機電一體化復習

復習

機電一體化系統(tǒng)設計:

0.1機電一體化基本概念機電一體化的基本定義：機電一體化的英文名稱是Mechatronics,是由日本人通過截取英文機械學(Mechanics)的詞頭和電子學(Electronics)的詞尾組合在一起而創(chuàng)造出來的一個新的英文名詞。這一名詞最早出現(xiàn)在1971年日本的<機械設計>雜志副刊上,后來隨著機電一體化的發(fā)展而被廣泛引用。

日本<<機械振興協(xié)會經(jīng)濟研究所>>于1981年提出的解釋:“機電一體化乃是機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術,并將機械裝置與電子裝置用相關軟件有機結合而構成系統(tǒng)的總稱.”它體現(xiàn)了機電一體化產品及其技術的基本內容和特征，所以具有指導性的定義。

機電一體化系統(tǒng)設計：0.2機電一體化系統(tǒng)基本組成一個典型的機電一體化系統(tǒng)應包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅動部分、執(zhí)行機構、傳感測試部分、控制及信息處理部分。這些組成要素內部及其之間,形成通過接口耦合來實現(xiàn)運動傳遞、信息控制、能量轉換等有機融合的一個完整系統(tǒng)。一、傳動裝置功能及性能要求功能：傳遞運動（速度、位移）和動力（力、力矩）第一章機械系統(tǒng)設計二、滾珠絲杠（或滾動螺旋）傳動1、工作原理與結構形式絲杠和螺母的螺紋滾道間置滾珠，當絲杠或螺母轉動時，滾珠沿螺紋滾道滾動，使絲杠和螺母作相對運動時為滾動摩擦。在螺母（或絲杠）上有滾珠返回的通道，與螺紋滾道形成循環(huán)回路，使?jié)L珠在螺母滾道內循環(huán)。2、滾珠的循環(huán)方式：內循環(huán)和外循環(huán)

3、公稱直徑（滾珠中心圓直徑）D0（mm）

導程(或螺距)p（mm）

4、尺寸標注：FC1B-60×6-5-E2左(漢江機床廠)

5、當絲杠改變轉動方向時，間隙會使運動產生空程，從而影響機構的傳動精度。通常采用雙螺母預緊的方法消除間隙，提高剛度。

6、不能自鎖，垂直安裝時，當運動停止后，螺母在重力作用下下滑，故需設置制動裝置。三、支承導向機構設計

導軌的作用是支撐導向作用。一副導軌主要由兩部分組成，在工作時一部分固定不動，稱為支承導軌(或導動軌)，另一部分相對支承導軌作直線或回轉運動，稱為動導軌(或滑座)。

第二章檢測系統(tǒng)設計機電一體化一體化系統(tǒng)檢測系統(tǒng)實質：非電量電量顯示或輸出1傳感器的定義定義：是一種以一定的精確度將被測量（如位移、力、加速度等）轉換為與之能確定對應關系的，易于精確處理和測量的某種物理量（如電量）的測量部件或裝置。轉換元件基本轉換電路敏感元件被測量電量

傳感器靜態(tài)特性：線性度：傳感器實際特性曲線與擬合直線之間的偏差靈敏度：輸出變化對輸入變化的比值遲滯性：在正反行程期間輸入—輸出特性曲線不重合程度重復性：輸入量按同一方向多次測試時所得特性曲線的不重合度分辨力、零漂、精度3、電容傳感器4、電感傳感器5、光柵線紋密度為25、50、100、250條/mm等。線紋之間距離相等，該間距稱為柵距6、感應同步器是利用兩個平面形繞組的互感隨位置不同而變化的原理組成的。

光柵

光電式脈沖編碼器，它由光源、聚光鏡、光電盤、圓盤、光電元件和信號處理電路等組成（如圖）。7、光電編碼器（1）M法測速（適合于高轉速場合）T

編碼器每轉產生N個脈沖，在T時間段內有m1

個脈沖產生，則轉速（r/min)為：n=60m1/（NT）

m1一定時間內用角編碼器產生的脈沖數(shù)來確定速度的方法8數(shù)字測速例：有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為2048p/r，在0.2s時間內測得8K個脈沖，則轉速（r/min)為：

n=60×8192/（2048×0.2）

r/min=1200r/min（2）T法測速（適合于低轉速場合）時鐘脈沖fc

編碼器輸出脈沖

m2

···編碼器每轉產生N個脈沖，用已知頻率fc作為時鐘，填充到編碼器輸出的兩個相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為m2

，則轉速(r/min)為n=60fc/（Nm2）

用角編碼器產生的相鄰兩個脈沖之間的時間來確定速度的方法例：有一增量式光電編碼器，其參數(shù)為1024p/r，測得兩個相鄰脈沖之間的脈沖數(shù)為1000，時鐘頻率fc為1MHz，則轉速（r/min)？練習1傳動分析設：螺距t=6mm，旋轉式位置傳感器測得絲桿旋轉角度為7290，求螺母的直線位移x？螺母絲杠螺距x=？練習2莫爾條紋光學放大作用舉例

有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，主光柵與指示光柵的夾角=1.8，計算光柵的柵距和莫爾條紋的寬度？則：分辨力=柵距W=1mm/50=0.02mm=20m（由于柵距很小，因此無法觀察光強的變化）

莫爾條紋的寬度是柵距的32倍：

L≈W/θ=0.02mm/（1.8*3.14/180

）

=0.02mm/0.0314=0.637mm

由于較大，因此可以用小面積的光電池“觀察”莫爾條紋光強的變化。傳感器輸出信號有些什么特點？1、信號比較微弱2、為非電壓信號3、攜帶噪聲信息因此，傳感器在使用中需要進行信號調理。信號調理一般包括放大、變換、調制與解調、濾波等。2.3信號放大電路高輸入阻抗放大器虛短，虛斷，”虛地”為保證共模抑制比，要配出（U2-U1）的因子項1、

高輸入阻抗放大電路當只有共模信號，共模抑制比無窮大

2、高共模抑制比放大器高共模抑制比差動放大器浮置電源輸入調制放大器耦合變壓器輸出解調放大器輸出輸入－＋2、原理框圖浮置電源光耦合器輸入放大器－＋輸出放大器輸出輸入VLC變壓器耦合不僅隔離了輸入與輸出電路，而且也隔離了浮置電源，但體積大。光電耦合先將被測信號放大后由發(fā)光二極管轉換成光信號，再由光敏三極管轉換成電信號放大輸出，但非線性。3、隔離放大電路當電橋平衡，流過檢流計的電流為零時，有即若比例臂和Rs為已知，可以求出被測電阻Rx為的阻值。

R1、R2均為固定電阻，Rx為被測電阻，Rs為可調標準電阻，G為靈敏電流計，E為工作電源。2.4信號變換電路電橋測量電阻原理1）電流-電壓變換模擬信號變換電路

電流通過電阻，在電阻上產生壓降，建立起電壓和電流的關系為

2）電壓-電流變換2.5信號調制與解調1、什么是信號調制？

調制就是用一個信號（稱為調制信號）去控制另一個做為載體的信號（稱為載波信號），讓后者的某一特征參數(shù)按前者變化。

2、什么是解調？在將測量信號調制，并將它和噪聲分離，放大等處理后，還要從已經(jīng)調制的信號中提取反映被測量值的測量信號，這一過程稱為解調。c)ustuctb)a)OxtxOxO2.6信號濾波電路1.濾波器的類型按功能分：低通濾波器;高通濾波器;帶通濾波器;帶阻濾波器.例：濾波器的設計。23一、人機接口輸入接口輸出接口第四章機電一體化計算機接口設計24軟件去抖硬件去抖開關：OFF高電平低電平開關：ON開關：OFF開關：ON發(fā)生抖動的時間在10ms以下OFFON積分后的輸出史密特觸發(fā)器的輸出史密特觸發(fā)器積分電路2501234567BA98CDEFP1.7P1.6P1.5P1.4P1.0P1.1P1.2P1.38031+5V鍵盤接口方法上圖示出了8031通過P1口與一個4×4鍵盤的接口電路，其中P1.7~P1.4作掃描線，P1.3~P1.0作輸出線。26鍵輸入程序流程有鍵閉合？開始

調鍵掃描子程序，求鍵號，送（20H)延時10ms(A)=(20H)?鍵釋放否？延時10ms鍵釋放否？

認定鍵號，轉相應鍵處理子程序返回返回返回NYNYNNYY判斷閉合鍵的鍵號，方法為依次從P1.7~P1.4送出低電平，并從其他列線送出高電平，相應地順序讀入P1.3~P1.0的狀態(tài)，若全為“1”，則列線輸出為“0”的這一列上沒有鍵閉合；若不全為“1”，則有鍵閉合。狀態(tài)為低電平的鍵的行號加上其所在列的列首號即為該鍵鍵號。判斷鍵盤上有無鍵閉合，其方法為在掃描線P1.7~P1.4上全部送“0”，然后讀取P1.3~P1.0的狀態(tài)，若全部為“1”，則無鍵閉合，若不全為“1”，則有鍵閉合。去除鍵的機械抖動，方法為讀取鍵號后延時10ms,再次讀鍵盤，若此鍵閉合則認為有效，否則認為前述鍵的閉合是由于機械抖動或干擾所引起的。使控制微機對鍵的一次閉合僅做一次處理，方法為等待閉合鍵釋放后再處理。27

發(fā)光二極管顯示器（LightEmittingDiode）的接口設計12345678abcdefgdpdpabcdefgDPYabcdefgdpCOM共陽極abcdefgdpCOM共陰極將發(fā)光二極管組成陣列，封裝于標準外殼中，即發(fā)光二極管顯示器（LED顯示器）。以七段LED顯示器最為常用。引線有共陽極與共陰極兩種結構如圖。人機輸出接口開光量的輸入輸出通道設計圖11用光耦合器隔離開關信號的電路圖

Ui高----A低-----B低——U0高Ui低----A高-----B高——U0低第五章伺服系統(tǒng)設計

在機電一體化控制系統(tǒng)中，把輸出量能夠以一定的準確度跟隨輸入量的變化為變化的系統(tǒng)稱為伺服系統(tǒng)，亦稱隨動系統(tǒng)。它用來控制被控對象的轉角（或位移），使其能自動地連續(xù)地，精確地復現(xiàn)輸入指令的變化規(guī)律。其組成如下圖：伺服系統(tǒng)根據(jù)控制原理，即根據(jù)有無檢測環(huán)節(jié)及其檢測部件，可分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)三種基本的控制方式圖5-3伺服系統(tǒng)的控制原理類型晶閘管的結構與工作原理晶閘管是一種功率四層半導體器件，有三個引出極，陽極（A）、陰極（K）、門極（G），常用的有螺栓式與平板式。A

N

N

PKG

P

J1J2J3

AGK圖2晶閘管的圖形符號和內部結構1晶閘管的結構1）晶閘管導通必須同時具備兩個條件：陽極與陰極之間加正向電壓控制極與陰極之間加正向電壓（一）電阻性負載1單相半波可控整流電路圖6單相半波可控整流電路及波形

VT的α移相范圍為0～180通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式，簡稱相控方式。

首先，引入兩個重要的基本概念：控制角：從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度,用α表示,也稱觸發(fā)角或觸發(fā)延遲角。導通角：晶閘管在一個電源周期中處于通態(tài)的電角度，用θ表示。直流輸出電壓平均值為可控整流電路中，U2=220V，RL=3,可控硅控制角=15~180，求輸出電壓平均值UL的調節(jié)范圍，以及可控硅（包括二極管）的電流平均值的最大值

由一個通電狀態(tài)改變到下一個通電狀態(tài)時，電動機轉子所轉過的角度稱為步距角。＝360/ZKm

其中：Z－轉子齒數(shù)

m－定子繞組相數(shù)

K－通電系數(shù)K=1,2例：若二相步進電動機的Z=100，單拍運行時，其步距角為多少？

單三拍時：A—B—C,—A—B—C…

電壓電流波形

雙三拍時：

單雙拍（即六拍）時：AB—BC—CA,—AB—BC—CA…A—AB—B—BC—C—CA,-A—AB—B—BC—C—CA…

驅動電源的組成脈沖分配器功放電路三相步進電機負載功率電源分配器電源功放電路功放電路功率放大器步進脈沖方向信號ABC脈沖分配器+功率放大電路步進電機控制信號的產生步進電機的驅動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機（或計算機）產生，其基本控制作用如下：控制換相順序（也稱脈沖分配）控制轉向（正反序通電）

控制速度（由單片機發(fā)出的脈沖頻率的大小決定）硬件環(huán)分軟件環(huán)分+功率驅動軟件環(huán)形分配

軟件環(huán)分的方法是利用計算機程序來設定硬件接口的位狀態(tài)，從而產生一定的脈沖分配輸出。

1)輸出接口8031單片機本身包含4個8位I/O端口，分別為P0、P1、P2、P3。

輸出接口是將計算機的輸出端與步進電動機的每相繞組一一對應起來。

若要實現(xiàn)三相步進電動機的脈沖分配，需要三根輸出口線，本例中選P1口的P1.0、P1.1、P1.2位作為脈沖分配的輸出。因此可以通過改變電樞電壓Ua進行調速電壓的平均值為2．PWM驅動電路裝置

根據(jù)PWM的工作原理，必須有一種電路或裝置將控制轉速的指令轉換成脈沖的寬度，其中元件工作在高速開關狀態(tài)，這種裝置叫直流PWM驅動裝置。

圖5-25PWM驅動電路框圖當控制電壓Ue為零時，輸出電壓UA和UB的脈沖寬度相同，且等于T/2(T為三角波的周期)。當控制電壓Ue為正時，UA的寬度大于T/2，UB的寬度小于T/2；Ue為負時，情況則相反。由此得到兩種不同的被調制直流電壓。3）開關功率放大器主回路：可逆H型雙極式PWM

開關功率放大器電路圖:

由四個大功率晶體管T1、T2、T3、T4

及四個續(xù)流二極管組成的橋式電路。H型：

又分為雙極式、單極式和受限單極式三種。Ub1、

Ub2、Ub3Ub4–為調制器輸出，經(jīng)脈沖分配、基極驅動轉換過來的脈沖電壓。分別加到T1

、T2、T3

、T4的基極。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS

-USUdUABOtUb1Ub4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub4Ub2、Ub3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2（2）PWM調速系統(tǒng)直流伺服電機工作原理：

T1

和T4

同時導通和關斷，其基極驅動電壓Ub1=Ub4。T2和T3同時導通和關斷，基極驅動電壓Ub2=Ub3

=

–Ub1。以正脈沖較寬為例，既正轉時。負載較重時：①電動狀態(tài)：當0≤t≤t1時，Ub1、Ub4為正，T1

和T4

導通；Ub2、Ub3

為負，

T2和T3截止。電機端電壓UAB=US，電樞電流id=id1，由US→T1

→T4→

地。②續(xù)流維持電動狀態(tài)：在t1≤t≤T時，Ub1、Ub4為負，

T1

和T4截止；

Ub2、Ub3

變正，但T2和T3并不能立即導通，因為在電樞電感儲能的作用下，電樞電流id=id2，由D2→D3