机电一体化考研总复习教材

1、第1章 章 概论 机电一体化 本章要求：本章要求： 掌握：机电一体化系统的构成要素机电一体化 西南大学工程技术学院及功能构成、 掌握：机电一体化系统的构成要素及功能构成、构成要素的相互联接、设计流程、评价、 要素的相互联接、设计流程、评价、机电一体化系统设计的考虑方法及设计类型等。 化系统设计的考虑方法及设计类型等。了解：机电一体化工程与系统工程、机电一体化系统 了解：机电一体化工程与系统工程、设计与现代设计方法的关系和基本概念。设计与现代设计方法的关系和基本概念。第2章 机电一体化 一、机电一体化系统的功能构成三大目的功能：三大目的功能：1.变换（加工、处理）功能 2.传递（移动、输送）功能

2、 3.储存（保持、积蓄、记录） 功能 工业三大要素：工业三大要素：物质 能量 信息第3章 机电一体化 动力 计测 控制 构造 动力源 检测元件 控制 器 机械本体 图b机 电一体化产品五大要素与功能执行机构操作机械本体动力源控制与信息处理装置检测与传感装置 执行机构五要素第4章 机电一体化 全闭环系统：通过传感 器直接检测目标运动并 进行反馈控制的系统。 半闭环系统：通过传 感器检测某一部位运动并进行反馈、间接控制目标运动的 系统。图1.9机电一体化系统构成要素之间的相互联系第5章 机电一体化1.7机电一体化系统的设计流程1.根据目的功能确定产品规1.根据目的功能确定产品规 性能指标。 格、性

3、能指标。 2.系统功能部件、 2.系统功能 部件、功能要素 系统功能部件 的划分。的划分。3.接口的设计3.接口的设计4. 整体评价4.整体评价5.可靠性复查5.可靠性复查6.试制与调试6.试制与调试第6章 机电一体化1.6机电一体化系统设计的考虑方法和设计类型1.6.1机电一体化系统设计的考虑方法 机电互补（取代）法：利用通用或专用电子部件取代传统机 机电互补（取代）械产品中的复杂机械功能部件或功能子系统，以弥补其不足。结合（融合）法：是将各组成要素有机结合为一体构成专用结合（融合） 或通用的功能部件，其要素之间的有机匹配比较充分。组合法：是将用结合法制成的功能部件、功能模块，像积木组合法：

4、那样组合成各种机电一体化系统目的：目的：综合运用机械技术和微电子技术各自的特长，设计最佳的机电一体化系统第7章 机电一体化1.6.2机电一体化系统的设计类型开发性设计 开发性设计：是没有参照产品的设计，仅仅是根据抽象的设计原理和要求，设计出在质量和性能方面满足目的要求的产 品或系统。 适应性设计：是在总的方案原理基本保持不变的情况下，对 适应性设计：现有产品进行局部更改，或用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量增加某些附加值。变异性设计：是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改 变异性设计：变现有产品的规格尺寸使之适应于量的方面有所

5、变更的要求。第8章 机电一体化 机械系统 子系统 控制与信息处理系统 动力系统 传感检测系统 执行元件系统 主要内容1.机电一体化系统的机械系统部件的选择与设计2.机电一体化系统的执行元件的选择与设计3.机电一体化系统的微机控制系统的选择与设计4.机电一体化系统的机电有机结合分析与设计5典型机电一体化系统第9章 第2章章 机械系统部件的选择与设计第10章 机电一体化 本章要求： 本章要求： 掌握：机械传动部件的选择与设计、掌握 机械传动部件的选择与设计、导向支撑部件的选择机械传动部件的选择与设计与设计、旋转支撑的选择与设计、与设计、旋转支撑的选择与设计、 轴系部件的选择 与设计。 与设计。 了

6、解：机电一体化系统的机座或机架内容。了解 机电一体化系统的机座或机架内容。机电一体化系统的机座或机架内容应用：针对具体系统选择和设计机械部件。应用针对具体系统选择和设计机械部件。针对具体系统选择和设计机械部件第11章 机电一体化 2.1概述2.1.2机电一体化对机械系统的基本要求高精度 精度决定质量，首要要求 高精度：快速响应：准确完成任务快速响应 良好的稳定性 抗干扰力强 良好的稳定性：第12章 机电一体化 2.1概述2.1.3机电一体化机械系统的组成传动部件 导向支撑部件 旋转支撑部件 轴系部件 机座或机架第13章 机电一体化 2.2机械传动部件的选择与设计2.2.1机械传动部件及其功能要

7、求功能：传递运动（速度、位移）和动力（力、力矩）增速或减速；改变运动规律或形式 改变力的大小，形式 传动部件实质上是执行元件和执行机构之间的一个机 械接口，用于对运动和力进行变换和传递，伺服系统中执行元件以输出转速和转矩为主，而执行机构多为直线运动或旋转运动。第14章 机电一体化 22机械传动部件的选择与设计222丝杠螺母机构基本传动形式主要功能：主要功能：将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。第15章机电一体化 图2.1图2.1基本传动形式 基本传动形式分类：基本传动形式分类：（根据丝杠和螺母相对运动的组合情况） 螺母固定、丝杆转动并移动：只适用于行程较小的场合 螺母移动、丝杆

8、转动：适用于工作行程较大的场合螺母转动、丝杆移动：应用较少螺母转动并移动、丝杆固定：很少应用第16章 机电一体化 差动传动方式：差动传动方式：用于各种微动机构中第17章 机电一体化 滚珠的循环方式 内循环： 内循环：滚珠在循环过程中始终与丝杠保持接触 外循环：滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触外循环：滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触第18章 机电一体化 外循环：多圈一个循环，外循环：多圈一个循环，在循环过程中一部分滚珠与丝杠脱离接触内循环：一圈一个循环，内循环：一圈一个循环，在循环过程中滚珠与丝杠始终不脱离接触第19章 机电一体化 3.滚珠丝杠副的典型结构类型（3）消除轴向间隙的调整方法消除

9、轴向间隙的调整方法 滚珠与螺母原有的间隙承载时滚珠与滚道弹性变形引起的间隙 当丝杠改变转动方向时，间隙会使运动产生空回，从而影响机构的传动精度和稳定性。 通常采用双螺母预紧的方法消除间隙，提高刚度。双螺母消除轴向间隙的三种结构形式： 三种结构形式：三种结构形式垫片调隙式螺纹调隙式齿差 调隙式 轴向间隙包括两部分第20章 机电一体化1、垫片调隙式 调整垫片厚度，使螺母产生轴向位移，该形式结构简单，调整垫片厚度，使螺母产生轴向位移， 该形式结构简单，调 整方便，应用广， 但仅适用于一般精度机构。整方便，应用广，但仅适用于一般精度机构。2、螺纹调隙式、通过圆螺母调整，消除间隙并产生预紧力，通过圆螺母

10、调整，消除间隙并产生预紧力，再用锁紧螺母锁紧，结构紧凑，调整方便，但调整精度较差。锁紧，结构紧凑，调整方便，但调整精度较差。第21章机电一体化 3、齿差调隙式、两螺母的凸缘上制有圆柱外齿，两螺母的凸缘上制有圆柱外齿，齿数分别为Z 1、Z2，分别与内齿轮啮合（两个内齿轮的齿数与外齿轮的齿数相同），调整时先取下内齿轮，使两两个内齿轮的齿数与外齿轮的齿数相同），调整时先取下内齿轮， ），调整时先取下内齿轮螺母产生相对位移（即在同方向转过一个齿或几个齿，根据间隙大小），螺母产生相对位移（即在同方向转过一个齿或几个齿，根据间隙大小），然后将内齿轮复位固定，达到消除间隙的目的。然后将内齿轮复位固定，达到消

11、除间隙的目的。产生的轴向相对位移（即消除的间隙）产生的轴向相对位移（即消除的间隙）3为：轴向相对位移1 1 3 = （ ） ZIO Z1 Z 2其中： 为两螺母在同一方向转过的齿数其中：Z为两螺母在同一方向转过的齿数I0为丝杠的基本导程 例：若Z1=99 , Z2=100 , Z=1,I0=6mm ,，则3 =0.6m该结构复杂，加工和装配工艺性差，该结构复杂，加工和装配工艺性差，但 是调整的精度高，工作可靠。 是调整的精度高， 工作可靠。第22章 机电一体化 举例：举例：a.当必须有预紧或在使用过程中因磨损需要定期调整时，应当必须有预紧或在使用过程中因磨损需要定期调整时选用双螺母螺纹预紧或齿

12、差 紧式结构； 选用双螺母螺纹预紧或齿差预紧式结构；b.当具备良好的防尘条件，且只需在装配时调整预紧力时b.当具备良好的防尘条件，且只需在装配时调整预紧力时，应采用结构简单的双螺母垫片调整紧式结构。应采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构。c当具备良好的防尘条件，且只需在装配时调整预紧力时，可当具备良好的防尘条件，且只需在装配时调整预紧力时采用结构简单的双螺母垫片调整紧式结构。采用结构简单的双螺母垫片调整预紧式结构。第23章 机电一体化 2.2机械传动部件的选择与设计2.2.4齿轮传动部件 2.齿轮传动链的级数和各级传动比的选择齿轮传动链的级数和各级传动比的选择总原则：尽量采用较大传动比的单级

13、传动总原则多级传动时，各级传动比的分配遵循如下原贝多级传动时，各级传动比的分配遵循如下原则原则1、重量最轻原则 、小功率传动时，i的分配各级相等 各级相等； 各级相等 大功率传动时，i的分配传动比i的分配先大后小先大后小。先大后小2、输出轴转角误差最小原则先小后大 先小后大，并且提高末一级齿轮副的精度，使输出轴先小后大 转角误差最小。3、最小等效转动惯量原则 最小等效转动惯量原则传动比i的分配先小后大级数越多等效转动惯量越小先小后大，级数越多等效转动惯量越小先小后大 级数越多等效转动惯量越小，但级数太多时，结构复杂化，并且等效转动惯量降低不明显。对数减少 传动精度提高第24章 机电一体化 设各

14、级齿轮换算到末级输出轴上的总转角误差为$ max $ max =刀$ k/ i（ kn ） k =1 n 式中$ k 第k个齿轮所具有的转角误差i（ kn ）第k个齿轮的转轴至n级输出轴的传动比 则四级齿轮传动系统中各级齿轮的转角误差（$1,$ 2，$）换算到末级输出轴上的总转角误差为$ max $ 1 $ 2 + $ 3 $ 4 +$ 5 $ 6 +$ 7 = + + + +$ 8 i i2i3i4 i3总转角误差主要取决于最末一级齿轮的转角误差和传动比的大小。总转角误差主要取决于最末一级齿轮的转角误差和传动比的大小。第25章 机电一体化 三种传动比分配原则的选择在设计齿轮传动装置时，在设计

15、齿轮传动装置时，上述三条原则应根据具体工作条件综合考虑。作条件综合考虑。1 ）对于要求质量尽可能小的降速传动链，可按重量最轻原 ）对于要求质量尽可能小的降速传动链可按重量最轻原可按则设计。设计。2）对于要求运转平稳、启 停频繁和动态性能好的降速传动）对于要求运转平稳、链，可按等效转动惯量最小原则和输出轴转角误差最小可按等效转动惯量最小原则和等效转动惯量最小原则 原则设计。原则设计。 设计3）对于传动精度要求高的降速齿轮传动链可按输出轴 可按输出轴）对于传动精度要求高的降速齿轮传动链，可按 转角误差最小原则设计若为增速传动，则应在开始几设计。转角误差最小原则设计。若为 增速传动则应在开始几级就增

16、速。级就增速。第26章机电一体化 2.2.4齿轮传动部件 3谐波齿轮传动一、谐波齿轮传动原理 利用行 星轮系传动原理，波发生器转动，迫使柔 性齿轮产生可控制的变形波（近似谐波），并 和刚轮作用引起齿间相对位移，传递运动和动传递运动和动 力。由 三个基本构件组成：波发生器柔轮波发生器、柔轮波发生器柔轮、刚轮,第27章实质是一种新刚轮新型减速器。型减速器谐波齿轮传动原理第28章 机电一体化 设3g 和wH分别为刚轮、柔轮和波形发生器的角速度，则33H z g i = = w g w H zr H当柔轮固定 柔轮固定时，w r =0,则 柔轮固定“ +冈J轮与波形发生器的转向相同相同iHg zg w

17、 H = = w g z g zr 2）当刚轮固定 冈U轮固定时，w g =0,贝U冈U轮固定 柔轮与波形发生器的转向相反一相反wH zriHr = = w r zr z g第29章 机电一体化 2.2机械传动部件的选择与设计2.2.4齿轮传动部件 4.齿轮传动间隙（齿侧间隙）的调整方法齿轮传动间隙（齿侧间隙） （1）圆柱齿轮传动 ） 偏心套（轴）调整法：结构简单，但其侧隙不能自动补偿轴向垫片调整法：同上 双片薄齿轮错齿调整法：结构复杂，但其侧隙能自动补偿周向弹簧式：仅适用于读数装置而不适用于功率驱动装置可调拉簧式第30章 机电一体化 4.齿轮传动间隙的调整方法（2）斜齿轮传动）垫片错齿调整法

18、：垫片错齿调整法 结构简单，但调整费时，且齿侧侧隙不能自动补偿 轴向压簧错齿调整法：轴向压簧错齿调整法结构不紧凑，轴向尺寸大，但其侧隙可以自动补偿 原理都与错齿调整法基本相同，原理都与错齿调整法基本相同，也是用两个薄片齿轮与一个宽齿轮啮合，只是在两个薄片斜齿轮的中间隔开了一小个宽齿轮啮合，只是在两个薄片斜齿轮的中间隔开了一小段距离。 段距离。第31章机电一体化 2.2机械传动部件的选择与设计2.2.5挠性传动部件 适合于轴间距离大的轴之间传递回转运动适合于轴间距离大的轴之间传递回转运动轴间距离大的轴之间传递 同步带传动：钢带传动： 绳轮传动：第32章 机电一体化 2.2机械传动部件的选择与设计

19、2.2.6间歇传动部件功能：功能:将原动机的连续运动转换为间歇运动基本要求： 基本要求：移位迅速、移位过程中运动无冲击、停位准确可靠。 棘轮传动机构：槽轮传动机构：蜗 形凸轮传动机构：第33章 机电一体化 2.3导向支撑部件的选择与设计2.3.1导轨副的组成、种类及其应满足的要求 导轨副的组成、功用：功用：支撑和导向 组成： 组成：承导件和运动件第34章机电一体化 2.4旋转支承的选择与设计运动件转动时，轴线与承导件的轴线产生倾斜的程度。与承导件的轴线产生倾斜的程度方向精度：运动件转动时，其轴线与承导件的轴线产生倾斜的程度。置中精度：在任意截面上，运动件的中心与承导件中心之间产生偏移的程度。在

20、任意截面上，运动件的中心与承导件中心之间产生偏移的程度中心与承导件中心之间产生偏移的程度。温度敏感性：温度变化时，由于承导件和运动件尺寸的变化，引起支承中摩擦温度敏感性：温度变化时，由于承导件和运动件尺寸的变化，引起支承中摩擦尺寸的变化 阻力矩的增大或运动不灵活的现象。阻力矩的增大或运动不灵活的现象。P64结论第35章 机电一体化 2.5轴系部件的选择与设计2.5.1轴系设计的基本要求轴系组成：安装在轴上的齿轮、轴系组成：轴及安装在轴上的齿轮、带轮等安装在轴上的齿轮 带轮等传动部件，主要作用：传递转矩及传递精确的回转运动主要作用：传递转矩 传递精确的回转运动第36章 机电一体化 2.6机电一体

21、化系统的机座或机架2.6.1机座或机架的作用及基本要求 作用：支撑作用 支撑作用；承受其他零部件的重量和工作载荷作用：1.支撑作用2.基准作用 基准作用：保证各零部件相对位置基准作用第三章执行元件的选择与设计机电一体化 本章要求 了解：机电一体化系统（产品）的执行元件、了解：机电一体化系统（产品）的执行元件、常用的控制用电动机的概念和种类掌握：步进电动机及其驱动、直流（DC）、交流（AC）掌握：步进电动机及其驱动、直 流（）、交流（）、交流伺服电动机及其驱动。伺服电动机及其驱动。应用：针对具体系统选择合适的电动机。应用：针对具体系统选择合适的电动机。体化系统的机械机电置联接部位的能量转的控制下

22、，将输入的各机电一体化 3.1执行元件 定义：执行元件是处于定义：执行元件是处于机电一一体化系统的机械 运行机构与运行机构与微电子控制 装装置联接部位的 换元件，换元件，能在控制装置 的控制下，种形式的能量转换为机 种形式的能量转换为机 械能。 械机电一体化 3.1.2机电一体化系统对执行元件的基本要求惯量小、动力大：快速响应性好，承载能力强惯量小、动力大 体积小、重量轻：易于安装及与机械系统联接 体积小、重量轻 便于维修、安装：最好不需要维修便于维修、安装宜于微机控制 宜于微机控制：主流是电气式，其他需增加接口名词定义：名词定义：比功率表征执行元件动力大小的综合性能指标，包含了功率，加速表征

23、执行元件动力大小的综合性能指标，包含了功率，比功率表征执行元件动力大小的综合性能指标三个因素，其值为T性能与转速三个因素，其值为2/J比功率密度一一执行元件单位重量所能达到的比功率，其值为（T2/J）/G执行元件单位重量所能达到的比功率，其值为比功率密度 执行元件单位重量所能达到的比功率 功率密度一一执行元件单位重量所能达到的输出功率，其值为 P/G执行元件单 位重量所能达到的输出功率，其值为功率密度执行元件单位重量所能达到的输出功率机电一体化 3.2.3伺服电动机控制方式的基本形式机电一体化1.开环方式：没有检测反馈环节 开环方式：开环方式2.半闭环方式:有检测反馈环节，通过传感器检测位于半

24、闭环方式：有检测反馈环节，半闭环方式 目标（执行机构）之前的某个中间部位目标（执行机构）之前的某个中间部位（如伺服电动机）运动并进行反馈、如伺服电动机）运动并进行反馈、间接控制目标运动 间接控制目标运动 目标3.闭环方式：有检测反馈环节，通过传感器检 测闭环方式：有检测反馈环节，执行机构）运动并进行反馈，目标（执行机构）运动并进行反馈，直接控制目标运动 直接控制目标运动 闭环控制和半闭环控制的区别与联系 联系：从控制原理上讲是一样的，联系：从控制原理上讲是一样的，都是对系统输出进行实时检测和反馈，并根据偏差对系统实施控制。和反馈，并根据偏差对系统实施控制。区别：区别：传感器检测信号位置不同机电

25、一体化步进电动机的特点3.3步进电动机及其驱动步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移的电气执行元件，电机绕组每步进电动机是将电脉冲信号转变为角位移的电气执行元件，电机绕组每 接受一个脉冲，转子转过相应的角度（即步距角），低频率运行时，明接受一个脉冲，转子转过相应的角度（即步距角），低频率运行时，明 显可见电机轴是一步一步转动的，故称为步进电动机。 转子角位移大小电脉冲数转子角位移大小一一电脉冲数大小电脉冲转子转速 电脉冲频率转子转速电脉冲频率转速电脉冲转子转向绕组的通电顺序 转子转向一一绕组的通电顺序 转向绕组的便于微机数字控制 不易受干扰因 素的影响误差不会长期积累 控制性能好机电一体化 二、

26、步进电动机的种类按励磁相数分：有三相、四相、五相等步进电动机 按运转方式分：有旋转式步进电动机和直线式步进电动机按运转方式分：有旋转式步进电动机和直线式步进电动机旋转式步进电动机按转子结构分为三种：旋转式步进电动机按转子结构分为三种：可变磁阻(VRVariable Reluctanee )型 可变磁阻(VRVariable Reluctanee )型 永磁(PMPermanent Mag net)型(PMPerma nent Mag net) 型 混合 HBHybrid)型 HBHybrid)型反应式（BY永磁式、永磁式混合式电机外机电一体化 步进电机型号表示：BF励磁绕组相数或代号BYG混合

27、式步进电机永磁式、混合式）步进电机反应式径（电机外径（mm）机电一体化 通电方式 从一相通电换接到另一相通电称为一拍从一相通电换接到另一相通电称为一拍 每一拍转子转动一个步距角，每一拍转子转动一个步距角，即一拍一步” 一拍一步”三相励磁绕组依次单独通电运行，换接三次完成一个通电 循环，称 相励磁绕组依次单独通电运行，换接三次完成一个通电循环，三相单三拍通电方式 通电方式， 为三相单三拍通电方式，如A B C A 三相励磁绕组每次有两相同时通电运行，换接三次完成一个通电相励磁绕组每次有两相同时通电运行，换接三 循环，称为三相双三拍通电方式，三相双三拍通电方式 循环，称为三相双三拍通电方式，女口

28、AB BC CA AB 三相励磁绕组一次单相， 一次双相交替通 电运行，换接六次完成一 相励磁绕组一次单相，一次双相交替通电运行， 换接六 交 替通电运行 个通电循环，称为三相六拍通电方式，三相六拍通电方式 个通电循环，称为三相六拍通电方式，如A AB B BC C CA A 一般情况下， 相步进电动机可采用N相单 相单N拍 相双N拍一般情况下，N相步进电动机可采用 相单 拍， N相双拍或N相相双相2N拍三种通电方式工作。拍三种通电方式工作。1机电一体化 综上所述，可以得出关于步进电动机的以下结论：结论 综上所述，可以得出关于步进电动机的以下结论：1）定子绕组的通电状态每改变一次，它的转子便转

29、过一个确）定子绕组的通电状态每改变一次，定的角度，即步进电动机的步距角； 定的角度，即步进电动机的步距角；2）改变定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向也随之改变；）改变定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向也随之改变；3 ）定子绕组通电状态的改变越快，其转子旋转的速度越快，）定子绕组通电状态的改变越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；4）步距角a与定子绕组的相数，转子的齿数及通电方式有关，）步距角a与定子绕组的相数，转子的齿数及通电方式有关，其计算公式为： 其计算公式为：a = 360 kNz式中，转子齿数； 式中，z 转子齿

30、数；N 定子绕组的相数；定子绕组的相数；定子绕组的相数 k 通电方式系数，单拍（即N相N拍）时，k=1 ；通电方式系数， 通电方式系数 单拍（相拍；双拍（双拍（即N相2N拍）时，k=2机电一体化 5）当通电脉冲的频率为时，由于转子每经过kNZ个脉冲旋转一周，）当通电脉冲的频率为由于转子每经过 个脉冲旋转一周，个脉冲旋转一周 故步进电动机每分钟的转速 60 f f a n= = kNz 6可见，反应式步进电动机的转速与拍数 kN，转子齿数Z,及脉冲的 可见，反应式步进电动机的转速与拍数转子齿数 频率有关。当转子齿数一定，转速与输入脉冲的频率成正比，频率有关。当转子齿数一定，转速与输入脉冲的频率成

31、正比，改变 脉冲的频率可以改变电机的转速。脉冲的频率可以改变电机的转速。a单位：角度 单位：矩角特性曲线近似正弦波0 e =0是理想的稳定平衡位置 是理想的稳定平衡位置。因为此时若有外力矩干扰使转子偏离它的稳定平衡位置，子偏离它的稳定平衡位置，只 要偏离的角度在-n +n之间，一 之间，要偏离的角度在 之间 旦干扰消 失，旦干扰消失，电机的转子在静转矩的作用下，转矩的作用下，将自动恢复到0 e =0这一位置，从而消除失 这一位置， 调角。 调角。Tj = T jm ax sin 0 e Tj Tjmax 0 e矩-角特性曲线-0 e = 土为不稳定平衡位置 虽然此时j也等于零，但 是如果有外力

32、矩为不稳定平衡位置，虽然此时为不稳定平衡位置虽然此时T也等于零，的干扰，使转子偏离该位置，当干扰消失时，转子回不到原来的位置，的干扰，使转子偏离该位置，当干扰消失时，转子回不到原来的位置，而是在静转矩的作用下转子将稳定到0的位置上。而是在静转矩的作用下转子将稳定到0 e=0或2 n的位置上。的位置上-nV0 e V n之间的区域称为静态稳定区在这一区域内，当转子转轴上 V之间的区域称为静态稳定区。在这一区域内之间的区域称为静态稳定区 在这一区域内，的负载转矩与静转矩相平衡时，转子能稳定在某一位置；的负载转矩与静转矩相平衡时，转子能稳定在某一位置；当负载转矩消转子又能回到初始稳定平衡位置。失，转

33、子又能回到初始稳定平衡位置。五、步进电机的运行特性2、起动转矩Tq :相邻两通电状态时，矩角特性交点的静转矩，反映了 、起动转矩T电机的承载能力 TL Tq后一个通电相的静态稳定 区为前一个通电相的动态稳定区，后一个通电相的静态稳定区为前一个通电相的动态稳定区，即改变通电动态稳定区 状态的瞬间，只要转子在这个区域内，就能趋向新的稳定平衡位置。状态的瞬间，只要转子在这个区域内，就能趋向新的稳定平衡位置。动态原一个3、矩频特性：步进电机运行时，输出转矩与输入脉冲频率的关系由图看出：转矩随脉冲频率的升高而降低由图看出：动态转矩随脉冲频率的升高而降低因：定子控制绕组有一定的电感量，回路有电气时间常数，

34、电感电流变化有-过渡过程，达不到电流稳态值。高速时，负载能力变差，这是其应用受到限制的原因之一机电一体化（一）脉冲分配器 一脉冲分配器（也称环形分配器）是一个数字逻辑单元， 脉冲分配器（也称环形分配器）是一个数字逻辑单元，它接收一个单相的脉冲信号，的脉冲信号，根据运行指令把脉冲信号按一定的逻辑关系加到功率放大 器上，使步进电动机按选定的运行方式工作。器上，使步进电动机按选定的运行方式工作。 环形脉冲分配 使电动机绕组的通断电顺序按输入脉冲的控制而 循环 使电动机绕组的通断电顺序按输入脉冲的控制而循环环形脉冲分配 变化的过程。实现环行脉冲分配的方法有两类（三种）：实现环行脉冲分配的方法有两类（三

35、种）：方法有两类1.软环分（计算机软件分配器 ）软环分（2.硬环分（小规模集成电路搭建的硬件分配器，专用环行分配器）硬环分（小规模集成电路搭建的硬件分配器，专用环行分配器）（二）功率放大器 二 功率放大器是要进行脉冲功率的放大，功率放大器是要进行脉冲功率的放大，因为从脉冲分配器能够输出的电流脉冲功率的放大 很小（毫安级），而步进电动机工作时需要的电流较大（ 很小（毫安级），而步进电动机工 作时需要的电流较大（一般几安到几十），而步进电动机工作时需要的电流较大安），因此需要进行功率放大，以增大脉冲电流，驱动电动机转动。），因此需要进行功率放大，以增大脉冲电流，驱动电动机转动。因此需要进行功率放大

36、 功率放大电路的种类很多，它们对电机性能的影响也各不相同。功率放大电路的种类很多，它们对电机性能的影响也各不相同。脉冲放大器是每相绕组一套。脉冲放大器是每相绕组一套。常见的驱动电路有以下几种：单电压驱动 双电压驱动斩波恒流驱动调频调压驱动细分驱动来控制输出转速和系统给定，通过接口机电一体化 四、直流伺服电动机的驱动机电一体化系统多采用永磁式直流伺服电动机作为执行元件，机电一体化系统多采用永磁式直流伺服电动机作为执行元件，通永磁式直流伺服电动机作为执行元件过控制电枢电压来控制输出转速和转矩。控制信号由计算机控制 控制电枢电压来控制输出转速和转矩。转矩 系统给定，通过接口和功放电路驱动直流伺服电动

37、机。和功放电路驱动直流伺服电动机。功放电路又称功率放大器,目前主要有两种： 功和晶体管脉宽调制放电路又称功率放大器，目前主要有两种：晶闸管功率放大器（和晶体管脉宽调制（PWM ）功率放大器。则直流伺服电动机相应）功率放大器。的驱动方式也有两种：晶闸管直流调速驱动和晶体管脉宽调制 驱动方式也有两种： 结构简单、（PWM ）直流调速驱动。后者与前者相比具有结构简单、功耗低、）直流调速驱动。后者与前者相比具有结构简单功耗低、 效率高、工作可靠等优点，近年来得到了非常广泛的应用。效率高、工作可靠等优点，近年来得到了非常广泛的应用。机电一体化 晶体管脉宽调制（PWM ）直流调速驱动原理：利用大功率晶体管

38、脉宽调制（）直流调速驱动原理 利用大功率 晶体管的开关作用，晶体管的开关作用，将直流电源电压转换成一定频率的方波电压，施加于直流电机的电枢，通过对方波脉冲宽度的控制，电压，施加于直流电机的电枢，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢的平均电压，使电机的转速得到调节。改变电枢的平均电压，使电机的转速得到调节。图3.30 PWM直流调速驱动系统原理第四章 微机控制系统的选择与接口设计机电一体化 本章要求 了解：微机控制系统；常用检测传感器的 性能特点、选用 及其微机接口。 掌握：单片机的结构特点及其最小应用系 统、数字显示器及键盘 的接口电路、微机应用系统的输入输出控制的可靠性设计。机电一体化 4.1

39、微机控制系统 4.1.2微机控制系统的设计思路确定系统整体控制方案 确定控制算法 选择微型计算机 系统 1控制形式构思 2执行元件3特殊控制要求 4微机的作用、任务、功能微机的作用、任务、5估 算成本控制系统体设计1选择件设计的控制的控制算法体的控制的控制 要求系统2行控制算法的3控制算法的2.单片机的最小应用系统及其扩展机电一体化 最小应用系统：单片机维持基本工作需要必须具有的最小系统组成。最小应用系统：单片机维持基本工作需要必须具有的最小系统组成。通常是指用一片单片机，加上时钟电路、复位电路、电源等组成的控制系统。指用一片单片机，加上时钟电路、复位电路、电源等组成的控制系统。这种 系统往往

40、使用片内带有 ROM或EPROM的单片机。 或的单片 机。系统往往使用片内带有的单片机 扩展应用系统：是指在最小应用系统的基础上，扩展应用系统：是指在最小应用系统的基础上，因单片机本身硬件资源的限制而经扩展后的单片机控制系统。件资源的限制而经扩展后的单片机控制系统。其系统扩展包括 基本系统扩展：指对片外基本系统扩展：指对片外 EPROM，RAM的扩展，的扩展 人-机对话通道扩展：显示器、键盘 机对话通道扩展： 机 对话通道扩展显示器、操作者信息交换微机系统前向通道扩展对被控对象 进行数据采集或现场参数监视的信息前向通道扩展：对被控对象进行数据采集或现场参数监视的信息 通道称为前向通道。通道称为

41、前向通道。前向通道 输入通道数目的扩展；信号转换（）、隔离 输入通道数目的扩展；信号转换（ A/D ）、隔离）、隔离。 后向通道扩展 对控制对象输出控制信息的通道称为后向通道。 后向通道扩展：对控制对象输出控制信息的通道称为后向通道。对控制对象输出控制信息的通道称为后向通道输出通道数目的扩展；信号转换（）、隔离 输出通道数目的扩展；信号转换（ D/A ）、隔离。）、隔离。机电一体化 EPROM A/D 隔离RAM I/O 通道扩展单片机人机对话通 道扩展显示器隔离D/A扩展原则： 扩展原则： 不需要完整性，不需要完整性，合理扩展键盘扩展系统综合框图机电一体化4.5数字显示器及键盘的接口电路4.

42、5.1数字显示器的结构和工作原理一、七段显示块的结构和字形 图4.32七段LED显示块 字形0 1 2 . g 00 11 00 11 01 10 f1 0 0 1 0 1 e 1 0 0 1 1 0 d 1 0 0 1 1 0 c 1 0 1 0 0 1 b 1 0 1 0 1 0 a 1 0 0 1 1 0段选码（控制发光二极管的位字节数据 位字节数据） 段选码（控制发光二极管的8位字节数据）3FH C0H 共阴极（共阳极） 共阴极（共阳极）06H F9H 5BH A4H二、静态显示方式 图4.33三位静态显示器接口定义：当显示器显示某一个字符时，定义：当显示器显示某一个字符时，相应的发光

43、二极管恒定地导通或截止工作原理：共阴极或共阳极连接在一起接地或十；每位的段选线(a dp)工作原理：共阴极或共阳极连接在一起接地或十5V;每位的段选线 与一个8位并行口相连。每一位可独立显示，与一个 位并行口相连。每一位可独立显示，只要在该位的段选线上保持段选码电平，该位就能保持相应的显示字符，由于每一位由一个由于每 一位由一个8段选码电平，该位就能保持相应的显示字符由于每一位由一个 位输出口控制段选码，故在同一时间里每一位显示的字符可以各不相同。控制段选码，故在同一时间里每一位显示的字符可以各不相同。优点： 优点：各LED能稳定地同时显示各自字形 能稳定地同时显示各自字形缺点： 缺点：只适用

44、于位数很少的情况三、动态显示方式 定义：一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描）定义：一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描）工作原理：将所有位的段选线并联在一起，由一个口控制，工作原理：将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O 口控制，而共阴极点或共阳极点分别由相应的I/O 口线控制。八位口线控制。八位LED动态显示电路只需极点或共阳极点分别由相应的要两个8其中一个控制段选码另一个控制位选字 段选码， 位选字。 要两个 位I/O 口。其中一个控制段选码，另 一个控制位选字。由于所有的段选码皆由一个I/O控制，因此，在每个瞬间，八位 控制，因此，在每个瞬间，八位 LED只可能显示相 的段选码皆由一

45、个 同的字 符。要想每位显示不同的字符，必须采用扫描显示方式。同的字符。要想每位显示不同的字符，必须采用扫描显示方式。即在每一瞬间只使某一位显示相应字符。在此瞬间，段选控制I/O 口输出相应字符 瞬间只使某一位显示相应字符。在此瞬 间，段选控制 段选码，位选控制I/O 口在该显示位送入选通电平共阴极送低电平、共阳口在该显示位送入选通电平 （共阴极送低电平 共阴极送低电平、段选码，位选控制 极送高电平）以保证该位显示相应字符如此轮流，以保证该位显示相应字符。极送高电平 以保证该位显示相应字符。 如此轮流，使每位显示该位应显示 字 符，并保持延时一段时间，以造成视觉暂留效果。字符，并保持延时一段时

46、间，以造成视觉暂留效果。不断循环送出相应的段选码、位选码，就可以获得视觉稳定的显示状态。段选码、位选码，就可以获得视觉稳定的显示状态。优点：需要的口少，优点：需要的I/O 口少，只需要一个送字形的口和一个送字位的口；口少 只需要一个送字形的口和一个送字位的口；利用了视觉残留效应，适用于位数 较多的情况利用了视觉残留效应，适用于位数较多的情况用I/O线组成行、列结构，按键设置30 ,.键负逻辑，正逻辑,机电一体化 4.5.2键盘接口 一、行列式键盘的构成线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。又称矩阵式键盘线组成行在行列的交点上。又称矩阵式键盘2X2 4 4X4 16 5X6 -盘结构 键值三

47、种表示方式：键值三种表示方式：三种表示方式负逻辑，正逻辑，依次排列键值4.5.3键盘、显示器接口电路键盘、一、光电隔离电路设计 1、光电隔离电路、基本工作原理：当发光二极管导通时， 有光发出，基本工作原理：当发光二极管导通时，有光发出，光敏三极管导通当发光二极管不导通时，没有光发出，当发光二极管不导通时，没有光发出，光敏三极管截止图4.46光电隔离电路当控制信号为高电平时，当控制信号为高电平时，输出信号几乎等于加在三极管集电极上的电压当控制信号为低电平时， 当控制信号为低电平时，输出信号几乎等于零作用：作用：隔离 电平转换提高驱动能力常用检测传感器的性能特点、4.8常用检测传感器的性能特点、选

48、用及其微机接口 一、检测传感器概述 定义：将机电一体化系统中被检测对象的各种物理变化量变为电信号 定义：将机电一体化系统中被检测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变换器。作用：是机电一体化系统的一个重要组成部分，将机电一体化系统自身 作用：是机电一体化系统的一个重要组成部分，将机电一体化系统自身的、作业对象的、作业环境的工作状态参数进行检测，并将检测到的状态参数从物理变化量变为电信号，提供给信息处理及控制系统，以有效的控制机电一体化系统执行机构的动作。检测系统组成原理如下图：检测系统组成原理如下图：非电量电量信号处U0(I0 ,f)理电路显示器数据处理装置执行机构传感器机电一体化 5、传感器

49、的微机接口 基本组成元件： 基本组成元件：1 ）输入放大 器）2） 2）抗频混滤波器 3）采样保持电路 ）4）模拟多路开关 ）5）A/D 转换器）转换器第7章章 机电一体化系统机电有机结合的分析与设计机电一体化 本章要求： 本章要求： 了解：机电一体化系统的稳态设计、了解:机电一体化系统的稳态设计、动态设计及 可靠性、安全性设计。 可靠性、安全性 设计。稳态设计包括使机电一体化稳态设计包括使系统的输出运动参数达到技术要求、系统的输出运动参数达到技术要求、执行元件的参包括使系统的输出运动参数达到技术要求 数选择、功率（或转矩）的匹配及过载能力的验算、数选择、功率（或转矩）的匹配及过载能力的验算、各主要元部件的选择与控制电路设计、信号的有效传递、各级增益的分配、的选择与控制电路设计、信号的有效传递、各级增益的分配、各级 之间阻抗的匹配和抗干扰措施等，之间阻抗的匹配和抗干扰措施等，为后面动态设计中的校正补偿装置的引入留有余地。 置的引入留有余地。动态设计主要是设计校正补偿装置，使系统满足动态技术指标要动态设计主要是设计校正补偿装置，主要是设计校正补偿装置求;通常要进行计算机仿真， 或借助计算机进行辅助设计通常要进行计算机仿真，要进行计算机仿真作用：考虑了机电参数的有机结