机电一体化导论

第1章绪论1.1机电一体化技术的产生与开展机电一体化技术的产生：机械化技术的开展：工业革命开始……控制技术开展：20世纪30年代，开始快速开展，以军工技术为载体……信息处理技术的开展：20世纪60年代，开始快速开展，以大规模集成电路为载体…机电一体化技术的产生：自从控制技术快速开展，就……20世纪70年代，60年代提出，70开始快速开展机电一体化技术的开展：自动化技术开展的必然产物：各个学科综合结果，尤其自动化技术+计算机技术。〔日本：机械制造领域：为提高生产效率，自动化生产、生产过程信息化控制；美国：主动将自动化技术〔正像乔布什说的“人们并不清楚自己需要什么，需要你来告诉他们”〕、信息化技术推广到工程技术的各个领域；英国学者：各个领域开展过程中的自然渗透，涉及大量学科。中国：国家9.5开始大力支持；各个高校对机电一体化的理解〕1.2机电一体化的相关技术图SEQ图\*ARABIC1控制系统的根本组成图2机电一体化技术体系传感器技术、自动控制技术、精密机械技术、伺服传动技术、系统总成技术1.2.1传感器技传感器：能检测各种物理量，将测得的各种参量转换为电信号，并输送到信息处理局部的功能器件。完成对各种信息的检测、收集，这些信息包括：位移、位置、速度、加速度、力；压力、流量、温度；电压、电流因此传感器首先需要有敏感元件局部。输出量通常为模拟电流、电压、数字量，因此传感器通常配有专用的信号处理电路。1.2.2信息处理技术完成对信息的输入、输出、计算、分析、存储。通常为专用控制装置，以及计算机、单片机、A/D、D/A完成上位机的信息交换功能。1.2.3自动控制技术各种控制单元，以自动化过程为控制目的的各种逻辑控制；以某些参数值为控制目的的各种参数控制；以某些综合指标为控制目标的最优化控制。等等。高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、示教再现、检索等技术。各种控制理论、特殊控制策略、专用算法1.2.4伺服传动技术电机拖动技术液压传动及伺服控制技术气压传动技术1.2.5精密机械技术为更好地与控制技术结合，精密机械技术较一般的同类机械精度要求更高，要有更好的可靠性及维护性，同时要有更新颖的结构。高精度导轨、精密滚珠丝杠、高精度轴承、高精度齿轮，微电机系统、高精度伺服系统1.2.5系统总体技术局部最优技术：就某一指标局部到达最优。总体最优技术：系统中的关键元件的指标可能非最有，但系统的各种指标总体评价最有。1.3机电一体化技术的开展前景μm；最新电液伺服阀带宽可大1000Hz以上；功能方面：小型化、轻型化、多功能。如微型电机、特种电机，尤其是近几年出现的新型压电执行器〔应用于电液伺服阀、特种加工〕、超声电机〔高速高精度控制、特种加工〕。层次方面：复合集成、系统化。如复合控制系统〔电力驱动+液压伺服〕、实时仿真与控制系统〔DSPACE〕、多模式电机控制器〔多自由度电机〕1.4液压钢索张拉系统1.4.1钢索张拉系统要求张拉系统：要求：1.按照给定的张拉力-时间曲线对钢索进行张拉，记录相关数据〔画张拉曲线并对张拉过程进行解释〕1.4.2张拉系统组成首先介绍目前的张拉过程特点：机液液压系统；人工控制；人工监理缺点：精度低；张拉过程难以标准化；无法多点张拉同步；无法信息化。执行机构〔伺服传动系统〕：液压缸，也可以包括液压系统压力传感器〔检测传感系统〕：压力——>电压〔电流〕转换控制器〔控制系统〕：液压系统+PLC+控制算法信息处理〔信息处理系统〕：数据记录、存储，报警、提示。整体最优设计〔系统总成技术〕:伺服系统/比例系统/开关系统1.5无人机姿态控制系统本章思考题什么是机电一体化？其组成要素是什么？与机电一体化相关的技术有哪些？机电一体化是在什么背景下产生和开展起来的？通过列举生活中的实例来说明机电一体化的组成要素和作用。机电一体化开展的前景如何？第2章传感器技术2.1位移传感器2.1.1电感式位移传感器变气隙式〔变阻式〕：高频反射涡电流式：结构简单、精度高、性能稳定、工作可靠，应用广泛。2.1.2差动变压器式传感器结构简单、测量精度高2.1.3电容式传感器面积变化型、极距变化型、介质变化型特点：鼓励能量小、不受非电磁环境干扰、响应快通常做位移、角位移传感器需调频电路调整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。可用来测量直线或转角位移。测量直线位移的称长感应同步器，测量转角位移的称圆感应同步器。感应同步器的工作原理与旋转变压器的工作原理相似。当励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，感应同步器和旋转变压器就是利用这个特点进行测量的。标准的感应同步器定尺长250mm，尺上是单向、均匀、连续的感应绕组；滑尺长100mm，滑尺上有两组励磁绕组，一组叫正弦励磁绕组，一组叫余弦励磁绕组，定尺和滑尺绕组的节距相同。当正弦励磁绕组与定尺绕组对齐时，余弦励磁绕组与定尺绕组相差l／4节距。〔定尺由优质碳素钢为机体，导磁性好，外表制有连续平面绕组，在机体上用绝缘的粘合剂贴上铜箔，用光刻或化学腐蚀的方法制成方形开口平面绕组，并在花痴的周围贴有一层铝箔，防止静电干扰，常用于机床上〕应用介绍:感应同步器广泛应用于高精度伺服转台、雷达天线、火炮和无线电望远镜的定位跟踪、精密数控机床以及高精度位置检测系统中。一、鉴相方式将滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位相差90°的交流电压。当滑尺上的正弦绕组和余弦绕组分别以1～10kHz的正弦电压激磁时，将产生同频率的交变磁通；该交变磁通与定尺绕组耦合，在定尺绕组上将产生同频率的感应电势。正弦、余弦绕组是幅值相同、相角差90o的交流信号：正弦绕组：余弦绕组：输出：在一个节距内，与滑尺移动距离是一一对应的，通过测量定尺感应电势相位，便可测出定尺相对滑尺的位移。二、鉴幅方式将滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以频率相同、相位相同，但幅值不同的交流电压假设电气角，那么测出Uo的幅值KUmsin(-θ)，便可间接地求出θ。特点：精度高,通常在1微米以下感应同步器的优点：测量长度不受限制；对环境适应性强；维护简单、寿命长；抗干扰能力强、工艺性好、本钱低。2.1.5回转编码器回转编码器是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。增量型和绝对型增量型回转编码器：A、B、Z三相绝对型回转编码器下列图中码盘旋转方向不同，造成观察到的图形不同，〔解释〕绝对性：位置——编码，意义对应8421码：根本二进制雷格码〔二位循环码〕：特点：相邻吗仅有一位变化，数据处理问题。编码器的性能受到加工技术、电路工作频率的影响。2.1.7光栅位移传感器光栅的构造：工作原理：把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ时，这时光栅上会出现假设干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列，如下图。莫尔条纹具有如下特点：1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动过一个条纹间距B2.莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角之间关系为3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。〔光栅检测装置的关键局部是光栅读数头，它由光源、会聚透镜、指示光栅、光电元件及调整机构等组成。光栅读数头结构形式很多，根据读数头结构特点和使用场合分为直接接收式读数头(或称硅光电池读数头、镜像式读数头、分光镜式读数头、金属光栅反射式读数头〕为检测运动方向：2个指示光栅介绍一下电路原理：其目的产生对u1、u2的细分脉冲。〔可利用编码器的原理介绍〕为提高分辨率同时检测运动方向：4个指示光栅2.2速度检测传感器2.2.1测速发电机机械转速——>电信号。常见类型：交流异步测速发电机〔永磁式〕、直流测速发电机工作原理：发电机工作原理交流：励磁绕组、输出绕组、转子直流：永久磁铁、输出绕组〔换向机构〕、转子特点：线性度好，理论上输出电压与转速严格线性关系增益高2.2.1回转编码器的使用时钟频率越高、测速误差越小。但时钟频率受到计数器容量和工作上限频率的影响。〔解释：电机转速范围对计数器选择的影响：〕周祖德教材P23：有关于关于时钟频率、转速、存放器位数之间的匹配计算。需要讲清楚：〔1〕一个A相脉冲中，时钟脉冲过多导致计数器溢出。解决方法：增加计数器位数；限制被测电机的最小测量转速。〔2〕一个A相脉冲中，时钟脉冲太少导致计数器计数相对误差过大。解决方法：限制被测电机的最高测量转速2.3位置传感器位置传感器与位移传感器位置传感器应用：工作台到位检测，行程开关，通常为开关量2.3.1接触式位置传感器微动开关，矩阵式位置传感器2.3.2接近式位置传感器电磁式：用于检测电磁材料。〔画图解释涡电流式、霍尔〕电容式：几乎可以检测所有的固体和液体材料。〔画图〕将电容其作为振荡电路的一局部。光电式：对环境有一定要求。〔画图：透射型、反射性〔输出电流小〕〕气压式、超声波式：在很多情况下：位移传感器可以对位置进行测量，如涡电流式传感器；位置传感器也可以作为位移传感器使用，如编码器。2.4压力传感器〔图〕2.4.1压阻式压力传感器一种半导体材料的电阻率随其所受的压力变化2.4.2应变式压力传感器外界压力是半导体电阻或应变片的形状发生变化，导致其电阻变化2.4.3压电式压力传感器利用压电效应简述光电式传感器的类型以及各自的工作原理。〔*〕对位置检测装置的根本要求有哪些？简述光栅式传感器的工作原理。简述光电耦合器的工作原理、应用场合。〔*〕最常用的位移传感器有哪几种？最常用的位置传感器有哪几种？了解它们的工作原理。最常用的压力传感器有哪几种？分别说出它们的工作原理和区别。试举出你所熟悉的5种机械参量测试传感器，并说明它们的变换原理。试按接触式与非接触式分类传感器，列出它们的名称，用在何处?9、如果实验室里有力传感器及放大器，请你设计一个装置实现对一电机驱动的轴承作动态扭矩的测试。10、欲测量河水的几种状态水位，拟采用接近式位置传感器，请进行方案设计，并说明工作原理?11、在机电一体化测控系统中，传感器信号放大常采用哪几种放大器?其特点如何?12、传感器非线性补偿处理方法常用的有哪几种?其根本原理为何?13、一变极距型电容传感器，其圆形极板半径R=6mm，工作初始间隙为0．3mm。问：(1)工作时，如果传感器与工件的间隙变化量为±2／um，电容变化量是多少?(2)如果测量电路的灵敏度S1=1000mV／pF，读数仪表的灵敏度S2=5格／mV，在间隙变化量为±2~um时，读数仪表的指示变化多少格?第3章电动机驱动机器控制3.1步进电机驱动及其控制步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

目前,生产步进电机的厂家确实不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大局部的厂家只一、二十人，连最根本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。表达其根本工作原理。望能对广阔用户在选型、使用、及整机改良时有所帮助。3.1.1步进电机工作原理3.1.1.1．三相六拍反响式步进电动机工作原理三相六拍反响式步进电动机，定子上有三对磁极，每对磁极上绕有一相控制绕组，转子有四个分布均匀的齿，齿上没有绕组A相通电B相通电C相通电左图：三相均不通电，然后：A相通电，自锁；B相，逆时针、自锁；C相，顺时针、自锁。通电方式：A→B→C→A A相通电时，磁力线A—1—3—A’—A齿距角90o，步距角30o在这里解释几个概念：(1)齿距角与步距角步距角：每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。二者之间的关系其中，m为定子相数；z为转子齿数；k为通电系数，m相m拍，k＝1；m相2m拍，k＝2。α一般很小，如：3°/1.5°，1.5°/0.75°，0.72°/0.36°等〔2〕脉冲频率、电机转速，二者之间的关系〔3〕最大工作频率/转速、最大起动频率/转速〔4〕同步电机与异步电机的概念〔5〕矩角特性静态转矩Mj：在电机轴上施加一个负载转矩M，转子会在载荷方向上转过一个角度θ〔失调角〕，转子因而受到一个电磁转矩Mj的作用与负载平衡。矩角特性：步进电机单相通电的静态转矩Mj随失调角θ的变化曲线。〔5〕矩频特性连续运行频率：步进电机启动后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率。其值远大于启动频率。矩频特性：是描述步进电机在连续运行时，输出转矩与连续运行频率之间的关系。〔6〕工作方式单拍工作方式：双拍工作方式〔三相双三拍〕：AB→BC→CA→AB AB相通电：磁力线A—1—4—B’—A齿距角90o，步距角30o单双拍工作方式〔三相单、双六拍〕：A→AB→B→BC→C→CA→A齿距角90o，步距角15o3.1.1.2．三相步进电机齿距角Nr为转子齿数，Nr=40，θZ=9o单拍步距角m为相数，假设Nr=40，m=3，那么θZ=3o单双拍步距角假设Nr=40，m=3，那么θZo3.1.2步进电机的特性及主要参数特性：步进电机的工作电流：通过绕组的电流，步进电机的负载：感性负载工作电流为脉冲电流，工作电流=启动电流电机电压：特点：属于同步电机范畴；工作时有铜损、铁损、机械损耗非超载的情况下，转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,与负载无关。步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得步进电机的控制非常简单。特性参数：距角特性和最大静力矩启动转矩和启动频率运行距频特性3.1.3步进电机的驱动电源单电源供电先用一个开关控制用电器的电路说明一下根本的：理论情况，VT关闭时出现问题；VT电子开关；VD续流管；Rc加速电阻VD、Rc的作用：对VT进行保护，Rc提高充电转折频率，但Rc具有耗能缺点；C、R都具有提放电速度的作用，但R损坏低频特性，通常只采用C即可。以上为单电源情况，为增加相应速度，可采用双电源驱动。解释工作原理：3.1.3.2上下压供电方式先用一组惯性过程曲线介绍一下工作原理采用单电源时的响应曲线说明，采用双电源是的响应曲线说明3.1.4步进电机的控制利用单片机实现，些编写相应的程序大概画一下原理〔15分钟时间介绍〕3.1.4.2环形分配器环形分配器的作用补充：Cu：输入脉冲，正传CW时钟CD：输入脉冲，反转CCW时钟CK：输入，在单时钟方式时使用V/D：方向转换，0—正传，1—反转EA、EB：励磁方式控制，11—单双；00—双；01、10—单ΦC：3/4相选择，0—3相，1—4相Vss：地：复位端子，低电平有效，当=0,时，Φ1~Φ1为“1”时，步进电机锁定Φ1、Φ2、Φ3、Φ4：3相—Φ2、Φ3、Φ4，4相—Φ1、Φ2、Φ3、Φ4EM：鼓励监视，0—单，1—双，脉冲——单双Co：输入脉冲控制，输出与时钟同步VDD：+4——+18V例如，可以参考PMM8713.pdf，也可以参考“赵再军书”p154，图5-103.1.4.3PLC+环形分配器软件——硬件3.1.5步进电机的选择步进电机有步距角〔涉及到相数〕、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。步距角的选择:电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率〔当量〕换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度〔包括减速〕。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度〔五相电机〕、0.9度/1.8度〔二、四相电机〕、1.5度/3度〔三相电机〕等。静力矩的选择:步进电机的动态力矩不易确定，往往确定电机的静力矩。静力矩选择的依据:电机工作负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时〔一般由低速〕时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来〔几何尺寸〕电流的选择:静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差异很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流〔参考驱动电源、及驱动电压〕力矩与功率换算:步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P=Ω·MΩ=2π·n/60P=2πnM/60其P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿·米P=2πfM/400(半步工作〕其中f为每秒脉冲数〔简称PPS)1、步进电动机在机电一体化系统中起什么作用?2、一台五相反响式步进电机采用五相十拍运行时，步距角为1。5度，当控制信号脉冲频率为3kHz时，求该步进电机的转速。3、步进电机最大静转矩、启动转矩、运行转矩有何区别？以某型号的步进电机为例说明启动矩频特性和运行矩频特性。4、试述反响式步进电机的矩频特性、启动矩频特性。5、如何控制步进电机的输出角位移量及转速。6、步进电机的连续工作频率与它的负载转矩有何关系？为什么？7、什么是环形分配器?起何作用?8、单片机、PLC、环形分配器控制步进电机时，各有什么特点？3.2直流电机驱动及其控制3.2.1直流电机工作原理及结构3.2.1.1直流电动机的工作原理1—磁极；2—电枢；3—换向器；4—电刷洛伦兹力=磁密*长度*电流，左手法那么确定方向。换向器与电刷的作用：电动机与发电机：一台直流电机原那么上既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，只是其输入输出的条件不同而已。电机学理论中称为电机的可逆原理。3.2.1.2直流电机的结构电流电机的结构剖面图1—换向器；2—电刷装置；3—机座；4—主磁极；5—换向极；6—端盖；7—风扇；8—电枢绕组；9—电枢铁心定子局部:主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。转子局部：主要由电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成1—主极铁心；2—励磁绕组；3—机座；4—电枢1—转轴；2—轴承；3—换向器；4—电枢铁心；5—电枢绕组；6—风扇；7—轴承直流电机的励磁方式：他励式：由与电枢不同的电源产生主磁场自励式：由电枢电源产生主磁场，包括串励式、并励式、复励式。直流电机的特点：与交流电机相比，直流电机有以下特点：〔1〕调速范围广，易于平滑调速；〔2〕起动、制动和过载转矩大；〔3〕易于控制，可靠性较高3.2.1.3直流电机的主要性能参数根据国家标准，直流电机的额定值有：〔1〕额定功率PN〔kW〕；〔2〕额定电压UN(V〕；〔3〕额定电流IN(A〕；〔4〕额定转速nN〔r/min〕；〔5〕励磁方式和额定励磁电流IfN(A)。有些物理量虽然不标在铭牌上，但它们也是额定值，例如在额定运行状态的转矩、效率分别称为额定转矩、额定效率等。关于额定功率，对直流发电机来说，是指电机出线端输出的电功率，其额定容量为PN=UN*IN；对直流电动机而言，那么是指它的转轴上输出的机械功率，其额定功率为PN=UN*IN*ηN；。直流电机的参数简单估算：直流伺服电机简介伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件。它将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出.直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机，其结构和原理与普通的他励直流电动机相同，只不过直流伺服电动机输出功率较小而已。直流伺服电机的电枢控制方式：控制电枢电流，多用。直流伺服电机的磁场控制方式：控制励磁绕组电流，使用场合很少。〔因为其调节持性在某一范围不是单值函数，每个转速对应两个控制信号〕励磁绕组：励磁Uf→励磁If→励磁Φf，电枢绕组：控制电压Ue，电枢回路的电压平衡方式为Ua=Ia*Ra+Ea其中Ea=CeΦ*nCe为电动势常数电动机的电磁转矩公式为：T=CT*Φ*IaCT为转矩常数电磁功率：PM=T*Ω直流伺服电机的控制原理图：直流电机的动态平衡方程：3.2.1.5直流电机的机械特性、调节特性、控制特性机械特性：由上面三式可得到电枢控制的直流伺服电动机的机械特性方程式为〔〕改变控制电压Ua，而机械特性的斜率Ra/(CeΦ)不变，故其机械特性是一组平行的直线理想空载转速为Ua/(CeΦ)。机械特性曲线与横轴的交点处的转矩就是n=0时的转矩，即直流伺服电动机的堵转转矩为IaRa/(CeΦ)。机械特性〔负载特性〕调节特性〔控制特性〕调节特性调节特性是指在一定的转矩下电机的转速n与控制电压Ua的关系。由调节特性可以看出，当转矩不变时，增强Ua，直流伺服电动机的转速增加，且呈正比例关系；反之，减弱控制信号减弱到某一数值，直流伺服电动机停止转动，即出现电机堵转,始动电压：实际上始动电压就是调节特性与横轴的交点。〔利用以上2图，解释直流电机的优点〕3.2.2直流电机的驱动电源3.2.2.1交流电源+整流电路晶闸管整流，晶闸管导通条件：①阳极正电压、阴极负电压；②触发脉冲上升沿〔图解〕在输入电压为正弦波形的情况下：控制角：从开始承受正向电压到开始导通的角度α导通角：导通的角度为导通角θ有：α→θ→电压波形→平均电压。单相半波整流，图解优点：简单缺点：电流脉动大、变压器容量利用率低单相半波可控整流单相桥式全控整流单相桥式全控整流：优点：变压器容量利用率高3.2.3直流电机的调速控制转速闭环控制：〔介绍调速原理〕直流电源+PWM控制：简单介绍PWM的原理〔5分钟以内：介绍清楚占空比与平均输出值之间的定性关系〕。对电压的调节→对占空比的调节，数字控制器的应用3.2.4直流电机的工作方式电压控制方式：原始控制方式，其特性为直流电机的原始特性,(机械特性、调节特性)。速度控制方式：电机最常见的控制方式，如前所述。目前比拟先进的方式：PWM驱动，闭环控制。对于伺服电机，通常有专用的控制器。位置控制方式：小功率伺服控制场合，电流控制方式：电流控制即力矩闭环控制方式，特殊场合。对于具有专用控制器的伺服电机，以上几种控制方式可以随时进行切换，甚至动态切换。3.3交流电机3.3.1交流电机工作原理旋转磁场的产生转子结构：鼠笼式、绕组式转差率概念：s转速方程：，定子转速n1,转子转速n，电动机极对数p3.3.2交流电机的特性3.3.2.1固有机械特性三相异步电动机的定子在额定频率的额定电压下，定子绕组按规定的接线方式联结，定子及转子回路不外接任何电器元件的条件下的机械特性称为固有机机械特性。几个特殊点有：同步转速点〔s=0〕、额定运行点〔s=sN〕、最大转矩点〔s=sm〕、起动点〔s=1〕。3.3.2.2人为机械特性降低定子回路端电压的人为机械特性：线性段变软，过载能力显著下降。转子回路内串接对称电阻时的人为机械特性：线性段的特性越软，但起动力矩可能变大。定子回路串接对称电抗或电阻时的人为机械特性：其线性段的特性变软。3.3.3交流电机的启动与制动三相异步电机直接起动：在额定电压下直接起动三相异步电动机。即转差率s＝1，功率因数很小，起动电流I0相当大而起动转矩T0并不大。启动电流过大：冲击电网，反过来影响电机的起动，因此需要大容量变压器。对于鼠笼式电机：〔1〕降低定子电压；〔2〕加大定子端电阻或电抗。具体措施如下：直接起动时：能耗较大，小容量电机，电机容量小于。简单方便定子串接电抗器或电阻起动:对容量不限制，但应该轻载起动。轻载，冲击小ㄚ－△降压起动:而且限于正常运行为△接法的电动机，可频繁起动。效果好自耦变压器降压起动：较大容量的鼠笼式异步电动机上广泛应用，较大负载起动，但不应频繁起动。延边三角形降压起动：专门设计的电机，较大负载可频繁起动串电抗器起动自耦变压器降压起动直接起动延边三角起动绕组式电机的起动：对于三相绕线式异步电动机起动时，转子回路串接适当的三相对称电阻，既能限制起动电流，又能增大起动转矩，且能使起动转矩等于最大转矩。起动结束后，可以切除外串电阻，电动机的效率不受影响。对于重载和频繁起动的生产机械，三相鼠笼式异步电动机难以满足要求时，才选用三相绕线式异步电动机。因为，绕线式异步电动机与鼠笼式异步电动机相比拟，结构较复杂，控制维护较困难，制造本钱较高，价格较贵。3.3.5交流电机的变频调速控制交流电机使用广泛，其调速方法及技术更有意义。3.3.5.1晶闸管调压调速闭环控制：线路简单、装置体积小、使用维护方便、价格低廉低速时感应电机的转差功率损耗大，运行效率低。3.3.5.2PWM调速①晶闸管变频调速原理介绍原理，三个模块的作用：直流→交流、调整频率。整流器——滤波器——逆变器。为确保在要求的时刻准确通断，粗要增设专门的电路晶闸管的通电方式：通电顺序1→2→3→4→5→6②脉宽调制型晶闸管调速系统变幅脉宽调制恒幅脉宽调制〔利用脉宽调制方法〕③脉宽调制方法3.4电机的选择〔MAXON〕3.4.0电机选择的主要参数关于负载特性：转速：扭矩：功率：其他：控制方式、供电方式、体积重量等利用对电机的控制调整其特性，以满足不同工作点。3.4.1交流电机的选择转速：异步电机的转速不可调。除非涉及专门的调速系统。扭矩：重要指标起动力矩：配合起动方式情况下的起动力矩转速控制：不控制/控制，变频控制是流行的控制方式。3.4.2直流电机的选择3.4.3步进电机的选择第4章机电一体化中的接口技术4.1单片机简介接口用于协调、匹配、转换两个或两个以上系统之间的介质、速度等工作方式根据接口形态分：机械接口、电气接口、电气机械接口：机电一体化中的接口类型：人机接口、机电接口机电接口：进行电平转换和功率放大；进行抗干扰隔离；进行A/D和D/A转换。人机接口：4.1A/D模拟—数字转换4.1.1A/D原理4.1.1.1A/D转换原理：如图：〔周祖德书P75，图4.3〕逐次逼近式：①给定初值，存入存放器②将存放器中的数字量进行D/A转换③将转换结果与被转换的模拟量进行比拟④如果转换结果小于被转换的模拟量，上调存放器的数字量，重复②如果转换结果大于被转换的模拟量，下调存放器的数字量，重复②⑤以上②-④重复N次，即存放器的位数，输出存放器结果双积分方式：4.1.1.2A/D转换器的性能指标：分辨率和量化误差：如8位A/D转换器相对分辨率=0.39%，量化误差为±转换精度：实际量化值-理想量化值，8位A/D的绝对精度<0.5LSB，相对精度<0.2%转换时间和转换速率：完成一次A/D所需要的时间，其倒数为转换速率失调温度系数：环境温度变化1度引起的相对误差4.1.2A/D常见芯片8位A/D转换器ADC0809〔ADC0808〕：〔见右图〕28引脚8路8位A/D转换器单路转换时间115μs〔时钟640kHz〕转换精度：1LSB〔ADC0808为0.5LSB〕主要组成局部及其功能：8选一开关、地址锁存与译码、8位逐次比拟模数转换器、三态输出缓冲器、控制逻辑12位A/D转换器AD574〔见右图〕28引脚单路12位A/D转换器转换时间25μs，内部时钟；转换精度：0.5LSB主要组成局部及其功能：输入方式选择、比拟器、D/A转换器、逐次逼近存放器、时钟电路、三态输出缓冲器、控制逻辑4.1.3A/D接口设计以AD