汇点输入电路的作用与原理

1.基本说明

CNC控制系统的I/O信号大多数为开关量输入/输出，其控制一般通过内置PMC或外置PLC实现。在FS-0iD等小型CNC系统中，I/O信号的连接通常使用专门的I/O单元，其连接要求基本统一；但大型CNC控制系统一般采用外置的通用PLC，故可使用PLC的全部功能与模块，I/O连接相对复杂。

在CNC控制系统中，来自机床或操作面板的输入主要有按钮、行程开关、接触器/继电器触点、接近开关等。输入信号与I/O单元连接后，经I/O单元的接口电路转换为内部信号。为了提高系统的可靠性和抗干扰能力，接口电路通常需要通过光电隔离器件进行电绝缘，接口电路一般还设计有RC滤波电路，因此，其输入信号的响应时间一般为10ms左右。

采用光耦合器件的“1”信号输入电流一般在3.5mA左右；“0”信号的输入电流在1～1.5mA左右；当输入电路中串联（或并联）有二极管、电阻等元器件时，“1”信号的实际驱动电流在4.5～8mA左右。为了确保CNC控制系统的可靠工作，生产厂家规定的要求会略高于以上数据。

虽然，不同控制装置、不同I/O单元或模块的输入接口电路多样，但其外部连接要求类似。从信号类型上，开关量输入主要有直流与交流两种输入类型，以DC24V直流输入为常用；从输入连接形式上，开关量输入分汇点输入（又称漏形输入）、源输入（又称源形输入）及汇点/源通用输入3种基本类型，其输入电路的设计要求有所不同。

2.汇点输入连接

汇点输入是一种输入驱动电流由控制装置流向外部，并汇总到输入公共连接端（COM）的输入形式，其连接电路一般如图5.2-1所示，输入驱动电源通常由I/O单元提供。由于其输入驱动电流由控制装置向外部“泄漏”，故又称“漏形输入”。

图5.2-1 汇点输入的连接

汇点输入的接口电路原理如图5.2-2所示，图中的限流电阻一般为3.3～4.7kΩ。在PLC等控制装置上，接口电路还有状态指示LED、滤波、稳压及短路保护等辅助电路（图中未画出）。由图可见，当输入触点K2闭合时，I/O单元的DC24V与0V间可通过光耦、限流电阻，经公共端COM形成电流回路，其内部状态将为“1”。

汇点输入的连接简单，而且一般不需要外部输入驱动电源，但如果控制装置的0V与接地间无隔离，一旦输入端与地短路，将会有“1”信号的错误输入，引起设备误动作。

图5.2-2 接口电路原理

3.接近开关的连接

汇点输入可以与NPN集电极开路输出的接近开关，按照图5.2-3a所示直接连接；但与PNP集电极开路输出的接近开关连接时，需要增加图5.2-3b所示的下拉电阻。

增加下拉电阻后，接近开关发信时，下拉电阻的上端为24V，光耦合器无电流，输入状态为“0”；开关未发信时，DC24V与0V间可通过光耦合器、限流电阻、下拉电阻经公共端COM构成回路，输入状态为“1”。下拉电阻的阻值可根据光耦驱动电流、限流电阻选择，如果取光耦合器的发光二极管导通电压为0.7V，其计算式如下：

图5.2-3 接近开关的连接

式中 R———下拉电阻值（kΩ）；

U_e———输入驱动电压值（V）；(www.xing528.com)

I_i———最小输入驱动电流值（mA）；

R_i———输入限流电阻值（kΩ）；

例如，当CNC的I/O单元输入驱动电压U_e=24V、最小输入驱动电流I_i=4.5mA、输入限流电阻R_i=3.3kΩ时，计算所得的下拉电阻为R≤1.87kΩ，故可取R=1.5kΩ等。

输入电路增加了下拉电阻后，下拉电阻将成为接近开关的工作负载，因此，对接近开关的输出驱动能力要求将提高。例如，当下拉电阻为1.5kΩ时，接近开关ON时的实际输出电流将成为：

I_o≈U_e/R=24V/1.5kΩ=16mA

因此，需要选择输出驱动20mA的接近开关。

接近开关的DC24V电源既可由I/O单元提供，也可使用外部电源，使用外部电源时，其0V应与I/O单元的输入公共端COM连接。

4.带指示灯的开关连接

数控设备除触点开关、接近开关等常用检测器件外，还可能使用图5.2-4所示的带有LED指示的检测开关。这种开关在信号OFF时存在泄漏电流，使用时可能出现输入信号ON后，无法成为OFF状态的情况，故需要在输入端并联“限泄漏电阻”，保证输入的关断。

在图5.2-4上，如果输入端无“限泄漏电阻”，假设发光二极管的导通电压为0.7V，当开关OFF时，其I/O单元的输入泄漏电流为

图5.2-4 带指示灯开关的连接

由于光耦合器要求的关断电流（OFF电流）一般为1.5mA以下，因此，需要增加“限泄漏电阻”以保证开关OFF时，输入漏电流小于I/O单元规定的值，使内部输入状态成为“0”。

例如，对于图5.2-4所示的输入电路，如果光耦合器的关断电流为1.5mA，在信号OFF时，输入端的压降U_i应保证：

U_i≤（1.5×3.3+0.7）V=5.65V

限泄漏电阻R可计算如下：

即

故可取限泄漏电阻R的值为1kΩ。