機(jī)電一體化3章第10節(jié).ppt

1、1.說明圖示高低壓功率放大電路的工作原理,為脈沖變壓器 無脈沖輸入時(shí)， 有脈沖輸入時(shí)， 二極管的作用：三級管截止時(shí)，使存儲在繞組中的能量釋放，從而保護(hù)三級管 為限流電阻，以免線圈發(fā)熱燒壞。 、的作用,回顧上節(jié)課的內(nèi)容,2)高低壓功率放大電路,采用高壓驅(qū)動(dòng)，電流增長快，脈沖電流的前沿變陡，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和運(yùn)行頻率都得到提高,僅在脈沖開始時(shí)接通高壓，其余時(shí)間都由低壓供電，電流上升率高，高速運(yùn)行性能好，所以效率很高。但電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)振動(dòng)大,2.說明圖示斬波恒流驅(qū)動(dòng)（電流驅(qū)動(dòng)）電路的原理,圖6是斬波恒流功率接口原理圖。圖中R是一個(gè)用于電流采樣的小阻值電阻，稱為采樣電阻。當(dāng)電流不大時(shí)，VT1和VT2同時(shí)

2、受控于走步脈沖，當(dāng)電流超過恒流給定的數(shù)值，VT2被封鎖，電源U被切除。由于電機(jī)繞組具有較大電感，此時(shí)靠二極管VDL續(xù)流，維持繞組電流，電機(jī)靠消耗電感中的磁場能量產(chǎn)生出力。此時(shí)電流將按指數(shù)曲線衰減，同樣電流采樣值將減小。當(dāng)電流小于恒流給定的數(shù)值，VT2導(dǎo)通，電源再次接通。如此反復(fù)，電機(jī)繞組電流就穩(wěn)定在由給定電平所決定的數(shù)值上，形成小小的鋸齒波,U2-UR0輸出高電平1,斬波恒流驅(qū)動(dòng)（電流驅(qū)動(dòng),斬波恒流功率驅(qū)動(dòng)接口也有兩個(gè)輸入控制信號，其中u1是數(shù)字脈沖，u2是模擬信號。這種功率接口的特點(diǎn)是：高頻響應(yīng)大大提高，接近恒轉(zhuǎn)矩輸出特性，共振現(xiàn)象消除，但線路較復(fù)雜。目前已有相應(yīng)的集成功率模塊可供采用,在步

3、進(jìn)電機(jī)步距角不能滿足使用條件時(shí)，可采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī),3.說明步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的原理,以AB為例，若將各相電流看作是向量，則從整步到半步的變換，就是在IA與IB之間插入過渡向量IAB，因?yàn)殡娏飨蛄康暮铣煞较驔Q定了步進(jìn)電機(jī)合成磁勢的方向，而合成磁勢的轉(zhuǎn)動(dòng)角度本身就是步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度。顯然，I AB的插入改變了合成磁勢的轉(zhuǎn)動(dòng)大小，使得步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角度由b變?yōu)?.5 b，從而也就實(shí)現(xiàn)了2步細(xì)分,IA,IB,3. 細(xì)分驅(qū)動(dòng),要再實(shí)現(xiàn)4步細(xì)分，只需在A與B之間插入3個(gè)向量I1、I2、I3，使得合成磁勢的轉(zhuǎn)動(dòng)角度1=2=3=4，就實(shí)現(xiàn)了4步細(xì)分。但4步細(xì)分與2步細(xì)分是不同的，由于I1、I2、

4、I3 3個(gè)向量的插入是對電流向量A、B的分解，故控制脈沖已變成了階梯波。細(xì)分程度越高，階梯波越復(fù)雜,A,B,I1,I2,I3,1,2,3,4,第四節(jié) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng),3. 細(xì)分驅(qū)動(dòng),細(xì)分驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)： 在不改動(dòng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，能使步距角減小。但細(xì)分后的步距角精度不高，功率放大驅(qū)動(dòng)電路也相應(yīng)復(fù)雜；能使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、提高勻速性，并能減弱或消除振蕩。 細(xì)分的方法： （1）采用多路功率開關(guān)器件 （2）將各開關(guān)的控制脈沖信號進(jìn)行疊加,1）采用多路功率開關(guān)器件,晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，功耗低，但器件多、體積大,2）疊加細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理,晶體管工作在放大狀態(tài)，功耗大，但器件少,用階梯波供電,階梯波

5、的供電方法：兩種P121,細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)是否能代表精度? 步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分技術(shù)其主要目的是減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)，提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度只是細(xì)分技術(shù)的一個(gè)附帶功能。比如對于步進(jìn)角為1.8的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，如果細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為4，那么電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)分辨率為每個(gè)脈沖0.45，電機(jī)的精度能否達(dá)到或接近0.45，還取決于細(xì)分驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細(xì)分驅(qū)動(dòng)器精度可能差別很大；細(xì)分?jǐn)?shù)越大精度越難控制,兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器 SH-20803N,電源電壓在DC24VDC70V,最大輸出電流值為3A/相（峰值），根據(jù)驅(qū)動(dòng)器側(cè)板開關(guān)（4，5，6）的不同組合可以方便的選擇

6、8種電流值，從1.5A到3.1A,面板示意圖,電流選擇,步距角細(xì)分選擇,8種細(xì)分模式用戶既可通過側(cè)板開關(guān)（1,2,3）方便設(shè)定（詳見細(xì)分模式選擇表）也可以使用端子上提供的MS1，MS2，MS3三個(gè)接口由系統(tǒng)選擇（詳見在線細(xì)分切換）。細(xì)分步數(shù)均相對整步而言，如驅(qū)動(dòng)整步為1.8度電機(jī)，設(shè)定整步運(yùn)行時(shí)，一個(gè)脈沖使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)1.8度，半步時(shí)，一個(gè)脈沖使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)0.9度，4細(xì)分時(shí)一個(gè)脈沖則使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)0.45度,方向信號輸入：該端的高電平和低電平被解釋為電機(jī)運(yùn)行的兩個(gè)方向，信號的改變將使電機(jī)運(yùn)行的方向發(fā)生變化。該端的懸空被等效認(rèn)為輸入高電平,脫機(jī)信號輸入：輸入低電平時(shí)電機(jī)相電流被切斷，轉(zhuǎn)子處于自由狀態(tài)。不用

7、此功能時(shí)脫機(jī)信號端可懸空,脈沖信號輸入：一個(gè)脈沖，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器將按照相應(yīng)的時(shí)序驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行一步。本驅(qū)動(dòng)器的信號最高響應(yīng)頻率為2MHz，過高的輸入頻率將可能得不到正確響應(yīng),4.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的微機(jī)控制（串行、并行控制示意,串行控制：采用串行控制時(shí)，單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的功率接口之間必須有兩條控制線：一條用于發(fā)送走步脈沖傳（CP），另一條用于發(fā)送控制旋轉(zhuǎn)方向的電平信號,并行控制：用微型計(jì)算機(jī)的數(shù)個(gè)端口直接控制步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)驅(qū)動(dòng)電路,速度控制：通過控制控制系統(tǒng)發(fā)出步進(jìn)脈沖的頻 率或換相周期。方法：軟件延時(shí) 使用定時(shí)器控制,加減速控制,運(yùn)行頻率小于系統(tǒng)的極限啟動(dòng)頻率，按要求的速度直接啟動(dòng)，停發(fā)脈沖，系統(tǒng)停止。 運(yùn)

8、行頻率大于系統(tǒng)的極限啟動(dòng)頻率，有加速恒速減速停止過程,點(diǎn)-位控制的加減速過程,點(diǎn)-位控制的加減速過程,系統(tǒng)在執(zhí)行升降速的控制過程中，對加減速的控制還需準(zhǔn)備下列數(shù)據(jù)： 加減速的斜率； 升速過程的總步數(shù)； 恒速運(yùn)行總步數(shù)； 減速運(yùn)行的總步數(shù),步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)例,工業(yè)控制計(jì)算機(jī)特點(diǎn) 豐富的過程通道模板。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和工業(yè)生產(chǎn)過程是緊密結(jié)合的，需要和各種傳感器、檢測儀表、顯示儀表、調(diào)節(jié)儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及連鎖保護(hù)裝置進(jìn)行接口。因此，除了計(jì)算機(jī)的基本配置以外，還必須有豐富的過程通道。 高可靠性。工業(yè)生產(chǎn)過程一般要求生產(chǎn)設(shè)備連續(xù)運(yùn)行幾個(gè)月甚至一年才大修一次，出現(xiàn)故障時(shí)能夠在短時(shí)間內(nèi)修復(fù)。這就要求工業(yè)計(jì)算機(jī)具

9、有高可靠性。 環(huán)境適應(yīng)性。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)應(yīng)能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的高溫、潮濕、腐蝕、振動(dòng)、粉塵等惡劣環(huán)境，應(yīng)具有極高的電磁兼容性，以抵抗工業(yè)現(xiàn)場強(qiáng)大的電磁干擾，適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場較差的供電質(zhì)量,工控機(jī)+控制卡,PCL-839卡是一款高速三軸智能步進(jìn)電機(jī)控制卡。它用于將上位計(jì)算機(jī)所下達(dá)的控制命令轉(zhuǎn)換成步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖，并獨(dú)立進(jìn)動(dòng)控制的智能化板卡。它能將IBM兼容的PC機(jī)變?yōu)橐慌_3軸運(yùn)動(dòng)控制站。該卡使用了3片PCD-4541智能控制芯片，可以執(zhí)行各種運(yùn)動(dòng)控制指令。你既可以直接通過該卡的I/O寄存器對每個(gè)軸進(jìn)行控制；也可以使用研華公司提供的函數(shù)庫，通過C語言、C+、VC、VB等程序來調(diào)用這些函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對各軸

10、步進(jìn)電機(jī)的單獨(dú)或聯(lián)合控制,步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)例,控制卡,步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)例,PCL-839+卡編程重要函數(shù)介紹,函數(shù)1：set_speed 此函數(shù)用于設(shè)置各通道低速脈沖頻率、高速脈沖頻率和加速率。 函數(shù)原型：int set_speed(int ch,int FL,int FH,int AD)。 參數(shù)：ch為通道數(shù)；FL為低速頻率；FH為高速頻率；AD為加速度。 返回值：1、正常；2、出錯(cuò),函數(shù)2：stop 此函數(shù)用于通道脈沖輸出的停止 函數(shù)原型：int stop(int ch)。 參數(shù)：ch為通道數(shù)。 返回值：1、正常；2、出錯(cuò),步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)例,PLC控制的數(shù)控滑臺結(jié)構(gòu),步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)例,PLC控

11、制,五、步進(jìn)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì),1、脈沖當(dāng)量：步進(jìn)電機(jī)每接受一個(gè)脈沖時(shí)，工作臺走過的位移,單位為 mm/pulse,0.0010.0025 精密機(jī)床,0.0050.01 數(shù)控機(jī)床,0.10.15 一般機(jī)床,角脈沖當(dāng)量：就是步距角(/pulse,當(dāng)通過中間傳動(dòng)裝置時(shí)，角脈沖當(dāng)量為,如下圖，步進(jìn)電機(jī)通過絲杠螺母副帶動(dòng)工作臺運(yùn)動(dòng)時(shí)，其脈沖當(dāng)量為,Z1,Z2,設(shè)計(jì)時(shí)，先根據(jù)運(yùn)動(dòng)精度選定，再根據(jù)負(fù)載確定步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)，并 選定絲杠的導(dǎo)程p,計(jì)算出傳動(dòng)比i后，最后設(shè)計(jì)傳動(dòng)齒輪的各參數(shù)等,2、最大靜轉(zhuǎn)矩Tmax與相數(shù)、拍數(shù),一般根據(jù) TL（3050%）Tmax選擇Tmax 其中TL為把負(fù)載折合到步進(jìn)電機(jī)軸的負(fù)載力

12、矩，若相數(shù)、拍數(shù)較多，可選 0.5，否則選0.3，考慮控制回路的復(fù)雜和經(jīng)濟(jì)程度，一般取相數(shù)較少的,3、最高運(yùn)行頻率與速度關(guān)系,根據(jù)工作臺的最高速度vmax選擇步進(jìn)電機(jī)最高運(yùn)行頻率fmax,單位為 mm/pulse,1、步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲 步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速,步進(jìn)電機(jī)的

13、應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問題,2、步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢；頻率越高，反向電動(dòng)勢越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降,步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問題,3、一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，且不累積,步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問題,4、保持轉(zhuǎn)矩 保持轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如

14、，當(dāng)人們說2N.m的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進(jìn)電機(jī),5、步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場合-每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時(shí)電機(jī)工作效率高，噪音低,6、電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一般不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸升頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位精度,7、步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。步進(jìn)電機(jī)溫度過高首先會使電機(jī)的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏130度以上，有的甚至高達(dá)攝氏200度以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在

15、攝氏80-90度完全正常,步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問題,習(xí)題與思考題 3- 1 簡述機(jī)電一體化系統(tǒng)的執(zhí)行元件分類及特點(diǎn)。 3-2 簡述機(jī)電一體化系統(tǒng)對執(zhí)行元件的基本要求是什么？ 3-3 簡述控制用電動(dòng)機(jī)的功率密度及比功率的定義。 3-8 簡述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有哪些特點(diǎn)？ 3-9 簡述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類及其特點(diǎn)。 3-10 簡述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理。 3-11 簡述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角的計(jì)算方法。 3-15 簡述步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的功率放大電路原理,執(zhí)行元件系統(tǒng),控制 信息,電子信息處理系統(tǒng)（CNC,動(dòng)力系統(tǒng),傳感檢測系統(tǒng),機(jī)械系統(tǒng),參數(shù)變 化信息,驅(qū)動(dòng)力,能 量,檢測參數(shù),構(gòu)成要素：五大部分,第四章 微

16、機(jī)控制系統(tǒng)的選擇及接口設(shè)計(jì),12.1 概述 12.2 線位移檢測傳感器 12.3 角位移檢測傳感器 12.4 速度、加速度傳感器 12.5 測力傳感器 12.6 傳感器的正確選擇和使用,第12節(jié) 常用檢測傳感器及其選擇,12.1 概述,一、定義及分類： 1、定義：傳感器是將力、溫度、位移、速度等量轉(zhuǎn)換成電信號的元件。“傳感器技術(shù)是機(jī)電一體化的第一基礎(chǔ)” 2、分類 按能量變換的功能分： 按輸出的信號分,物理傳感器,化學(xué)傳感器,計(jì)數(shù)型（計(jì)數(shù)型,電壓，電流型（熱電偶） 電感，電容型（可變電容,有接點(diǎn)型(微動(dòng)開關(guān)，接觸開關(guān)， 行程開關(guān),傳感器,電阻型（電位器，電阻應(yīng)變片,非電量型,二值型,電量,無接點(diǎn)

17、型(光電開關(guān)，接近開關(guān),模擬型,數(shù)字型,代碼型（旋轉(zhuǎn)編碼器，磁尺,二、傳感器的基本特性,1. 傳感器的靜特性 傳感器的靜態(tài)特性是指當(dāng)被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)下，傳感器的輸入與輸出值之間的關(guān)系。傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有：線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。 (1).線性度 傳感器的線性度是指傳感器實(shí)際輸出輸入特性曲線與理論直線之間的最大偏差與輸出滿度值之比，即,二、傳感器的基本特性,2).靈敏度 傳感器的靈敏度是指傳感器在穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)條件下，輸出量的變化量與輸入量的變化量之比，即 (3).遲滯 傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減?。┬谐讨?，輸出輸入特性曲線不重合的程度稱為遲滯，遲滯誤差一般以滿量程輸出

18、的百分?jǐn)?shù)表示,二、傳感器的基本特性,4).重復(fù)性 傳感器在同一條件下，被測輸入量按同一方向作全 量程連續(xù)多次重復(fù)測量時(shí)，所得輸出輸入曲線的 不一致程度，稱重復(fù)性。重復(fù)性誤差用滿量程輸出的 百分?jǐn)?shù)表示，即 近似計(jì)算,二、傳感器的基本特性,5.分辨力 傳感器能檢測到的最小輸入增量稱分辨力。 6.零漂 傳感器在零輸入狀態(tài)下，輸出值的變化稱為零漂，零漂可用相對誤差表示，也可用絕對誤差表示,2. 傳感器的動(dòng)態(tài)特性 傳感器能測量動(dòng)態(tài)信號的能力用動(dòng)態(tài)特性表示。動(dòng)態(tài)特性是指傳感器測量動(dòng)態(tài)信號時(shí)，輸出對輸入的響應(yīng)特性。 傳感器動(dòng)態(tài)特性的性能指標(biāo)可以通過時(shí)域、頻域以及試驗(yàn)分析的方法確定，其動(dòng)態(tài)特性有：幅頻特性、相

19、頻特性 幅頻特性：傳感器的靈敏度與輸入信號變化頻率的關(guān)系。 相頻特性：被測輸入量作正弦變化時(shí)，與輸出量之間相位差隨頻率變化的關(guān)系,二、傳感器的基本特性,12.2 線位移檢測傳感器,光柵位移傳感器,光柵位移傳感器,1、光柵的構(gòu)造,2、工作原理,光柵位移傳感器,把兩塊柵距W相等的光柵平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角時(shí)，這時(shí)光柵上會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋，它們沿著與光柵條紋幾乎垂直的方向排列，如圖所示,莫爾：法國絲綢工,莫爾條紋具有如下特點(diǎn)： 1.莫爾條紋的位移與光柵的移動(dòng)成比例。光柵每移動(dòng)過一個(gè)柵距W，莫爾條紋就移動(dòng)過一個(gè)條紋間距B 2.莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾

20、條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間關(guān)系為 3.莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用,光柵位移傳感器,通過光電元件，可將莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號，如圖所示,光柵位移傳感器,其電壓為,將此電壓信號放大、整形變換為方波，經(jīng)微分轉(zhuǎn)換為脈沖信號，再經(jīng)辨向電路和可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，則可用數(shù)字形式顯示出位移量，位移量等于脈沖與柵距乘積。測量分辨率等于柵距,光柵位移傳感器,光柵位移傳感器,GS-600光柵線位移傳感器,柵距：0.01mm(100線對/mm)、0.02mm(50線對/mm)、0.04mm(25線對/mm) 精度：0.008mm、0.01mm、0.015mm、(201000mm) 量

21、程：50mm-3000mm以內(nèi)任意選擇 分辨率：0.5um、1um、5um、10u工作溫度：0-45 存儲溫度：-40-55,按供電電壓分有5V、24V、12V型 按輸出信號分有TTL方波、TTL方波、HTL方波(5V、12V、15V、24V)、RS422信號、正弦電壓信號,12.3 角位移檢測傳感器,光電編碼器,1.增量式 編碼器結(jié)構(gòu),光電編碼器,2.增量式編碼器工作原理 鑒向盤與主碼盤平行，并刻有a、b兩組透明檢測窄縫，它們彼此錯(cuò)開1/4節(jié)距，以使A、B兩個(gè)光電變換器的輸出信號在相位上相差90。工作時(shí)，鑒向盤靜止不動(dòng)，主碼盤與轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，光源發(fā)出的光投射到主碼盤與鑒向盤上。當(dāng)主碼盤上的不

22、透明區(qū)正好與鑒向盤上的透明窄縫對齊時(shí)，光線被全部遮住，光電變換器輸出電壓為最?。划?dāng)主碼盤上的透明區(qū)正好與鑒向盤上的透明窄縫對齊時(shí)，光線全部通過，光電變換器輸出電壓為最大。主碼盤每轉(zhuǎn)過一個(gè)刻線周期，光電變換器將輸出一個(gè)近似的正弦波電壓，且光電變換器A、B的輸出電壓相位差為90。經(jīng)邏輯電路處理就可以測出被測軸的相對轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)動(dòng)方向,光電編碼器,3.絕對式編碼器原理 絕對式編碼器是把被測轉(zhuǎn)角通過讀取碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的檢測元件。編碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。 光電式碼盤是目前應(yīng)用較多的一種，它是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進(jìn)制編碼。如圖所示為四位二進(jìn)制的碼盤，碼盤上各圈圓環(huán)分

23、別代表一位二進(jìn)制的數(shù)字碼道，在同一個(gè)碼道上印制黑白等間隔圖案，形成一套編碼,光電編碼器,黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二進(jìn)制的“0”和“1”。在一個(gè)四位光電碼盤上，有四圈數(shù)字碼道，每一個(gè)碼道表示二進(jìn)制的一位，里側(cè)是高位，外側(cè)是低位，在360范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為24=16個(gè),光電編碼器,工作時(shí)，碼盤的一側(cè)放置電源，另一邊放置光電接受裝置，每個(gè)碼道都對應(yīng)有一個(gè)光電管及放大、整形電路。碼盤轉(zhuǎn)到不同位置，光電元件接受光信號，并轉(zhuǎn)成相應(yīng)的電信號，經(jīng)放大整形后，成為相應(yīng)數(shù)碼電信號,光電編碼器,光電編碼器,脈沖數(shù) ( Resolution) 100P/R-1024P/R,信號方式 ( Output sign

24、al) A,B,Z(-A,-B,-Z,最高轉(zhuǎn)速 ( Max.rotation speed)3000r/min,工作溫度 ( Operation temp.range) -10-+70C,防護(hù)等級 ( Protection)IP50,第1個(gè)數(shù)字表示電器離塵、防止外物侵入的等級，第2個(gè)數(shù)字表示電器防濕氣、防水侵入的密閉程度，數(shù)字越大表示其防護(hù)等級越高,IP50表示可以防塵,12.4 速度、加速度傳感器,一、光電式速度傳感器 二、加速度傳感器,光電脈沖測速原理如下圖所示。物體以速度V通過光電池的遮擋板時(shí)，光電池輸出階躍電壓信號，經(jīng)微分電路形成兩個(gè)脈沖輸出，測出兩脈沖之間的時(shí)間間隔t，則可測得速度為,

25、一、光電式速度傳感器,光電式轉(zhuǎn)速傳感器是由裝在被測軸（或與被測軸相連接的輸入軸）上的帶縫圓盤、光源、光電器件和指示縫隙圓盤組成，如下圖所示。光源發(fā)出的光通過縫隙圓盤和指示縫隙盤照射到光電器件上，當(dāng)縫隙圓盤隨被測軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，圓盤每轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與圓盤縫隙數(shù)相等的電脈沖，根據(jù)測量時(shí)間t內(nèi)的脈沖數(shù)N，則可測得轉(zhuǎn)速為,一、光電式速度傳感器,作為加速度檢測元件的加速度傳感器有多種形式，它們的工作原理大多是利用慣性質(zhì)量受加速度所產(chǎn)生的慣性力而造成的各種物理效應(yīng)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成電量，來間接度量被測加速度。最常用的有應(yīng)變片式和壓電式等,二、加速度傳感器,慣性測量元件,電阻應(yīng)變式加速度計(jì)結(jié)構(gòu)原理如下圖所示。它

26、由重塊、懸臂梁、應(yīng)變片和阻尼液體等構(gòu)成。當(dāng)有加速度時(shí)，重塊受力，懸臂梁彎曲，按梁上固定的應(yīng)變片之變形便可測出力的大小，在已知質(zhì)量的情況下即可計(jì)算出被測加速度。殼體內(nèi)灌滿的粘性液體作為阻尼之用。這一系統(tǒng)的固有頻率可以做得很低,二、加速度傳感器,壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理如右圖所示。使用時(shí)，傳感器固定在被測物體上，感受該物體的振動(dòng)，慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，使壓電元件產(chǎn)生變形。壓電元件產(chǎn)生,二、加速度傳感器,的變形和由此產(chǎn)生的電荷與加速度成正比。 壓電加速度傳感器可以做得很小，重量很輕，故對被測機(jī)構(gòu)的影響就小。壓電加速度傳感器的頻率范圍廣、動(dòng)態(tài)范圍寬、靈敏度高、應(yīng)用較為廣泛,一）柱式彈性元件 柱式彈性元

27、件有圓柱形、圓筒形等幾種。如下圖所示。這種彈性元件結(jié)構(gòu)簡單、承載能力大，主要用于中等載荷和大載荷（可達(dá)數(shù)兆牛頓）的拉(壓)力傳感器,12.5 測力傳感器,2. 懸臂梁式彈性元 其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、應(yīng)變片粘貼容易、靈敏度較高。主要用于小載荷、高精度的拉、壓力傳感器中。可測量0.01牛頓到幾千牛頓的拉、壓力。在同,12.5 測力傳感器,一截面正反兩面粘貼應(yīng)變片，并應(yīng)在該截面中性軸的對稱表面上。若梁的自由端有一被測力P，則應(yīng)變與P力的關(guān)系為,件,12.6 傳感器的正確選擇和使用,一、傳感器的選擇 二、傳感器的正確使用,1.測試要求和條件。測量目的、被測物理量選擇、測量范圍、輸入信號最大值和頻

28、帶寬度、測量精度要求、測量所需時(shí)間要求等。 2.傳感器特性。精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、輸出量性質(zhì)、對被測物體產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)、校正周期、輸入端保護(hù)等。 3.使用條件。安裝條件、工作場地的環(huán)境條件（溫度、濕度、振動(dòng)等）、測量時(shí)間、所需功率容量、與其它設(shè)備的連接、備件與維修服務(wù)等,一、傳感器的選擇,1.線性化處理與補(bǔ)償 在機(jī)電一體化測控系統(tǒng)中，特別是需對被測參量進(jìn)行顯示時(shí)，總是希望傳感器及檢測電路的輸出和輸入特性呈線性關(guān)系，使測量對象在整個(gè)刻度范圍內(nèi)靈敏度一致，以便于讀數(shù)及對系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。 2.傳感器的標(biāo)定 傳感器的標(biāo)定，就是利用精度高一級的標(biāo)準(zhǔn)量具對傳感器進(jìn)行定度的過程，從而確定其輸出量和輸入量

29、之間的對應(yīng)關(guān)系，同時(shí)也確定不同使用條件下的誤差關(guān)系。傳感器使用前要進(jìn)行標(biāo)定，使用一段時(shí)間后還要定期進(jìn)行校正，檢查精度性能是否滿足原設(shè)計(jì)指標(biāo),二、傳感器的正確使用,3.抗干擾措施 傳感器大多要在現(xiàn)場工作，而現(xiàn)場的條件往往是不可預(yù)料的，有時(shí)是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器的精度和性能，所以在檢測系統(tǒng)中，抗干擾是非常重要的，尤其是在微弱輸入信號的系統(tǒng)中。常采用的抗干擾措施有屏蔽、接地、隔離和濾波等,二、傳感器的正確使用,1）屏蔽 屏蔽就是用低電阻材料或磁性材料把元件、傳輸導(dǎo)線、電路及組合件包圍起來，以隔離內(nèi)外電磁或電場的相互干擾。屏蔽可分為三種，即電場屏蔽、磁場屏蔽及電磁屏蔽。 （2）接地 電

30、路或傳感器中的地指的是一個(gè)等電位點(diǎn)，它是電路或傳感器的基準(zhǔn)電位點(diǎn)，與基準(zhǔn)電位點(diǎn)相連接，就是接地,二、傳感器的正確使用,3）隔離 當(dāng)電路信號在兩端接地時(shí)，容易形成地環(huán)路電流，引起噪聲干擾。這時(shí)，常采用隔離的方法，把電路的兩端從電路上隔開。隔離的方法主要采用變壓器隔離和光電耦合器隔離。 （4）濾波 雖然采取了上述的一些抗干擾措施，但仍會有一些噪聲信號混雜在檢測信號中，因此檢測電路中還常設(shè)置濾波電路，對由外界干擾引入的噪聲信號加以濾除,二、傳感器的正確使用,第四章 微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇及接口設(shè)計(jì),第一節(jié) 專用與通用的抉擇、硬件與軟件的權(quán)衡 第二節(jié) 微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路 第三節(jié) 微機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成與種

31、類 第七節(jié) Z80CPU的硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、存儲器及輸入輸出擴(kuò)展接口 第八節(jié) 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其最小應(yīng)用系統(tǒng) 第九節(jié) 數(shù)字顯示器及鍵盤的接口電路,不同產(chǎn)品所需要的控制功能、控制形式和動(dòng)作控制方式也不盡相同?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)是綜合運(yùn)用各種知識的過程。由于采用微機(jī)作為機(jī)電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品的控制器，因此，其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是選用微機(jī)、設(shè)計(jì)接口、控制形式和動(dòng)作控制方式的問題。這不僅需要微機(jī)控制理論、數(shù)字電路、軟件設(shè)計(jì)等方面的知識，也需要一定的生活和生產(chǎn)工藝知識。通常由機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員首先提出總的設(shè)計(jì)要求，然后由各專業(yè)人員通力協(xié)作,第一節(jié) 專用與通用的抉擇、硬件與軟件的權(quán)衡,專用控制系統(tǒng)適合于大批

32、量生產(chǎn)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。 專用控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì): 主要是選用適當(dāng)?shù)耐ㄓ肐C芯片以及設(shè)計(jì)其外圍電路來組成控制系統(tǒng)。 對于多品種、中小批量生產(chǎn)的機(jī)電一體化產(chǎn)品來說，由于還在不斷改進(jìn)，結(jié)構(gòu)還不十分穩(wěn)定，特別是對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造時(shí)，采用通用控制系統(tǒng)比較合理。 通用控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)： 主控制微機(jī)機(jī)型的合理選擇， 設(shè)計(jì)與其執(zhí)行元件和檢測傳感器之間的接口， 編制應(yīng)用軟件。 這實(shí)質(zhì)上就是通過接口設(shè)計(jì)和軟件編制來使通用微機(jī)專用化的問題,1.專用與通用的抉擇,2.硬件與軟件的權(quán)衡 在大多數(shù)情況下，對于某種功能來說，既可用硬件來實(shí)現(xiàn)，又可用軟件來實(shí)現(xiàn)。 因此，控制系統(tǒng)中硬件和軟件的合理組成，通常要根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和可靠性的標(biāo)

33、準(zhǔn)權(quán)衡決定。 原則：能采用通用的LSI芯片來組成所需的電路的情況下，則最好采用硬件。 特點(diǎn)：與采用分立元件組成的電路相比，采用軟件不需要焊接，并且易于修改，所以采用軟件更為可靠。 而在利用LSI芯片組成電路時(shí)，不僅價(jià)廉，而且 可靠性高，處理速度快，因而采用硬件更為有利,第二節(jié) 微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路,1確定系統(tǒng)整體控制方案 首先應(yīng)了解被控對象的控制要求，通常，先從系統(tǒng)構(gòu)成上考慮是采用開環(huán)控制還是閉環(huán)控制，當(dāng)采用閉環(huán)控制時(shí)，應(yīng)考慮采用何種檢測傳感元件，檢測精度要求如何。 其次考慮執(zhí)行元件采用何種方式，是電動(dòng)、氣動(dòng)還是液動(dòng)，比較其方案的優(yōu)缺點(diǎn)，擇優(yōu)而選。 第三要考慮是否有特殊控制要求，對于具有高可

34、靠性、高精度和快速性要求的系統(tǒng)應(yīng)采取哪些措施。 第四是考慮微機(jī)在整個(gè)控制系統(tǒng)中的作用，是設(shè)定計(jì)算、直接控制還是數(shù)據(jù)處理，微機(jī)應(yīng)承擔(dān)哪些任務(wù)，為完成這些任務(wù)，微機(jī)應(yīng)具備哪些功能，需要哪些輸入輸出通道、配備哪些外圍設(shè)備。 最后應(yīng)初步估算其成本。通過整體方案考慮，最后畫出系統(tǒng)組成的初步框圖，附以說明，以此作為下一步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和依據(jù),2確定控制算法（書P126,對任何一個(gè)具體微機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、綜合或設(shè)計(jì)， 首先應(yīng)建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，確定其控制算法。所謂數(shù)學(xué)模型就是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式。它反映了系統(tǒng)輸入內(nèi)部狀態(tài)和輸出之間的數(shù)量和邏輯關(guān)系。這些關(guān)系式為計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理提供了依據(jù)，即由數(shù)學(xué)模型推

35、出控制算法。所謂計(jì)算機(jī)控制，就是按照規(guī)定的控制算法進(jìn)行控制，因此，控制算法的正確與否直接影響控制系統(tǒng)的品質(zhì)，甚至決定整個(gè)系統(tǒng)的成敗,由于控制系統(tǒng)種類繁多，控制算法也是很多的，隨著控制理論和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，控制算法更是越來越多。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，按所設(shè)計(jì)的具體控制對象和不同的控制性能指標(biāo)要求，以及所選用的微機(jī)的處理能力選定一種控制算法。選用時(shí)應(yīng)考慮所選定的算法是否能滿足控制速度、控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求,當(dāng)控制系統(tǒng)比較復(fù)雜時(shí)，控制算法也比較復(fù)雜，整個(gè)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)就比較困難，為設(shè)計(jì)、調(diào)試方便，可將控制算法作某些合理的簡化，忽略某些因素的影響(如非線性、小延時(shí)、小慣性等)，在取得初步控制

36、成果后，再逐步將控制算法完善，直到獲得最好的控制效果,3選擇微型計(jì)算機(jī),對于給定的任務(wù)，選擇微機(jī)的方案不是唯一的，從控制的角度出發(fā)，微機(jī)應(yīng)能滿足以下要求,1） 較完善的中斷系統(tǒng) 微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)必須具有實(shí)時(shí)控制性能。 實(shí)時(shí)控制包含兩個(gè)意思： 一是系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)控制能力； 二是在發(fā)生故障時(shí)緊急處理的能力。 常采用中斷控制功能,2） 足夠的存儲容量 由于微型計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量有限，當(dāng)內(nèi)存容量不足以存放程序和數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)擴(kuò)充內(nèi)存，有時(shí)還應(yīng)配備適當(dāng)?shù)耐獯鎯ζ?，如單板機(jī)通常都配盒式磁帶機(jī)，用于在調(diào)試階段暫存程序和數(shù)據(jù)。單板機(jī)可配備28KB以上的只讀存儲器，監(jiān)控程序及調(diào)試成功的應(yīng)用程序都寫入只讀存儲器，

37、實(shí)現(xiàn)軟件固化,3） 完備的輸入輸出通道和實(shí)時(shí)時(shí)鐘 輸入輸出通道是外部過程和主機(jī)交換信息的通道。根據(jù)控制系統(tǒng)不同，有的要求有開關(guān)量輸入輸出通道，有的要求有模擬量輸入輸出通道，有的則同時(shí)要求有開關(guān)量輸入輸出通道和模擬量輸入輸出通道。對于需要實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備和內(nèi)存之間快速、批量交換信息的，還應(yīng)有直接數(shù)據(jù)通道。 實(shí)時(shí)時(shí)鐘在過程控制中給出時(shí)間參數(shù)，記錄發(fā)生事件的時(shí)刻,選擇微型計(jì)算機(jī)除應(yīng)滿足上述幾點(diǎn)要求外，從不同的被控制對象角度而言，還應(yīng)考慮幾個(gè)特殊要求（3個(gè)）,1)字長 微處理器的字長定義為并行數(shù)據(jù)總線的線數(shù)。字長直接影響數(shù)據(jù)的精度、尋址的能力、指令的數(shù)目和執(zhí)行操作的時(shí)間,2）速度 速度的選擇與字長的選擇可

38、一并考慮。對于同一算法、同一精度要求，當(dāng)機(jī)器的字長短時(shí)，就要采用多字節(jié)運(yùn)算，完成計(jì)算和控制的時(shí)間就會增長。為保證實(shí)時(shí)控制，就必須選用執(zhí)行速度快的機(jī)器。同理，當(dāng)機(jī)器的字長足夠保證精度要求時(shí)，不必用多字節(jié)運(yùn)算，完成計(jì)算和控制的時(shí)間就短，可選用執(zhí)行速度較慢的機(jī)器,3)指令 一般說來，指令條數(shù)越多，針對特定操作的指令就多，這樣會使程序量減少，處理速度加快。對于控制系統(tǒng)來說，尤其要求較豐富的邏輯判斷指令和外圍設(shè)備控制指令，通常8位微處理器都具有足夠的指令種類和數(shù)量，一般能夠滿足控制要求,選擇微機(jī)時(shí)，還應(yīng)考慮成本高低、程序編制難易 以及擴(kuò)充輸入輸出接口是否方便等因素，從而確定 是選用單片機(jī)、單板機(jī)，還是選

39、用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 單片機(jī):價(jià)格低、體積小,但需要開發(fā)系統(tǒng)對其軟硬件進(jìn)行開發(fā)。 單板機(jī):價(jià)格較低、體積較小，但內(nèi)存容量較小，接口電路少 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng):微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有豐富的系統(tǒng)軟件，可用高級語言、匯編語言編程，程序編制和調(diào)試都很方便。 但成本較高，當(dāng)用來控制一個(gè)小系統(tǒng)時(shí)，往往不能充 分利用系統(tǒng)機(jī)的全部功能，抗干擾能力差,4）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)主要是對系統(tǒng)控制方案進(jìn)行具體實(shí)施步驟的設(shè)計(jì)，其主要依據(jù)是上述的整體方案初框圖、設(shè)計(jì)要求及所選用的微機(jī)類型。通過設(shè)計(jì)要畫出系統(tǒng)的具體構(gòu)成框圖。 一個(gè)正在運(yùn)行的完整的微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，需要在微機(jī)、被控制對象和操作者之間適時(shí)地、不斷地交換數(shù)據(jù)信息和控制