机电一体化技术与系统(第3章)

机电一体化技术与系统

（机电液一体化技术及应用）

——机械电子工程、机械制造及其自动化

学术型、专业型硕士选修课程浙江大学宁波理工学院郑堤2014年春季第三章

机械、接口、检测、伺服系统设计分析第一节概述第二节机械系统设计分析第三节接口系统设计分析第四节检测系统设计分析第五节伺服系统设计分析第一节概述机械、接口、检测、伺服系统均为机电一体化系统的重要组成部分，也是机电一体化技术的共性关键技术。各项技术的进步推动了机电一体化技术的发展，机电一体化技术与系统的发展对各项技术提出了越来越高的要求。各项技术均有其独自的理论和技术体系，但在机电一体化技术和系统中应用，必须统筹考虑各自的特点和优势，取长补短，优势互补，统筹优化。本章内容部分在本科生的课程里有所反映和介绍，不再过多重复，这里主要概略介绍在机电一体化技术与系统中常用的技术与方法。功用：在计算机信息网络协调控制下，完成主功能或操作功能、构造功能。要求：高精度：保证机电一体化系统准确地完成所规定的主功能或操作功能、构造功能；（刚度；传动间隙）快速响应：快速响应控制指令，保证良好的动态性能，提高效率；（刚度、阻尼、惯性；摩擦；传动间隙）良好的稳定性：抗干扰能力强，在不同环境干扰条件下稳定运行；刚度、可靠性、重量、体积、寿命等。第二节机械系统设计分析机械系统的组成传动机构：转速转矩传递与变换，伺服传动导向机构：支承和导向，保证运动装置准确实现规定方向上的运动执行机构：在执行元件的驱动下，通过传动机构的传动，沿着导向机构确定的方向，完成所规定的操作。基础支承构件：大件；刚度、质量、阻尼，体积一、传动机构常用传动机构：齿轮齿轮齿条丝杠螺母（滚动、滑动）软轴同步齿形带谐波齿轮减速器锥环无键联轴器消除间隙、预紧、提高刚度、保证传动精度和传动速度、功率要求。二、导向机构常用导向机构：普通滑动导轨动压导轨静压导轨气浮导轨磁浮导轨滚动导轨（矩形、梯形、燕尾形、圆柱形、滚珠花键副）塑料导轨（导轨软带、金属塑料复合导轨板、涂层）导向精度、耐磨性、刚度、低速运动平稳性、结构工艺性开式、闭式；镶条、压板三、执行机构为实现不同的目的功能，需采用不同原理、不同形式、不同结构的执行机构。执行机构与执行元件的异同：执行元件一般是指将各种不同形式的能量转换成机械能，以驱动被控对象完成相应操作的元件，如电动机、电磁铁等；执行机构一般是指执行元件和传动机构之后具体实现所要求的操作的机构；科学技术的发展，使得执行元件和传动机构、执行机构、导向机构逐渐趋于一体化，如微机械里很难区分执行元件和执行机构。要求响应速度快，动态特性好，动静态精度高，动作灵敏度高，便于控制，效率高、体积小、质量轻、可靠性高。常见执行机构：微动机构：手动机械式热变形式磁致伸缩式超磁致伸缩式压电晶体（陶瓷）式分度定位机构自动换刀刀库与回转刀架气动、液压、机械动力卡盘工业机器人末端执行器机械夹持器特种末端执行器灵巧手第三节接口系统设计分析机电一体化系统由机械子系统和电子子系统两大部分组成，二者又分别由若干要素组成。要将各要素、各子系统有机地结合起来，构成一个完整的系统，必须能够顺利地在各要素、各子系统之间进行物质、能量和信息的传递与交换。各要素和各子系统相联结处必须具备一定的联系条件，这个联系条件通常被称为接口。各要素和各子系统之间的接口性能是综合系统性能好坏的决定性因素。接口的分类：按变换和调整功能分零接口被动接口主动接口智能接口按输入输出功能分机械接口电气接口信息接口环境接口按所联系的子系统不同分人机接口机电接口一、人机接口设计人机接口类型输入接口：操作者通过输入接口向机电系统输入各种控制命令，干预系统的运行状态，以完成规定的任务。输出接口：机电系统通过输出接口向操作者显示系统的各种状态、运行参数及结果等信息。人机接口的特点专用性：不同产品有不同要求低速性：与微机相比，人机接口的工作速度很低输入接口设计开关输入接口设计接通与断开时的电压抖动硬件消抖电路（R-S触发器）；软件消抖（延时）拨盘输入接口设计静态接口：占用硬件资源多；软件简单。动态接口：占用硬件资源少；软件复杂。键盘输入接口设计：矩阵式键盘程控方式扫描监控程序的四个步骤：判断键盘上有无键闭合；判别闭合键的键号；去除键机械抖动的影响；使微机对键的一次闭合做且仅做一次处理。矩阵式键盘中断工作方式R-S触发器单稳态多谐振荡器5-10ms输出接口设计数码管显示器接口设计静态工作方式接口：驱动电流；译码（硬件、软件；共阴、共阳）动态工作方式接口：视觉暂留效应；刷新扫描打印机接口设计点阵式微打PP40微型4笔描绘器：文本方式；图案方式硬件接口；监控软件CRT显示器接口扬声器接口蜂鸣器扬声器（喇叭）1.5~2.5V5~10mA共阳极共阴极二、机电接口设计机电接口类型信息采集（传感器）输入接口：信息检测、整形、放大、匹配、转换，采集入计算机。控制量输出接口：控制量输出、匹配、转换、功率放大，驱动执行元件。机电接口特点信号形式多样，既有开关信号，又有频率信号；既有数字量，又有模拟量；模/数转换；抗干扰设计；数/模转换；弱电信号，功率放大与驱动。信号采集通道中的A/D转换接口设计双积分式：MC14433，3（1/2）位十进制，4~10次/秒，分时输出BCD码；硬件接口设计，监控程序设计，价格较高。逐次比较式：ADC0809，8位二进制，100µs，价格较低。控制量输出接口中的D/A转换接口设计DAC0832：8位梯形电阻式，双极性电流输出型，通过变换输出电压。控制量输出接口中的功率接口设计实现功率放大功能的接口电路电流-电压变换电压偏置常用电力电子器件晶闸管单向晶闸管SCR：导通条件（VAK》0，门极正向触发）与关断条件（电流小于维持电流）双向晶闸管TRIAC：门极触发后可双向导通；感性负载时注意防止失控（不关断）门极可关断晶闸管GTO：导通、截止均可控（门极加正、负控制信号）光控与温控晶闸管：受光信号与温度控制信号控制导通的特种晶闸管功率晶体管大功率范围应用的晶体管；复合管；开关速度高；有开关或模拟两种工作状态，在功率接口中主要用做高速开关；功率场效应管MOSFET可靠性高，过载能力强；输入阻抗高，驱动电流小，容易接口固态继电器SSR直流型、过零型、非过零型通态压降、断态漏电流可直接由TTL器件驱动光电耦合器驱动接口设计结构：将发光二极管与光敏三极管或光敏晶闸管封装在一起，利用光信号传递电信号；功能：电气隔离，抑制干扰，电平转换；应用：弱电与强电之间的隔离接口。继电器和接触器驱动接口设计驱动电源特点：直流型/交流型；电压较高；控制信号特点：电压低，电流小；负载特点：感性负载，断电瞬间产生反电动势，接通瞬间产生冲击电流干扰；设计时应注意的问题：采用续流二极管保护驱动器件；接口处光电隔离。第四节检测系统设计分析功能：计测功能；机电接口。构成：传感器，信号检测与处理电路，信号采集、分析、显示与反馈电路。基本要求：精度、灵敏度、分辨率高；线性、稳定性、重复性好；抗干扰能力强；静动态特性好；体积小、成本低、便于安装维修、环境适应性好。检测系统设计的主要任务：根据使用要求合理选择传感器，设计或选用信号检测与处理电路，系统分析与调试。检测系统设计方法：实验分析法——理论分析与实验测试相结合。检测系统设计的一般步骤：设计任务分析；系统方案选择；系统构成框图设计；环节设计与制造；总装调试与实验分析；系统运行及考核。检测系统设计特点：非线性设计过程，需反复多次才能达到目标。一、模拟式传感器信号的检测典型组成框图：基本转换电路基本转换电路：电参数（电阻、电感、电容等）电量（电流、电压等）。分压电路差动电路非差动桥式电路调频电路脉冲调宽电路串联谐振式并联谐振式工作在谐振点附近桥式差动电路阻容相位电桥阻感相位电桥信号放大电路高输入阻抗放大器高共模抑制比放大器参量放大器线性化放大器放大器增益切换Rf/R1=0时，得到电压跟随器差模增益为定值；共模增益为0。共模抑制比无穷大。ui-+uo信号调制与解调电路采用信号调制与解调电路给传感器信号赋予不同的特征，以便于传输和处理，防止干扰信号对检测精度的影响。幅值调制与解调：让一个具有特定角频率的高频信号的幅值随被测量的变化而变化。相乘型半波调制、相乘型全波调制包络检波、相敏检波OuiOOUcuotttb)4-23全波相乘调制电路峰值检波平均值检波相位调制与解调：让一个具有特定角频率的高频信号的相位随被测量的变化而变化。传感器内调制，调相电路异或门鉴相，RS触发器鉴相差动放大器求差通过滤波器求平均电压采用计数电路对脉冲宽度计数下降沿微分频率调制与解调：让一个高频振荡的载波信号的频率随被测量的变化而变化。振弦式调频传感器，多谐振荡器调频电路微分鉴频电路，窄脉冲鉴频电路传感器电容传感器电阻滤波器功用滤除信号中的噪声、干扰；滤除调制过程中的载波；将不同频率的有用信号分开；对系统频率特性进行补偿分类模拟（机械式、电气式）、数字滤波器无源、有源滤波器低通、高通、带通、带阻滤波器一阶、二阶、高阶滤波器基本参数截止频率带宽品质因数倍频程选择性频率变化一个倍频程时，幅频特性的衰减量——反映对通频带以外频率成分的衰减能力。无源RC滤波器RC低通滤波器RC高通滤波器RC带通滤波器有源滤波器有源低通有源高通有源带通RC网络：滤波运放：级间隔离，信号放大一阶滤波器：倍频程选择性为4dB；二阶滤波器：倍频程选择性为7.4dB运算电路线性加、减运算积分、微分运算参量控制乘除运算峰值运算正峰值负峰值二、数字式传感器信号检测数字信号检测系统组成数字式传感器：直接将被测量转换成数字信号输出，既可提高检测精度、分辨率及抗干扰能力，又易于信号的运算处理、存储和远距离传输；常见的有光栅、磁栅、感应同步器、光电编码器等；主要用于几何位置、速度测量；输出信号为增量码形式（信号变化的周期数与被测位移成正比）。细分电路：使传感器信号每变化1/n个周期计一个数，以提高分辨率，其中n称为细分数。辨向电路：辨别被测量的变化方向。脉冲当量变换电路：将脉冲当量转换成易于读出和处理的值。多路信号采集细分与辨向：利用多个传感元件对同一被测量同时采集多路相位不同的信号而实现的细分方法；最高可实现10倍细分。φUZ—稳压值UD—导通压降作业：分析具有回差的零值比较器原理φUma电阻链移相细分与辨向：在电路中细分的方法；可实现8~60倍细分。UmsinθUmcosθU’msin(θ+φ)可靠性高抗干扰性能好试列出输入端信号真值表，输出端信号逻辑表达式。二进制计数器锁相倍频细分与辨向：被测信号的变化频率为fi，通过锁相倍频电路使输出信号的频率为f0=nfi。积分器跟随器比较器Ud与Ui和UB之间的相位差成线性关系。fo/nn（2，4，8，16）分频器脉冲填充细分与辨向：用于调相信号的细分；采用对顶脉冲与交错脉冲消除电路实现辨向。参考信号调相信号三、检测信号的采集与预处理计算机按一定方式、通过适当的接口电路采集信号。为去除混杂在有用信号中的各种干扰，并对检测系统的非线性、零位和增益误差进行补偿和修正，需对采集入计算机的信号进行适当的预处理。模拟量的转换输入方式（图4-70）模拟多路开关：用于信号通路的切换导通电阻小；开路电阻大，交叉干扰小；切换速度快；传输线性度好。电力机械开关（继电器，干簧管等）；电子开关（二极管，双极型三极管，场效应晶体管等）多路数据采集系统四双向模拟开关八选一多路开关信号采样与保持信号采样：把时间连续的信号变成一连串脉冲时间序列的过程。采样定理：采样保持：保证在A/D转换过程中采样信号保持不变。采样开关采样信号采样周期采样频率采样时刻采样宽度跟随器保持电容采样开关跟随器开关驱动电路开关保护电路数字信号的预处理去除混杂在有用信号中的各种干扰信号。数字滤波：不需要额外硬件设备，不存在阻抗匹配问题；可对频率很低或很高的信号实现滤波；可针对不同信号情况采用不同的滤波方法或参数，灵活、方便、功能强。中值滤波：适用于缓变信号中由偶然因素引起的脉冲干扰算术平均滤波：适用于具有周期脉动特点的干扰信号（习题4-26）滑动平均滤波：速度快，实时性好，适用于周期性干扰低通滤波：用软件算法模拟硬件低通滤波器功能；关键是滤波平滑系数（α«1）的选取。α——滤波平滑系数，α

≪1如取α=1/32，Δt=0.5s,即每秒采样2次，则截止频率fc≈0.01Hz。用差分替代微分的方法对连续模型进行离散化传感器的非线性补偿采用软件方法对传感器与检测系统的非线性传输特性进行补偿。计算法；查表法。代数插值法：以多项式作为插值函数。根据标定数据建立插值多项式；求解插值多项式；用插值多项式代替传输特性，根据计算机采集到的信号按插值多项式进行计算，并作为采集信号的实际值（即经过非线性修正的值）。插值多项式的阶次越高，逼近精度越高，但计算工作量越大，时间滞后越长。线性插值：在相邻标定点间用直线相连，并用线性函数代替实际的传输特性计算有效输入值。多项式插值线性插值零位误差和增益误差的补偿温度漂移和时间漂移导致零位误差和增益误差。采用软件对零位误差进行补偿——数字调零（去皮重）；采用软件实现增益误差补偿——数字校准。a0URxixRUi0第五节伺服系统设计分析基本概念：能够跟踪输入的指令信号动作，从而获得精确的位置、速度、或力输出的自动控制系统。特点：根据输入的指令值与输出的物理量之间的偏差进行动作控制，其工作过程是一个偏差不断产生，又不断消除的动态过渡过程。基本结构形式：控制器偏差基本类型：位置/速度/力伺服系统电气/液压/气动伺服系统开环/闭环/半闭环伺服系统基本要求：稳定性：当作用在系统上的扰动信号消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行，或者在输入的指令作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力；是系统本身的固有特性，取决于系统结构及组成元件参数，与外界作用信号的性质或形式无关。精度：输出量复现输入指令信号的精确程度；动态误差/稳态误差/静态误差。快速响应性：①动态响应过程中，输出量跟随输入的指令信号变化的迅速程度；②动态响应过程结束的迅速程度。设计准则：首先满足稳定性要求，然后在满足精度要求的前提下尽量提高系统的快速响应性能。设计方法及步骤：设计要求分析，系统方案设计系统性能分析执行元件及传感器选择机械系统设计控制系统设计系统性能复查系统测试实验系统设计定案一、伺服系统中的执行元件步进电动机工作原理通电方式和步距角主要参数及特性步距误差最大静转矩启动矩频特性启动惯频特性运行矩频特性步进运行和低频振荡最大相电压和最大相电流直流伺服电动机基本结构及工作原理类型及特点（永磁式，他励式；大惯量，中惯量，小惯量）控制方式电枢电压控制

励磁磁场控制静态特性：电动机在稳态情况下工作时，其转子转速、电磁力矩、电枢控制电压三者之间的关系。机械特性

调节特性影响静态特性的因素功放电路对机械特性的影响内部机械摩擦对调节特性的影响负载变动对调节特性的影响动态特性：当给电动机电枢加上阶跃电压时，转子转速随时间变化的规律，ω=f(t)。欠阻尼情况

临界阻尼情况

过阻尼情况主要技术参数nMnjN调磁调压Km=1/(CeΦ)电动机静态放大系数（空载时）τj=JRa/(CeCmΦ2)——机电时间常数τd=La/Ra——电磁时间常数电磁惯性机械惯性欠阻尼临界阻尼过阻尼一阶惯性环节τd<τj/4时二、执行元件的控制与驱动步进电动机的控制与驱动脉冲分配控制硬件脉冲分配器：分立元件；集成电路软件脉冲分配器：脉冲分配控制数据表+按节拍查表+定时输出速度控制硬件方法：变频脉冲发生器软件方法：定时器定时+中断服务程序自动升降速控制硬件方法：同步器+可逆计数器+数/模转换器+变频振荡器软件方法：升降速时按规律改变定时器的定时常数。步进电动机的驱动单电源驱动电路双电源驱动电路斩波限流驱动电路YB系列TTL集成脉冲分配器直流伺服电动机的控制与驱动PWM晶体管功率放大器的工作原理电压—脉宽变换器开关功率放大器PWM晶体管功率放大器的数学模型设计功放电路时应注意的问题切换频率的选择使电动机轴产生微振，克服静摩擦；足够高，减小高频功耗和交流分量的影响；高于各部件的谐振频率，避免共振。大功率晶体管的选择：开关频率大于切换频率。UI=0时，Us为正负脉宽相等的矩形脉冲；UI>0时，Us的正脉宽大于负脉宽；UI<0时，Us的正脉宽小于负脉宽；UI≥UTPP/2时，Us为一正直流信号；UI≤-UTPP/2时，Us为一负直流信号。UI=0时，电动机微振；UI>0时，电动机正转；UI<0时，电动机反转；UI≥UTPP/2时，最高转速正转；UI≤-UTPP/2时，最高转速反转。三、开环控制的伺服系统设计系统方案设计机械系统的设计计算机械系统动态特性分析系统误差分析机械系统设计分析举例系统方案设计执行元件的选择传动机构方案的选择执行机构方案的选择控制系统方案的选择减速器的三个作用：配凑脉冲当量转矩放大惯量匹配控制系统机械系统的设计计算确定脉冲当量，初选步进电动机计算减速器的传动比计算系统转动惯量确定步进电动机动力参数电动机负载转矩计算电动机最大静转矩确定电动机最大启动频率确定电动机最大运行频率确定验算惯量匹配计算传动系统刚度机械系统动态特性分析系统误差分析死区误差（间隙，摩擦力，电气死区）由系统刚度变化引起的定位误差四、闭环控制的伺服系统设计系统方案设计系统性能分析系统参数设计通过校正环节改善系统性能伺服电动机动力参数确定系统方案设计闭环或半闭环控制方案的确定执行元件的选择检测反馈元件的