2012工程硕士机电一体化系统(答案)NEW-II

复复 习 答案 习 答案 1 机电一体化系统与机械电气设备的区别 机电一体化系统与机械电气设备的区别 机电一体化不是机械与电子简单的叠加 而是在信息论 控制论和系统论的基础上建立起 来的应用技术 包含机电一体化产品 系统 和机电一体化技术两层含义 2 利用机电一体化技术可以实现的功能 利用机电一体化技术可以实现的功能 两提高三降低 两提高三降低 提高机械系统的性能 提高机械系统的自动化程度 降低原材料消耗 降低能耗 降低对 环境的污染 3 机电一体化系统的主要功能 机电一体化系统的主要功能 变换 传递 储存 4 机电一体化系统的典型组成 核心技术 五个部分 机电一体化系统的典型组成 核心技术 五个部分 典型组成典型组成 1 机械本体 机身 框架 机械联接等产品支持机构 实现构造功能 2 能 源 提供能量 转换成需要的形式 实现动力功能 3 检测传感装置 检测产品内部状态 和外部环境 实现计测功能 4 电子控制单元 处理 运算 决策 实现控制功能 5 执行机构 包括机械传动与操作机构 接收控制信息 完成要求的动作 实现主功能 核心技术核心技术 1 检测传感技术 2 信息处理技术 3 自动控制技术 4 伺服驱动技术 5 机 械技术 6 系统总体技术 5 从系统的观点看 机电一体化系统是多级别 多单元组成的系统工程 应满足整体效应从系统的观点看 机电一体化系统是多级别 多单元组成的系统工程 应满足整体效应 规律规律 系统总体技术是一种从整体目标出发 用系统工程的观点和方法 将系统各个功能模块有 机的结合起来 以实现整体最优 其重要内容为接口技术 接口包括电气接口 机械接口 人机接口 系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结 构系统可以灵活组态 进行任意剪裁和组合 同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理 表现之二是通信功能的大大加强 一般除 RS232 外 还有 RS485 等等 6 执行元件执行元件 定义 定义 能够将非机械能转换为机械能动力元件 分类 分类 电磁执行元件 液压执行元件 气动执行元件三大类 1 电磁执行元件 通过电磁转换将电能转换成机械能的动力元件 应用最广泛 电磁执行元件包括直流 DC 伺服电机 交流 AC 伺服电机 步进电机以及电磁铁等 是最常用的执行元件 对伺服 电机除了要求运转平稳以外 一般还要求动态性能好 适合于频繁使用 便于维修等 2 液压式执行元件 将液压能转换为机械能的动力元件 液压式执行元件主要包括往复运动油缸 回转油缸 液压马达等 其中油缸最为常见 在同等输出功率的情况下 液压元件具有重量轻 快速 性好等特点 3 气压式执行元件 将气压能转换为机械能的动力元件 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外 与液 压式执行元件没有区别 气压驱动虽可得到较大的驱动力 行程和速度 但由于空气粘性 差 具有可压缩性 故不能在定位精度要求较高的场合使用 伺服系统对执行元件的要求伺服系统对执行元件的要求 1 惯性小 动力大 为使伺服系统具有良好的快速响应性能和足够的负载能力 希望执行元件具有较小的 惯量并输出较大的功率 2 体积小 质量轻 为使执行元件易于安装及与机械系统联接 使伺服系统结构紧凑 常希望执行元件具 有较小的体积和较轻的质量 这一要求在工业机器人手臂 手腕伺服系统中显得尤为突出 3 便于计算机控制 机电一体化产品多采用计算机控制 因而要求伺服系统及其执行元件也能够采用计算 机来统一控制 由于这一要求 使得伺服电动机在机电一体化伺服系统中得到了广泛的应 用 4 成本低 可靠性好 便于安装和维修 7 步进电机是机电一体化系统中的执行机构 驱动和控制步进电机是机电一体化系统中的执行机构 驱动和控制 定义定义 步进电机 又称脉冲马达 是将脉冲信号转化为角位移的电磁机械 其转子的转角与 输入的脉冲数成正比 其速度与单位时间内输入的脉冲数成正比 电机运动的方向则取决 于脉冲的顺序 特点 为开环控制方式 数字控制 无检测器 成本低 但同时也成为不稳定因素 自启 动频率受到限制 多用于办公设备中 步进电机驱动电路包括 步进电机驱动电路包括 脉冲信号产生电路 脉冲信号分配电路以及功率驱动电路 主要的驱动方式有主要的驱动方式有 1 单电压驱动 单电压驱动 是最简单的一种步进电机驱动方式 如图所示 其中电机简化为电感 Lm 功率放大管根据脉冲分配器的输出脉冲导通或关闭 从而使步进电机绕组中得到脉 动的电流以驱动电机运行 1 2 3 4 2 高低压驱动 高低压驱动 高低压驱动的基本思路是 在脉冲来到时 在电机绕组的两端先施加较 高电压 从而使绕组的电流迅速建立 使电流建立时间大为缩短 在相电流建立起来后改 用低电压 以维持相电流的大小 3 斩波恒流驱动 斩波恒流驱动 T1 T2 是高频开关管 当控制脉冲 Ui 为低电平时 T1 和 T2 均截 止 当 Ui 为高电平时 T1 和 T2 均导通 电源向电机供电 由于绕组电感的作用 电流逐 渐增大 R 上电压逐渐升高 当超过给定电压 Uc 比较器输出低电平 与门因此输出低电 平 T1 截止 电源被切断 绕组电感放电 电流逐渐减小 R 上电压逐渐降低 当取样电阻 上的电压小于给定电压时 比较器又输出高电平 与门输出高电平 T1 又导通 电源又开始 向绕组供电 这样反复循环 直到 Ui 又为低电平 因此 T2 每导通一次 T1 导通多次 绕组的电流波形为锯齿形 在 T2 导通的时间里电源是脉冲式供电 所以提高了电源效率 而且还能有效抑制振荡 4 调频调压驱动 调频调压驱动 随着步进电机运行频率的提高 同时提高功率放大电路的电源电压 当步进电机的运行频率降低时 同时降低功率放大电路电源电压 以期补偿因运行频率上 升导致的输出转矩下降 使得到的矩频特性是一条水平直线 5 细分驱动 细分驱动 针对步进电机的分辨率及精度不高 精度与快速性相矛盾 动态中有丢步 步进脉冲 m L c R D R D U 步进脉冲 m L c R 1 D H U L U 2 D 2 M 1 M D 1 U 调压信号CPU MCU步进信号 C L 2 U 主电路 及电机 步进脉冲 m L R 1 T 2 T 1 D 2 D C U i U V 及振动 噪声大等缺点而产生的一种比较特殊而有效的驱动控制方式 其实质是步进电机 在输入脉冲切换时 只改变相应绕组中电流的一部分 即对相电流实施微量控制 驱动与控制 驱动与控制 具有串行控制功能的单片机系统与步进电机驱动电源之间具有较少的连线 驱动电源中必 须含有环形分配器 速度控制 速度控制 控制步进电机的运行速度 实际上就是控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的 周期 加 减速控制 加 减速控制 实际上就是改变输出时钟脉冲的时间间隔 8 伺服电机的驱动和控制 伺服电机的驱动和控制 PWM 的基本原理的基本原理 直流伺服电机的驱动与控制 直流伺服电机的驱动与控制 1 电机扩大机控制方式 电机扩大机控制方式 电机扩大机的换向器上置有互成 90 电角度的直轴和交轴两组电 刷 顺着控制绕组轴线的是直轴 与其成 90 电角度的轴线是交轴 利用其交轴的电枢 反应磁场 实现两级放大 2 H 型桥式控制方式 型桥式控制方式 H 桥式电机驱动电路包括 4 个三极管和一个电机 要使电机运转 必须导通对角线上的一对三极管 根据不同三极管对的导通情况 电流可能会从左至右或 从右至左流过电机 从而控制电机的转向 3 PWM 脉宽调制控制方式 脉宽调制控制方式 脉宽调制 Pulse Width Modulation PWM 是利用微处理器 的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术 应用非常广泛 交流伺服电机驱动技术交流伺服电机驱动技术 电流滞环跟踪 PWM 控制方式 正弦波脉宽调制 SPWM 方 式以及电压空间矢量脉宽调制 SVPWM 控制技术三种 交流伺服电机驱动方式 交流伺服电机驱动方式 分为无刷直流电动机 简称 BLDCM 和三相永磁交流同步电动机 简称 PMSM 两种 它们的区别在于前者的感应电动势为梯形波 电流为方波 而后者的 感应电动势和电流都为正弦波 PWM 脉冲宽度调制 PWM 是英文 Pulse Width Modulation 的缩写 简称脉宽调制 是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术 广泛应用在从 测量 通信到功率控制与变换的许多领域中 一种模拟控制方式 根据相应载荷的变化来 调制晶体管栅极或基极的偏置 来实现开关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间的改变 这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定 脉冲宽度调制 PWM 是一种 对模拟信号电平进行数字编码的方法 通过高分辨率计数器的使用 方波的占空比被调制 用来对一个具体模拟信号的电平进行编码 PWM 信号仍然是数字的 因为在给定的任何 时刻 满幅值的直流供电要么完全有 ON 要么完全无 OFF 电压或电流源是以一种通 ON 或断 OFF 的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的 通的时候即是直流供电被加到负 载上的时候 断的时候即是供电被断开的时候 只要带宽足够 任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码 特点 1 开关频率高 通常达到 2 3KHz 2 调速范围宽 3 电流脉动 4 输出电流接近纯 直流 9 信号加工过程中应该完成的工作信号加工过程中应该完成的工作 电平变换和采样 保持 10 滤波器的分类 推导滤波器的分类 推导 1 按所处理的信号 模拟滤波器 数字滤波器 2 按所通过信号的频段分 高通滤波器 低通滤波器 带通滤波器 帯阻滤波器 3 按所采用的元器件分 无源滤波器 有源滤波器 4 按滤波器的安放位置分 板上滤波器 面板滤波器 11 信号模拟传输过程中 可采取的抗干扰措施有 数字传输过程 可采取的抗干扰措施有 信号模拟传输过程中 可采取的抗干扰措施有 数字传输过程 可采取的抗干扰措施有 信号模拟传输过程中 可采取的抗干扰措施有 滤波 屏蔽 浮置 数字传输过程 可采取的抗干扰措施有 脉冲干扰隔离门 削波器 光耦合器抗干扰 12 要构成单片机最小应用系统 可选用下列部件要构成单片机最小应用系统 可选用下列部件 8751 晶振电路 复位电路 电源与外设驱动电路 13 开关信号及频率信号的接口设计主要解决开关信号及频率信号的接口设计主要解决 电平匹配 信号整形 电气隔离 14 根据总线规模和用途及应用场合 总线的分类根据总线规模和用途及应用场合 总线的分类 1 片总线 又称元件级总线 是把各种不同的芯片连接在一起构成特定功能模块 如 CPU 模块 的信息传输通路 2 内总线 又称系统总线或板级总线 是微机系统中各插件 模块 之间的信息传输通路 例如 CPU 模块和存储器模块或 I O 接口模块之间的传输通路 3 外总线 又称通信总线 是微机系统之间或微机系统与其他系统 仪器 仪表 控制装 置等 之间信息传输的通路 如 EIA RS 232C IEEE 488 等 15 可编程序控制器主要由如下几部分组成 可编程序控制器主要由如下几部分组成 1 电源 2 中央处理单元 CPU 3 存储器 4 输入输出接口电路 5 功能模块 6 通信模块 16 系统设计过程中的接口设计主要解决的问题是 系统设计过程中的接口设计主要解决的问题是 1 解决主机 CPU 和外围设备之间时序配合和通联络的问题 以保证 CPU 和外围设备之 间虽异步却能协调工作 2 解决 CPU 和外围设备之间数据格式转换和匹配问题 3 解决 CPU 的负载能力和外围设备端口选址的问题 17 在单片机扩展系统应用中 若要扩展并行输入输出口 区分典型芯片的用途 在单片机扩展系统应用中 若要扩展并行输入输出口 区分典型芯片的用途 1 8255 可编程通用并行接口电路 可扩展 3 个 8 位的并行 I O 口 2 8243 可编程通用并行接口电路 可扩展 4 个 4 位的并行 I O 口 3 8155 可编程 RAM I O 接口电路 可扩展 2 个 8 位的并行 I O 口 1 个 6 位的 I O 口 256 个字节的静态 RAM 1 个 14 位的定时 计数器 4 8755 可编程 EPROM IO 接口电路 可扩展 2 个 8 位的并行 I O 口和 2K 字节的 EPROM 18 从干扰窜入系统的渠道来看 机电一体化系统易受到的干扰源有 从干扰窜入系统的渠道来看 机电一体化系统易受到的干扰源有 供电干扰 过程通道干扰 场干扰 19 印制板制作中应该注意的问题 印制板制作中应该注意的问题 地线设计 电源线布置 去耦电容配置 印刷电路板的尺寸与器件布置 20 机电一体化系统设计中 利用软件抗干扰 应该保证 机电一体化系统设计中 利用软件抗干扰 应该保证 微机硬件部分及相关功能模块应无损毁 干扰对 RAM 区重要数据的破坏应该能够重新建 立 软件抗干扰措施属于微机系统自身的防御行为 21 对五相步进电机 其相数分别用对五相步进电机 其相数分别用 A B C D 和和 E 表示 要实现五相十拍正转的工作表示 要实现五相十拍正转的工作 方式 其各相通电顺序如何 方式 其各相通电顺序如何 AB ABC BC BCD CD CDE DE DEA EA EAB AB 22 在单片机扩展应用系统中 为什么有时需要加总线驱动器 在单片机扩展应用系统中 为什么有时需要加总线驱动器 1 单片机本身的驱动能力有限 2 外围芯片工作时有一个输入电流 不工作时也有漏电 流存在 23 机电一体化系统或机电一体化技术 你是如何理解的 机电一体化系统或机电一体化技术 你是如何理解的 机电一体化技术是将机械技术 电工电子技术 微电子技术 信息技术 传感器技术 接口技术 信号变换技术等多种技术进行有机地结合 并综合应用到实际中去的综合技 术 是实现自动生产不可或缺的部分 为人们的生活带来了很大的便利 这种技术在现 代化生产中随处可见 运用也是最为广泛的系统技术之一 24 为什么说机电一体化系统设计中的抗干扰设计是不可或缺的重要环节 为什么说机电一体化系统设计中的抗干扰设计是不可或缺的重要环节 机电一体化系统投入工业应用环境运行时 由于系统通过电网 空间与周围环境发生了联 系而受到干扰 若系统抵御不住干扰的冲击 各电气功能模块将不能进行正常的工作 微 机系统往往会因干扰产生程序 跑飞 传感器模块将会输出伪信号 功率驱动模块将会输 出畸变的驱动信号 使执行机构动作失常 凡此种种 最终导致系统产生故障 甚至瘫痪 因此在系统设计中一个很重要的任务就是要完成系统的抗干扰设计 25 Watchdog 的工作原理 的工作原理 Watchdog 实际上可以是硬件电路也可以是软件定时器 能够在系统出现故障时自动重新启 动系统 在 Linux 内核下 watchdog 的基本工作原理是 当 watchdog 启动后 即 dev watchdog 设备被打开后 如果在某一设定的时间间隔内 dev watchdog 没有被执行写 操作 硬件 watchdog 电路或软件定时器就会重新启动系统 26 键盘输入处理程序一般应具有哪四项功能 键盘输入处理程序一般应具有哪四项功能 a 判断键盘上有无键闭合判断键盘上有无键闭合 其方法为在扫描线 P1 0 P1 3 上全部送 0 然后读取 P1 4 P1 7 状态 若全部为 1 则无键闭合 若不全为 1 则有键闭合 b 判别闭合键的键号判别闭合键的键号 其方法为对键盘行线进行扫描 依次从 P1 0 P1 1 Pl 2 P1 3 送出低电平 并从其它行线送出高电平 相应地顺序读入 P1 4 P1 7 的状态 若 P1 4 P1 7 全为 1 则行线输出为 0 的这一列上没有键闭合 若 P1 4 P1 7 不全为 1 则 说明有键闭合 行列交叉点即为该键键号 例如 P1 0 P1 3 输出为 1101 读回 P1 4 P 1 7 为 1011 则说明位于第 3 行与第 2 列相交处的键处于闭合状态 键号为 6 c 去除键的机械抖动去除键的机械抖动 其方法是读得键号后延时 10ms 再次读键盘 若此键仍闭合则认 为有效 否则认为前述键的闭合是由于机械抖动或干扰所引起的 d 使控制微机对键的一次闭合仅作一次处理使控制微机对键的一次闭合仅作一次处理 采用的方法是等待闭合键释放后再做处理 27 下列属于人机接口设计下列属于人机接口设计 键盘输入接口设计 LED 显示器接口设计 2828 A DA D 转换的基本原理 方式 转换的基本原理 方式 A D 转换器是将模拟量转换为一定进制的数字量 A D 转换器大多是将电压量转换为正比的 二进制数字量 乘以转换系数后可获得电压的数值量 也有先将电压量转换为时间或频率 然后再经计数得到电压的数值量 模拟量可以是电压 电流等电信号 也可以是压力 温 度 湿度 位移 声音等非电信号 但在 A D 转换前 输入到 A D 转换器的输入信号必须 经各种传感器把各种物理量转换成电压信号 A D 转换后 输出的数字信号可以有 8 位 10 位 12 位和 16 位等 A DA D 转换四步骤 转换四步骤 采样 保持 量化 编码 A DA D 转换器的电路主要构成转换器的电路主要构成 由时钟脉冲发生器 逻辑电路 移位寄存器 aN 1 a1 a0 D A 电路及其开关指令数字寄存器 BN 1 B1 B0 常用的几种类型的基本原理及特点 常用的几种类型的基本原理及特点 积分型 逐次逼近型 并行比较型 串并行型 调 制型 电容阵列逐次比较型及压频变换型 2929 键盘或键盘或 LEDLED 连接的基本电路 消除抖动电路连接的基本电路 消除抖动电路 控制微机通过 I O 口或扩展 I O 口对开关点电位进行检测 从而判断开关的状态 由于 这类开关都是机械开关 机械触点的弹性作用使开关在闭合及断开瞬间产生抖动 造成开 关点点电位产生一系列脉冲 电压抖动时间的长短 与机械特性有关 一般为 5 10ms 按钮的稳定闭合期由操作员的按键动作决定 一般在几百微秒至几秒之间 所以 在进行 接口设计时需要采取软件或硬件措施进行消抖处理 软件消抖是在检测到开关状态后 延时一段时间再进行检测 若两次检测到的开关状态相 同则认为有效 延时时间应大于抖动时间 硬件消抖常采用下图 所示电路 其中左为双稳态滤波消抖 右为单稳态多谐震荡消抖 图 中 74xx121 是带有施密特触发器输入端的单稳态多谐震荡器 30