机电一体化系统设计第二章

1、第第2 2章章 检测系统设计检测系统设计3前辅助轴承电主轴双面轴向推力轴承前径向轴承后径向轴承后辅助轴承前径向传感器后径向传感器 轴向传感器图2 磁浮轴承高速主轴q 磁浮轴承主轴结构4电磁铁绕组通过电流 I0，对转子产生吸力 F，与转子重量平衡，转子处于悬浮平衡位置（图1）。转子受扰动后，偏离其平衡位置。传感器检测出转子位移，将位移信号送至控制器。控制器将位移信号转换成控制信号，经功放变换为控制电流，改变吸力方向，使转子重新回到平衡位置。位移传感器通常为非接触式，其数量一般为5-7个，对其灵敏度和可靠性要求均较高。控制器设计较复杂，使磁悬浮轴承成本较高（一套磁悬浮轴承售价约1万美元）。放大器电

2、磁铁（定子）传感器转子图1 磁悬浮轴承工作原理控制器5 主轴由两个径向和两个轴向磁浮轴承支承，磁浮轴承定子与转子间空隙约0.1mm。 刚度高，约为滚珠轴承主轴刚度10倍。 转速特征值可达4106。 回转精度主要取决于传感器的精度和灵敏度，以及控制电路性能，目前可达0.2m。 机械结构及电路系统均较复杂；又由于发热多，对冷却系统性能要求较高。q 磁浮轴承主轴特点6789101112直流放大电路直流放大电路 电压增益电压增益: :1) 1) 反相放大器反相放大器 1RRAFv反馈电阻反馈电阻R RF F值不能太大，否则会产生较大的噪声及值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千

3、欧。漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R R1 1的取值应远的取值应远大于信号源大于信号源U Ui i的内阻的内阻。 132)2)同相放大器同相放大器 同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。点，广泛用于前置放大级。 同相放大器也是最基本的电同相放大器也是最基本的电路路 ，其闭环电压增益，其闭环电压增益Av为为:11RRAFv14 若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交流电压同相放大器。其中电容流电压同相放大器。其中电容C1C1、C2C2及及C3C3为隔直电容。为隔直电容

4、。 交流放大电路交流放大电路 R1R1一般取几十千欧。耦合电容一般取几十千欧。耦合电容C1C1、C3C3可根据交流放大可根据交流放大器的下限频率器的下限频率fLfL来确定。来确定。 )2/()103(31LLfRCC11RRAFv154211/RRRRff)(112420UURRUf16iURRU)/(120iUURRU2)/2(0210117iiiiURRRUURUIII111011118112323101ififURRURRRRRU19-R1=-R2R3=-Rf21RR fRR 3)(1210iifUURRU20Ui1-=-Ui2=-Uic12iiicUUUicffoURRRRRRRU13

5、2211R1=-R2-R3=-RfR1=-21RR fRR 300URf/-.R1R2RR2R1/RRf2R3R)(121210iiwffUURRRRURwwR2122)/1)(/(112GGSRRRRRR)()1 (112ININOUTGGSVVKVRRRRRRK232425 2627282930五、程控增益放大器五、程控增益放大器 程控增益放大器可由测量放大器、模拟开关及电阻网络来实现，程控增益放大器可由测量放大器、模拟开关及电阻网络来实现，也可采用集成程控测量放大器，如也可采用集成程控测量放大器，如PGA200/201、PGAl02、PGA100、AD612/614等。等。 PGA100

6、是是B-B公司生产的公司生产的8级二进制可编程增益控制运算放大器级二进制可编程增益控制运算放大器（如图（如图2.19所示）。所示）。PGA100的的8个二进制增益个二进制增益1，2，4，8，16，32，64，128及相应的及相应的8个模拟通道，由个模拟通道，由A2A1A0选择模拟通道，由选择模拟通道，由A5A4A3选择增益，选择方法如表选择增益，选择方法如表2.1所示。所示。 31 32A A3 3A A2 2A A1 1A A0 00 00 00 00 00 00 0ININ0 00 00 01 10 00 01 1ININ1 10 01 10 00 01 10 0ININ2 20 01 1

7、1 10 01 11 1ININ3 31 10 00 01 10 00 0ININ4 41 10 01 11 10 01 1ININ5 51 11 10 01 11 10 0ININ6 61 11 11 11281281 11 11 1ININ7 73334LCf2135图图2.6 2.6 调频电路调频电路 3637380()00ZDiZDiUUuuUUu39图图2.47 具有回差的零值比较器具有回差的零值比较器 4000.7iRziRVuuuUuu4142. .。21RR 5462RRRiiiiiUURRURRURRURRU)2()(55465646043. iU1D2D01U1D2A0Ui

8、iUURRU460iUiUiUU 044 1.正峰值保持电路正峰值保持电路 如图如图2.45a所示。所示。.kUiUcU1NCicUUU00UiUiUCCkUC峰峰值值运运算算电电路路45. .iUiU1NC2N0UiUCcUU 0iU峰值运算电路峰值运算电路 4647目的目的 解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。 48tUtucmccos)(缓变信号缓变信号调制调制高频信号高频信号放大放大放大高放大高频信号频信号解调解调放大缓放大缓变信号变信号4950tmxUucmscos)(c5152UccUcc0100iccuUuUcUcU图图2.22 串

9、并联幅值调制串并联幅值调制 53图图2.23 全波相乘调制电路全波相乘调制电路 要使载波信号的整个周期内都有信号输出，可采用图要使载波信号的整个周期内都有信号输出，可采用图2.23a2.23a所示的所示的全波调幅电路。全波调幅电路。 54调制信号形成原理：调制信号形成原理：可见可见uouo相当于相当于uiui与幅值按与幅值按0 0、1 1变化的变化的矩形载波信号矩形载波信号UccUcc相乘。将相乘。将UccUcc按傅里叶级数展开得按傅里叶级数展开得 ttUccc3cos32cos2210ucUiucU将将uo与与Ucc相乘后，再用带通滤波器滤除直流分量和频率高于相乘后，再用带通滤波器滤除直流分

10、量和频率高于Ucc的高频分量，就得到相乘调制信号为：的高频分量，就得到相乘调制信号为： iucUc3tuuciscos255561) 1)二极管整流二极管整流 采用二极管采用二极管VDVD作为整流元件的包络检波电作为整流元件的包络检波电路，如图所示。路，如图所示。 包包络络检检波波图图2.26 2.26 二极管包络检波二极管包络检波57 2) 2)晶体管整流晶体管整流 采用晶体管采用晶体管VTVT作为整流元件实现平均值作为整流元件实现平均值检波的电路，如图所示。检波的电路，如图所示。 包包络络检检波波图图2.27 2.27 晶体管包络检波晶体管包络检波581.调幅信号波形的特点调幅信号波形的特

11、点 1）当调制信号为零时，调幅信号的幅值也为零；）当调制信号为零时，调幅信号的幅值也为零；2）当调制信号由正值变为负值时，调幅信号的相位变化）当调制信号由正值变为负值时，调幅信号的相位变化180。 59010scscuUuuU60 xxxx.UmUccmmxxtmxUucms)cos(mUcm6162c.cUccFTTFTTcTFTF63C.cL.lCLLCf21)21 (000CCffff64tmxUucms)cos(tmxmxUccmdtdus)sin()(656667)cos(mxtUucmsdtdxcdtmxtdmc)(cc6869 70c.c71Nffc3607273滤波器是一种选频

12、装置，可以使信号中特定频率成滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分分通过，而极大地衰减其他频率成分 7475低通低通高通高通76带通带通带阻带阻77滤波器的串滤波器的串/ /并联并联 低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。78.2/KK2/K1212021ffffBfQ790ffc1fc2A00.707A0dBQ=0 / B80 2.5.2 RC 2.5.2 RC无源滤波器无源滤波器 ioouudtduRC8

13、111)(jjG82.当当.时，幅频特性时，幅频特性A()1，此时信号几乎不受衰，此时信号几乎不受衰减地通过，并且减地通过，并且()-关系为近似于一条通过原点的直线。因关系为近似于一条通过原点的直线。因此，可以认为，在此情况下，此，可以认为，在此情况下，RC低通滤波器是一个不失真传输低通滤波器是一个不失真传输系统。系统。 1. 1221)(ARCf2122283(2) RC(2) RC高通滤波器高通滤波器 sssUsUisG1)()(0)(iooudtuRCu1图图2.35 RC2.35 RC高通滤波器高通滤波器 84. . .11)(A0)(1.21)(ARCf211jjjG1)(2)(1)

14、(A1)(arctg85)()()(21sGsGsG)()()()()()(2121AAA22112121ff；128687 n2221202)(nnssbsbsbsG010bb22nKb882222)(nnnssKsGjs nnjKjG21)(221222212tan)(21)(nnnnKA8990. .111CR22CRf2/ RRKf21/1n)(2121n,/1RRKf212/1CCRRfn)/1/1/1 (/21122ffRRRCCRR91.Kb0021 bb2222)(nnssKssGjs KGG)(, 0)0(nnjKjG21)(222221)(nnKA2112)(nntg929

15、311RRfK21321CCRRn21322212232)1(CCRRCRCRCRK9431CCK3211CCRRnf313212CCRRCCCf95.020 bbnKb212222)(nnnsssKsGjs 2/1QnnjQKjG1)(96.nnnnQtgQKA122)(1)(QBQ0n0B)(2121012B97图图2.40 2.40 带通滤波器幅频特性带通滤波器幅频特性 982 2）参数计算）参数计算 12112CRRRRnfKK)11142213(RRCCRn)(4132123111121RRRRRCCRfn992 2）参数计算）参数计算 111CRK2132121CCRRRRRn)(

16、2212132121RRCCRRRCC100（4 4）二阶带阻有源滤波器）二阶带阻有源滤波器1) 1)基本特性基本特性 时，为带时，为带阻滤波器，其传递函数为阻滤波器，其传递函数为 在稳态情况下，在稳态情况下，.则频率特性为则频率特性为 0,10bKbp202pKb 22222)()(nnnsssKsGjs )(1)(22nnQjKjG101.)(tan)(11)(220012002QQKApQ102 103 通频带增益通频带增益.固有角频率固有角频率.阻尼比阻尼比211RRCn21RR1K阻带宽度阻带宽度B B及品质因数及品质因数Q Q分别为分别为 CRB2221221RRBnQ104滤波器

17、的应用滤波器的应用超门限报警超门限报警 案例：案例：旅游索道钢缆检测旅游索道钢缆检测105由案例提炼的典型实验：由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤钢管无损探伤滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警106案例：机床轴心轨迹的滤波处理案例：机床轴心轨迹的滤波处理 107案例：机床轴心轨迹的滤波处理案例：机床轴心轨迹的滤波处理 滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律 108动手做：动手做：调节计算机调节计算机mp3播放器等播放器等软件中的声音均衡器，试软件中的声音均衡器，试验其对音乐信号的滤波情验其对音乐信号

18、的滤波情况。况。1092.6.1 2.6.1 位移传感器位移传感器 2.6 2.6 节机电一体化中常用检测装置节机电一体化中常用检测装置 1. 1.差动变压器差动变压器差动变压器的工作原理差动变压器的工作原理 工作如图所示。其结构组成主要有铁工作如图所示。其结构组成主要有铁心、衔铁和线圈三个部分。心、衔铁和线圈三个部分。气气隙隙型型差差动动变变压压器器图图21UsrUsc(a)e2ae2br1ar1bi1usrMaMbr2ar2busc(b)N1bN2bN1aN2aab铁 心衔 铁图 2.2 气 隙 型 差 动 变 压 器110111播放中播放中圆弧莫尔条纹单击准备演示单击准备演示播放动画播放

19、动画112光闸莫尔条纹播放动画播放动画播放中播放中113长光栅莫尔条纹播放动画播放动画114长光栅光闸莫尔条纹播放动画播放动画115WbcabB)2/sin(莫尔条纹的特点：莫尔条纹的特点：具有位移放大作用具有位移放大作用 . . .4n s inc o ss inc o sWx/2x116图图2.55 2.55 光栅测量线位移原理光栅测量线位移原理1. 1.标尺光栅标尺光栅 2. 2.指示光栅指示光栅117 图图2.56 2.56 光栅信号的四细分与辨向原理光栅信号的四细分与辨向原理 118 （1 1）工作原理）工作原理 1 1）编码器）编码器 2 2）工作原理）工作原理 3 3）与被测对象

20、的连接）与被测对象的连接 4 4）输出信号）输出信号3. 3.编码器编码器 119120121 图图2.572.57给出了光学增量编码器的原理。图中有一个固定于轴给出了光学增量编码器的原理。图中有一个固定于轴上的圆盘，盘上刻有许多径向窄缝；一个固定的不随轴旋转的上的圆盘，盘上刻有许多径向窄缝；一个固定的不随轴旋转的板块上也刻有径向窄缝；图中还有光源和光检测器。当轴旋转板块上也刻有径向窄缝；图中还有光源和光检测器。当轴旋转时，光源发生的光透过旋转盘和固定盘的窄缝，光敏元件接收时，光源发生的光透过旋转盘和固定盘的窄缝，光敏元件接收到光信号，当光源被光盘挡住，不能通过窄缝时，光敏元件不到光信号，当光

21、源被光盘挡住，不能通过窄缝时，光敏元件不能收到光信号。增量式编码器在圆盘上刻有两组光栅，当轴转能收到光信号。增量式编码器在圆盘上刻有两组光栅，当轴转动时，两组光栅产生两组相位相差动时，两组光栅产生两组相位相差9090的脉冲，的脉冲，A A组脉冲和组脉冲和B B组组脉冲。盘上还有一单个的窄缝，旋转一周，只产生一个单独的脉冲。盘上还有一单个的窄缝，旋转一周，只产生一个单独的脉冲，称零位脉冲，可以用来定位。脉冲，称零位脉冲，可以用来定位。编码器又称脉冲发生器（编码器又称脉冲发生器（PGPG），它是一种直接），它是一种直接数字代码表示角位移及线性位移的检测器。编数字代码表示角位移及线性位移的检测器。编

22、码器有回转型和直线型，其中有光电式、电刷码器有回转型和直线型，其中有光电式、电刷式和磁性编码器等。式和磁性编码器等。 122 图图2.57 光学编码器原理光学编码器原理1.旋转轴旋转轴 2.码盘码盘 3.接收元件接收元件 4.狭缝狭缝 5.发光元件发光元件123图图2.58 2.58 增量式编码器的输出脉冲增量式编码器的输出脉冲1244.4.旋转变压器旋转变压器 旋转变压器是一种将机械转角变换为与该转角呈某一函数关系的电旋转变压器是一种将机械转角变换为与该转角呈某一函数关系的电信号的精密微电机。从原理上讲它相当于一个将一、二次绕组分别放信号的精密微电机。从原理上讲它相当于一个将一、二次绕组分别

23、放置在定子和转子上的可转动的变压器。当变压器的一次侧外施以单相置在定子和转子上的可转动的变压器。当变压器的一次侧外施以单相交流电压励磁时，其二次侧的输出电压与转子转角严格保持某种函数交流电压励磁时，其二次侧的输出电压与转子转角严格保持某种函数关系。关系。 （1 1）旋转变压器的结构）旋转变压器的结构 旋转变压器的结构和两相绕线式异步电机相似，可分为定子和转子两大部旋转变压器的结构和两相绕线式异步电机相似，可分为定子和转子两大部分。其绕组分别嵌入各自的槽状铁心内。定子绕组通过固定在壳体上的接线分。其绕组分别嵌入各自的槽状铁心内。定子绕组通过固定在壳体上的接线引出。引出。 图图2.602.60是有

24、刷式旋转变压器。它的转子绕组是通过滑环和电刷直接引出的。是有刷式旋转变压器。它的转子绕组是通过滑环和电刷直接引出的。图图2.612.61是无刷式旋转变压器，它分为两大部分，即旋转变压器本体和附加变压是无刷式旋转变压器，它分为两大部分，即旋转变压器本体和附加变压器。器。 125 图图2.60 2.60 有刷式旋转变压器有刷式旋转变压器 图图2.61 2.61 无刷式旋转变压器无刷式旋转变压器 126 （2 2）旋转变压器的工作原理）旋转变压器的工作原理 旋转变压器在结构上保证了其定子和转子之间空气间隙内磁通分布符旋转变压器在结构上保证了其定子和转子之间空气间隙内磁通分布符合正弦规律。因此，当励磁电压加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子合正弦规律。因此，当励磁电压加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组便产生感应电势。绕组便产生感应电势。 图图2.62 2.62 两极旋转变压器两极旋转变压器 图图2.63 2.63 四极绕组四极绕组 电气工作原理图电气工作原理图 旋转变压器旋转变压器 127设加在定子绕组设加在定子绕组S1S2中的励磁电压以角速度中的励磁电压以角速度 随时间随