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1、计算机限制技术计算机限制技术 执行机构执行机构 执行机构的作用执行机构的作用 在在计计算算机机限限制制系系统统中中，必必需需将将经经过过采采集集、转转换换、处处理理的的被被控控参参量量（或或状状态态）与与给给定定值值（或或事事先先支支配配好好的的动动作作依依次次）进进行行比比较较，然然后后依依据据偏偏差差来来限限制制有有关关输输出出部部件件，达达到到自自动动调调整整被被控量（或状态）的目的。控量（或状态）的目的。例例如如，在在机机床床加加工工工工业业中中，常常常常限限制制马马达达的的正正反反转转及及其其转转速速，以以完完成成进进刀刀、退退刀刀及及走走刀刀的的任任务务。在在雷雷达达天天线线位位置
2、置跟跟踪踪系系统统中中，须须要要限限制制伺伺服服阀阀油油缸缸的的位位置置。在在各各种种温温湿湿度度限限制制系系统统中中，常常常常须须要要限限制制阀阀门门的的开开闭闭和和开开度度，以以限限制制液液体体和和气气体体的的流流量量。在在机机器器人人限限制制系系统统中中，常常常常要要限限制制各各关关节节上上伺伺服服电电机机的的转转动动方方向向和和速速度度。在在程程控控交交换换系系统统和和配配料料过过程程限限制制系系统统中中，常常常常要限制继电器、接触器，以满足各种动作的须要等等。要限制继电器、接触器，以满足各种动作的须要等等。全全部部这这些些伺伺服服电电机机、马马达达、阀阀门门、继继电电器器、接接触触器
3、器等等输输出出部部件件，统统称称为为执执行机构，也称为执行装置或执行器。行机构，也称为执行装置或执行器。执执行行机机构构的的作作用用是是接接收收计计算算机机发发出出的的限限制制信信号号，并并把把它它转转换换成成调调整整机机构构的的动动作作，使使生生产产过过程程依依据据预预先先规规定定的的要要求正常进行。求正常进行。执行机构的种类执行机构的种类 执执行行机机构构有有各各种种各各样样的的形形式式，按按所所需需能能量量的的形形式式可可分分为为气气动动执执行行机机构构、电电动执行机构和液压执行机构。常用的执行机构为气动和电动的。动执行机构和液压执行机构。常用的执行机构为气动和电动的。1 1气动执行机构
4、气动执行机构以以压压缩缩空空气气为为动动力力的的执执行行机机构构称称为为气气动动执执行行机机构构。气气动动执执行行机机构构主主要要分分为为薄膜式与活塞式两大类。薄膜式执行机构应用最广。薄膜式与活塞式两大类。薄膜式执行机构应用最广。由由于于气气动动执执行行机机构构结结构构简简洁洁、价价格格低低，输输出出推推力力大大，防防火火防防爆爆，动动作作牢牢靠靠，修修理理便便利利，适适用用于于防防火火、防防爆爆场场合合，因因此此被被广广泛泛应应用用在在化化工工、炼炼油油生生产产中中，在冶金、电力、纺织等工业部门也得到大量运用。在冶金、电力、纺织等工业部门也得到大量运用。气气动动执执行行机机构构与与计计算算机
5、机的的连连接接极极为为便便利利，只只要要将将电电量量信信号号经经电电气气转转换换器器转转换成标准的气压信号之后，即可与气动执行机构配套运用。换成标准的气压信号之后，即可与气动执行机构配套运用。2 2电动执电动执行机构行机构 电动执电动执行机构是工程上行机构是工程上应应用最多、运用最多、运用最便利的一种用最便利的一种执执行器，特点是体行器，特点是体积积小、小、种种类类多、运用便利。多、运用便利。下面下面简洁简洁介介绍绍几种常用的几种常用的电动执电动执行机构。行机构。1）电磁式继电器）电磁式继电器 它它是是一一种种由由小小电电流流的的通通断断限限制制大大电电流流通通断断的的常常用用开开关关限限制制
6、器器件件，主主要要由由线线圈圈、铁铁芯芯、衔衔铁铁和和触触点点等等部部件件组组成成。继继电电器器的的触触点点是是与与线线圈圈分分开开的的，通通过过限限制制继继电电器器线线圈圈上上的的电电流流可可以以使使继继电电器器上上的的触触点点开开关关闭闭合合或或断断开开，从从而而使使外外部部高高电电压压或或大大电电流流与与微微型机隔开。型机隔开。电磁式继电器线圈的驱动电源可以是直流的，电磁式继电器线圈的驱动电源可以是直流的，也可以是沟通的，电压规格也有很多种。输出触点也可以是沟通的，电压规格也有很多种。输出触点的电流、电压也有很多种规格。的电流、电压也有很多种规格。电磁式继电器的线圈、触点可以运用各自独立
7、电磁式继电器的线圈、触点可以运用各自独立的电源，两者之间相互绝缘，耐压可达千伏以上。的电源，两者之间相互绝缘，耐压可达千伏以上。它还有很大的电流放大作用，因此，电磁式继电器它还有很大的电流放大作用，因此，电磁式继电器是一种很好的开关量输出隔离及驱动器件。是一种很好的开关量输出隔离及驱动器件。它的不足是机械式触点动作时间较慢，在开关它的不足是机械式触点动作时间较慢，在开关瞬间触电简洁产生火花，引起干扰，减低运用寿命。瞬间触电简洁产生火花，引起干扰，减低运用寿命。2）固态继电器）固态继电器 在继电器限制中，由于接受电磁吸合方式，在开关瞬间，触在继电器限制中，由于接受电磁吸合方式，在开关瞬间，触点简
8、洁产生火花，从而引起干扰；对于沟通高压等场合，触点点简洁产生火花，从而引起干扰；对于沟通高压等场合，触点还简洁氧化，因而影响系统的牢靠性。所以随着微型机限制技还简洁氧化，因而影响系统的牢靠性。所以随着微型机限制技术的发展，人们又探讨出一种新型的输出限制器件术的发展，人们又探讨出一种新型的输出限制器件固态继固态继电器。电器。由于固态继电器输入限制电流小，输出无触点，由于固态继电器输入限制电流小，输出无触点，所以与电磁式继电器相比，具有体积小、重量轻、无所以与电磁式继电器相比，具有体积小、重量轻、无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、工作牢靠、机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、工作牢靠、寿命长等
9、优点，因此，在微机限制系统中得到了广泛寿命长等优点，因此，在微机限制系统中得到了广泛的应用，大有取代电磁继电器之势。的应用，大有取代电磁继电器之势。固态继电器简称固态继电器简称SSRSSR（Solid State RelaySolid State Relay），它利），它利用电子技术实现了限制回路与负载回路之间的电隔离用电子技术实现了限制回路与负载回路之间的电隔离和信号耦合，而且没有任何可动部件或触点，却能实和信号耦合，而且没有任何可动部件或触点，却能实现电磁继电器的功能，故称为固态继电器。它事实上现电磁继电器的功能，故称为固态继电器。它事实上是一种带光电耦合器的无触点开关。是一种带光电耦合器
10、的无触点开关。3）大功率场效应管）大功率场效应管 由于场效应管输入阻抗高，关断由于场效应管输入阻抗高，关断漏电流小，响应速度快，而且与同漏电流小，响应速度快，而且与同功率继电器相比，体积较小，价格功率继电器相比，体积较小，价格便宜，所以在开关量输出限制中也便宜，所以在开关量输出限制中也常作为开关元件运用。常作为开关元件运用。大功率场效管包括限制栅极大功率场效管包括限制栅极G G、漏极漏极D D、源极、源极S S。对于。对于NPNNPN型场效应管型场效应管来讲，当来讲，当G G为高电平常，源极与漏极为高电平常，源极与漏极导通，允许电流通过，否则场效应导通，允许电流通过，否则场效应管关断。管关断。
11、4）晶闸管）晶闸管 又又称称可可控控硅硅（Silicon Silicon Controlled Controlled RectifierRectifier，简简称称SCRSCR），是是一一种种大大功功率率的的半半导导体体器器件件，具具有有体体积积小小、效效率率高高、寿寿命命长长，用用小小功功率率限限制制大大功功率率、开开关关无无触触点点等等特特点点，在在交交直直流流电电机机调调速系速系统统、调调功系功系统统、随、随动动系系统统中中应应用广泛。用广泛。单单向向晶晶闸闸管管具具有有单单向向导导电电功功能能，在在限限制制系系统统中中多多用用于于直直流流大大电电流流场场合合，也也可可在在沟通系沟通系统
12、统中用于大功率整流回路。中用于大功率整流回路。双双向向晶晶闸闸管管也也叫叫三三端端双双向向可可控控硅硅，在在结结构构上上相相当当于于两两个个单单向向晶晶闸闸管管的的反反向向并并联联，但但共共享享一一个个限限制制极极，具具有有双双向向导导通通功功能能，因此特殊适用于沟通大因此特殊适用于沟通大电电流流场场合。合。5 5）电电磁磁阀阀 电电磁磁阀阀是是在在气气体体或或液液体体流流淌淌的的管管路路中中受受电电磁磁力力限限制制开开闭闭的的阀阀体体。广广泛泛应应用用于于液液压压机机械械、空空调调系系统统、热热水水器器、自自动动机机床床等等系系统统中中。它它由由线线圈圈、固固定定铁铁芯芯、可可动动铁铁芯芯和
13、和阀阀体体等等组组成成。当当线线圈圈不不通通电电时时，可可动动铁铁芯芯受受弹弹簧簧作作用用与与固固定定铁铁芯芯脱脱离离，阀阀门门处处于于关关闭闭状状态态；当当线线圈圈通通电电时时，可可动动铁铁芯芯克克服服弹弹簧簧力力的的作作用用而而与与固固定定铁铁芯芯吸吸合合，阀阀门门处处于于打打开开状状态态。这这样样，就就限限制制了了液液体体和和气气体体的的流流淌淌。再再通通过过流流淌淌的的液液体体或或气气体体推推动动油缸或汽缸来油缸或汽缸来实现实现物体的机械运物体的机械运动动。电电磁磁阀阀通通常常是是处处于于关关闭闭状状态态的的，通通电电时时才才开开启启，以以避避开开电电磁磁铁铁长长时时间间通通电电而而发
14、发热热烧烧毁毁。但但也也有有例例外外，当当电电磁磁铁铁用用于于紧紧急急迫迫断断时时，则则必必需需使使其其平平常常开开启启，通通电电时时关关闭闭。这这种种紧紧急急迫迫断断用用的的电电磁磁阀阀，在在结结构构上上与一般电磁阀有所不同，必需实行一些特殊措施。与一般电磁阀有所不同，必需实行一些特殊措施。电电磁磁阀阀有有沟沟通通和和直直流流之之分分。沟沟通通电电磁磁阀阀运运用用便便利利，但但简简洁洁产产生生抖抖动动，启启动动电电流流大大，并并会会引引起起发发热热。直直流流电电磁磁阀阀工工作作牢牢靠靠，但但需需特特地地的的直直流流电电源源，电电压压分分12 V、24 V和和48V。6 6）调调整整阀阀 它它
15、是是用用电电动动机机带带动动执执行行机机构构连连续续动动作作以以限限制制开开度度大大小小的的阀阀门门，又又称称为为电电动动阀阀。调调整整阀阀由由于于电电动动机机行行程程可可完完成成直直线线行行程程也也可可完完成成旋旋转转的的角角度度行行程程，所所以以可可以以带带动动直直线线移移动动的的调调整整阀阀如如直直通通单单座座阀阀、直直通通双双座座阀阀、三三通通阀阀、隔隔膜膜阀阀、角角形形阀阀等等，也也可可以以带带动动叶叶片片旋旋转转阀阀芯芯的的蝶蝶形形阀阀。依依据据流流体体力力学学的的观观点点，调调整整阀阀是是一一个个局局部部阻阻力力可可变变的的节节流流元元件件。通通过过变变更更阀阀心心的的行行程程可
16、可变变更更调调整整阀阀的的阻阻力力系系数数，从从而而达达到到限限制制流流量的目的。量的目的。7 7）伺服）伺服电电机机 伺伺服服电电机机也也称称为为执执行行电电动动机机，是是限限制制系系统统中中应应用用特特别别广广泛泛的的一一类类执执行行元元件件。它它可可以以将将输输入入的的电电压压信信号号变变换换为为轴轴上上的的角角位位移移和和角角速速度度输输出出。在在信信号号来来到到之之前前，转转子子静静止止不不动动；信信号号来来到到之之后后，转转子子马马上上转转动动；信信号号消消逝逝之之后后，转转子子又又能能即即时时自自行行停停转转。由由于于这这种种“伺伺服服”性性能能，因因而而将将这这种种限限制制性性
17、能能较较好好、功功率率不不大大的的电电动动机机称称做做伺服伺服电动电动机。机。8 8）步）步进电进电机机 步步进进电电机机是是工工业业过过程程限限制制和和仪仪器器仪仪表表中中重重要要的的限限制制元元件件之之一一，它它是是一一种种将将电电脉脉冲冲信信号号转转换换为为直直线线位位移移或或角角位位移移的的执执行行器器。步步进进电电机机按按其其运运动动方方式式可可分分为为旋旋转转式式步步进进电电机机和和直直线线式式步步进进电电机机，前前者者每每输输入入一一个个电电脉脉冲冲转转换换成成确确定定的的角角位位移移，后后者者每每输输入入一一个个电电脉脉冲冲转转换换成确定的直成确定的直线线位移。位移。步步进进电
18、电机机的的工工作作速速度度与与电电脉脉冲冲频频率率成成正正比比，基基本本上上不不受受电电压压、负负载载及及环环境境条条件件变变更更的的影影响响，与与一一般般电电机机相相比比能能够够供供应应较较高高精精度度的的位位移移和和速速度度限限制制。此此外外，步步进进电电机机还还有有快快速速启启停停的的显显著著特特点点，并并能能干干脆脆接接收收来来自自计计算算机机的的数数字字信信号号，而而不不需需经经过过D/AD/A转转换换，运运用用特特别别便便利利，所所以以在在定定位位场场合合中中得得到到了了广广泛泛的的应应用用。如如在在数数控控线线切切割割机机床床上上用用于于带带动动丝丝杠杠，限限制制工工作作台台运运
19、动动；在在绘绘图图仪仪、打打印印机机、光光学学仪仪器器中中用用于定位绘图笔、打印头、光学镜头等。于定位绘图笔、打印头、光学镜头等。步进电动机限制器步进电动机限制器步进电动机驱动器步进电动机驱动器步进电动机步进电动机执行机构的驱动执行机构的驱动 就就接接口口技技术术而而言言，执执行行装装置置的的接接口口与与一一般般输输出出设设备备的的接接口口没没什什么么两两样样，主主要要差差别别在在于于，要要想想驱驱动动它它们们，必必需需具具有有较较大大的的输输出出功功率率，这这就就要要求求接接口口不不仅仅能能与与微微型型机机的的TTLTTL、CMOSCMOS等等器器件件连连接接，而而且且能能向向执执行行装装置
20、置供供应应大大电电流流、高高电电压压驱驱动动信信号号，以带动其动作。以带动其动作。另另一一方方面面，由由于于各各种种执执行行装装置置的的动动作作原原理理不不尽尽相相同同，有有的的用用电电动动，有有的的用用气气动动或或液液压压，因因此此如如何何使使微微型型机机输输出出的的信信号号与之匹配，也是执行装置接口必需解决的重要问题。与之匹配，也是执行装置接口必需解决的重要问题。在在各各种种执执行行装装置置的的接接口口中中，为为了了实实现现与与执执行行装装置置的的功功率率协协作作，一一般般都都要要在在微微机机输输出出口口（包包括括数数据据总总线线及及I/OI/O接接口口）与与执执行装置之间增加一级驱动器。
21、行装置之间增加一级驱动器。1继电器的驱动限制方法继电器的驱动限制方法 电电磁磁继继电电器器方方式式的的开开关关量量输输出出是是一一种种最最常常用用的的输输出出方方式式，通通过过弱弱电电限限制制外外界界沟沟通通或或直直流流的的高高电电压压、大大电电流流设备。设备。继继电电器器驱驱动动电电路路的的设设计计要要依依据据所所用用继继电电器器线线圈圈的的吸吸合合电电压压和和电电流流而而定定，限限制制电电流流确确定定要要大大于于继继电电器器的的吸吸合合电流才能使继电器牢靠地工作。电流才能使继电器牢靠地工作。虽虽然然继继电电器器本本身身带带有有确确定定的的隔隔离离作作用用，但但在在与与微微型机接口时通常还是
22、接受光电隔离器进行隔离。型机接口时通常还是接受光电隔离器进行隔离。常常用用的的接接口口驱驱动动电电路路如如图图3-253-25所所示示。当当开开关关量量PC0PC0输输出出为为高高电电平平常常，经经反反向向驱驱动动器器74047404变变为为低低电电平平，使使光光耦耦隔隔离离器器的的发发光光二二极极管管发发光光，从从而而使使光光敏敏三三极极管管导导通通，同同时时使使三三极极管管90139013导导通通，因因而而使使继继电电器器J J的的线线圈圈通通电电，继继电电器器常常开开触触点点J1-1J1-1闭闭合合，使使沟沟通通220V220V电电源源接接通通，从从而而驱驱动动大大型型负负荷荷设设备备；
23、反反之之，当当PC0PC0输出低电压时，使输出低电压时，使J1-1J1-1断开。断开。2固态继电器的驱动限制方法固态继电器的驱动限制方法 直流直流SSRSSR主要用于带动直流负载的场合，主要用于带动直流负载的场合，如直流电动机限制，直流步进电机限制和电如直流电动机限制，直流步进电机限制和电磁口等。沟通型磁口等。沟通型SSRSSR接受双相可控硅作为开接受双相可控硅作为开关器件，用于沟通大功率驱动场合，如沟通关器件，用于沟通大功率驱动场合，如沟通电动机限制、沟通电磁阀限制等。电动机限制、沟通电磁阀限制等。图图3-263-26为一种常用的直流固态继电器驱动电路，当为一种常用的直流固态继电器驱动电路，
24、当数据线数据线DiDi输出数字输出数字“0”“0”即低电平常，经即低电平常，经74067406反相变为反相变为高电平，使高电平，使NPNNPN型三极管导通，型三极管导通，SSRSSR输入端得电则输出输入端得电则输出端接通大型沟通负荷设备端接通大型沟通负荷设备RLRL。3晶闸管的驱动限制方法晶闸管的驱动限制方法 晶闸管常用于高电压大电流的负载，在实晶闸管常用于高电压大电流的负载，在实际运用时要接受光电隔离措施，触发脉冲电压际运用时要接受光电隔离措施，触发脉冲电压应大于应大于4V4V，脉冲宽度应大于，脉冲宽度应大于20s20s。在微型机。在微型机限制系统中，常用限制系统中，常用I/OI/O接口的某
25、一位产生触发接口的某一位产生触发脉冲。为了提高效率，要求触发脉冲与沟通同脉冲。为了提高效率，要求触发脉冲与沟通同步。通常接受检测沟通电过零点来实现。步。通常接受检测沟通电过零点来实现。图图4-334-33为经光耦隔离的双向晶闸管输出驱动电路，当为经光耦隔离的双向晶闸管输出驱动电路，当CPUCPU数据线数据线DiDi输出高电平输出高电平“1”“1”时，经时，经74067406反相变为低电平，反相变为低电平，光耦二极管导通，使光敏晶闸管导通，导通电流再触发双光耦二极管导通，使光敏晶闸管导通，导通电流再触发双向晶闸管导通，从而驱动大型沟通负荷设备向晶闸管导通，从而驱动大型沟通负荷设备RLRL。4电磁
26、阀的驱动限制方法电磁阀的驱动限制方法 由由于于电电磁磁阀阀也也是是由由线线圈圈的的通通断断电电来来限限制制的的，其其工工作作原原理理与与继继电电器器基基本本相相同同，都都是是带带动动活活动动芯芯运运动动，故故其其与与微微型型机机的的接接口口与与继继电电器器相相同同，也也是是由由光光电电隔隔离及开关电路等来限制的。离及开关电路等来限制的。对对于于沟沟通通电电磁磁阀阀，由由于于线线圈圈要要求求是是沟沟通通电电，所所以以通通常常运运用用双双向向可可控控硅硅驱驱动动或或运运用用一一个个直直流流继继电电器器作作为为中中间间继继电器限制。电器限制。图3-29为沟通电磁阀接口电路图。沟通电磁阀线圈由双向可控
27、硅KS驱动。光电隔离器MOC3041的作用是触发双向晶闸管KS以及隔离微型机和电磁阀系统。光电隔离器的输入端接7407，由8255的PC0限制。当PC0输出为低电平常，双向晶闸管KS导通，电磁阀吸合；PC0输出高电平常，双向晶闸管KS关断，电磁阀释放。MOC3041内部带有过零电路，因此双向晶闸管KS工作在过零触发方式。5步进电机的驱动限制方法步进电机的驱动限制方法 典型的步进电机限制系统如图3-30所示。步进电机限制系统主要是由步进限制器、功率放大器及步进电机组成。步进限制器是由缓冲寄存器、环形安排器、限制逻辑及正、反转限制门等组成。它的作用就是能把输入的脉冲转换成环型脉冲，以便限制步进电机
28、，并能进行正、反向限制。功率放大器的作用是把限制器输出的环型脉冲加以放大，以驱动步进电机转动。在这种限制方式中，由于步进限制器线路困难、成本高，因而限制了它的应用。假如接受计算机限制系统，由软件代替上述步进限制器，则问题将大大简化。这不仅简化了线路，降低了成本，而且牢靠性也大为提高。特殊是接受微型机限制，更可以依据系统的须要敏捷变更步进电机的限制方案，运用起来很便利。典型的微型机限制步进电机系统原理图如图3-31所示。图图3-303-30与图与图3-313-31相比，主要区分在于用相比，主要区分在于用微型机代替了步进限制器。因此，微型机的微型机代替了步进限制器。因此，微型机的主要作用就是把并行二进制码转换成串行脉主要作用就是把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实现方向限制。每当步进电机脉冲序列，并实现方向限制。每当步进电机脉冲输入线上得到一个脉冲，它便沿着转向限冲输入线上得到一个脉冲，它便沿着转向限制线信号所确定的方向走一步。只要负载是制线信号所确定的方向走一步。只要负载是在步进电机允许的范围之内，那么，每个脉在步进电机允许的范围之内，那么，每个脉冲将使电动机转动一个固定的步距角度，依冲将使电动机转动一个固定的步距角度，依据步距角的大小及实际走的步数，只要知道据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始位置，便可预知步进电机的最终位置。初始位置，便可预知步进电机的最终位置。