第4章-控制系统

1、第四章 控制系统v1、机电一体化控制系统的组成及其作用4.2 控制系统的设计要求v机电一体化控制系统的设计要求 1、功能实用性 2、系统的可靠性 3、运行的稳定性 4、操作性 5、人机安全性 6、性价比 7、规范性v衡量一个控制系统好坏的指标有哪些？v机电一体化控制系统中的输入装置 1、请说出输入装置的作用？ 2、举例说出你所熟悉的输入装置有哪些？4.3 控制系统中的输入装置v常用的输入装置 键盘、开关电路、触摸屏、接口电路等v键盘的相关知识 1、键盘的分类 a、按结构原理分：触电式开关按键；例如机械式、导电橡胶式 无触点式开关按键；例如电容式 b、按接口原理分：编码式键盘；例如计算机的通用键

2、盘 非编码式键盘；例如矩阵式键盘、独立键盘等 2、键盘的接口 大家考虑一下 键盘与系统的常用接口方式有哪些？ 计算机常用PS2口、USB口 单片机8279或者8155的并行口输入；3、键盘的工作方式4.3 控制系统中的输入装置v键盘的工作方式 键盘的工作方式取决键盘的接口类型：即采用什么样的键盘 编码式键盘：主要是有硬件完成对键的识别； 非编码式键盘：主要是由软件程序完成对键盘的定义和识别。v非编码式键盘的工作方式 a、程序控制扫描方式 b、定时扫描方式 c、中断扫描方式v非编码式键盘的程序设计时注意 主要通过键处理语句JMP指令；同时需要考虑触点键盘的“去抖”问题4.3 控制系统中的输入装置

3、v通用键盘的信息处理 键盘使用中我们会按下不同的按键来输入指令，而键盘是把按键的信息以ASCALL码传入到系统中。这样就要求我们调取系统中的ASCALL码对键盘信息进行处理。4.3 控制系统中的输入装置vBIOS INT 16H的功能调用可以用来检查是否有按键按下并接收键入的字符； 1.功能调用00H（该功能是读下一个键盘字符） 调用格式：MOV AH,0；调用前将AH置0 INT 16H；中断调用 CMP AL,3CL；读取字符，检查是否为F2键按下3.1 位置检测环节的构成和接口v 机电一体化系统执行机构的运动有直线和回转直线和回转两种，所以其检测元件也分为直线型和回转型直线型和回转型两种

4、。在闭环系统中，检测元件安装在执行机构上，直接检测运动部件的实际位置；而在半闭环控制系统中，一般将检测元件安装在执行元件的驱动轴或传动轴上，间接检测运动部件的直线位移或回转位移。3.1 位置检测环节的构成和接口v 3.1.1 感应同步器 感应同步器 ：电磁式位置检测元件； 按其结构特点可分为旋转式和直线式两种。 前者用于直线位移的测量，后者用于角位移的测量。 感应同步器广泛用于高精度的数控机床上。v1. 感应同步器的结构 直线感应同步器由作相对平行移动的定尺和滑尺组成，定尺和滑尺之间有均匀气隙，在全程上保持0.250.05mm。标准型感应同步器的定尺长250mm，表面制有连续绕组，绕组节距为2

5、mm。节距是衡量感应同步器精度的主要参数，工艺上要保证其节距的精度。滑尺上制有两组分段绕组，即正弦绕组(S)和余弦绕组(C)，两者相对于定尺绕组在空间错开1/4节距(见图3-1)。3.1 位置检测环节的构成和接口v 定尺和滑尺的基板通常采用与机床床身材料热膨胀系数相近的钢板，用绝缘粘接剂 把铜箔粘在钢板上，经精密照相腐蚀工艺制成印刷绕组，再在尺子表面涂上一层保护层。滑尺表面有时还帖上一层带绝缘的铝箔，以防静电感应。v 在使用感应同步器时，一般将定尺固定在机床的固定部件(如床身、立柱、横梁)上，滑尺固定在移动部件(如床鞍、主轴箱、工作台或刀架)上。当工作台移动时，滑尺和定尺产生相对移动。由于感应

6、同步器的精度很高，故安装精度也要求很高。要求安装、运动时定尺和滑尺之间的间隙均匀。3.1 位置检测环节的构成和接口直线式感应同步器的结构正弦绕组余弦绕组滑尺定尺UdUsUc2/2直线式感应同步器直线式感应同步器 利用两个平面形印刷利用两个平面形印刷绕组，其间保持均匀绕组，其间保持均匀气隙气隙 作相对平行移动作相对平行移动，根据交变磁场和互，根据交变磁场和互感原理而工作的。感原理而工作的。 若若滑尺绕组加励磁电压滑尺绕组加励磁电压，则由于，则由于电磁感应而在电磁感应而在定尺绕组上产生感应电压定尺绕组上产生感应电压，其大小取决于，其大小取决于滑尺与定滑尺与定尺的相对位置。尺的相对位置。2/2E定尺

7、定尺正弦绕组正弦绕组滑尺滑尺余弦绕组余弦绕组VsVci1i2（当正弦绕组（当正弦绕组与定尺绕组对与定尺绕组对齐时，余弦绕齐时，余弦绕组与定尺绕组组与定尺绕组相差相差1/4节距。节距。）v 当滑尺处于A位置，即滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合，定尺绕组线圈中穿入的磁 通最多，则定尺上的感应电压最大。 随着滑尺相对定尺做平行移动，穿入定尺的磁通逐渐减少，感应电压逐渐减小。v 当滑尺移到图中B点位置，与定尺 绕组刚好错开1/4节距时，感应电压为零。当只给滑尺上正弦绕组加励磁电压时当只给滑尺上正弦绕组加励磁电压时，定尺感应电压与定、滑定尺感应电压与定、滑尺的相对位置关系尺的相对位置关系如图所示如图所示v

8、再移动至1/2节距 处，即图中C点位置时，定尺线 圈中穿出的磁通最多，感应电压最大，但极性相反。v再移至 3/4节距，即图中D点位置时， 感应电压又变为零，v当移动一个节距位置如图中E点，又恢复 到初始状态，与A点相同。v在定尺移动一个节距的过 程中，感应电压近似于余弦函 数变化了一个周期，如图中ABCDE。距离距离U若若励磁电压励磁电压 uUmsint则定尺绕组产生的则定尺绕组产生的感应电势感应电势e e ekUmcoscos t式中式中 Um励磁电压幅值励磁电压幅值(V) 励磁电压角频率励磁电压角频率(rad/s) k电磁耦合系数，电磁耦合系数， 与绕组间与绕组间 最大互感系数有关；最大互

9、感系数有关； 滑尺绕组相对定尺绕组在空间的电气相位角；滑尺绕组相对定尺绕组在空间的电气相位角； kUm 为感应电压的幅值。为感应电压的幅值。直线式感应同步器的信号处理原理 滑尺正弦绕组上加激磁电压Us后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为： Uos=KUScos1 滑尺余弦绕组上加激磁电压Uc后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为： Uoc=KUccos（1+/2） =K Ucsin1 滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压Us、 Uc时，根据叠加原理，则与之相耦合的定尺 绕组上的总感应电压为： Uo =Uos+ Uos=KUScos1K Ucsin1 K 电磁感应系数 1 定尺绕组上的感应电压的相

10、位角v感应同步器就是利用感应电势的变化，来检测在一个节距W内的位移量，为绝对式测量。v设滑尺绕组的节距为2，它对应的感应电势按余弦函数规律将变化2。若滑尺的移动距离为x，则对应于感应电势以余弦函数将变化 ：()22xxpqptt=根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压Us、 Uc供电供电方式的不同可构成不同检测系统方式的不同可构成不同检测系统-鉴相型系鉴相型系统和鉴幅型系统。统和鉴幅型系统。直线式感应同步器的应用方式1）鉴相工作方式 根据感应输出电压的相位来检测位移量误差信号控制机床的伺服驱动机构，消除误差方向移动，构成位置反馈，指令信号Ur经脉冲相位变换变成相位信号a1

11、.机床工作定尺滑尺产生相对位移，定尺a2变化，当a1与a2不相等，工作台移动，若相等，工作台停止移动脉冲相位变换器同时还产生基准激励信号供给滑尺正、余弦绕组。直线式感应同步器的应用方式1）鉴相工作方式 根据感应输出电压的相位来检测位移量v供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同，相位相差90的交流励磁电压 UsUmsint Uc=Um（sint+/2）=Umcost当滑尺移动x距离时，则定尺上的感应电压为 Ud1k Uscosk Umsintcos Ud2k Uccos（/2）k Umcostsin应用叠加原理得出定尺绕组中的感应电压为 Ud=Ud1Ud2kUmsin（t） v通过鉴别

12、定尺感应输出电压的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位移。Um励磁电压幅值(V) 励磁电压角频率(rad/s) k电磁耦合系数，与绕组间 最大互感系数有关； 滑尺绕组相对定尺绕组在空间的电气相位角； kUm 为感应电压的幅值。v例：感应电势与励磁电压相位差=1.8，节距W=2mm， 由= 2x/W x=0.01mm直线式感应同步器的应用方式2）鉴幅工作方式 工作台位移值X未达到指令要求值X1时，即X X1，定尺电压u20.该电压一方面经检波放大控制伺服驱动机构带动机床工作台；另一方面，当该电压超过门槛值时，产生输出脉冲，经D/A转换后自动改变励磁电压幅值aE。当工作台移至X=X1，定尺上电压u

13、2=0,误差消失，工作台停止移动。u2同时输至相敏放大器与来自补偿器、信号比较，来控制工作台运动的方向。 根据定尺输出的感应电势的振幅变化来检测位移量。p给滑尺的给滑尺的正弦绕组正弦绕组和和余弦绕组余弦绕组分别通以为分别通以为同同频率、频率、同相位，同相位，但不同但不同幅值幅值，即，即 UsUmsinsint UcUmcossint式中式中 励磁电压的给定为电气角励磁电压的给定为电气角. 分别励磁时，在分别励磁时，在定尺绕组上产生的输出感应电势定尺绕组上产生的输出感应电势分别为：分别为： UdskUmsin cost cos UdckUmcos cos(/2)cost kUm cos cost

14、 sin根据叠加原理，定尺绕组上根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势总输出感应电势Ud为为 Ud Ud s Ud c kUmsin coscost kUm cos sincost kUmsin（）sint 定尺绕组中的定尺绕组中的感应电压感应电压Ud的幅值的幅值为为 Umsin（）若电气角若电气角已知，则只要测量出已知，则只要测量出Ud的幅值，便可间接的幅值，便可间接地求出地求出值，从而求出值，从而求出被测位移被测位移x的大小的大小。当定尺绕组中的感应电压当定尺绕组中的感应电压Ud0时，时，只要逐渐，只要逐渐改变改变值，使值，使Ud0，便可求出，便可求出值，从而求出被测位值，从而求出被测位移

15、移x。l令令 ，当，当 很小，很小， ， 式式（6-10）可近似表示为）可近似表示为 UdUm sint 将式将式 代入上式得代入上式得p当位移量当位移量x很小时很小时，感应电压感应电压Ud的的幅值幅值与与x成正比成正比，因此，因此可以通过测量可以通过测量Ud的幅值来测定位移量的幅值来测定位移量x的大小。从而实现精的大小。从而实现精确测量。确测量。sin)sin(txUUmdsin4.圆感应同步器v工作原理同直线感应同步器，差别在于定子、转子及绕组形状不同；v分为圆形和扇形，圆形测量范围达360，扇形测量范围小于360；v特点：精度高、工作可靠抗干扰性强、维护简单寿命长、测量距离长、滑尺要全部

16、覆盖在定尺上。v用途：检测机械设备的角度和角位移，常用安装形式有两种（将单个圆盘安装于设备上和定子转子组装成整体通过联轴器与机械旋转轴连接）。4.圆感应同步器3.1.2 旋转变压器v 旋转变压器用于运动伺服控制系统中，作为角度位置的传感和测量用。是一种利用电磁感应原理将转角变换为电压信号的传感器。由于它结构简单，动作灵敏，对环境无特殊要求，输出信号大，抗干扰好，因此被广泛应用于机电一体化产品中。3.1.2 旋转变压器v旋转变压器的结构 旋转变压器的结构：由定子和转子两部分组成，而且结构上保证定子和转子之间的气隙磁场呈正（余）弦规律。3.1.2 旋转变压器v1. 旋转变压器的工作原理 给定子绕组

17、加交变励磁电压，则转子上产生励磁电压，其大小取决于定子和转子两个绕组在空间的相对位置。 其中Um为定子励磁电压峰值m=sin =KU sinwtsinUKUaa定子转子旋转变压器的工作原理3.1.2 旋转变压器v旋转变压器的应用 （1）鉴相式 在此状态下，旋转变压器定子两相正交绕组（正弦绕组S和余弦绕组C）分别加上幅值相等、频率相同，而相位相差90的正弦交变电压：根据叠加定理，在转子工作绕组中电压为： wtUmUssinwtUmUccos)sincoscos(sinsincos2wtwtKuKuKuUmss3.1.2 旋转变压器v（2）鉴幅式 在这种工作方式中，定子两相绕组加的是频率相同、相位

18、相同，而幅值分别按照正弦和余弦变化的交变电压： 定子励磁电压在转子中的电压不但与转子和定子的相对位置aM有关，还与励磁的幅值有关，则有：注：a为定子正弦绕组轴线与转子工作绕组轴线间的夹角； 其中w为励磁角频率，aE为电角度，a为定子正弦绕组轴线与转子工作绕组轴线间的夹角。wtaUmUsEsinsinwtaUmUcEcossinwtaaKuaKuaKuUMEmMCMssin)sin(sincos23.1.3 光栅v 光栅种类很多，其中有物理光栅和计量光栅之分。物理光栅刻线细而密，栅距(两刻线间的距离)在0.002-0.005mm之间，通常用于光谱分析和光波波长的测定。计量光栅刻线较粗，栅距在0.

19、004-0.25mm之间，通常用于数字检测系统，用来检测高精度直线位移和角位移，是数控机床上应用较多的一种检测装置。3.1.3 光栅v1.光栅的构成与种类：光栅通常是由在表面上按一定间隔制成透光和不透光的条纹的玻璃构成，称为透射光栅，或在金属光洁的表面上按一定间隔制成全反射和漫反射的条纹，称为反射光栅。利用光栅的一些特点可进行线位移和角位移的测量。测量线位移的光栅为矩形并随被测长度增加而加长，称之为长光栅；而测量角位移的光栅为圆形，称之为圆光栅。3.1.3 光栅v2.栅距：光栅的栅距W=a+b,a、b分别为不透光（刻痕）和透光（狭缝）条纹的宽度，通常a=b;光栅的精度越高，栅距W就越小；一般栅

20、距可由刻线密度算出，刻线密度为25，50,100,250条/mm. 3.1.3 光栅v3.莫尔条纹的形成：v将两块栅距相等的光栅面平行安装，且沿刻度线方向保持有一个较小的夹角时，两块光栅的暗条与亮条重合的地方，形成一条暗带，使光线透不过去；而亮条与亮条重合的地方，形成一条亮带，部分光线得以通过。这种亮带与暗带形成的条纹称为莫尔条纹。3.1.3 光栅v4.莫尔条纹的特点 平均效应：莫尔条件是由光栅的大量刻线共同形成，对光栅的刻线误差由平均作用。 对应关系：莫尔条纹近似与刻线垂直，当夹角固定后，两光栅相对左右移动一个栅距W时，莫尔条纹上下或下上移动一个节距B，因此，可以通过检测莫尔条纹的移动条数和

21、方向来判断两光栅相对位移的大小和方向。 放大作用：由公式B=W/可知，当W一定，而较少时，可使W.如：长光栅在一毫米内刻线为100条，则B=0.01/0.0091mm,放大100倍。3.1.3 光栅v5.光栅传感器的结构v对于线位移测量，两块光栅长短不等，长的隋运动部件移动，称为标尺光栅，短的固定安放，称指示光栅；而测量角位移时，一块圆光栅固定，另一块随转动部件转动。v光栅传感器结构为：3.1.3 光栅v光栅位移-数字转换的基本原理 1.光栅传感器输出信号波形 当光栅相对位移为一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应照射在光敏元件上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信号周期变化，其输出波形

22、如图：3.1.3 光栅v输出表达式：式中，2/w为空间角频率，w为栅距（信号周期），X为位移。由此可知，只要计算输出电压的周期数，便可测出位移量。从而实现了位移量向电量的转换。在一个周期内，V的变化是位移在一个栅距内变化的余弦函数，每一个周期对应一个栅距。如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题：（1）辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向；（2）精度低：分辨力只为一个栅距w.3.1.3 光栅v2.辨向原理：用两个光电元件相距B/4安装（相当于相差90 空间角，B：2=B/4：/2），如图所示，可以解决辨向问题v当条纹上移时，V2落后于V1 90；v当条纹下移时，V2超前于V1 90堵

23、v因此由V1、V2之间的相位关系可以v辨别运动方向。3.1.3 光栅v3.细分技术（解决精度问题）v当使用一个光电池通过判断信号周期的方法来进行位移测量时，最小分辨力为1个栅距。为了提高测量精度，提高分辨力，可是栅距减小，即增加刻线密度。另一种方法是在双光电元件的基础上，经过信号调节环节对信号进行细分。3.1.4 脉冲编码器v光电编码器 数字编码器是把机械位移转化成相应的电脉冲或数字量进行输出的检测元件。类型： 1. 按测量功用分：码尺（线位移测量）、码盘（角位移测量） 2. 按检测原理分：光电式、接触式和电磁感应式 3. 按编码的形式分：增量式（SPC）、绝对式（APC）。 增量式：输出的是

24、当前状态与前一状态的差值，即增量值。它通常以脉冲数字形式输出，然后用计数器计取脉冲。 绝对式：按位移量直接进行编码转换，输出结果通常为二进制的数字编码，结果表示的是被测点的绝对位置。3.1.4 脉冲编码器v1.增量式脉冲编码器 增量式编码器是指旋转的码盘给出一系列脉冲，然后根据旋转方向由计数器对这些脉冲进行加减计数，以表示转过的角位移量。3.1.4 脉冲编码器脉冲编码器的输出信号A、B经过整形成为a、b两路脉冲。将a脉冲和它的反向信号C脉冲进行微分作为加，减计数脉冲。B路脉冲信号被用作加、减计数脉冲的控制信号，正走时（a超前b），由f输出加计数脉冲，g为高电平；反走时（b超前a），由g输出减计

25、数脉冲，f输出高电平。3.1.4 脉冲编码器v2.绝对式脉冲编码器 圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上有透光和不透光的扇形区相间组成，码盘上的码道数就是二进制数码的位数。涂黑部分未导电区，输出为“1”，空白部分为不导电区，输出为“0”。所有导电部分连接在一起接高电位。在每圈码道上都有一个电刷，当码盘随被测物转轴一起旋转时，电刷上出现的电位对应一定的数码。3.1.4 脉冲编码器v绝对式编码器的特点： -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，分辨率由二进制的位数来决定，若有N条码道，则角度分辨率为 NQ23603.1.4 脉冲编码器循环码是无权码，其特点

26、是相邻两个代码之间只有一位数变化，即0变为1，1变为0.3.1.5 磁栅v磁栅 磁栅是一种有磁化信息的标尺，它是在非导磁材料的基体上镀一层均匀的磁性薄膜，并用录音磁头沿长度方向按一定的激光波长（又称节距，用w表示）录上磁性刻度线而构成的。故磁栅又称为磁尺。 磁栅的种类可以分为长磁栅（测量直线位移）和圆磁栅（测量角位移），主要应用于大型机床和精密机床作为位置检测元件。3.1.5 磁栅v磁尺测量装置的组成和工作原理v组成：磁尺、磁头和检测电路 磁尺：检测位移的基准尺 磁头：用来读取磁尺上的记录信号，按读取方式的不同可分为动态磁头和静态磁头。动态磁头上只有一个输出绕组，只有当磁头和磁尺有相对运动时才

27、有信号输出。静态磁头上有两个绕组，一个是激励绕组，加以激励电源电压，另一个是输出绕组。即使在磁尺和磁头之间处于相对静止时，也会因为有交变激励信号使输出绕组产生感应电压信号。当静态磁头和磁尺之间有相对运动时，磁头的铁芯使磁尺的磁通有效地通过输出绕组，在绕组中产生一个新的感应电压信号，它作为包络调制在原感应电压信号上。该电压随磁尺磁场强度周期的变化而变化。检测电路：主要用来供给磁头激励电压和把磁头检测到的信号转换为脉冲信号输出。3.1.5 磁栅特点：对使用环境的条件要求较低，对周围磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的地方使用有较好的稳定性。3.1.5 磁栅3.2 速度检测环节的构成和接口v1.

28、 日常生活中如何测量速度这个物理量的？v2. 听过测速雷达吗？其测速原理是什么？v3. 举出几种常用的测速方法？ 测速发电机 作用：速度检测元件，将机械转速信号变为电压信号输出。分类：交流和直流测速发电机。 组成：转子和定子定子：支撑作用，主要励磁功能转子：在发电机中称电枢，主要产生感应电动势3.2.1 测速发电机v测速发电机的工作原理： 电枢旋转切割定子绕组产生的励磁磁通，由此在电枢两端产生感应电动势。让转速与感应电动势之间产生联系，测速发电机就这样完成测速功能。3.2.1 测速发电机发电机转速与输出电压成正比待测转动部分与测速发电机转子联结一起旋转，由感应电动势来确定转速。3.2.1 测速

29、发电机v注意事项： 1、空载情况：即直接测量电枢电压时，测速发电机输出电压就是电枢两端电压。 2、负载情况：即通过负载与电枢串联时，测负载两端的端电压方式，此时测得电压就是测速发电机的电枢电压。由回路电压定律可知： 3、测速发电机输出的模拟信号，具体使用时，需要专门的A/D转换装置。测得电压ndCURIEUaaad，整理后电枢感应电动势电枢本身消耗压降测得电压系数被测转速3.2.2 霍尔转速传感器v霍尔转速传感器 作用：速度检测元件；将机械转速信号变为脉冲信号输出。 组成：霍尔开关元件 霍尔转速传感器工作原理：将磁钢（磁性材料）粘在待测物体上，霍尔开关装在磁钢附近，待测物转动，霍尔开关便产生相应脉冲，霍尔转速传感器通过检测脉冲数来完成测速功能的。 应用：通常采用霍尔转速传感器组成数字转速仪， 注意霍尔转速传感器输出是数字脉冲3.2.2 霍尔