性好，安装方便 抗高温，温度范围：

23、- 40C+180C 抗干扰能力强 图 29 对射式传感器应用图 图 30 光纤传感器外形及应用图 刀具折断监控 有无物体检测 物体放置角度监控 - 17 - 图 31 光纤传感器应用图 四位置检测元件 位置检测元件有： 光电编码器、光栅编码器； （最常用） 感应同步器、磁栅编码器、容栅编码器； （10 多年前的产品） 电位器、旋转变压器； （30 多年前的产品） 激光干涉仪、机器视觉系统。 （高精度、高成本） 旋转式光电编码器旋转式光电编码器 光电编码器原理： 光电编码器， 是一种通过光电转换将输入轴上 的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。 光电编码器是由码盘和光电检测装置组成。码

24、盘是在一定直径的透明圆板上等分地印制了若干个 细长线， 如图 33 所示。 经发光二极管等电子元件组 成的检测装置检测脉冲输出信号，即可测量编码器 输入轴的转角。其原理图如图 1 所示。 通过计算单位时间编码器输出脉冲的个数就能 计算出输入轴的转速。 PCB板孔定位 工业缝纫机监控 图 32 旋转编码器外形图 - 18 - 图 33 增量式编码器码盘图 图 34 光电旋转编码器原理图 增量式编码器：增量式编码器： 增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲：A、B 和 Z；A、B 两 组脉冲相位差 90 度，以判断旋转方向，如图 35 所示。Z 脉冲为每转只有一个，用于 基准点定位。

25、图 35 光电编码器正反转脉冲图 码盘转过一个刻线的角度，A 信号就产生一个脉冲。如果码盘上有 1000 条线，则 编码器输入轴转一周， A信号就有1000个脉冲。 其测量角度的分辨率为360 / 1000 = 0.36 度。 一般运动控制卡将 A、B 信号的上升沿、下降沿的信息都利用起来，即编码器输 入轴转一圈，可记录到 4000 个信号。使编码器的分辨率提高了 4 倍，分辨率为 0.09 度。此技术称之为四分频技术。 光源 透镜 光敏 元件 轴 放大整形 电路 码盘 脉冲输出 透镜 A A B B - 19 - 增量式编码器特点： ? 构造简单， ? 机械寿命长， ? 抗干扰能力强，可靠性

26、高； ? 缺点是无法输出轴转动角的绝对位置。 欧姆龙 E6J 增量式旋转编码器的主要参数： 图 36 E6J 增量式旋转编码器输出口电路图 - 20 - 其它品牌增量式旋转编码器输出方式： 绝对式编码器：绝对式编码器： 绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码 道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系， 码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一 码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应 的电平信号，形成二进制数。这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都 可读

27、出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一 个具有 N 位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有 N 条码道。 特点： ? 可以直接读出角度坐标的绝对值； ? 没有累积误差； ? 电源切除后位置信息不会丢失。 ? 有 10 位、14 位、16 位等品种。 欧姆龙E6C2- A绝对式旋转编码器接线表： 图 37 绝对式编码器码盘 - 21 - 光栅尺光栅尺 栅式测量系统有感应同步器、光栅、磁栅、容栅和球栅。由于光栅测量系统的综 合技术性能优越，而且制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展得最 快，在栅式测量系统中的占有率已超过 80%。 光栅尺的作用光栅尺的作用

28、：控制系统的反馈元件，用于位置、角度测量。 光栅尺基本结构：光栅尺基本结构： 图 38 光栅尺外形图及结构图 光栅尺原理：光栅尺原理： 光栅尺是在玻璃上刻出的一道道条纹，如图 39 所示。 光栅的栅距 w： w ab；a 为刻线宽度，b 为缝隙宽度。 标尺光栅和指示光栅的栅线保持固定的微小夹角，光栅面保持合适的微小间距， 这样当与被测物体连接的标尺光栅与处于固定位置的指示光栅发生相对位移运动时， 在两片光栅的重合面区域将产生垂直的明暗相间的干涉莫尔条纹，如图 40 所示。 当光栅尺移动时，莫尔条纹会上下移动。光栅尺移动一个栅距 w，莫尔条纹就移动一 个间距 B，固定点的光强则变化一个周期，光电

29、元件输出的电压信号为一个周期的正 弦信号，如图 41 所示。对正弦信号进行细分处理，可以得到比栅距更小的分辨率。 a b w 图 39 光栅示意图 光 源 聚 光 镜 标 尺 光 栅 指 示 光 栅 光 电 元 件 图 40 莫尔条纹 - 22 - 使用莫尔条纹的优点：使用莫尔条纹的优点： 莫尔条纹由光栅的大量刻线共同形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在 很大程度上消除周期误差的影响； 莫尔条纹的间距 B W / ，因为很小，所以，莫尔条纹把栅距放大了 1 / 倍，提 高了测量的灵敏度。 编码器的数字输出信号：编码器的数字输出信号： A 信号的脉冲数，对应于光栅尺移动的距离；一个脉冲，对

30、应于一个最小分辨率 的距离；B 信号辅助确定运动方向；原理与图 25 一样。 RENISHAW 光栅尺的特点：光栅尺的特点： ? 非接触反射式光栅尺； ? 光栅尺粘贴方便，长度没限制； ? 栅距为 20m，分辨率可达 10nm，重复精度为 0.1m； ? 最小分辨率：是以 A、B 信号的上升沿信号、下降沿信号计数。 ? 线性误差：任意 60mm 内：0.75m；任意 1000mm 内：3m； ? 最高速度可达 15m/s； ? 读头与标尺之间的公差要求比传统光栅宽松； ? 外型小巧，安装方便； ? 抗灰尘、抗划痕； ? 输出信号的形式有:数字信号、模拟电压信号、模拟电流信号。 图 41 光栅位移与光强、输出电压的关系 - 23 - 图 42 RENISHAW 反射式光栅尺结构 编码器、光栅尺选型原则编码器、光栅尺选型原则 ? 闭环控制系统中的编码器、光栅尺的分辨率要高于控制系统设计精度的 10 倍； ? 控制系统的运动速度要小于编码器、光栅尺的允许的最大运动速度； ? 运动控制卡的读数据的速度要和编码器、光栅尺相匹配； ? 输出信号的类型、读头大小、线长等。 左 力 20076 7