机电一体化电子教案

根据4.6HART协议，HART协议不是真正的现场总线。 这是420mA的模拟信号迁移到所有数字信号的协议。 虽然在420mA的标准模拟信号上重叠有数字信号，但是原模拟信号有效，数字信号和模拟信号不会相互影响。 HART协议首先是Rosemount公司在1986年提交的。 4.6.1HART协议的主要特征HART协议的主要特征是： 1、数字能力访问所有设备参数，多变量设备的在线设备状态2、支持模拟信号数字和模拟通信，同时现有的420mA设备和电缆3， 规定了互操作性实际上完全开放的标准通用指令和数据结构增加设备描述语言、4.6.2HART协议和OSI参考模式的关系、1、物理层：信号传输方法、信号电平、设备阻抗和介质。 使用双绞线最好地传输媒体。 模拟信号和数字信号的共存是通过BELL202的通信标准实现的。 采用频移调制技术(FSK )，数字信号“1”被表达为1200Hz，其中“0”被表达为2200Hz。 信号振幅为0.5mA。 由于数字信号的振幅“正”、“负”相等，所以平均值为“0”。 对模拟信号没有影响。 在HART协议中，每个字符有11位、1开始位、8数据位、1奇偶校验位和1停止位。2、数据链路层规格：主要总结了协议寻址的设备之间的通信请求。 3、应用层规范： HART协议的顶层提供了一个命令形式的编程接口，所有的读写操作都以命令形式完成。 4.6.3HART仪表的通信方式HART是基于主/从协议原理的。 这意味着只有主机调用时，现场设备(从设备)才发送信息。 在HART网络中，两个主机(主机和从站)可以与从站通信。 子主设备，例如手持终端可以连接到网络中的任何地方，并且可以与任何现场设备通信而不影响主通信。 典型的主设备是DCS、PLC、基于计算机的控制或监视系统。 被称为主从模式、广播模式或阵列模式，利用HART总线实现多挂钩。 可用电缆的长度取决于电缆的类型和所连接的设备的数量. 带单心屏蔽双绞线的长度可以达到3,000米，带多芯屏蔽双绞线的长度可以达到1,500米。 可以在更短的距离使用非屏蔽电缆。 HART信号的本质安全栅栏(SAFETYBARRIER)/隔离器可适用于危险的场所。 4.6.4HART仪表设备管理系统HDMS整体结构1、HDMS应实现的功能通信：通过串行，HDMS可以与现场HART设备进行通信。 设备管理：设备工厂管理、设备物理连接管理、设备制造商和类型管理。 设备参数的读取/写入：读取、修改设备内部参数。 标定：对设备进行电流微调，调节基本变量(PV )的上下限和零。 扩展属性和命令的配置：配置设备的独特命令，使HDMS可以获得各种类型仪表的专用信息。 动态变量：可以设定仪表的动态变量代码，也可以实时更新动态变量值。 通信日志：记录管理系统和HART机器之间的通信操作。 OPC接口：提供应用程序，并通过OPC访问现场仪表数据的功能。 2、HDMS的整体配置hdms管理模块：全面管理现场的HART仪表；hdms通信模块：通过串行端口与HART桥接器通信，与现场的HART仪表通信。 HDMSOPC接口：为其他应用程序提供标准的OPC接口。 4.6.5设备描述语言DDL1、DDL是描述HART现场设备的简单结构化英语语言。 2.DDL的结构包括八种(1)种结构，其中变量：描述设备中包含的数据。 Commands:描述了用于主设备和现场设备之间的通信的HART命令。 Menus和EditDisplays :对手持终端通信显示用户数据的方法进行说明。 Methods:描述了在主设备和现场设备之间发生的复杂交互的过程。Relations :描述数据的逻辑组合Arrays和Collections:22航空、航空、航空OPC:OLEforProcessControl世界领先的跨国自动化公司和软件基于微软的OLE/COM.DCOM技术，定义了提供应用程序、设备管理和设备间软件应用程序的互操作性和兼容性的标准接口。 第5章机电致动器、第5.1致动器是根据电信号的指令，将来自电、液压、气压的能量转换成以旋转、直线等形式运动的机械能。 1、动力驱动：动力大，运动平稳，有大的起动力(扭矩)。 2、控制驱动：一般不要求大功率。 除了具有动力驱动的特点外，重视其控制性能，小型、轻量、惯性小，停车位置准确，与计算机等控制装置的接口很方便。 5.2在磁致伸缩致动器的磁性体外部施加磁场时，磁铁的外形尺寸发生变化，被称为焦耳效应。 也称为磁致伸缩效应。 磁性体的磁化方向的长度变大就称为正磁致伸缩，否则就称为负磁致伸缩。 如果从外部向磁性体施加压力，磁性体的磁化状态就会发生变化，这被称为维利效应(VillariEffect )或逆磁致伸缩现象。 2、磁致伸缩材料的特性模数在1840年发现了镍(Ni )的磁致伸缩现象，但是其应变量非常小(10-510-6 )，所以只能用于超声波振子的制造，不能用于其他机构的驱动。 1963年代(1963年)，Legvold等人发现稀土金属铽(Td )、镝(Dy )在低温下的磁致伸缩为传统磁致伸缩材料的1001000倍，但有序化温度较低。 以美国为中心的克拉克开发了超磁致伸缩材料TerfenolD:Ter铽Fe-铁nol-海军武器实验室d-镝。 Terfenol-D是正磁致伸缩材料，可以施加压力，得到更大的应变输出。 随着压力的增加，为了得到必要的应变量，必须同时增加磁场强度的输入为正旋转波时，必须增大直流偏移量。 磁致伸缩致动器的直流偏置电路，AC电源，DC电源，c，l，磁致伸缩致动器，1-磁轭2-磁致伸缩棒3-预紧螺栓，Terfenol-D的应变量依赖于温度。 实践证明在室温或室温以上使用能发挥其最佳效果。 5.3超声波促动器，1，以超声波为驱动力的促动器：由振动部和移动部构成，通过振动部和移动部的摩擦力来驱动。 超声波驱动器没有铁芯，结构简单，体积小，重量轻，响应快，无需安装减速装置就能低速运行。 适用于办公自动化设备、相机、摄像机、机器人、电动汽车等。 在、2、动作原理上，有振动方向变换型、配合波型和振动型的振动方向变换型行波型复合振动型、(1)振动方向变换型、(2)行波型、(1)产生行波的2 )驱动原理、(3)超声波马达的特征是，通常的电磁型马达的高速、效率高、扭矩小每单位质量得到的扭矩大，并且可以减小运动部件(转子)的惯性，因此启动、停止等控制性好。 因为扭矩大，所以无需用减速机构增大扭矩，就能实现直接驱动。 因为不需要中间的增减速机构，所以没有中间传动误差，可以正确定位。 即使切断电源也残留有摩擦力，因此能够维持原来的停止位置。 转子的结构简单，经常能找到适合转子形状的谐振模式，所以在电动机的形状设计上有很大的自由度。 容易成为直线移动电动机。因为不需要加减速机构，所以噪音小。 因为没有使用磁场，所以不会产生磁噪声。 构造简单。 具有转速随着负荷增加而减少的特性。 需要高频电源。 需要耐磨材料。 因为必须产生谐振模式，所以在数千瓦以上的电力状态下实现是非常困难的。 4、超声波促动器的应用机器人促动器精密定位促动器微型机械促动器宇宙机械用电动机材料搬运器，5.4橡胶促动器Rubbertuator，5.4.1橡胶促动器是什么？ 橡胶螺丝刀也被称为人工肌肉，是用压缩空气使橡胶伸缩的驱动部件。 如果对橡胶管施加内压，橡胶管会沿径向膨胀，沿轴向收缩。 伴随着收缩产生收缩力。 这是橡胶螺丝刀。 与以往的气压式驱动器相比，橡胶驱动器的最大特征是功率-重量比高。5.4.2单自由度的橡胶致动器，在实际应用中，通常成对使用橡胶致动器：一个，一个缓和，实现单自由度的运动输出。5.4.3控制系气体源：橡胶执行元件使用了空气伺服阀。 这是一种非常精密的气动设备，对气体源的水分、灰分、油分要求很高。气动伺服阀、5.4.4三自由度橡胶螺丝刀三自由度橡胶螺丝刀为管状。 管内被三个120个扇形柱的空洞分隔。 在中心线的z方向伸缩，可以向任意方向弯曲。三自由度的橡胶致动器结构简单，容易小型化，外径小到1mm，柔软性好，不损伤被驱动对象的没有相对摩擦的运动部件，动作平滑的输出力-自重比大(100200 ) 输出运动自由度多的驱动器本身作为机器人的结构材料有助于安全防爆，由三个单自由度的人工肌肉构成的三自由度系统、5.4.5橡胶驱动器的应用橡胶驱动器的应用主要取决于其特征。 橡胶螺丝刀的柔软性高，输出力-自重比大(与同径的气缸相比，橡胶螺丝刀的输出力比气缸大39倍)，因此外形尺寸小，多用于机器人、自动驱动装置。 橡胶螺丝刀由机器人的手指驱动，橡胶螺丝刀用作蜘蛛型机器人的所有驱动装置，橡胶螺丝刀用作4D电影院的座位，橡胶螺丝刀忠实地执行短篇电影、5.5直流伺服电机、伺服电机频繁变化的位置和速度指令电动机要求扭矩大的同时，惯性力矩也小。 5.5.1直流伺服电机的特点启动转矩大、体积小、重量轻、转矩和转速容易控制、效率高的缺点：带有机械运动的刷子、整流子，需要定期维护、更换刷子，因此寿命短、噪音大。 另外，直流伺服电机必须在位置控制和速度控制中使用角度传感器来实现闭环控制。 5.5.2结构和工作原理，1、通用型直流伺服电机：根据励磁方式分为永磁型和电磁式。 由于永久磁铁式伺服电动机的磁极是永久磁铁，所以磁通一定的电磁式电动机的磁极由电磁铁构成，通过向励磁线圈施加电压，可以形成励磁电流，产生磁通。 在该伺服电机的转子上开设有用于安装电枢线圈的轴向槽。 一般的直流伺服电动机为了提高控制精度和响应速度，一般会增大电枢铁心的纵横比。 2、盘型电枢直流伺服电机：在普通型直流伺服电机中，电枢沿轴向排列，而磁通沿径向延伸。 盘型电枢直流伺服电动机的电枢被配置在一个盘上，在径向上排列，磁通在轴向上延伸。 由于转子是圆盘，所以惯性力矩小。、3、中空杯电枢直流伺服电动机：具有内外两个定子，外定子产生磁通，内定子用于磁导率。 因此，外定子由永久磁铁材料构成，内定子由磁导率好的材料构成。 转子由沿轴向排列的电枢线圈构成。 磁通的方向是径向。、4、无槽DC伺服电机：该电机的结构与普通型DC伺服电机相似，但其转子没有槽，电枢线圈直接固定在转子表面上。5.5.3特性1、机械特性：电枢电压一定时，扭矩和转速的关系。 无负载时(输出转矩=0)的直流伺服电机的转速n仅与电枢上的电压u成比例。 转速为零时，其扭矩t也与电枢电压u成比例，被称为锁定扭矩。 调整特性：扭矩t为一定值时的电机转速n和电枢电压u的关系。 曲线上的转速为零时的电枢电压成为电动机的起动电压。 电枢电压u小于启动电压时，电机不启动。5.5.4驱动方法1，通过桥伺服系统进行转速控制，桥平衡时： R1:R2=R3:Ra电机停止时桥输出电压Eab=0，2，通过比例电流控制实现转速控制，3，利用了附加加速度测量装置的伺服系统，4 如果电动机要求大扭矩，电动机和驱动电路的消耗电力也变大。 因此，如何降低电力消耗成为了重要的问题。 采用PWM控制可以有效地解决这个问题。 目前，许多单片机内置有PWM功能，可以直接控制伺服电机，所以PWM控制也广泛应用于小型电机。(2)PWM的控制原理、回流二极管DF的目的是： I )保护晶体管ii )释放电动机线圈中积蓄的能量。动作时电枢上电压和晶体管上电压的关系，Vcc=Vm VtrPtr=Vtr*Ia，双向PWM驱动电路，5.6步进电机及其控制，5.6.1步进电机的定义和分类步进电机将电信号进行相应的角位移和分类脉冲频率高，电机运行速度快，相反运行速度慢。 如果改变励磁脉冲的相顺序，电机就会反转。 励磁电流不切换，点击后停止，具有大的保持扭矩。 由于这种电动机的运动形式是步进电动机，所以也称为步进电动机。 根据转子的结构和动作原理，可以将步进电机设为永久磁铁式(PM型)步进电机、磁阻式(VR型)步进电机(也称为反应式步进电机)和混合式(HB型)步进电机(永久磁铁感应式步进电机根据励磁的相数，步进电机可分为两相、三相、四相、五相、六相。 5.6.2步进电机的主要性能指标1，步进角：输入电脉冲信号，用度数表示步进电机转子的对应角位移，也称为脉冲当量。 2、精度：静态步进角误差和静态步进角的累积误差。 3、静扭矩：步进电机的转子静止时，控制绕组中流过直流电流，存在失步角而产生的扭矩，其最大值称为最大静扭矩。 4、保持扭矩：步进电机的励磁电流不切换、电机停止时的最大电磁扭矩。 5、起动扭矩：步进电机是一定的控制电源和负载扭矩的惯性，从静止状态突然起动，不会失步的最大输出扭矩。 6、最高启动频率：步进电机无负载启动停止，不失步的最高频率。 7 .运行频率：在步进电机的额定负载条件下，能够无失步地运行的最高频率。 5.6.3步进电动机的驱动，1、单电压驱动电动机的线圈工作时，只用一个电压电源给线圈供电。 特征：电路简单，电路中的电阻R1决定时间常数，太大缩小线圈的供电电流。 由于R1消耗能量，电路损失大，效率低。 适合小功