机电控制系统的设计

1,第二章机电控制系统的设计,机电控制系统的设计要点机电控制系统的设计步骤机电控制系统的抗干扰技术机电控制系统的可靠性及安全技术,总体设计是纲，给具体设计规定总的基本原理、原则和方法。,一、机电控制系统的设计要点,系统原理方案设计；结构方案的设计；总体布局与环境设计；技术参数与技术指标确定；总体方案评价与决策。,1.1、功能分析设计法一切从系统的功能出发，将设计任务抽象化,复杂的设计,简单的模式,分析,抽象,突出基本的、必要的要求，摈弃偶然情况和枝节问题，便于抓住设计问题核心,避免构思方案前形成的条条框框，放开视野，寻求更为理想的设计方案,1.1.2、如何把设计问题抽象化？,1.1.1、为什么要抽象化？,工程设计中常用的的抽象方法是“黑箱法”黑箱法的基本原理：将所要实现给定功能的机电系统看作为一个未知内部功能结构、功能载体的“黑箱”，通过对输入量和输出量的分析，逐步掌握输入和输出的基本特征和转换关系，寻求能实现这种基本特征和转换关系的工作原理和功能载体。,机电一体化产品（黑箱）,物料,能量,信息,物料,能量,信息,伴生输出,伴生输入,黑箱法的表达,总功能,1,2,3,1.1,1.2,1.3,3.1,3.2,层,层,层,功能结构示意图,1.2、功能结构分析1、功能结构示意图和功能元总功能分功能分功能的原理方案,最小的基本分功能或满足功能要求的最小单位称之为功能元。机电控制系统基本功能元物理功能元：变换、合并分离、传导隔阻、储存逻辑功能元：与、或、非数学功能元：加、减、乘、除、乘方、开方、微分、积分2、功能元实施原理方案的选择各种功能实施的基础：以自然科学原理为基础的技术效应，例如以物理学为主要技术基础的力学、机械学、电学、磁学、光学等原理广泛应用于工程技术的各个领域，即所谓的物理效应。实施的要点：同一种功能可以用不同的技术效应来实现，选出最佳的功能元实施原理方案，有以下途径可以参考：参考资料、专利、产品；利用创造性思维；利用设计目录。,机电一体化系统的功能要素是通过具体的技术物理效应实现的，一个功能要素可能是一个功能模块，也可能由若干个功能模块组合而成，或者就是一个机电一体化子系统。功能模块则是实现某一特定功能的具有标准化、通用化或系列化的技术物理效应。功能模块在形式上，对于硬件表示为具体的设备、装置或电路板，对于软件则表示为具体的应用子程序或软件包。,进行机电一体化系统的设计时，将功能模块视为构成系统的基本单元，根据系统构成的原理和方法，研究它们的输入输出关系，并以一定的逻辑关系连接起来，实现系统的总功能。因此可以说机电一体化系统的设计过程是一个从模块到系统的设计过程。,1.3、功能结构图1、三种基本功能结构类型：,串联结构,并联结构,环型结构,F1,F2,F3,F1,F2,F3,F1,F2,F3,又称顺序结构，反映分功能时间、空间顺序或因果关系,又称选择结构，几个分功能作为手段共同完成一个目的,又称回路结构，输出反馈为输入的循环,2、功能结构图的建立从上层分功能的结构考虑起，逐层向下细化。,1.4、系统原理方案选择,形态学矩阵建立在功能分解和功能求解的基础上，得到多种可行方案，经筛选、评价可以获得最佳方案。,运用步骤：,进行方案构思选择系统原理方案时，用“穷尽法”将各分功能的解全部列出，就可写出功能-功能解的形态学矩阵，形态即相应的实现各分功能的执行机构和技术手段。,总功能分解,形态构想和功能求解,方案组成,方案评价和选择,设计经验、资料积累、创新能力,专业知识、情报资料,相容条件、连接条件等,新颖性、先进性实用性,用户的需求虽然是设计所要达到的最终目标，但它并不全是设计的技术参数，因为用户对产品提出的要求往往面向产品的使用目的。,2.1、用户需求的抽象,需要对用户的要求进行抽象，要在分析对象工作原理的基础上，澄清用户需求的目的、原因和具体内容，经过理论分析和逻辑推理，提炼出问题的本质和解决问题的途径，并用工程语言描述设计要求，最终形成产品的规格和性能参数。,二、机电控制系统的总体设计步骤,1运动参数表征机器工作部件的运动轨迹和形成、速度和加速度。2动力参数表征机器为完成加工动作应输出的力（或力矩）和功率。3品质参数表征机器工作的运动精度、动力精度、稳定性、灵敏度和可靠性。4环境参数表征机器工作的环境，如温度、湿度、输入电源。5结构参数表征机器空间几何尺寸、结构、外观造型6界面参数表征机器的人机对话方式和功能。,产品的规格和性能参数包括如下几个方面：,1.2,1.3,1.2.1,1.2.2,2.2、接口设计要点,模块2,模块3,根据划分出来功能模块，在分析研究功能模块输入输出关系的基础上，计算制定出各功能模块相互连接时所必须共同遵守的电气和机械的规格和参数约定，使其在具体实现时能够“直接”相连。,系统设计过程中的接口设计是对接口输入输出参数或机械结构参数的设计功能模块设计中的接口设计则是遵照系统设计制定的接口参数进行细部设计，实现接口的技术物理效应。,两者在设计内容和设计分工上是不同的。不同类型的接口，其设计要求有所不同。,接口设计的解决功能模块间的信号匹配问题。,2.2.1传感接口要求传感器与被测机械量信号源具有直接关系，要使标度转换及数学建模精确、可行，传感器与机械本体的连接简单、稳固，能克服机械谐波干扰，正确反映对象的被测参数。,从系统设计的角度讨论接口设计的要求,举例说明,QuestionTIME,原点位置,行程开关,旋转角度,编码器,2.2.2变送接口应满足传感器模块的输出信号与微机前向通道电气参数的匹配及远距离信号传输的要求。1）接口的信号传输要准确、可靠，抗干扰能力强，具有较低的噪声容限；2）接口的输入阻抗应与传感器的输出阻抗相匹配；接口的输出电平应与微机的电平相一致；3）接口的输入信号与输出信号关系应是线性关系，以便于微机进行信号处理。,2.2.3驱动接口应满足接口的输入端与微机系统的后向通道在电平上一致，接口的输出端与功率驱动模块的输入端之间不仅电平要匹配还应在阻抗上匹配。另外接口必须采取有效的抗干扰措施，防止功率驱动设备的强电回路反窜入微机系统。2.2.4传动接口是一个机械接口，要求它的联接结构紧凑、轻巧，具有较高的传动精度和定位精度，安装、维修、调整简单方便，传动效率高，刚度高，响应块。,拟定系统整体方案一般分为两个步骤。1）首先根据系统的主功能要求和构成系统的功能要素进行主功能分解，划分出各功能模块，确定它们之间的逻辑关系；2）然后对各功能模块输入输出关系进行分析，确定功能模块的技术参数和控制策略，系统的外观造型和机械总体结构；3）最后以技术文件的形式交付设计组讨论、审定。,2.3、系统整体方案拟定和评价,（1）系统的主要功能、技术指标、原理图及文字说明；（2）控制策略及方案；（3）各功能模块的性能要求，模块实现的初步方案及输出输入逻辑关系的参数指标；（4）方案比较和选择的初步印象；（5）为保证系统性能指标所采取的技术措施；（6）抗干扰及可靠性设计策略；（7）外观造型方案及机械主体方案；（8）人员组织要求；（9）经费和进度计划的安排。,系统总体方案文件的内容应包括：,系统功能分解时，应综合运用机械技术和电子技术各自的优势，力求系统构成简单化、模块化。常用设计策略如下：1减少机械传动部件，使机械结构简化，体积减小，提高系统动态响应性能和运动精度。2注意选用标准、通用的功能模块，避免功能模块在低水平上的重复设计，提高系统在模块级上的可靠性，加快设计开发的速度。3充分运用硬件功能软件化原则，使硬件的组成最简单，使系统智能化。4以微机系统为核心的设计策略,一项设计通常有几种不同的设计方案，每一种方案都有其优点和缺点，因此，在设计阶段应对不同的方案进行整体评价，择优选择综合指标最优的设计方案。,备注,制作与调试是系统设计方案实施的一项重要内容。根据循环设计及系统设计的原理，制作与调试分为两个步骤：第一步是功能模块的制作与调试；第二步是系统整体安装与调试。,2.4、制作与调试,功能模块的制作与调试是由专业技术人员根据分工，完成各功能模块的硬件组配、软件编程、电路装配、机械加工等细部物理效应的实现工作，对各功能模块的输入输出参数仿真（模拟）、调试和再线调试，使他们满足系统设计所规定的电气、机械规范。,系统总体调试是在功能模块调试的基础上进行的，整体调试以系统设计规定的总目标为依据，调试功能模块的工作参数及接口参数。,由于物质流、能量流、信息流均融汇在系统中，系统中的各薄弱环节以及影响系统主功能正常发挥的“瓶颈”会充分暴露出来，系统还受到内外部各种干扰的影响，因此，系统整体的调试还要进一步解决系统可靠性、抗干扰等问题。,三、机电控制系统的抗干扰技术,3.1干扰源3.2干扰种类3.3抗干扰技术,14270B,1.串模干扰2.共模干扰3.供电干扰4.强电干扰5.接地干扰6.辐射干扰7.数字电路干扰,3.1.干扰源,3.2干扰种类,干扰按其特性可分为直流干扰、交流干扰和随机干扰三类。,直流干扰是指以直流电压或直流电流的形式出现，一般由热电效应和电化学效应引起的干扰。交流干扰是最容易出现的一种干扰，由交流电感应引起，因为过程通道往往处于杂散电场和磁场分布较多的场所，当信号反馈线与动力线在电缆槽中平行布线时，经耦合进入通道的干扰尤为明显。随机干扰一般是瞬变的，为尖峰或脉冲形式，多由电感负载的间断工作引起，如各种电源整流器和电动工具的电火花都是这种干扰的来源。这种干扰的时间短，幅度大，会给系统带来很大的危害。,常态干扰和被测信号在信号输入回路中地位相同，所以它以电压源的形式与信号源串联。共态干扰常称共模干扰，是指输入电路上共有的干扰。,干扰按作用可分为常态干扰和共态干扰,1、硬件抗干扰技术(a)电源系统抗干扰技术采用电子交流稳压器；采用低通滤波器；采用隔离变压器：变压器的一次侧按三角形接法联结，二次侧按星型接法联结。选用供电比较稳定的交流电源；电源分组供电；直流电源的抗干扰措施：每块集成芯片的电源与地线引入端间应接一片0.0l0.1F的无感瓷片电容。一个装置中有多块逻辑印刷线路板时，每块板的电源和地线引入处应并接一个10100F的电解电容和一个0.010.1F的无感瓷片电容，防止板间的相互干扰。,3.3抗干扰技术,(b)模拟量输入输出通道抗干扰技术信号采用电流传送采用RC滤波网络滤去高频干扰信号使用高输入阻抗的差动运算放大器作为通道的前置放大器，达到抑制共模干扰的作用利用变压器或光耦合器件把“模拟地”与“数字地”断开，使共模干扰Ucm不能构成回路屏蔽信号传输线路采用浮地输入双层屏蔽放大器抑制共模干扰采用双绞线传输,(c)开关量输入输出抗干扰技术RC滤波器法滤去开关量输入信号中夹杂的干扰信号抖动电路法消除机械式触点、开关闭合时产生的抖动光电耦合隔离法采用光耦合器传送开关量信号或脉冲信号，可将输入侧与输出侧在电气上完全隔离开来，输入侧与输出侧之间的共模干扰电压因无电回路而被有效地抑制。采用光耦合器“浮置”传输长线采用光耦合器将计算机与其它所有的外接通道完全隔离。,干扰渠道示意图,补充说明,抗干扰措施在控制器与驱动器之间的接口电路中，少不了由弱电转强电的电感性负载，以及用来通断电感负载的触点，这些都是产生强电干扰的干扰源。对于这种干扰，首先是采取吸收的方式，抑制其产生，然后采取隔离的方法，阻断其传导。,(1)强电干扰吸收电路在电感负载断开时，会产生过电压，,补充说明,强电干扰,通,断,UL,E,t,UL=L*di/dt,通,断,t,UL,E,S,W,UW,阻容抗干扰电路,R,R,R,R,R,M3,R,C,W,C,C,补充说明,驱动接口的隔离为了防止驱动器接口中的强电干扰及其他干扰信号进入控制器，通常采用光电隔离。,驱动接口的隔离措施,补充说明,变送接口的隔离对于由检测器传来的模拟信号，通常采用差动运算放大器来隔离干扰，其原理如图所示。,检测器输入信号,差动式运算放大器抗干扰原理,补充说明,模拟信号抗干扰接口电路,补充说明,远距离数字信号抗干扰接口电路,补充说明,近距离抗干扰电路,对于由近距离的检测器发出的数字或脉冲信号，不必再经过放大，可采用图所示抗干扰电路。由R1和C1组成滤波器，滤去高频干扰。由于经过RC滤波器后的脉冲信号往往有脉动和抖动，为了改善脉冲前沿，故增加一级斯密特电路来整形。,补充说明,(d)接地技术接地是计算机控制系统设计、安装和调试中的一个实用性很强的技术问题。接地一般分为接实地和接虚地两种。接实地指的是与大地作良好的连接，接虚地指的是与电位的基准点相连接。如果把电位基准点与大地连接，则称为共地连接，如果把电位基准点自行浮置或浮空(即与大地电气绝缘)，则称为浮地连接。,计算机控制系统中，“地”大致有以下几种概念：数字地，又称逻辑地，是作为逻辑网络的零电位；模拟地，是作为AD转换、前置放大器或比较器的零电位；功率地，是作为大电流网络部件的零电位；信号地，通常为传感器的地；交流地，50Hz交流电地线，这种地是噪声地；屏蔽地，是为防止静电感应和磁场感应而设置的地,一般来讲，采用接地技术时，应注意以下几个问题：机壳接地（其余部分浮空）优于全机浮空。一般低频(1MHz以下)电路应一点接地，高频(10MHz以上)电路应多点接地。一点接地又分为串联一点接地和并联一点接地，后者较前者抗干扰能力强。在电源地线的两点之间会有数毫伏的电位差，因此，交流地和信号地不能共用。数字地通常有很大的噪声，所有的模拟公共导(地)线应该与数字公共导(地)线分开走线。功率地，这种地线电流大，地线应粗些，且应与小信号地线分开走线。,计算机控制系统常采用“三套法”接地系统，即把系统中接地分成三类：第一类是信号地，包括小信号回路、逻辑电路、控制电路等，先把这部分的各接地点接到一个公共点，并且将模拟地和数字地分开处理；第二类是功率地，包括驱动电路等大电流电路的统一接地点；第三类是机壳，包括机架箱体、屏蔽罩等金属结构接地点。最后用较大的接地母线汇集于一个总的公共接地点，再连埋地铜网，与大地相连。,防止从接地系统传来的干扰，主要方法是切断接地环路，通常采用下述措施：(1)单点接地由于接地点远离而形成的环路，可采用图a所示单点接地的方法来切断。(2)并联接地由于多个设备采用公用地线串联接地而形成的环路，可用如图b所示并联接地的方法来切断。,抗干扰接地系统a)单点接地系统b）并联接地系统,(3)光电隔离对于用长线传输的数字信号，可用光耦合器来切断接地环路。图为控制器与主机分离的控制系统，采用双重光电隔离来切断多点接地环路的例子。图中1、2、3表示不同的接地点。采取这种措施，不仅能消除公用接地线及其引进的干扰，而且能解决长线驱动和阻抗匹配问题，因此可用普通导线代替价格昂贵的同轴电缆或扁平电缆进行长线传输。接地线要有足够的截面积，以免电阻过大影响接地电位。,光电隔离接地系统,2.软件抗干扰技术(a)Watchdog技术(b)填码技术(c)数字滤波技术(d)数字信号输出方法,要使机电一体化系统发挥应有的作用，首先应使系统可靠地工作，在系统设计和使用时系统的可靠性是必须要注意的一个问题，利用系统的可靠性和安全技术可以在一定程度上保证系统在规定条件和时间内正常工作。,四、机电控制系统的可靠性及安全技术,1)早期故障。2)耗损故障。3)偶发故障。,4.1系统可靠性概述,1)提高元器件和设备的可靠性。2)采用抗干扰措施，提高系统对环境的适应能力。3)采用可靠性技术。,表征可靠性的特征量主要有可靠度、失效率和平均故障间隔时间。1.可靠度可靠度是系统在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。2.失效率失效率(故障率)是指系统工作到t时尚未失效的系统，在该时刻后的单位时间内发生失效的概率。3.平均故障间隔时间平均故障间隔时间(MTBF)表示从一次故障到下一次故障的平均时间。,4.2可靠性指标,4.维修度和平均维修时间维修度是指在规定条件下工作的系统，在规定的时间内按照规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到能完成规定功能状态的概率；平均维修时间是指系统发生故障后恢复到能完成规定功能所需要的平均时间。5.有效度有效度(利用率)分为瞬时有效度、平均有效度和极限有效度3种。1)瞬时有效度-是系统在某一时刻具有规定功能的概率，记作A(t)，这是一个时间函数。2)平均有效度-是在某段规定时间内瞬时有效度的平均值。3)极限有效度-亦称稳态有效度，是时间趋于无限大时瞬时有效度的极限值。,随着科学技术的发展和社会生产对机电一体化系统性能要求的提高，机电一体化控制系统的规模和复杂程序也在不断提高，构成控制系统的硬件和软件的复杂程序也不断增加，从而使系统发生故障的频率也随之增加；同时，机电一体化系统发生故障所导致的设备损坏和加工件的报废，也会造成巨大的经济损失，甚至人身伤亡。,4.3可靠性技术,1.提高系统设计和制造的质量这是保证系统可靠性的最根本的方法。1)设计时，要进行可靠性分析，估计系统和各元器件中引起失效的可能因素，采取必要的可靠性措施，以降低系统的故障率。2)在选用和制造构成系统的各种设备和元器件时，要保证系统设计时的各项指标，使设备和元器件工作在其规定条件的一半值或一半值以下，并对系统进行可靠性试验，以确定系统实际的可靠性指标。早期失效期。这段时期元器件工作不稳定，故障率高，随着时间的推移故障率会逐步降低。偶然失效期。这段时期元器件的故障率低，且故障率基本不变。耗损失效期。这段时期因为快到元器件的使用寿命而使得故障率增加，且随着时间的推移故障率会越来越高。,2.机电控制系统的故障诊断技术把系统已经出现或即将出现的故障暴露出来，以便对系统进行维修、维护或调整，及时修复故障或者防止故障的发生。(1)故障诊断技术：故障诊断技术实质上是一种检测技术，它的任务有两个：一是故障出现后，迅速确定故障的种类和位置，以便及时修复；二是在故障尚未发生时，确定产品中有关元器件距离极限状态程度，查明产品工作能力下降的原因，以便采取维护措施。(2)自诊断技术：机电一体化系统通常具有自诊断功能，可以在不停止工作的情况下迅速地对故障进行判定，并进行一定的处理。,QuestionTIME,请举出几种身边的具有自诊断功能的产品（不限于机电控制系统）-5分钟内,1)自诊断的概念2)自诊断的功能加电时对主要部件进行可靠性检测，以保证系统能进入正常工作状态。若某一步骤发生检测错误，能根据错误的性质做出相应的处理。对于致命性错误，要做出停机处理，发出故障信息；对于非致命性错误，不做停机处理，只发出故障信息。对操作错误或软件程序错误，采取程序自动恢复技术或软件错误报警。3)常用的自诊断技术开机自诊断运行自诊断脱机诊断,开机自诊断。是指系统从通电开始到进入正常的运行准备状态为止自动执行的诊断，如果发现故障，显示故障信息并停止等待故障处理。开机自诊断通常要检查系统中最关键的硬件和软件。运行自诊断。是指系统在运行过程中对系统内部的各部件以及与系统相连的外部设备进行自动检测、检查，显示有关状态信息和故障信息。运行自诊断只要系统不断电，就会不断地反复进行。脱机诊断。是指系统在出现故障后，需要停机读入专门的故障诊断程序并运行，