机电一体化资料

1 基本组成要素 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 2 动力与驱动部分作用 为系统提供能量和动力 3 四大原则 接口耦合 能量转换 信息控制 运动传递 4 理论基础 系统论 信息论 控制论 技术基础 微电子 精密机械技术 5 机械平移系统的基本元件 质量 阻尼 弹簧 机械转动系统基本元件 转动惯量 阻尼器 弹簧 6 7 传感器的定义 将被测量转换成与之有确定对应关系且易于处理和测量的某种物理量的 测量部件和装置 8 传感器的构成 敏感元件 转换元件 基本转换电路 敏感元件 直接感受被测量 并以确定关系输出一物理量 转换元件 将敏感元件输出的物理量转换成电路参量 基本转换电路 将电路参量转换成便于测量的电量 9 线性度 灵敏度 分辨力 传感器能检测到的最小输入增量 10 静态传感器的静态特性 线性度 灵敏度 迟滞 重复性 分辨力 零漂 11 传感器分类按传感器输出信号性质划分 输出开关量 1 和 0 或开和关 的开关型传感 器 输出为模拟信号的模拟型传感器 输出为脉冲或代码的数字型传感器 12 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 光电编码盘 13 电感式传感器是基于电磁感应原理 它是把被测量转化为电感量的一种装置 14 自感式位移传感器 可变磁阻式 形式 变气隙式 灵敏度最高 变面积式 螺管 式 15 涡流式传感器可分为高频反射式传感器和低频透射式传感器 16 互感型差动变压器式电感传感器 组成 线圈 铁芯和活动衔铁 p90 17 电容式位移传感器将被物理量的变化转化为电容量变化 组成 两平行极板组成的电容 器 其电容量为 为极板间介质的相对介电系数 18 电容式传感器分为极距变化型 面积变化型 介质变化型 19 光栅 工作原理 透射型直线式 结构组成 光栅尺 标尺光栅尺 指示光栅尺 AA C RO 光电系统 光源 光学系统 光电元件 莫尔条纹 两刻有密集条纹的光栅尺平行且倾斜一定角度放置时 在其近乎方物理原理 向出现明暗相间的条纹 按形状和用途 直线光栅和圆光栅 按光路 透射光栅和反射光 栅 物理原理 黑白光栅和闪耀光栅 20 感应同步器是一种应用电磁感应原理制造的高精度检测元件 有直线和圆盘式两种分别 用作检测直线直线位移和转角 测量方式 标准型 窄型 带型及三重型 感应同步器根据其激磁绕组供电电压形式不同分为鉴相测量方式和鉴幅测量方式 应用特点 1 高精度大量程 2 环境适应能力强 3 使用寿命长 4 易于实现数字化 抗干 扰能力强 21 光电式转速传感器 结构组成 带缝隙盘 指示缝隙盘 光源 光电元件等 工作原理 光电管把通过带缝隙盘 指示缝隙盘透射来的忽明忽暗的光信号转换为电脉冲 信号 经整形 放大 分频 计数和译码后输出或显示 由于光电盘每转发生的脉冲数不 变 故由脉冲数即可测出被测轴的转角或转速 22 应变式力传感器 组成 应变片 弹性元件 测量电路 基本工作原理 利用弹性元件将被测力 压力或扭矩转换成应变 位移等 然后通过粘贴 在其表面的电阻应变片换成电阻值的变化 经过转换电路输出电压或电流信号 特点 对 被测机构有负载作用 灵敏度较低 23 压电式加速度传感器 工作原理 某些材料当沿着一定方向受到作用力而产生机械变形 内部出现极化现象 且表面出现电荷 当外力去掉后 又重新恢复原有状态 该现象称为 压电效应 顺压电效应 特点 频率范围广 动态范围宽 灵敏度高 应用广泛 某材料在一定方向上施加电场 产生机械变形 当去掉外加电场时 变形随之消失 该现 象称为电致伸缩效应 逆压电效应 24 接近式位置传感器按其工作原理主要分 电容式 电磁式 光电式 气压式 超声波 式 霍尔式 热释电式 多普勒式 微波式等 前三种 光电式 特点 体积小 可靠性高 检测位置精度高 响应 快 易于与 TTL 或 CMOS 电 路兼容 透光型 组成 光电二极管 光电三极管 功率输出级等 原理 有物体时 输出为 0 否则输出为 1 应用特点 用于不透明物体检测 作用距离大 不易受干扰 P101 25 与微机接口的基本方法 1 数字接口方式 数字型传感器输出数字量 二进制代码 BCD 码 脉冲序列 计数器 三态缓冲器 微机 2 开关量接口方式 开关型传感器输出 2 位式信号 逻辑 1 或 0 三态缓冲器 微机 3 模拟量接口方式 传感器输出信号 放大 采样保持器 模拟多路开关 A D 转换 I O 接口 微机 26 测量放大器 场合 信号微弱 且其中包含工频 静电和电磁耦合等共模干扰 特点 具有高共模抑制比 高增益 高输入阻抗 低噪声 低非线性 低漂移 程控增益放大器 应用场合 在 A D 转换通道中 多路被测信号常常共用一个测量放大 器 而各路的输入信号大小往往不同 但都要放大到 A D 转换器的同一量程范围 因此 Zt 60N n Z 360 N 0 转速 转角 对应于各路不同大小的输入信号 测量放大器的增益也应不同 特点 采用计算机软件来实现增益的调节 从而实现不同幅度信号的放大 隔离放大器 应用场合 1 信号回路具有很大的共模电压 数百伏以至数千伏 2 信号 回路与测试系统之间不易供地 3 强干扰 强辐射 4 生物仪器 5 对直流和低频信号进 行准确安全测量 特点 将放大器实行静电荷电磁屏蔽并被浮置起来 且输入 输出和电源在电阻 电流之 间彼此隔离 没有直接的电路联系只有磁路和光路的联系 具有通用运放的性能 且输入 公共地和输出公共地之间有良好的绝缘性能 1 能保护系统元件不受共模电压的损害 防 止高压对低压信号系统的损坏 2 泄露电流低 对测量放大器的输入端无须提供偏流返回 通路 3 共模抑制比高 能对直流和低频信号进行准确安全的测量 27 多通道模拟信号输入技术 作用 轮流选择多路输入信号 使其通过或阻断 既节省 了硬件开销 又不影响对系统的监测与控制 28 采样保持器 当某一通道进行 A D 转换时 由于 A D 转换需要一定的时间 如果输入 信号变化较快 就会引起较大的转换误差 为了保证 A D 转换的精度 需要应用采样保持 器 采样 保持器作用 1 稳定 快速变化的输入信号 以利于模 数转换器把模拟信 号转换成数字信号 减小采样误差 2 用来储存模拟多路开关输出的模拟信号 这样可 使 29 模拟多路开关继续切换下一个待转换的信号 模拟信号存储器 30 A D 转换器接口技术 逐次逼近型 特点是 转换速度较高 1 s 1 ms 8 14 位中 等精度 输出为瞬时值 抗干扰能力差 双积分式 基于间接测量原理 将被测电压值 Vx 转换成时间常数 由测量时间常数得 到未知电压值 定时积分 定值积分 特点是 取信号平均值 对常态噪声有很强的抑 制能力 精度很高 分辨率达 12 20 位 价格便宜 但转换速度较慢 4 ms 1 s 计算分辨率 定义 指 A D 转换器对微小输入信号变化的敏感程度 也即输出数字量 的最低有效位 LSB 发生变化时 所对应的输入模拟量 常为电压 的变化量 它等于 输出数字量最低位一个字 1 LSB 所代表的输入模拟电压值 分辨率 满刻度值 2n 其中 n 为数字量的位数 例子 现有一 8 位 A D 转换器 AC0809 模拟电压转换范围是 0 5 V 标准转换时间为 100 s 试求该转换器的分辨率 要求对输入信号转换总误差 1 2LSB 分析电路允许输入 信号的最大频率值 如果输入信号频率为 1kHz 应如何选择采样保持器的的参数 31 数字滤波的优点 1 程序实现 不需要硬件 不存在阻抗匹配 可以多通道共用 节约 成本 提高可靠性 稳定性 2 可对频率很低的信号滤波 模拟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 简单修改参数可实现不同频率的滤波 32 常用数字滤波方法 算术平均值法 中值滤波法 防脉冲干扰平均值法 惯性滤波 法 程序判断滤波法 33 确定方法 类比法 计算法 实验法 34 摩擦载荷 计算 35 惯性载荷 计算 NN UU 21 2 LSB1 mm 分辨率 v0195 0 2 1 5 8 22 6 1010014 32 1 618 HZf 最大频率 622 0 1014 32 10 14 32 10 318 6 max 1 6 s f T N AP 采样保持器 JM 转动物体 平移物体maF 折算 36 电动机克服负载力矩的两种典型情况 一种为峰值力矩 它对应于电动机最严重的 工作情况 一种为均方根力矩 它对应于电动机长期连续地变载荷工作的情况 负载的峰值力矩特性 负载的均方根力矩特性 折算峰值力矩最小的最佳总传动比 折算均方根力矩最小的最佳总传动比 37 传动误差 指输入轴单向转动时 输出轴转角的实际值相对于理论值的变动量 空程误差 输入轴正向回转变为反向回转时 输出轴在转角上的滞后量 38 直流电机 优点 具有良好的调速特性 较大的起动转矩 相对功率大 快速响应 结 构复杂 成本较高 交流电机 1 全封闭无刷结构 外形小 重量轻 2 转动惯量小 转矩 转动惯量比高 动态 相应性好 运行平稳 3 容量大 调速范围大 可达 1 100004 变频调速装置复杂 39 晶体管驱动 线性功率放大器和 PWM 功率放大器 后者相对前者 功耗低 效率高 有利于克服伺服电机的静摩擦 同时体积小 价格低 工作可靠等 需用较少的可控器件 功率因数高 快速性好 调速范围可达 6000 10000r min 40 PWM pulse width modulation 脉宽调制调速 PWM 功率放大器 原理 利用大 功率晶体管的开关作用 将直流电源电压转换成一定频率的方波电压 加在直流电机的电 枢上 通过对方波脉冲宽度的控制改变电枢的平均电压 从而调节电机的转速即 脉宽调 制 lhhl hl llh i i JJ 1 2 其中 hl l lh i M M m p m fp m wp m lp MMMM lpt t lm Gm t fp t wp i i J JJ i M i M 2 性力矩风力矩 摩擦力矩 惯 矩 分别为电机上总峰值力 m p m fp m wp m lp MMMM 2 J 22 m r m fr m r m Lr MMMM 2 2 2 2 2 lrt m t fr t r iJ i M i M Lp m Gm lpLfpmp opt JJ JMM i 4 2 r 2 22 L m Gm lrLfrwr opt JJ JMM i 41 电机转子转速 42 调速方法 1 改变极对数 P 有级调速 2 调节转差率 S 为低效型 3 变频调速 f 可实现平滑调速 效率和功率因数高 43 步进电机可分为永磁式 变磁阻式 混合式 44 三相步进电机的工作方式有 三相单三拍 A B C 三相六拍 A AB B BC C CA 三相双三拍 AB BC CA 相 产生不同极对数磁场的激磁线圈 被控绕组的相数 拍 每一次通断电切换或每移动一步距角 单或双 每次同时通电的相数 45 步距角 46 静态特性 不改变通电状态 转子不动时的状态特性 或指稳定时的状态特性 47 矩角特性 是指在不改变通电状态的条件下 即控制绕组电流不变 步进电机的静转 矩与失调角之间的关系 M f 在静止状态下 转子的转矩与转角之间的关系 48 最大静态转矩 矩角特性上电磁转矩的最大静态转矩 A Mmax 越大 自锁能力越强 静态误差越小 49 矩频特性 在连续运行状态 最大动态转矩与脉冲频率的关系 50 工作频率是指步进电机按照指令的要求 进行不失步工作时的最大脉冲率 通常分为启动频率 制动频率 连续工作频率 运行频率 步进电机的运行频率比启动 频率高得多 51 脉冲分配器 作用 将脉冲信号按一定逻辑关系加到功率放大器上 使步进电机按一 定的工作方式工作 3 个作用 52 工业控制机与信息处理机相比较 具有以下主要特点 1 丰富的过程输入 输出功能 2 实时性 3 高可靠性 4 环境适应性 5 丰富的应用软件 6 技术 综合性 53 计算机控制系统的分类 操作指导控制系统 特点 结构简单 计算不参与控制 属于开环控制结构一般用 于报警 调试或获取系统数学模型规律 直接数字控制系 DDC 特点 最为广泛和典型的应用系统 可实现较为简单控制 规律 但不适应工况多变情况 计算机监督控制系统 SCC 特点 控制复杂 但更接近生产实际情况 分级控制系统 DCS 特点 管理和控制相互协调 系统灵活可靠 功能强大 54 总线 一种标准信息通道 各种信息线的集合 55 系统总线功能结构组成 1 地址总线 AB 传输地址信号 为单向三态线 决定寻址 能力的大小