机电一体化复习

复习

机电一体化系统设计:

0.1机电一体化基本概念机电一体化的基本定义：机电一体化的英文名称是Mechatronics,是由日本人通过截取英文机械学(Mechanics)的词头和电子学(Electronics)的词尾组合在一起而创造出来的一个新的英文名词。这一名词最早出现在1971年日本的<机械设计>杂志副刊上,后来随着机电一体化的发展而被广泛引用。

日本<<机械振兴协会经济研究所>>于1981年提出的解释:“机电一体化乃是机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术,并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称.”它体现了机电一体化产品及其技术的基本内容和特征，所以具有指导性的定义。

机电一体化系统设计：0.2机电一体化系统基本组成一个典型的机电一体化系统应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。这些组成要素内部及其之间,形成通过接口耦合来实现运动传递、信息控制、能量转换等有机融合的一个完整系统。一、传动装置功能及性能要求功能：传递运动（速度、位移）和动力（力、力矩）第一章机械系统设计二、滚珠丝杠（或滚动螺旋）传动1、工作原理与结构形式丝杠和螺母的螺纹滚道间置滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，使丝杠和螺母作相对运动时为滚动摩擦。在螺母（或丝杠）上有滚珠返回的通道，与螺纹滚道形成循环回路，使滚珠在螺母滚道内循环。2、滚珠的循环方式：内循环和外循环

3、公称直径（滚珠中心圆直径）D0（mm）

导程(或螺距)p（mm）

4、尺寸标注：FC1B-60×6-5-E2左(汉江机床厂)

5、当丝杠改变转动方向时，间隙会使运动产生空程，从而影响机构的传动精度。通常采用双螺母预紧的方法消除间隙，提高刚度。

6、不能自锁，垂直安装时，当运动停止后，螺母在重力作用下下滑，故需设置制动装置。三、支承导向机构设计

导轨的作用是支撑导向作用。一副导轨主要由两部分组成，在工作时一部分固定不动，称为支承导轨(或导动轨)，另一部分相对支承导轨作直线或回转运动，称为动导轨(或滑座)。

第二章检测系统设计机电一体化一体化系统检测系统实质：非电量电量显示或输出1传感器的定义定义：是一种以一定的精确度将被测量（如位移、力、加速度等）转换为与之能确定对应关系的，易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置。转换元件基本转换电路敏感元件被测量电量

传感器静态特性：线性度：传感器实际特性曲线与拟合直线之间的偏差灵敏度：输出变化对输入变化的比值迟滞性：在正反行程期间输入—输出特性曲线不重合程度重复性：输入量按同一方向多次测试时所得特性曲线的不重合度分辨力、零漂、精度3、电容传感器4、电感传感器5、光栅线纹密度为25、50、100、250条/mm等。线纹之间距离相等，该间距称为栅距6、感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理组成的。

光栅

光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、圆盘、光电元件和信号处理电路等组成（如图）。7、光电编码器（1）M法测速（适合于高转速场合）T

编码器每转产生N个脉冲，在T时间段内有m1

个脉冲产生，则转速（r/min)为：n=60m1/（NT）

m1一定时间内用角编码器产生的脉冲数来确定速度的方法8数字测速例：有一增量式光电编码器，其参数为2048p/r，在0.2s时间内测得8K个脉冲，则转速（r/min)为：

n=60×8192/（2048×0.2）

r/min=1200r/min（2）T法测速（适合于低转速场合）时钟脉冲fc

编码器输出脉冲

m2

···编码器每转产生N个脉冲，用已知频率fc作为时钟，填充到编码器输出的两个相邻脉冲之间的脉冲数为m2

，则转速(r/min)为n=60fc/（Nm2）

用角编码器产生的相邻两个脉冲之间的时间来确定速度的方法例：有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为1000，时钟频率fc为1MHz，则转速（r/min)？练习1传动分析设：螺距t=6mm，旋转式位置传感器测得丝杆旋转角度为7290，求螺母的直线位移x？螺母丝杠螺距x=？练习2莫尔条纹光学放大作用举例

有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角=1.8，计算光栅的栅距和莫尔条纹的宽度？则：分辨力=栅距W=1mm/50=0.02mm=20m（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）

莫尔条纹的宽度是栅距的32倍：

L≈W/θ=0.02mm/（1.8*3.14/180

）

=0.02mm/0.0314=0.637mm

由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察”莫尔条纹光强的变化。传感器输出信号有些什么特点？1、信号比较微弱2、为非电压信号3、携带噪声信息因此，传感器在使用中需要进行信号调理。信号调理一般包括放大、变换、调制与解调、滤波等。2.3信号放大电路高输入阻抗放大器虚短，虚断，”虚地”为保证共模抑制比，要配出（U2-U1）的因子项1、

高输入阻抗放大电路当只有共模信号，共模抑制比无穷大

2、高共模抑制比放大器高共模抑制比差动放大器浮置电源输入调制放大器耦合变压器输出解调放大器输出输入－＋2、原理框图浮置电源光耦合器输入放大器－＋输出放大器输出输入VLC变压器耦合不仅隔离了输入与输出电路，而且也隔离了浮置电源，但体积大。光电耦合先将被测信号放大后由发光二极管转换成光信号，再由光敏三极管转换成电信号放大输出，但非线性。3、隔离放大电路当电桥平衡，流过检流计的电流为零时，有即若比例臂和Rs为已知，可以求出被测电阻Rx为的阻值。

R1、R2均为固定电阻，Rx为被测电阻，Rs为可调标准电阻，G为灵敏电流计，E为工作电源。2.4信号变换电路电桥测量电阻原理1）电流-电压变换模拟信号变换电路

电流通过电阻，在电阻上产生压降，建立起电压和电流的关系为

2）电压-电流变换2.5信号调制与解调1、什么是信号调制？

调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一个做为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数按前者变化。

2、什么是解调？在将测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调。c)ustuctb)a)OxtxOxO2.6信号滤波电路1.滤波器的类型按功能分：低通滤波器;高通滤波器;带通滤波器;带阻滤波器.例：滤波器的设计。23一、人机接口输入接口输出接口第四章机电一体化计算机接口设计24软件去抖硬件去抖开关：OFF高电平低电平开关：ON开关：OFF开关：ON发生抖动的时间在10ms以下OFFON积分后的输出史密特触发器的输出史密特触发器积分电路2501234567BA98CDEFP1.7P1.6P1.5P1.4P1.0P1.1P1.2P1.38031+5V键盘接口方法上图示出了8031通过P1口与一个4×4键盘的接口电路，其中P1.7~P1.4作扫描线，P1.3~P1.0作输出线。26键输入程序流程有键闭合？开始

调键扫描子程序，求键号，送（20H)延时10ms(A)=(20H)?键释放否？延时10ms键释放否？

认定键号，转相应键处理子程序返回返回返回NYNYNNYY判断闭合键的键号，方法为依次从P1.7~P1.4送出低电平，并从其他列线送出高电平，相应地顺序读入P1.3~P1.0的状态，若全为“1”，则列线输出为“0”的这一列上没有键闭合；若不全为“1”，则有键闭合。状态为低电平的键的行号加上其所在列的列首号即为该键键号。判断键盘上有无键闭合，其方法为在扫描线P1.7~P1.4上全部送“0”，然后读取P1.3~P1.0的状态，若全部为“1”，则无键闭合，若不全为“1”，则有键闭合。去除键的机械抖动，方法为读取键号后延时10ms,再次读键盘，若此键闭合则认为有效，否则认为前述键的闭合是由于机械抖动或干扰所引起的。使控制微机对键的一次闭合仅做一次处理，方法为等待闭合键释放后再处理。27

发光二极管显示器（LightEmittingDiode）的接口设计12345678abcdefgdpdpabcdefgDPYabcdefgdpCOM共阳极abcdefgdpCOM共阴极将发光二极管组成阵列，封装于标准外壳中，即发光二极管显示器（LED显示器）。以七段LED显示器最为常用。引线有共阳极与共阴极两种结构如图。人机输出接口开光量的输入输出通道设计图11用光耦合器隔离开关信号的电路图

Ui高----A低-----B低——U0高Ui低----A高-----B高——U0低第五章伺服系统设计

在机电一体化控制系统中，把输出量能够以一定的准确度跟随输入量的变化为变化的系统称为伺服系统，亦称随动系统。它用来控制被控对象的转角（或位移），使其能自动地连续地，精确地复现输入指令的变化规律。其组成如下图：伺服系统根据控制原理，即根据有无检测环节及其检测部件，可分为开环、半闭环和闭环三种基本的控制方式图5-3伺服系统的控制原理类型晶闸管的结构与工作原理晶闸管是一种功率四层半导体器件，有三个引出极，阳极（A）、阴极（K）、门极（G），常用的有螺栓式与平板式。A

N

N

PKG

P

J1J2J3

AGK图2晶闸管的图形符号和内部结构1晶闸管的结构1）晶闸管导通必须同时具备两个条件：阳极与阴极之间加正向电压控制极与阴极之间加正向电压（一）电阻性负载1单相半波可控整流电路图6单相半波可控整流电路及波形

VT的α移相范围为0～180通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。

首先，引入两个重要的基本概念：控制角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用α表示,也称触发角或触发延迟角。导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用θ表示。直流输出电压平均值为可控整流电路中，U2=220V，RL=3,可控硅控制角=15~180，求输出电压平均值UL的调节范围，以及可控硅（包括二极管）的电流平均值的最大值

由一个通电状态改变到下一个通电状态时，电动机转子所转过的角度称为步距角。＝360/ZKm

其中：Z－转子齿数

m－定子绕组相数

K－通电系数K=1,2例：若二相步进电动机的Z=100，单拍运行时，其步距角为多少？

单三拍时：A—B—C,—A—B—C…

电压电流波形

双三拍时：

单双拍（即六拍）时：AB—BC—CA,—AB—BC—CA…A—AB—B—BC—C—CA,-A—AB—B—BC—C—CA…

驱动电源的组成脉冲分配器功放电路三相步进电机负载功率电源分配器电源功放电路功放电路功率放大器步进脉冲方向信号ABC脉冲分配器+功率放大电路步进电机控制信号的产生步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机（或计算机）产生，其基本控制作用如下：控制换相顺序（也称脉冲分配）控制转向（正反序通电）

控制速度（由单片机发出的脉冲频率的大小决定）硬件环分软件环分+功率驱动软件环形分配

软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状态，从而产生一定的脉冲分配输出。

1)输出接口8031单片机本身包含4个8位I/O端口，分别为P0、P1、P2、P3。

输出接口是将计算机的输出端与步进电动机的每相绕组一一对应起来。

若要实现三相步进电动机的脉冲分配，需要三根输出口线，本例中选P1口的P1.0、P1.1、P1.2位作为脉冲分配的输出。因此可以通过改变电枢电压Ua进行调速电压的平均值为2．PWM驱动电路装置

根据PWM的工作原理，必须有一种电路或装置将控制转速的指令转换成脉冲的宽度，其中元件工作在高速开关状态，这种装置叫直流PWM驱动装置。

图5-25PWM驱动电路框图当控制电压Ue为零时，输出电压UA和UB的脉冲宽度相同，且等于T/2(T为三角波的周期)。当控制电压Ue为正时，UA的宽度大于T/2，UB的宽度小于T/2；Ue为负时，情况则相反。由此得到两种不同的被调制直流电压。3）开关功率放大器主回路：可逆H型双极式PWM

开关功率放大器电路图:

由四个大功率晶体管T1、T2、T3、T4

及四个续流二极管组成的桥式电路。H型：

又分为双极式、单极式和受限单极式三种。Ub1、

Ub2、Ub3Ub4–为调制器输出，经脉冲分配、基极驱动转换过来的脉冲电压。分别加到T1

、T2、T3

、T4的基极。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS

-USUdUABOtUb1Ub4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub4Ub2、Ub3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2（2）PWM调速系统直流伺服电机工作原理：

T1

和T4

同时导通和关断，其基极驱动电压Ub1=Ub4。T2和T3同时导通和关断，基极驱动电压Ub2=Ub3

=

–Ub1。以正脉冲较宽为例，既正转时。负载较重时：①电动状态：当0≤t≤t1时，Ub1、Ub4为正，T1

和T4

导通；Ub2、Ub3

为负，

T2和T3截止。电机端电压UAB=US，电枢电流id=id1，由US→T1

→T4→

地。②续流维持电动状态：在t1≤t≤T时，Ub1、Ub4为负，

T1

和T4截止；

Ub2、Ub3

变正，但T2和T3并不能立即导通，因为在电枢电感储能的作用下，电枢电流id=id2，由D2→D3