机电一体化原理及应用课件

机电一体化原理及应用第一章机电一体化系统的概论

机电一体化系统的概念机电一体化系统的主要组成部分机电一体化共性关键技术机电一体化应用及发展前景§1机电一体化的基本概念简单地讲:机电一体化是机械与电子技术有机结合的产物。机电一体化是一个新兴的边缘学科，代表着机械工业技术革命的前沿方向机电一体化是以机械学为基础，利用微电子、计算机、传感器、控制理论等众多相关学科的理论和技术而形成的一门新的学科。主要研究机械电子的理论和技术应用。§1机电一体化的基本概念机电一体化的发展根本原因,在于生产的发展和科学技术的进步,尤其是自动化技术和计算机科学起了重要作用。系统工程、控制论、信息论

这三门学科的诞生为机电一体化技术提供了理论基础和方法论。

微电子技术的发展为机电一体化技术奠定了物质基础。“机电一体化”起源:

最早，1971年日本“机械设计”杂志副刊提出了Mechatronics(Mechanics+Electronics),日本人造的英语单词，目前已被普遍接受和承认。几种描述:1983年日本振兴协会提出:

机械电子乃是在机械的主功能、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。1984年美国机械工程师协会(ASME)的一个专家组在给美国国家科学基金的报告中提出现代机械系统的定义:

由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械系统、运动和能量流等动力学任务的机械（或机电部件）相互联系的系统，这实质上就是机电一体化的机械系统。90年代国际机器和机械理论研究会（IFTMM）成立了机电一体化技术委员会，给出了以下的定义:

机电一体化是精密机械工程、电子控制和系统思想在产品设计和制造过程中的协同结合。1991年英国创刊了国际性期刊《Mechatronics》，在其刊物的编辑方针提出:

机电一体化的基本形式可以视为在现代工程技术中机械与电气科学的结合。

它是一种相对新的概念，涉及系统、部件和产品的设计，其次目的是在基本机械结构及其总体控制之间求得最佳平衡。1996年3月，国际电气与电子工程师学会（IEEE）与美国机械工程师学会（ASME）联合创刊《机电一体化学报》，在第一期编者的话中将机电一体化定义为:

在工业产品和过程的设计制造中，机械工程与电子和智能计算机控制的协同集成。描述不尽相同，概述一起应该是:机电一体化技术是以系统论、控制论和信息论为理论基础和方法论,在机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术等现代高新技术群体基础上发展起来的一种高新技术。机电一体化包括的内容非常广泛,表现为一种崭新的学术思想,它除了强调机与电的有机结合外,还具有更深刻、更广泛的涵义。按照机电一体化的思想,凡是由各种现代高新技术与机械和电子技术相互结合而形成的各种技术、产品（或系统）都属于机电一体化的范畴。因此,人们常说的机电液一体化、光机电一体化、机电仪一体化及机电信一体化,实质上都可归结为机电一体化。§2机电一体化系统的主要组成部分（要素）机械本体传感检测部分执行部分动力部分驱动部分信息处理及控制部分。一、

机械本体1、概念机械本体就是其机械结构部分。

包括机械结构装置和机械传动装置，属于产品的基础部分。

机身、床身、框架、机械的联结和支承等均属于机械本体。2.功能构造系统的各子系统，零部件按照一定的空间和时间的关系安置在一定的位置上，并保持特定的关系，形成最佳的匹配方式。3.机械本体的发展机电一体化的产品众多，多层次，繁简各异，其机械本体有的很简单，有的很复杂。

如电子表外壳、打印机外壳、支架、机床的床身，大型数控支承体等。因此机械本体总的发展趋势是：

结构简单、加工制造方便、通用性强。

当然，不怎么变，机械本体只会变更加合理，决不会消失。二、传感检测部分1、概念用于检测各部分的状态参数和环境参数的部分。

主要用各种传感器及相应的检测及放大电路实现。2.功能把系统运行过程中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，变为可识别的信号，再传递给信息处理和控制部分，经处理后产生响应的控制信息。三、执行部分（执行机构）1.功能接收信息处理部分发出的指令，完成所需要的动作。执行机构是运动部件，将输入的各种形式的能量转换为机械能（如人的四肢）。

例如：自动洗衣机完成洗涤、脱水、烘干等

自动机床自动换刀、切削量、工作台换向或更换等

火箭发射的自动点火、自动定向、分级等

完成这些操作虽然需要组成部分的协调工作，但最终是通过执行机构来实现的，它直接和被控对象打交道，按照指令准确、迅速、可靠地实现对被控对象的调整和控制。没有它其它部分再好也等于零。2.执行机构应具有的性能①

可靠性高。

执行机构直接和被控对象打交道，一般地说说所处的环境比较恶劣。因此要求执行机构不能经常出故障。有的故障是一般性的，有的则是致命的。如：

洗衣机不转。照相机快门不动作。

机床不换刀。

汽车煞车不动作。

火箭点火失灵。

导航失灵。

②

响应迅速（动态性能好）。

响应迅速可以提高生产效率。另一方面有些执行机构的快速响应是必须的。

如导弹的方向修正。防空系统火力发射。汽车刹车。③动作准确。

动作不准确可能会造成较大的误差，也可能造成致命的损失。如：进刀量的不准确可能造成废品。

洗衣机的排水阀的不准确可使排水不畅

导弹方向控制不准确可能会…④高效率。

执行机构应具有高效率，尽量减少能量的损失，这在大型机电设备尤为重要。3.执行机构的分类

按执行机构的能源形式来分有三种：

电动式、气动式、液压式（液动式）执行机构四、驱动部分、动力部分功能:

驱动部分接受控制部分的指令，去驱动执行机构完成各种动作和功能。动力部分为系统提供能量和动力。

（最初始的能量主要来源于电能，）驱动部分是主要的能量消耗单元，放大是驱动部分的重要功能，因此有的就把这两部分合并成一部分——动力源。驱动部分的负载是执行机构，要把控制器送来的微小信号进行放大。驱动部分应根据不同的对象采用不同的输出形式。如

步进电机:脉冲序列

伺服电机:交、直流电流或电压

液、气缸:一定的压力差。一般的控制器输出为一定的电平（或脉冲）信号。故有的信

号不仅需要放大，还需要进行必要的变换，以适应不同的执

行机构。有的闭环控制中，需要将执行机构的位移、速度、温度等信

号作为反馈信号进行输入，这就要求驱动机构具有反变换功

能。为了提高系统的效率，还应考虑驱动部件与控制器、与执行

部件的匹配，使系统处于最佳的工作状态。故:驱动部件的主要功能有三个:放大、变换、匹配。五、信息处理及控制部分核心部分。各个部分能够成为一个有机整体，协调工作，都是在控制

器的控制下进行的。

它们收集各种相关的信息或信号，通过计算机进行运算、

分析，然后产生各种有用的控制信号输出，实现相应的控

制。

主要组成:软、硬件组成。是机电一体化产品的大脑。§3机电一体化共性关键技术机械技术（基础）计算机与信息处理技术检测与传感技术自动控制技术伺服驱动技术系统总线技术机电一体化是多种技术学科相互交叉、渗透而形成的一门综合性的边缘技术学科。其共性关键技术可以总结为以下几个方面:

机电一体化的相关技术机械技术（驱体）要求:新颖的结构、小体积、轻重量、精度高、刚度大、动态性能好。考虑:静动态刚度、热变形、新型复合材料、新型结构、新型制造工艺、新型工艺装配。传感检测技术（眼、耳、舌）物理量转换成电量；转换成电量后的放大、补偿、标度换算。信息处理技术（大脑）信息的变换、存取、运算、判断、决策。自动控制技术（神经系统）

研究单输入—单输出、线性定常系统；高性能、高精度的多变量系统的最优控制。

伺服驱动技术（手、脚）

液压伺服系统、电气伺服系统。

系统总体技术（容貌、仪表、匀称、气质、本质、家族、学历、知识、文化、潮流）

机电一体化系统是一个技术综合体，利用系统总体技术将各种有关技术协调配合、综合运用达到整体系统的最佳化。

如:接插件、接口转换、软件开发、微机应用技术、控制系统的成套性、成套设备的自动技术。§4机电一体化应用及发展前景在新技术革命的浪潮中,自动化技术已深入到社会的各个方面,有人称之为"全盘自动化"。在这些自动化的系统中,主要是由很多种机电一体化产品所构成。从我国将要发展的机械工业产品来分析主要由以下产品需要实现程度不同的机电一体化。具体地说,典型的机电一体化产品主要包括:大型成套设备；数控机床；仪器仪表电子化；自动化管理系统；电子化量具量仪；工业机器人；电子化家用电器；电子化电机传动与调整系统；电子化电站自动装置与开关板；电子医疗器械；电子化低压电器；微电脑控制加热炉；电子控制汽车或内燃机；微电脑控制印刷机械；微电脑控制食品机械或包装机械；微电脑控制办公机械；电子式照相机；电子控制农业机械；电子控制塑料加工机械；电子控制电焊机；计算机辅助设计系统(CAD)；计算机辅助制造系统(CAM)；计算机集成制造系统(CIM)。

机电一体化（产品）已经显示出强大的威力，并已渗透到国民经济、社会生活的各个领域。已经达到了“无孔不入”的地步。并以空前的速度和力度冲击着传统的技术思想、生产方式和方法，以及传统的机电产品和产业结构，使国民经济的各个领域产生深刻的变革。

典型的机电一体化产品代表:机器人:组成:机械本体，控制系统，驱动器，传感器。发展:单一功能机器人向智能机器人发展。观看录像。§4机电一体化应用及发展前景机电一体化技术的发展前景:

①性能上:向高精度、高效率、高性能、智能化方向发展；

②功能上:向小型化、轻型化、多功能方向发展；

③层次上:向系统化、复合集成化的方向发展。综上所述，我们可以概括出以下几点基本认识:①机电一体化是一种以实践，即产品和过程为基础的技术②机电一体化以机械为基础③机电一体化以计算机控制为核心④机电一体化将工业产品和过程都作为一个完整的系统看待，强调各种技术的协同和集成，不是将各个部件单独处理，把它们混合或凑到一起⑤机电一体化贯穿于设计和制造的全过程中。思考题什么是"机电一体化"？以打夯机为例，内含机械与电气，问这是不是机电一体化产品？机电一体化产品由哪五部分构成？机电一体化的技术构成是什么？我国煤矿机电一体化技术现状与前景？第二章传感器及其接口处理技术

2.1概述

在机电一体化系统中有各种不同的物理量(如位移、压力、速度等)需要测量与控制,如果没有传感器对原始的各种参数进行精确而可靠的检测,那么对机电产品的各种控制是无法实现的。因此能把各种不同的非电量转换成电量的传感器便成为机电一体化系统中不可缺少的组成部分。作为一个独立器件,传感器的发展正进入集成化、智能化研究阶段。把传感器件与信号处理电路集成在一个芯片上,就形成了信息型传感器；若再把微处理器集成到信息型传感器的芯片上,就是所谓的智能型传感器。2.1.1传感器的定义传感器:传感器是一种以一定的精确度将被测量(如位移、力、加速度等)转换为与之有确定对应关系的、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。2.1.2组成组成:敏感元件、转换元件、电子线路等组成。1敏感元件直接感受被测量、并以确定关系输出物理量。如弹性敏元件将力转换为位移或应变输出。2转换元件将敏感元件输出的非电物理量(如位移、应变、光强等)转换成电量参数(如电阻、电感、电容等)等。3基本转换电路将电路参数量转换成便于测量的电量，如电压、电流、频率等。直接转换与间接转换传感器的组成

2.1.3传感器的特性传感器比较常用的性能指标有以下几种1.关于输入量的特性:(1)量程或测量范围传感器预期要测量的被测量值的范围，一般用传感器允许测量的上下极限值来表示，其中上限值也称为满量程FS。(2)过载能力传感器允许承受的最大输入量(被测量),通常用一个最大允许值或满量程的百分比来表示。2.关于输入输出关系的静态特性(1)精度表示测量结果与被测的“真值”的接近程度。一般用“极限误差”或极限误差与满量程的比值按百分数给出。(2)重复性反映传感器在工作条件不变的情况下,重复地输入某一相同的输入值,其输出值的一致性,其意义与精度类似。(3)线性度也称非线性,表示传感器输出与输入之间的关系曲线与选定的工作曲线的靠近程度,采用工作直线与实际工作曲线之间的最大偏差值与满量程输出之比来表示。(4)灵敏度传感器输入增量与输出增量之比；(5)稳定性(温度漂移,时间零漂)时间零漂:在规定的时间内,在温度不变的条件下,零输出的变化；温度漂移:当温度发生变化时,其输出特性的变化,通常用零点输出变化值表示,也可以用它与满量程的比值来表示。3.动态响应特性在被测量的物理量随时间变化的情况下,传感器的输出能否很好地追随输入量的变化是一个很重要的问题。有的传感器尽管其静态持性非常好,但由于不能很好追随输入量的快速变化而导致严重误差,这种动态误差若不注意加以控制,可以高达百分之几十其至百分之百。在被测信号变化速度较快的情况下要求我们要认真注意传感器的动态响应持性。频率响应特性幅频特性相频特性阶跃响应特性时间常数上升时间过冲量(超调量)固有频率阻尼比(对数减缩)2.1.4传感器的分类传感器的分类方法有多种;1、按被测物理量的性质分；位移传感器、温度传感器、压力传感器等等；2、按工作机理分；电阻式、电感式、电容式、光电式；3.按照输出信号的性质分类；可分为开关型(二值型)、数字型和模拟型，如下图所示：1开关型开关型传感器的二值就是“1”和“0”或开(ON)和关(OFF)。这种“l”和“0”数字信号可直接传送到微机进行处理,使用方便。特性曲线中如果设输出状态从断到通时的输入值为INon,而从通到断时的输入值为INoff,则特性满足INoff＜INonINoff与INon的差称为磁滞宽度或瞬动(snap)宽度。二值型传感器的实用特性2数字型数字型传感器有计数型和代码型两大类。其中计数型又称脉冲数字型；它可以是任何一种脉冲发生器,所发出的脉冲数与输入量成正比,加上计数器就可对输入量进行计数,如可用来检测通过输送带上的产品个数,也可用来检测执行机构的位移量。这时执行机构每移动一定距离或转动一定角度就会发生一个脉冲信号,例如增量式光电码盘和检测光栅就是如此。代码型传感器又称编码器,它输出的信号是数字代码,每一代码相当于一个一定的输入量之值。3模拟型模拟型传感器的输出是与输入物理量变化相对应的连续变化的电量。输入与输出可以是线性的也可以是非线性的。2.1.5机电一体化系统对传感器的基本要求1.精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高；2.体积小、重量轻、对整机的适应性好；3.安全可靠、寿命长；4.便于与计算机连接；5.不易受被测对象性(如电阻、导磁率)的影响,也不影响外部环境；6.对环境条件适应能力强;7.现场处理简单、操作性能好；8.价格便宜。2.1.6机电一体化系统常用传感器1.位移检测传感器位移测量是直线位移测量和角位移测量的总称，位移测量在机电一体化领域中应用十分广泛，这不仅因为在各种机电一体化产品户常需位移测量，而且还因为速度、加速度力、压力、扭矩等参数的测量都是以位移测量位移为基础的。直线位移传感器主要有:电感传感器、差动变压器传感器、电容传感器、感应同步器和光栅传感器。角位移传感器主要有:电容传感器、旋转变压器和光电编码盘等。2.1.6.1自感、互感型位移传感器可变磁阻式电感传感器。改变铁心与活动衔铁之间的距离。涡流式传感器改变涡流线圈与被测量之间的距离。差动变压器式电感传感器改变衔铁位置实现位移测量。电容式位移传感器极距变化、面积变化导致电容量变化。2.1.6.2电蜗流位移传感器基本结构:由探头（线圈、骨架、壳体、射频电缆和射频插头）、与前置器构成。测量原理:前置放大器→高频信号激励→线圈→产生高频磁场→金属表面会感应出涡流→涡流损耗→线圈磁感应强度变化→经前置器转换成电压信号∝距离（线性关系）电蜗流位移传感器特点：①非接触式测量②线性范围宽，0～80mm③动态响应好，0-10kHz④长期连续可靠工作，抗干扰能力强⑤在水、油等恶劣环境条件下工作⑥可长线传输⑦直接与A.D接口相连配计算机使用2.速度、加速度传感器检测转速的传感器有测速发电机、光电、磁电式转速传感器。检测加速度可用电容式或压电式加速度传感器。检测直线运动速度时,可以将直线运动变换成回转运动,然后再用转速传感器检测。采用数字型传感器检测位移时,也可同时检测运动速度。对于计数型传感器,可通过检测其脉冲频率来得到运动速度的数据。代码型传感器,则可通过检测其代码变换周期来确定运动的速度。n=60N/Ztn—转速r/mint–测量时间sN---t内的脉冲个数Z---圆盘上的缝隙个数2.1.6.3转速及角位移传感器编码器就是近年来出现的一种新型的高精度、数字化、大尺寸测量元件，用作旋转轴和线性轴的反馈装置。用途:用于数控机床、木工机械、机器人和装卸设备、纺织机械、绘图仪和仿形装置，测量和测试设备。特点:(1)能借助于微电子技术，达到足够高的精度，没有人为的读数误差；(2)易于实现系统的快速、自动和数字化；(3)测量系统量程大，长度可以达数米甚至更长，角度可以在360°范围内进行测量；(4)体积小，重量轻，结构紧凑，测量系统安全方便，使用和维护简单，工作可靠。转速及角位移传感器1绝对式旋转编码器可直接从分度盘的编码图案中得出角度位置,然后转换成编码信号。即使电源有瞬间掉电,只要主轴转速在允许范围内,都能通过控制器或计算机编译成编码信号。2增量式旋转编码器以脉冲形式输出,被测物体每走过一个当量距离,编码器就输出一个脉冲。3.力、力矩传感器利用应变片可以制成应力传感器、力传感器和力矩传感器,还可将应变片直接贴在被检测部分来检测力、压力和力矩的大小,所使用的应变片有电阻丝式、金属箔式和半导体式。2.1.6.4电阻应变计电阻应变计是根据应变—电阻效应,将给测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。它不仅直接作为应力、应变测量的传感器而且可以与弹性元件组合构成力、压力、称重、位移、扭矩、振动、加速度等多种专用式传感器,广泛应用于机械、交通、建筑、化工和电力等行业。电阻应变计的结构电阻应变计主要由电阻敏感栅、基底和面胶（或覆盖层）、粘结剂、引出线五部分组成。电阻应变计的结构如图所示。图3-9电阻应变计的构造1—敏感栅；2—引出线；3—粘结剂（未示出）；4—覆盖层；5—基底3.应变计的类型电阻应变计的分类方法很多，常用的是按应变计的制造材料、温度以及用途的不同来分类。（1）按敏感栅的制造方法分类1）金属丝式应变计箔式应变计箔式应变计的敏感栅是利用照相制版或光刻腐蚀技术制成的,箔栅厚度一般为0.002mm~0.005mm,最薄的达0.00035mm。箔式应变计,工艺上能保证敏感栅尺寸的准确,线条均匀,适应不同的测量要求,传递试件应变性能好、横向效应小和散热性能好,因此得到了广泛的应用,现在已经基本上取代金属丝应变计。金属薄膜应变计所谓薄膜是指厚度在0.1um以下的膜,它是采用真空的溅射或真空沉积等方法制成的。通过按规定的图形制成的掩膜版,在基底材料上溅射或沉积一层电阻材料的薄膜,从而制成金属薄膜应变计。4.电阻应变计的应用电阻应变计主要有以下两种应用方式：（1）应变片直接粘贴在试件上，用来测量工程结构受力后的应力分析或所产生的应变，为结构设计、应力校正或分析结构在使用中产生破坏的原因提供试验数据，如电阻应变仪。在测量齿轮轮齿弯矩或立柱应力时，也常在被测位置处直接粘贴应变片进行测量，如图所示。图3-11构件应力测定的应用（2）将应变片粘贴在弹性元件上,进行标定后作为测量力、压力、位移等物理量的传感器。1—质量块；2—应变梁；3—应变片；4—阻尼液；

5—密封圈；6—接线板；7—底座图3-12应变式加速度传感器4位置传感器位置传感器和位移传感器不一样,它所测量的不是一段距离的变化量,而是通过检测,确定是否已到某一位置。因此,它只需要产生能反映某种状态的开关量就可以了。位置传感器分接触式和接近式两种。所谓接触式传感器就是能获取两个物体是否己接触的信息的一种传感器；而接近式传感器是用来判别在某一范围内是否有某—物体的一种传感器。(1)接触式位置传感器这类传感器用微动开关之类的触点器件便可构成,它分以下两种a.由微动开关制成的位置传感器二维矩阵式配置的位置传感器1、柔软电极2.柔软绝缘体(2)接近式位置传感器接近式位置传感器按其工作原理主要分:①电磁式；②光电式；③静电容式；④超声波式；⑤气压式等。其基本工作原理可用下图表示出来。接近式位置传感器的工作原理接近传感器1接近传感器概述用途:属无触点接近开关，用于导电、导磁金属材料的限位置、固体料位和液体液位检测等常用的接近传感器:感应式接近传感器，电容式接近传感器，及电磁式接近传感器高精度的接近传感器，还能检测金属薄板及渡层的厚度。优点:不直接接触被测物体，开关及被测物均没有机械磨损，使寿命很长，可适用于高速检测。原理:但当被测物体进入接近开关的灵敏区时，就会发出一个脉冲信号。灵敏区形状:探头附近的一个近似半球区域。2.1.6.5感应式接近传感器适用:空间有限情况的金属的非接触接近测量探头结构分类:有屏蔽的、无屏蔽的两种。后者测量距离较前者为大。结构:振荡器、感应线圈、斯密特电路及输出电路组成。工作原理:振荡器在探头端部产生磁场作用区，当金属进入该作用区时，引起振荡器停振。感应式接近传感器图2-12-1感应式接近传感器的工作原理

2.1.6.6电容式接近传感器适用:非接触、空间有限。如各种管道内流体的测量、料位测量及对金属物品测量。结构:由振荡器、斯密特电路及输出电路组成，电容器的一个电极是传感电极，另一个电极是大地。原理:加电后，两极间产生电场，当与大地连接的金属物体靠近电容器时引起振荡器停振。电容式接近传感器图2-12-2电容式接近传感器的电路结构及工作原理

2.1.6.7电磁式接近传感器适用:非接触式导磁材料测量结构:内部有4个磁铁和一个常开触点的干簧继电器。原理:导磁材料外界物体→靠近电磁式接近开关诱导面→磁场失去平衡→干簧继电器的触点闭合5温度传感器分类: 高温传感器（热电偶、铂电阻以及红外辐射测温计）；常温传感器（热敏电阻、铜电阻等）；低温传感器（铜电阻等）。2.1.6.8热敏电阻说明:热敏电阻是一种电阻值随温度变化的半导体元件。特点:体积小，灵敏度高，价格崐低，所以应用最为广泛。分类:一类电阻值随温度升高而增加（正的温度系数），一类随温度升高而降低（负的温度系数，常用）。特性:热电特性、伏安特性。热敏电阻的热电特性定义：电阻值随温度变化的关系，以坐标图表示它是一条指数曲线： 式中： RT——温度为T时的电阻值；T——绝对温度，K；A.B——由材料及制造工艺决定的系数热敏电阻材料：铁、镍、锰、钼、钛、镁、铜等氧化物做成。改变这些混合物的成分，就可以改变热敏电阻的测量范围、阻值及A.B值。热敏电阻的热电特性图2-14-1热敏电阻的热电特性图图2-14-2热敏电阻的伏安特性图热敏电阻伏安特性说明:热敏电阻的伏安特性是指通过热敏电阻的电流与其两端电压之间的关系。原理: 当热敏电阻的电流很小时，热敏电阻的伏安特性遵循欧姆定律；但当电流大到一定程度时，流过热敏电阻的电流使其自身温度升高，因而其阻值减小。因此在使用热敏电阻伏安特性时应防止电流过大。2.1.6.9热电偶温度传感器说明：是较早的一种接触式温度传感器，测量可从室温至1800℃。所以至今仍是应用最广的温度传感器。发展趋势：标准化（我国已8个品种）、小型化（最小的铠装热电偶直径为2～4mm）。测温原理：热电效应。将不同的导体或半导体A.B组成闭合回路，使两个接点处于不同的温度，回路中就产生电动势。热电偶温度传感器输出电动势:与两种材料的性质及两接点的温度差有关，与导体的大小，接触面积及连接方式无关。其输出电势为:EAB(t，t0)=fAB(t)-fAB(t0)如果使热电偶的一个接点温度t0保持不变，设fAB(t0)=C，则上式可写成:EAB(t，t0)=fAB(t)-C热电偶温度传感器表明:产生的热电势EAB(t，t0)只与温度t有关，成为温度的单值函数。实际:使t端与工作介质接触，进行测温，称为工作端，t0端称为热电偶自由端或参考端或冷端。冰点槽装置:用于在工作中将自由端保持0℃恒温，然后将工作端的温度与电势关系列成表格，供测量人员使用。热电偶温度传感器图2-14-3热电偶效应图2-14-4冰点槽装置

6视觉传感器视觉传感器在机电一体化系统中的作用有：1、确定对象物的位置与姿势；2、图像识别：确定对象物的特征(识别符号、读出文字、识别物体)；3.形状、尺寸检验：检查零件形状和尺寸方面的缺陷。在机电一体化系统中采用的视觉传感器有光导摄像管摄像机、固体半导体摄像机、激光视觉传感器等。固体半导体摄像器件有CMOS型(金属氧化物集成电路)、CCD型(电荷耦合器件)以及CMOS和CCD混合型等。图像传感器在机电控制、机器人的领域中起着重要的作用，尤以CCD图像传感器和红外线图像传感器应用最为广泛。CCD图像传感器:典型例，日本KEYENCE公司生产的VH系列图像显微检测仪。红外线图像传感器:典型例，AVIONICS公司生产的TVS-2000系列热图像系统。2.1.6.10CCD图像传感器命名:CCD(ChargecoupleDevice)即电荷耦合器件的简称，是一种金属氧化物半导体(MOS)集成电路的简称。结构:由感光部和CCD移位寄存器组成。原理:成像在CCD上的景物→感光部电信号→电子图像→CCD移位寄存器→放大器→输出分类:中按结构和信号电荷传送方式，又可分为线阵(一维)和面阵两种。1线阵CCD图像传感器中间是一列感光单元（光电二极管阵）,两侧分别设置了CCD移位寄存器。感光单元按位置的奇偶性,分别把其所存储的电荷向两侧移位寄存器传送,最后在输出部汇合输出。在其感光部和两侧CCD移位寄存器之间设有转移栅。移位寄存器停顿时,转移栅开放,光电二极管所积累的电荷可以送到两侧的CCD移位寄存器中。接着转移栅关闭,感光部的光电二极管开始进行下一次读出的电荷积累。线阵CCD图像传感器广泛应用于传真等场合。1线阵CCD图像传感器图2-16-2048位线阵CCD图像传感器结构

2面阵CCD图像传感器分类:按构成分为两种:帧传送方式和行间传送方式。在帧传送方式垂直消影期中，感光部所积累的信号电荷快速转送到存储部，然后由输出寄存器顺次读出。在行间传送方式中积累的电荷一次转送到邻接的垂直移位寄存器，以后从输出移位寄存器中读出信号。400×500像素和800×500像素的CCD图像传感器适用于工业监视及工业机器人。1024×800的CCD图像传感器也已用于TV摄像机。2面阵CCD图像传感器图2-16-2帧传送面阵CCD图像传感器的结构图2-16-3行间传送面阵CCD图像传感器的结构

2.1.6.11红外图像传感器功能：把波长为2～20μm的红外图像→TV时间系列扫描信号。构成：红外传感（量子型和热型）和电子扫描两部分。分类：量子型红外图像传感器、热型红外图像传感器两大类。量子型红外图像传感器：采用固体电子扫描，如单片型CCD.混合型CCD或肖特基势垒型CCD等。热型红外图像传感器：采用热电光导摄像管式的电子扫描或采用热电红外CCD型的固体电子扫描。1热电光导摄像管特征:靶电极用热电材料，采用镍—铬和黄金黑体等吸收红外线的材料，其窗口采用能透过红外线的玻璃。原理:基于热电效应。景物→透镜→成像在热电光导摄像管上→红外热图像→在靶面上感应出相应的电压分布→被电子束拾取→做为时间序列信号读出2红外CCD特征:是采用固体电子扫描的原理。最新的肖特基势垒型CCD图像传感器可制成灵敏度均匀的大面积图像传感器。图2-16-4热电光导摄像管图2-16-5红外CCD图像传感器

2.2传感器与微机的接口技术输入到微型机的信息必须是微型机能够处理的数字量信息。传感器的输出形式可分为模拟量、数字量和开关量。与此相应的有三种基本接口方式,见下表。2.2.1数字量、开关量的接口可以通过缓冲器直接输入到计算机数据总线上。2.2.2模拟量的接口1.模拟量的数字化过程(1)时间断续采样定理设信号最高频率为fc,在采样频率fs>=2fc为的条件下,采样后的信号能无失真的恢复为原来的模拟信号。(2)数值断续数值断续的过程叫量化,所谓的量化就是把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整数倍数比较,以最接近于采样信号幅值的最小数量单位的倍数来代替该幅值。最小单位叫量化单位,它定义为量化器的满量程电压FSR与2n的比值；q=FSR/2n例当FSR=10V,n=8时q=39.1mv当FSR=10V,n=12时q=2.44mv当FSR=10V,n=16时q=0.15mv完成量化的器件叫量化器,即A/D转换器。2模数（A/D）转换器模数转换器把输入的模拟信号经过量化和编码后,转换成数字信号的器件。根据比较的工作原理可分为直接比较型和间接比较型两大类。(1)逐次逼近型A/D转换器结构与工作原理去留码规则,UI>=UF保留1UI<UF不保留1,置零UF=UREF(2-1a1+2-1a2…..+2-nan)AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下:

分辨率:12位

非线性误差:小于±1/2LBS或±1LBS

转换速率:25us

模拟电压输入范围:0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V两档四种

电源电压:±15V和5V

数据输出格式:12位/8位12位逐次逼近式A/D转换器AD574与单片机8051的接口电路(2)双斜积分式A/D转换器结构与工作原理ICL7109是一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分型12位A/D转换器。在要求转换速度不太高的场合，如用于称重测力、测温度等各种传感器信号的高精度测量系统中时，可采用廉价的双积分式12位A/D转换器ICL7109。ICL7109主要有如下特性:(1)高精度(12位)(2)低噪声(典型值为15μVP-P);(3)低漂移(＜1μV/℃)；(4)高输入阻抗(典型值1012Ω);(5)低功耗(＜20mW);(6)转换速度最快达30次/秒，当采用3.58MHz晶振作振源时，速度为7.5次/秒；ICL7109与8031接口电路3采样/保持器在对模拟信号进行模数变换时,从启动变换到变换结束的数字量输出,需要一定的时间,即A／D转换器的孔径时间。当输入信号频率提高时,由于孔径时间的存在,可能会造成较大的转换误差；要防止这种误差的产生,必须在A／D转换开始时将信号电平保持住,而在A／D转换结束后又能跟踪输入信号的变化,即对输入信号处于采样状态。能完成这种功能的器件叫采样/保持器,从上面分析也可知,采样/保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器”。采样保持器的组成与工作原理单片集成采样/保持电路LF198在LF198中,采用了双极型与CMOS型混合工艺。当CH=0.01uF时,输出电压的下降率达到10-3mv/s以下.4模拟多路开关在机电一体化系统中,经常对许多传感器信号进行采集和控制。如果每一路都单独采用各自的输入回路,即每一路都采用放大、采样/保持、A/D等环节,不仅成本比单路成倍的增加,还会导致系统体积庞大,且由于模拟器件,阻容元件参数和特性不一致,对系统的校准带来很多困难。因此除特殊情况下,多采用公共的采样/保持及A/D转换电路。要实现这种设计,往往需要采用模拟多路开关,将各路信号按照一定的顺序切换到后续电路中。CD4051模拟多路开关的组成与工作原理5测量放大器在许多检测技术应用场合，传感器输出的信号往往较弱，而且其中还包括工频、静电和电磁耦合等共模干扰，对这种信号的放大就需要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。习惯上将具有这种特点的放大器称为测量放大器或仪表放大器。下图为三个运放组成的测量放大器，差动输入端UI1和UI2分别是两个运算放大器(A1.A2)的同相输入端，因此输入阻抗很高，采用对称电路结构，而且被测信号直接加入到输入端上，从而保证了较强的抑制共模信号的能力。A3实际上是一差动跟随器，其增益近似为1。测量放大器的放大倍数由下式确定：为了提高共模抑制比和降低温飘的影响,测量放大器采用对称结构,即取R1=R2,R3=R4,R5=R6,则增益K可由下式计算常用的测量放大器(仪表放大器)AD620的典型应用电路6传感器模拟量接口的几种形式(1)多通道一般型特点:适合于中低速采样，在A/D转换器为逐次逼近式的情况下，必须加采样保持器。在采用间接比较式A/D转换器的情况下可以不加采样保持器。此方案可有效降低接口成本。结构与工作过程:(2)多通道同时采样共享A/D转换器型特点:可以保证多路信号的相位关系，可以降低接口成本。结构与工作过程:(3)多通道并行A/D转换型特点:适合于高速、超高速信号转换，能够保证各路信号的相位，成本较高。结构与工作过程:2.3传感器的非线性补偿处理

在机电一体化测控系统中，特别是需对被测参量进行测量、显示时，总是希望传感器及检测电路的输出和输入特性呈线性关系.使测量对象在整个刻度范围内灵敏度一致，以便于读数及对系统进行分析处理。以往在使用模拟电路组成检测回路时，为了进行非线性补偿，通常用硬件电路组成各种补偿回路。非线性补偿完全可以用计算机的软件来完成，其补偿过程较简单，精确度也很高，又减少了硬件电路的复杂性。常用的非线性软件处理方法主要有两种:插值法和计算法2.3.1插值法

2.3.2拟合计算法1.对所给的数据点，寻找一条曲线，使得在同一坐标点xi处，曲线上的点与实测的数据之间的误差平方和最小，以这种度量方法确定拟合曲线称为最小二乘原理。2.4传感器输出信号的数字滤波

在机电一体化测控系统的输入信号中，一般都含有各种干扰信号，它们主要来自被测信号本身、传感器或者外界的干扰。为了提高信号的可靠性，减小虚假信息的影响，可采用软件方法实现数字滤波。数字滤波就是通过一定算法程序的计算或判断来剔除或减少干扰信号成分，提高信噪比。它与硬件滤波器相比具有以下优点:(1)数字滤波是用软件程序实现的，不需要增加任何硬件设备，也不存在阻抗匹配问题，可以多个通道共用，不但节约投资，还可提高可靠性、稳定性。(2)可以对频率很低的信号实现滤波，而模拟RC滤波器由于受电容容量的限制,频率不可能太低。(3)灵活性好，可以用不同的滤波程序实现不同的滤波方法，或改变滤波器的参数。正因为用软件实现数字滤波具有上述特点，所以在机电一体化测控系统中得到了越来越广泛的应用。数字滤波的方法有很多种,可以根据不同的测量参数进行选择。下面介绍几种常用的数字滤波方法及程序。2.4.1算术平均值法

式中:xi——第i次采样值；Y——数字滤波的输出；N——采样次数。N的选取应按具体情况决定。若N大,则平滑度高,灵敏度低,但计算量较大。一般而言,对于流量信号,推荐取N＝12；压力信号取N=4。2.4.2中值滤波法所谓“中值滤波法”,就是对某一个被测量连续采样n次(一般取奇数),然后把n个采样值从小到大(或从达到小)排序,再取中间值作为本次采样的结果。X1<X2<X3<X4<X5,取X3中值滤波能有效地滤去由于偶然因素引起的波动(脉冲)或采样器的不稳定造成的误码等引起的脉冲干扰。对缓慢变化的过程变过采用中值滤波有效果。中值滤波不宜用于快速变化的过程参数。2.4.3防脉冲干扰复合滤波法

将算术平均值法和中值滤波法结合起来,便可得到防脉冲干扰平均值法。它是先用中值滤波原理滤除由于脉外干扰引起误差的采样值,然后把剩下的采样值进行算术平均。

2.5智能传感器2.5.1智能传感器的概念

智能传感器是由传统的传感器和微处理器(或微计算机)相结合而构成的,它充分利用计算机的计算和存储能力,对传感器的数据进行处理,并能对它的内部行为进行调节,使采集的数据最佳。2.5.2智能传感器的功能与特点智能传感器的功能概括起来主要有以下7个；自补偿能力:通过软件对传感器的非线性、温度漂移、时间漂移、响应时间等进行自动补偿。(2)自校准功能:操作者输入零值或某一标准量值后,自校准软件可以自动地对传感器进行在线校准。(3)自诊断功能:接通电源后,可对传感器进行自检,检查传感器各部分是否正常,

并可诊断发生故障的部件。(4)数值处理功能:可以根据智能传感器内部的程序,自动处理数据,如进行统计处理,剔除异常值等。(5)双向通信功能:微处理器和基本传感器之间构成闭环,微处理机不但接收、处理传感器的数据,还可将信息反馈至传感器,对测量过程进行调节和控制。(6)信息存储和记忆功能。(7)数字量输出功能:输出数字信号,可方便的和计算机或接口总线相连。

目前研制的智能传感器通常只具有上述功能中的一部分。传统的传感器只能作为敏感元件,检测物理量的变化,而智能传感器则包括测量信号调理(如滤波、放大、Ａ/Ｄ转换等)、数据处理以及数据显示等。它几乎包括了仪器仪表的全部功能。可见智能传感器的功能已延伸到仪器的领域。随着科学技术的发展,智能传感器的功能将逐步增强,它将利用人工智能、信息处理技术(如传感器信息融合技术、模糊理论等),使传感器具有更高级的智能,具有分析、判断、自适应、自学习的功能,可以完成如图象识别、特征检测、多维检测等复杂任务。2.5.3智能传感器的组成与结构智能传感器主要由传感器、微处理器(或微计算机)及相关电路组成,其结构框图如下图所示智能传感器结构原理框图

智能传感器的结构可以是集成的,也可以是分离式,按结构可以分为模块式、混合式和集成式三种形式。3集成智能传感器是将一个或多个敏感器件与微处理器、信号处理电路集成在同一硅片上,集成度高,体积小。这种集成的传感器在目前的技术水平下还很难实现。2将传感器和微处理器、信号处理电路作在不同的芯片上,则构成混合式的智能传感器(HybridSmartSensor)。1初级的智能传感器由许多互相独立的模块组成,如将微计算机、信号调理电路模块、输出电路模块、显示电路模块和传感器装配在同一壳体内,体积较大,但在目前的技术水平下,仍不失为一种实用的结构形式。2.5.4智能传感器的应用

智能传感器最早应用在航天领域。飞船中需要测量大量参数,有反映运行轨道的速度、加速度、姿态、方位等参数,有反映宇航员生存环境的温度、湿度、气压、空气成分等参数,因此需要大量的传感器。这些大量的原始数据若直接送到计算机中,无疑会增加主计算机的负担,影响处理速度。为了提高效率和可靠性,采用分布处理的方法,即将这些数据先经过各自的处理系统进行预处理,然后再传送至主机进行集中处理。这就是在美国宇航局开发宇宙飞船时所开发的智能传感器主要目的。由于智能传感器和多功能传感器的功能强,集成度高,体积小,因此可以大大减少传感器的数量和连接电缆线的重量,这恰是导弹、卫星、宇宙飞船等飞行器所需要的,所以它们在航空航天领域中起着非常重要的作用。

在工业生产中,随着生产过程自动化的发展,采集的数据越来越多,需要使用大量传感器和计算机。特别是需要智能传感器。

智能传感器及多功能传感器在机器人等机电一体化系统中有广阔的应用前景。如视觉传感器、触觉传感器、力觉传感器、接近觉传感器等。特别是智能机器人,需要根据采集的信息进行识别、判断、决策。智能传感器如同人的五官,可以使机器人具有感知功能。现在一些国家在研究开发可以识别物体形状的智能触觉传感器,分辨不同气体的智能嗅觉传感器。随着智能传感器的不断发展,它们将在工业、科技、国防等各个部门得到更广泛的应用。§3.1执行装置概述执行元件是工业机器人、CNC机床、各种自动机械、信息处理计算机外围设备、办公室设备等机电一体化系统必不可少的驱动部件。执行元件是处于机电一体化系统的机械执行机构与微电子控制装置的接点部位的能量转换元件。它可以将输入的各种形式的能量转换为机械能。§3.1.1执行元件的种类与特点根据使用能量的不同，可将执行元件分为三类:①电气式:将电能变成电磁力，并用该电磁力驱动运行机构，包括控制用电动机、静电电动机、磁致伸缩器件、压电元件、超声波电动机及电磁铁。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置特性:可用商用电源，信号与动力的传送方向相同，操作简便，编程容易，能实现定位伺服，易与CPU相接，动力较大，无污染，但瞬时输出功率大，过载差。②气压式:采用压缩空气作为工作介质，具有气源方便、成本低、无泄漏污染、速度快等特性，但动作不够平稳、远距离传输困难、工作噪声大、难于伺服，由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度较高的场合使用。③液压式:先将电能变成液压能，并用电磁阀改变压力油的流向，从而使液压执行元件驱动运行机构运动。具有输出功率大、速度快、动作平稳、可实现定位伺服等特性，但设备难于小型化，易泄漏且有污染。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置§3.1.2机电一体化对执行元件的基本要求1．惯量小、动力大表征执行元件惯量的性能指标:对直线运动为质量，对回转运动为转动惯量。表征输出动力的性能指标为推力、转矩或功率。2．体积小、重量轻用单位重量所能达到的输出功率或比功率，即比功密度或功率密度衡量。3．便于维修、安装4．宜于微机控制。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置§3.2常用控制用电动机及特性分析3.2.1常用控制用电动机1.控制用电动机的定义电气式执行元件是机电系统的常用元件，由于控制用电动机可以在很宽的速度和负载范围内进行连续、精确的控制,因而在各种机电一体化系统中得到广泛的应用。机电系统中常用两类电动机:一类是一般动力用电动机，如感应式异步电动机和同步电动机等。另一类为控制用电动机，如力矩电动机、步进电动机和各种交直流伺服电动机。控制用电动机是电气伺服控制系统的动力部件，是将电能转换为机械能的一种能量转换装置。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置控制用电动机是指能提供正确运动或较复杂动作的伺服电动机。利用电压、电流、频率（包括指令脉冲）等控制方式，实现定速（或变速）驱动，反复启、停的增量驱动以及复杂驱动。它具有稳速运转性能，良好的加速、减速性能和伺服性能等动态性能以及频繁使用时的适应性和便于维修性能。机电一体化系统对控制用电动机的基本要求:①性能密度大。②快速性好，即加速转矩大，频响特性好。③位置控制精度高、调速范围宽、低速运行平稳无爬行、分辨力高、振动噪声小。④适应起、停频繁的工作要求。⑤可靠性高、寿命长。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置不同的应用场合对控制用电动机的性能要求不同。比如:对于启停频率低，但要求平稳和扭矩脉动小，高速运行时振动、噪声小，在整个调速范围内均可稳定运动的机械，如机器人的驱动系统，其功率密度是主要指标，对于起停频率高，但不要求低速平稳性的产品，如高速打印机、绘图仪等，主要性能只表示高比功率。在额定输出功率相同的条件下，交流伺服电动机的比功率最高，直流伺服电动机次之，步进电动机最低。2.控制用电动机的种类、特点及选用第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置3.2.2伺服电动机控制方式的基本形式伺服电动机的控制方式包括:开环、闭环和和半闭环三种基本控制形式。被控量为机械参数（位移、速度、加速度、力和力矩等）开环系统:没有检测反馈装置的伺服系统。开环系统通常采用步进电动机作为伺服驱动装置，主要用于精度和速度要求不高的场合，如简易数控机械、机械手、小型工作台、冲床自动送料装置和绕线机的同步运动等。

第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置半闭环系统(采用脉冲编码器):测量角位移，并从传动链中间部位取出检测反馈信号的伺服系统。由于这种系统只能补偿反馈回路的系统误差，其定位精度比闭环系统低，一般为±0.005-0.01mm，但其结构简单、调试方便，广泛用于各种机电一体化设备，如数控机床和加工中心的伺服进给系统。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置闭环系统:具有直接测量系统输出反馈装置的伺服系统。闭环系统通常采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为伺服驱动装置，较少采用步进电动机驱动。主要用于精度和速度高的精密、大型的机电一体化设备，如精度要求很高的镗铣床。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置直流伺服电动机:通常采用连续的电压控制（晶体管、晶闸管）。主要特点是高响应特性、高功率密度（体积小、重量轻）、可实现高精度数字控制，接触换向部件（电刷与换向器）需维护，主要用于机器人、数控机械等。交流伺服电动机:通常采用闭环的频率控制（晶体管）。具有高响应特性、高功率密度（体积小、重量轻）、可实现高精度数字控制的特点。其中永磁同步型交流伺服电动机无接触换向部件，需要磁极位置检测器，可以用于音响和音像设备，计算机外围设备。感应型交流伺服电动机对定于电流的激励分量和转矩分量分别控制，可以应用于数控机械、机器人等。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置步进电动机:通常采用开环的频率控制（晶体管）。主要特点是转角与控制脉冲数成比例，可构成直接的数字控制，有定位转矩，主要用于计算机外围设备，数控装置等。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置§3.3直流伺服电动机及其驱动直流伺服电动机通过电刷和换向器产生的整流作用，使磁场动势和电枢电流磁动势正交，从而产生转矩。直流伺服电动机在结构上有传统式和低惯量型两大类。宽调速直流伺服电动机由于励磁便于调整，易于安装补偿绕组和换向极，可以在较宽速度范围内得到恒转速特性，因此在机电闭环伺服系统中应用较广。1.直流伺服电动机的主要特性①反电势常数:表示了永磁磁场强度，即当电枢在磁场中按规定速度机械旋转时所产生的电压值；②转矩常数:每安培电流能产生的转矩；③机械时间常数:施加一个阶跃电压时电动机电枢达到整个速度63.2%时所需的时间；④热时间常数:在额定电流时绕组温度上升初始变化率的函数。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置2.直流伺服电动机调速方式第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置3．直流伺服电动机特点与选用原则特点:输出力矩大、过载能力强、动态响应好、低速运行平稳、易于调试。选用原则:根据负载条件选用电机，即根据负载转矩和负载惯量来选择:①随动系统要求伺服电机机电时间短，启动反转频率高。②短时工作制要求以较小体积重量输出较大转矩和功率。③连续工作制要求电机寿命长。④有恒转矩或恒功率要求系统，应考虑电机恒转矩或恒功率。⑤低速系统要考虑电机的低速稳定性。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置4.直流伺服电动机的常用计算公式第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置5．应用举例①火炮跟踪系统原理框图:说明:包括位置和速度两种控制方式，其任务是使火炮转角与由于轮径减速后的指令相等，用角度差控制电机（位置控制），用测速发电机的输出电压经反馈控制电机转速（速度控制）稳定。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置②地震磁带记录仪电路示意图原理框图:说明:稳速电路要求电机寿命长、可靠、无火花、不产生无线电干扰，选用无刷直流电动机驱动，用测速发电机的输出电压与标准电压比较实现稳速。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置③张力控制系统原理框图:说明:将张力辊位置变化信号通过电位器转化为电信号，此信号经放大后控制伺服电动机，使引力恒定。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置§3.4交流伺服电动机交流伺服电动机检测同步型或感应型气隙磁场的大小和方向，用电力电子变换器代替整流子和电刷，并通过与气隙磁场方向相同的磁化电流和与气隙磁场方向垂直的有效电流控制其主磁通量和转矩。1．交流伺服电动机主要特性空载始动电压，机械特性非线性度，调节特性非线性度。交流伺服电动机的矢量控制原理:即设法在交流电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律，以使交流电动机具有同样产生及控制电磁转矩的能力。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置2．交流伺服电动机控制方式①幅值控制:通过改变控制电压大小控制电机特性转矩。控制电压和激磁电压之间的相位角始终保持电位角。②相位控制:改变控制电压与励磁电压之间的相位角差，来改变电机转速、转矩。控制电压的幅值不变，但很少单独使用。③电容控制:将激磁绕组串联电容，接到稳压电源上，通过改变控制电压幅值，由于励磁回路电流的改变引起励磁绕组电压和电容上电压大小及相位角改变，实现复合控制。幅值－相位控制电动机的机械特性线性度较差，但有较大的输出功率，而且不需附加复杂的移相设备就能在单相交流电源上获得控制电压和激磁电压的分相，因此最常用。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置3．交流伺服电机特点与选用原则特点:可以实现高扭矩/惯量经，动态响应好，运行平稳。选用原则因素:①电源频率和电压波动；②放大器内阻抗；③不同的控制方式；④不同的有效信号系数。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置应用举例①钢板厚度测量装置说明:当两电离室的输出电压差，控制伺服电动机转动来移动标准调节牌直到标准调节片与钢板厚度相同时，电动机停转，指示针示出钢板厚度。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置②倒数计数装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置③机床增量运动控制系统说明:纸带上信息通过读出器送出脉冲信号，与反馈脉冲比较，再经D/A转换来控制电机带动刀架运动，与刀架相连的A/D转换器送回反馈脉冲信号，当输入脉冲信号与反馈脉冲信号差为零时，理论上加工误差为零。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置4.交、直流伺服电动机的比较:机械特性和调节特性－直流伺服电动机为线性关系，且在不同电压下，机械特性曲线是线互平行的直线，而两相交流伺服电动机的机械特性和调节特性均呈非线性。体积、重量－当输出功率相同时，两相交流伺服电动机比直流伺服电动机体积大重量重，两相交流伺服电动机适用于小功率系统。

第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置自转现象－对于两相交流伺服电动机,若参数选择不适当,或制造工艺有缺陷,都会使电动机在单相状态下产生自转现象,而直流伺服电动机无“自转”现象。电刷和换向器的滑动接触－直流电动机有电刷和换向器,因电刷与换向器之间存在滑动接触,电刷的接触电阻不稳定,都会影响电动机的运行稳定性,两相交流伺服电动机结构简单,运行可靠,维护方便,适于不易检修的场合。放大器装置－直流伺服电动机通常由直流放大器供电,直流放大器有零点漂移,将影响系统稳定性和精度。而交流控制较稳定。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置§3.5步进电动机及其驱动步进电动机是将电脉冲信号变为相应直线或角位移的数字/模拟变换器，输出转矩为励磁电流和失调角函数。步进电动机主要用于数字控制伺服系统的执行元件，输出的位移大小和输入脉冲个数成正比，时间上和脉冲同步，通过改变脉冲频率调节步进电动机的转速。1.步进电动机的分类与工作原理分类:①反应型——步进运行是由定子绕组通电激磁产生的反应力矩作用实现。结构简单，工作可靠，运行频率高，但转子阻尼小，噪声大，步距角之间。②永磁型——转动靠与定子绕组所产生的电磁力相互吸引或相斥来实现。控制功率小，效率高、价格高，步距角之间。

第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置③混合型——步距角小,工作频率高,无励磁时具有转矩定位特点。但结构复杂,步距角之间。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置工作原理:步进电动机定子由六个均匀分布的磁极，每两个相对磁极组成一相，磁极上绕有励磁绕组。假定转子具有均匀分布的四个齿，当三个磁极的绕组依次通电时，则三对磁极依次产生磁场吸引转子转动。而步距角大小与通电方式和转子齿数有关。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置步进电动机的通电方式:第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置2.步进电动机的运行特性及性能指标（1）步距角:步进电动机每步所转过的角度，步距角的大小和电动机的结构有关（相数和转子齿数），还与激磁方式有关。，K为通电方式系数，当相邻两次通电时的相数一样时，K＝1否则K=2。将每相轮流循环通电一次所包含的通电状态数目称为“拍数”。所以三相步进电动机运行方式就有三种通电方式:三相单三拍，即A-B-C-D，每次只有一相通电，转子在平衡位置易产生振荡，换相时容易失步，一般不采用；三相双三拍，即AB-BC-CA-AB，比第一种转子力矩大、静态误差小、定位精度高，而且始终至少有一相通电，不会产生失步；三相六拍，A-AB-B-BC-C-CA-A，始终至少有一相通电，运行稳定，不易产生失步。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置（2）步距角精度:（理论与实际步距角之差），主要受电动机制造精度影响。步距误差不会累积。最高连续工作频率（额定状态下逐渐升速，所能达到的不丢步的最高连续工作频度。（3）静态特性:步进电动机在稳定状态的特性，包括静转矩、矩角特性、静态稳定区。步进电动机的静态转矩愈大，自锁力矩越大，静态误差愈小。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置（4）动态特性:动态稳定区（步进电动机从A相通电状态切换到B相（或AB相）通电状态时，不引起失步的区域称为动态稳定区。起动转矩（表示步进电动机单相励磁时所能带动的极限负载转矩）、最高连续运行频率及矩—频特性、空载起动频率与惯—频特性。3.步进电动机驱动与控制步进电动机运行特性与配套使用驱动电源有关，驱动电源系统框图与功能如图示:第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置说明:驱动电路主要由脉冲发生器，环形分配器和功率放大器三部分组成。主要功能是:按一定顺序接通和关断步进电动机的控制绕组，使其按要求启动、运转和停止；供给步进电动机足够的功率、使其带动负载；提高步进电动机的快速性和平稳性。单-电压型:第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置高低电压切换型:第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置带电流检测型:第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置调频调压型:第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置载波恒流型:第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置4.步进电动机的微机控制:第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置5.步进电动机的特点与选用原则特点:不易受干扰，步距角有误差，但不长期积累，控制性能好。选用原则:①保证步进电动机的输出扭矩大于负载所需扭矩。②计算机械系统的负载惯量和产品所要求的启动频率与步进电动机相匹配，最高连续工作频率满足产品快速移动的要求。③步距角和机械系统相匹配，得到所需的脉冲当量。步骤:选择类型①选择所需步距角②选择最大静转矩③确定运行频率④求等效转动惯量⑤综合决定第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置例如:线切割机床控制系统原理框图:说明:纸带程序指令经光电输入机、控制器、方向环形分配器及功率放大器分别送入两个方向步进电动机，二者协调运动以切割规定形状工件，变频电路自动调节控制器发出脉冲频率，以控制电机速度，达到间隙不变的目的。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置例如:②数控机床的闭环控制说明:输入装置首先沿计数器预置一个值（对应于工作台应达到的一个位置），当计数器内数不为零时，通过门电路控制步进电动机旋转，相应地检测反馈元件发出的反馈脉冲，当反馈脉冲中数等于指令脉冲数时，门电路关闭，工作台停止。第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置§3.6控制用电动机的选用计算第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置第三章机电一体化系统驱动技术和执行装置§3.7伺服驱动及应用分析§3.7.1伺服系统机械部件设计的一般方法伺服系统是指以机械参数（位移、速度、加速度、力和力矩等）作为被控量的一种类型的自动控制系统。1伺服系统的分类按驱动方式分为电气、液压和气动伺服。按控制原理分为:开环、全闭环和和半闭环三种基本控制原理。开环系统:没有检测反馈装置的伺