《机电一体化导论》课件-第2章 机电一体化产品的组成

1第2章机电一体化产品的组成2教学目标知识目标：

1.熟练掌握机电一体化产品的组成；

2.熟练掌握机电产品中的相关概念和功能；

3.能够选择控制器、传感器等部分。能力目标：

1.概括总结所学知识的能力；

2.分析问题、解决问题的能力。3教学重、难点教学重点：

1.机电一体化产品的五大组成部分

2.传感器的基本特性和选择

3.驱动及执行机构的工作原理教学难点：

1.传感器的测量电路

2.伺服驱动4本章主要内容机电一体化产品的控制器2.1机电一体化产品中的传感器2.2机电一体化产品的驱动器2.3机电一体化的机械传动与执行机构

2.4小结课后作业5§2.1机电一体化产品的控制器单片机与单板机2.1.1可编程序控制器

工业计算机的特点及选择嵌入式系统概述2.1.22.1.32.1.462.1.1单片机与单板机

它采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU)，随机存取数据存储器(RAM)，只读程序存储器(ROM)，输入输出电路(I/O口)，可能还包括定时计数器，串行通信口(SCI)，显示驱动电路(LCD或LED驱动电路)，脉宽调制电路(PWM)，模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小而完善的计算机系统。

图2.1单片机的结构1.单片机单片微型计算机简称为单片机，它的结构如图2.1所示。7MCS51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，其中8051是最早最典型的产品，其引脚及其功能如图2.2所示。图2.280C51单片机引脚图及引脚功能8单片机的40个引脚大致可分电源、时钟、控制和I/O引脚四类。(1)电源:VCC为芯片高位电源，接+5V；VSS为接地端。(2)时钟:XTAL1、XTAL2分别为晶体振荡电路反相输入端和输出端。(3)控制线:控制线共有4根，①ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。

ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址。

PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。②PSEN:外ROM读选通信号。③RST/VPD:复位/备用电源。

RST（Reset）功能：复位信号输入端。

VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。④EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

EA功能：内外ROM选择端。

Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。(4)I/O线：80C51共有4个8位并行I/O端口，它们是P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。92.单板机什么是单板机？在一块印刷电路板插件上把CPU、存储器和外设接口等集成电路片子组装成的具有一定功能的微型计算机,简称单板机。单板机的硬件由什么组成？由下列五部分组成：①微处理器及其外围电路。②存储器及地址译码电路。③输入输出接口适配器及其附属电路。④总线及总线缓冲器。单板机备有两种总线：一种是实现插件间通信的总线，称为内总线；另一种是实现单板机与外部设备或控制对象之间通信的总线，称为外总线。⑤监控程序及外设控制电路。单板机的软件包括有监控程序、调试程序、诊断程序、汇编程序、编译程序等。返回102.1.2.可编程序控制器可编程控制器的定义国际电工委员会（IEC）PLC的定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。11可编程控制器的组成

PLC主要由中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出单元（I/O单元）和电源单元四部分组成。小型PLC的结构图如图2-3所示。图2.3小型可编程控制器结构框图12可编程控制器的工作方式

PLC采用循环扫描的工作方式，包括内部处理、通讯操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。扫描过程见图2.4。图2.4扫描过程13可编程控制器的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强；（2）编程直观、简单；（3）环境要求低，适应性好；（4）功能完善，接口功能强等。返回142.1.3工业计算机的特点及选择

工业计算机的特点

（1）两者的用途不同。工业计算机主要用于工业控制、测试等方面，工控机的环境适应强。这和普通的计算机的娱乐、办公、编程方面的应用是完全不同的。（2）两者的组成部件不同。工业计算机工作的场合不同，也必然导致了其构成的部件和通用计算机不同。（3）工业计算机的软件系统和普通计算机不同。工业计算机的软件系统比较单一，主要实现一个特定的功能。而普通计算机拥有大量的通用的应用程序，处理器的速度非常快。（4）可靠性高，实时性强。工业计算机一般用于不间断运行，运行期间不允许停机检修；而且它还要实时对控制对象进行检测，所要要求其具有高的可靠性和好的实时性。15工业计算机的选择

根据机电一体化系统的大小和控制参量的复杂程度，可以选用不同的工业计算机。对于小型系统，一般监视控制量为开关量和少量数据信息的模拟量，这类系统采用单板机、单片机或可编程控制器；对于数据处理量大的系统，可以选用基于总线结构的工控机，如STD总线工控机、IBM-PC总线工控机等；对于多层次、复杂的机电一体化系统，则需要采用分级分步式控制系统，在这种系统中，可根据各级及控制对象的特点，分别选用单片机、可编程控制器、总线工控机和微型计算机来完成所需的功能。返回162.1.4嵌入式系统概述

嵌入式系统的定义关于嵌入式系统的定义，目前存在多种下面给出两种比较常见的定义。第一种，根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。第二种定义：嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软/硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。广而言之，可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统。17嵌入式系统的组成

嵌入式系统也是由硬件和软件两大部分组成的，前者是整个系统的物理基础，它提供软件运行平台和通信接口；后者实际控制系统的运行。嵌入式系统的硬件可分为3部分：核心处理器、外围电路和外部设备，如图2.5所示。图2.5嵌入式系统的硬件组成18

上图中，CPU是嵌入式系统的核心处理器，又称为嵌入式微处理器，负责控制整个嵌入式系统的执行；外围电路包括嵌入式系统的内存、I/O端口、复位电路、模数转换器/数模转换器（ADC/DAC）和电源等，与核心处理器一起构成一个完整的嵌入式目标系统，其中SRAM（StaticRandomAcessMemory）为静态随机存储器，DRAM（DynamicRandomAcessMemory）为动态随机存数器，Flash为闪存器；外部设备指嵌入式系统与真实环境交互的各种设备，包括通用串行总线（UniversalSerialBus，USB）、存储设备、鼠标、键盘（Keyboard）、液晶显示器（LiquidCrystalDisplay，LCD）、红外线数据传输（InfraredDataAssociation，IrDA）和打印设备等。其中微处理是嵌入式系统硬件的核心。19嵌入式系统的软件可分为设备驱动接口(DeviceDriverInterface,DDI)、实时操作系统(RealTimeOperationSystem,RTOS)、可编程应用接口(ApplicationProgrammableInterface,API)和应用软件4个层次。其中DDI负责嵌入式系统与外部设备的信息交换；RTOS分成基本和扩展两部分，前者是操作系统的核心，负责整个系统的任务调度，存储分配、时钟管理和中断管理，提供文件、图形用户界面等基本服务。后者为用户提供操作系统的扩展功能。应用软件是针对不同应用而由开发者编写的软件。返回20§2.2机电一体化产品中的传感器传感器概述传感器的选用原则及注意事项传感器的测量电路智能传感器2.2.12.2.22.2.32.2.4212.2.1传感器概述

传感器的定义

国家标准《传感器通用术语》中，对传感器的定义为“传感器是指感受或响应规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。”22传感器的组成传感器通常由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，如图2.6所示。图2.6传感器组成框图

敏感元件是指能直接感受（或响应）被测量的部分，即将被测量通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系的非电量或其他量。转换元件则将上述非电量转换成电参量。测量电路的作用是将转换元件输入的电参量经过处理转换成电压、电流或频率等可测电量，以便进行显示、记录、控制和处理的部分。23传感器的分类

传感器的种类很多，如果按被测对象分类，有物理量传感器、化学量传感器及生物量传感器；如果按输出量分类，有模拟式和数字式传感器；如果按测量原理分类，有结构型、物性型及复合型三类。结构型传感器是利用机械构件的变形、位移将被测量转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的传感器。物性型传感器是利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应工作的传感器。另外，还可以按输入输出特性分的线性、非线性传感器；按能量转换方式分的能量转换型（有源型或发电型）、能量控制型（无源型或参数型）传感器，等等。24传感器的基本特性

传感器的基本特性主要是指输出与输入之间的关系特性。当输入量为常量或变化极慢时，其关系为静态特性；当输入量随时间较快变化时，其关系为动态特性。传感器的静态特性参数包括线性度、灵敏度、重复性、迟滞、零漂和温漂、分辨力等。传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。

常用的静态特性如下：（1）线性度（非线性误差）：在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性度或非线性误差。（2）灵敏度：是指稳定工作状态时传感器输出变化量和输入量的变化量之比，用S表示为25

线性传感器的灵敏度为一常数，而非线性传感器的灵敏度是随输入变化的量。图2.7重复性（3）重复性：指传感器在输入量按同一方向在全测量范围内连续变化多次所得特性曲线的不一致的程度，如图2.7所示。(4)迟滞：指传感器在正反行程中输出与输入曲线不重合的现象，如图2.8所示。图2.8迟滞特性26（5）零漂和温漂：传感器在无输入或输入为另一值时，每隔一定时间，其输入值偏离原始值的最大偏差与满量程的百分比为零漂。而温度每升高1℃，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比，称为温漂。（6）分辨力与阀值：指传感器在规定的测量范围内能够检测出的被测量的最小变化量称为分辨力。数字式传感器的分辨力一般为输出数字指示值最后一位数字。在传感器输入零点附近的分辨力称为阀值。（7）稳定性：传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。272.2.2传感器的选用原则及注意事项

传感器的选则①根据测量对象与测量环境确定传感器的类型：测量之前，首先要考虑采用何种传感器，这需多方分析才能确定。②灵敏度的考虑：通常，在线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。③线性范围的考虑：传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。④稳定性的考虑：影响传感器稳定性的因素除本身结构外，主要是其使用环境。⑤精度的考虑：精度是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就。⑥频率响应特性的考虑：传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，考虑传感器的频率响应特性时，必须保证在频率范围内不失真。28选择传感器的注意事项①预测量条件有关的事项：包括测量目的、被测试量的选择、测量范围、输入信号的最大值、频带宽度、指标要求、测量所需要的时间等。②与传感器有关的事项：包括静态特性指标、动态特性指标、模拟量还是数字量、输出量及其数量级、被测物体产生的负载效应、校正周期、过载保护等。③与使用条件有关的事项：包括传感器的设置场所、工作环境条件（温度、振动、湿度等）、测量时间、与其他设备的连接及距离、所需功率容量等。④与购买和维护有关的事项：包括性价比、零配件的储备、售后服务与维修、保修时间、交货日期等。292.2.3智能传感器

智能传感器的定义

智能传感器是将微执行器和微变送器的部分或全部处理器件、处理电路集成在一个芯片上，同时具有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。智能传感器的组成

智能传感器主要由传感器、微处理器（或计算机）及相关电路组成，其原理如图2.14所示。30图2.14智能传感器原理框图31智能传感器的作用

不但可以对传感器测量数据进行计算、存储、数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节。智能传感器的分类智能传感器按结构不同可分为集成式、混合式和模块式三种形式。集成式是将敏感元件、微处理器、信号处理电路等集成同一个硅片上，集成度高，体积小。混合式是将传感器、微处理器和信号处理电路做在不同的芯片上，目前应用较多。模块式是将微处理器、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。32§2.3驱动器及其控制驱动器的种类和对装置的基本要求直流伺服系统交流伺服系统2.3.12.3.22.3.3332.3.1驱动器的种类和对装置的基本要求

伺服驱动器的分类根据动力源的不同可以分为液压伺服驱动、气动伺服系统和电气伺服系统三种。电气伺服驱动是以伺服电动机作为驱动元件的伺服系统，常见的伺服电动机有直流伺服电机、交流伺服电机、直接驱动电机和步进电机等。34伺服驱动装置要满足的基本要求伺服电动机应满足如下的技术要求：①具有较硬的机械性能和良好的调节特性。机械特性是指在一定的电枢电压条件下，转速和转矩的关系。调节特性是指在一定的转矩条件下转速和电枢电压的关系。②具有宽广而平滑的调速范围。③具有快速响应特性。就是要求伺服电机从获得控制指令到按指令要求完成动作的时间要短，时间越短，系统的灵敏度越高。④具有小的空载始动电压。电机空载时，控制电压从零开始逐渐增加，直到电动机开始连续运转的电压称为空载始动电压。空载始动电压越小，电动机起动越快，工作越灵敏。返回352.3.2直流伺服系统

直流伺服系统的工作原理典型的直流伺服系统如图2.15所示。该系统包括PWM功率放大器、速度负反馈和位置负反馈等环节。图2.15直流伺服系统的原理框图36直流伺服系统的PWM控制它是一个能将电压信号转变为脉冲宽度的调节变换装置，它能给功率放大器提供一个宽度由速度指令信号调节的控制脉冲序列。微机PWM驱动系统原理如图2.16所示。图2.16微机控制的PWM驱动系统框图返回372.3.3交流伺服系统

交流伺服系统的矢量控制

矢量控制是控制交流电机的一种很有前途的控制方案，采用矢量变换的感应电机具有和直流电机一样的控制特点，且结构简单、可靠等。图2.17是采用交流伺服电机作为执行元件的一种矢量控制交流伺服系统框图。38变频调速控制交流感应电机的转速n表示为

图2.17交流伺服系统框图式中，n为电机转速（r/min），f为外加电源频率（Hz），p为电机极对数，S为滑差率。从上式可知改变交流电机的转速有变频调速、变极调速和变转差率调速三种方法。

39异步电机变频调速所需的变频和变压功能(VVVF)是通过变频器完成的。变频器常采用脉冲幅值调制PAM(PulseAmplitudeModulation)和脉冲宽度调制PWM控制方式实现VVVF。PAM方式主电路如图2.18所示。它将VV和VF分开，在可控整流电路中将交流电整流为直流，同时进行相控调压，而后再将直流电逆变为频率可调的交流电。图2.18PAM控制方式主电路

40

PWM方式主电路如图2.19所示。它将VV和VF功能在逆变器中一起完成。这种情况下，不可控整流器只完成整流功能，整流后的直流电压是恒定不变的，然后通过逆变器完成变频和变压。

图2.19PWM控制方式主电路返回41§2.4机电一体化的机械传动与执行机构传动机构执行机构2.4.12.4.2422.4.1传动机构

当两个物体互相接触并相对运动时，这两个物体称为“运动副”(pair)。在运动副中可以分为“滑动副”“转动副”和“螺旋副”等，也可以按低副和高副等进行分类。机电一体化系统的机械系统一般包括传动机构、导向机构和执行机构三大机构。①传动机构：其功能是传递转矩和转速。②导向机构：其作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向。③执行机构：所谓执行机构（或装置）就是按照指令将电信号转换成流体或机械能，驱动机械部分进行运动的装置。43传动结构主要有齿轮传动机构、滚珠丝杠、滑动丝杠、同步带传动、间歇机构、挠性传动机构等。齿轮传动齿轮传动是机电一体化系统中使用最多的机械传动装置，其原因是齿轮传动的瞬时传动比为常数，传动精确，且强度大、能承受重载、结构紧凑、摩擦力小、效率高。滚珠丝杠

滚珠丝杠是在丝杠和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动元件。它可将直线运动转变为旋转运动，或者将旋转运动转变为直线运动。44滚珠丝杠的结构原理如图2.21所示。当丝杠转动时，带动滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母（或丝杠）轴向移动。为防止滚珠从螺纹滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有挡球器。图2.21螺旋槽式滚珠丝杠副的结构原理示意图45同步带传动同步带传动是综合了带传动、齿轮传动和链传动特点的一种新型传动，如图2.22所示。同步带传动是利用齿形带的带齿和带轮的轮齿依次相啮合来传递运动和动力的。

图2.22同步带传动46棘轮传动棘轮传动机构是间歇传动机构的一种，它是将原动机构的连续运动转换成间歇运动。其工作原理如图2.23所示，它主要由棘轮和棘爪组成。棘爪装在摇杆上，能围绕O1点转动，摇杆空套在棘轮凸缘上作往复暴动。当摇杆作逆时针方向摆动时，棘爪与棘轮的齿啮合，克服棘轮轴上的外加力矩M，拖动棘轮炒逆时针方向转动，此时动爪在棘轮齿上打滑。当摇杆摆过一定角度λ而返向作顺时针方向摆动时，止动爪把棘轮闸住，使其不致于因外加力距M的作用而随摇杆一起作返回转动，此时棘爪在棘轮齿上打滑而返回起始位置。

图2.23棘轮传动返回472.4.2执行机构执行机构的定义执行装置就是“按照电信号的指令，将来自电、液压和气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的装置”。执行机构的分类为实现不同功能采用不同形式的执行机构，主要有机械式、电子式、激光电动式的执行机构等。按利用的能源形式，执行装置大体可分为电动执行装置、液压执行装置和气动执行装置。48执行机构的微动机构

微动机构是一种能在一定范围内精确、微量地移动到给定位置或实现特定的进给运动的机构。微动机构根据执行件的原理不同可分为机械式、电气－机械式、弹性变形式、热变形式、磁致伸缩式、压电式等。

(1)手动机械微动机构(如图2.24所示)

图2.24手动机械式微动机构49(2)热变形微动机构热变形式微动装置是利用电热