机电一体化设计

1、机电一体化设计绪论1.1 基本概念机电一体化技术：从系统的观点出发，将机械技术、 微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学 技术。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机电一体化一般包含机电一体化产品（系统）和机电一体化技术两层含义。典型的机电一体化产品（系统）有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化 仪器仪表、电子排版印刷系统、 CAD/ CAM 系统等。1.3 机电一体化系统的构成1.3 机电一体化系统的构成1.4 共性关键技术1 检测传感技术2 信息处理技术3 自动控制技术4

2、伺服驱动技术5 机械技术6 系统总体技术6、系统总体技术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1.5 机电一体化系统设计一、市场调研二、总体方案设计三、详细设计四、样机试制与试验五、小批量生产六、大批量生产一、市场调研市场调研包括市场调查和市场预测。所谓市场调查就是运用科学的方法，系 统地、全面地收集所设计产品市场需求和经销方面的情况和资料，分析研究产品在 供需双方之间进行转移的状况和趋势，而市场预测就是在市场调查的基础上，运用 科学方法和手段，根据历史资料和现

3、状，通过定性的经验分析或定量的科学计算， 对市场未来的不确定因素和条件做出预计、测算和判断，为产品的方案设计提供依 据。二、总体方案设计1.产品方案构思产品方案构思完成后，以方案图的形式将设计方案表达出来。方案图应尽可能简洁 明了，反映机电一体化系统各组成部分的相互关系，同时应便于后面的修改。 2方案的评价对多种构思和多种方案进行筛选，选择较好的可行方案进行分析组 合和评价，从中再选几个方案按照机电一体化系统设计评价原则和评价方法进行深 入的综合分析评价，最后确定实施方案。三、详细设计 详细设计是根据综合评价后确定的系统方案，从技术上将其细节逐层全部展开，直 至完成产品样机试制所需全部技术图纸

4、及文件的过程。四、样机试制与试验 完成产品的详细设计后，即可进入样机试制与试验阶段。根据制造的成本和性能 试验的要求，一般制造几台样机供试验使用。样机的试验分为实验室试验和实际工 况试验，通过试验考核样机的各种性能指标是否满足设计要求，考核样机的可靠性。如果样机的性能指标和可靠性不满足设计要求，则要修改设计，重新制造样机，重 新试验。如果样机的性能指标和可靠性满足设计要求，则进入产品的小批量生产阶 段。五、小批量生产 产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生产试销售阶段。这一阶段的主要任 务是跟踪调查产品在市场上的情况，收集用户意见，发现产品在设计和制造方面存 在的问题，并反馈给设计、制造和质量

5、控制部门。六、大批量生产 经过小批量试生产和试销售的考核，排除产品设计和制造中存在的各种问题 后，即可投入大批量生产。1.6机电一体化对机械工业的影响1 提高性能、扩展功能 今日的数控机床充分发挥计算机的威力，运用 时间序列分析和精度创成等理论建立数学模型。 已有可能实时预报包括随机误差在内的机床误 差， 然后自动校正， 从而达到前所未有的精度。采用对阻尼进行预报，一旦接近临界值时就自动 调整切削用量，这又可能出现永不颤振的机床，保证很高的生产率和良好的加工表面。2.%2提高可靠性 在提高电子元件质量、可靠性的前提下，机电一体化产品可以提高耐久性，减 少故障率。另一方面由于赋予其自动监视诊断功

6、能，并采取安全联锁控制，过负荷 和失控保护、停 电对策，提高了设备的安全可靠性。3.%2节约能源 例如目前我国各类电风扇年产量在 200 万台左右，如每台电扇的调速器和定时器（现常用电磁机械式 ）用电子调速器和定时器代替，估计每台风扇可节电5W 以上，全年以用扇 100 天， 每天开扇 6h 计， 则每年可节约用电量 600 万 kWh,还可节省 大批铜材和钢材。再如传统的电焊机以电磁原理和手工操作为基础，即使是一般的自动电焊机，其 动作过程也仅为简单的机械动作和相应的控制。这类电焊机耗能多、效率低、质量 不易保证。采用微型机技术后，发展新颖的电子控制电源以取代传统的焊接电源，实现焊接电源的节

7、能、高效、小型化、多样化。4.%2操作改善如传统车削到数控车削的转变1.7 机电一体化的发展趋势1 智能化智能化是 21 世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电 一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这 里所说的 “智能化” 是对机器行为的描述， 是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、 计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法， 模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的 控制目标。2 模块化由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多， 研制和开发具有标准机械接口、电 气接口、动力接口、环境

8、接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重 要的事。这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲突， 近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建一些大企业逐渐形成。显 然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一 体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化企业带 来美好的前程。3 网络化20 世纪 90 年代，计算机技术等的突出成就是网 络技术。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其 功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。由于网 络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方 兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机

9、电一体 化产品。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方 向发展。4 微型化微型化兴起于 20 世纪 80 年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统（MEMS）,泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展 的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技 术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。5 系统化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

10、， 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 第 2 章 机械系统设计 机械系统是机电一体化系统的最基本要素，它包括执行机构、传动机构和支撑机 构等，用于完成指定的动作、传递功率、运动或者信息2.2 机械系统数学模型的建立 在机械系统设计时， 除了考虑一般机械设计要求外，还必须考虑机械结构因素和整 个伺服系统的性能参数、电气参数匹配，才能获得良好的机电产品性能。 性能参数设计与模型分析有直接关系例子：机械移动系统数学模型建立基本元件：质量 m,阻尼 c,弹簧 k建立模型的数学原型： 牛顿第二定律 根据简化后的力学模

11、型 由牛顿第二定律,可以获得系统的运动方程： 经过 Laplace 变换,得到 传递函数：系统数学模型的简化 模型简化的基本思路是将复杂的、分布的参数折算到某一部件(一般为中心部件) 上,然后按照单一部件对系统进行建模。建模的核心问题在于各个分散参数的统计和这些物理量的折算。根据数学模型的准确程度,一般会对各个参数进行取舍,从而获得一个既能基本反 映系统基本特性,又便于数学处理的模型。2.3 机械传动系统的特性 为确保机械系统的传动精度和工作稳定性,通常对机电一体化系统提出以下要求：(1)高精度 精度直接影响产品的质量,尤其是机电一体化产品,其技术性能、 工艺水平和功能 比普通的机械产品都有很

12、大的提高,因此机电一体化机械系统的高精度是其首要的 要求。 如果机械系统的精度不能满足要求,则无论机电一体化产品其它系统工作怎 样精确,也无法完成其预定的机械操作。3.2 机械传动系统的特性(2)快速响应性 即要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务之间的时间间隔短,这样控 制系统才能及时根据机械系统的运行状态信息,下达指令,使其准确地完成任务。2.%2良好的稳定性要求机械系统的工作性能不受外界环境的影响,抗干扰能力强。2.2 机械传动系统的特性 对于具体的机电一体化系统的传动设计,就要综合考虑各个设计目标的协调：要考虑设计尽可能短的传动链,同时要考虑负载对传动系统的耦合作用 要考虑传动

13、精度,同时要考虑稳定性、 快速性 要考虑功率,同时要小型、重量轻、低振动、低噪声 数学模型相当关键2.机械传动系统的特性 单纯对传动系统而言,其关注的性能包括：传动类型、传动方式、传动精度、动态 特性、可靠性影响传动系统性能的因素包括： 负载变化：包括工作负载、摩擦负载,要合理选择驱动电机与传动链,与负载相匹 配传动链惯性：影响启停特性、快速性、定位精度 传动链固有频率间隙、摩擦、润滑和温升：影响传动精度和运动平稳性1.机械传动系统的特性 机械传动系统的特性 为了满足机电一体化机械系统良好的伺服性能，不仅要求机械传动部件满足转动惯 量小、摩擦小、 阻尼合理、 刚度大、 抗振动性能好、 空隙小的

14、要求， 还要求机械部 分的动态特性与电机速度环节的动态特性相匹配。3.1 机械传动系统的特性1、转动惯量 在满足系统刚度的条件下，机械部分的质量与转动惯量越小越好。转动惯量大会使 机械负载增大、系统相应速度变慢、灵敏度降低、固有频率下降、容易产生谐振 电气驱动部件的谐振频率降低、阻尼增大3.9 机械传动系统的特性2、摩擦 机电产品对传动部件的摩擦特性要求是：静摩擦尽可能小；动摩擦力应为尽可能小 的正斜率。若动摩擦为负斜率，易产生爬行、降低精度、减少寿命 摩擦在应用上可以简化为：粘性摩擦、库仑摩擦和静摩擦三种(9)机械传动系统的特性 粘性摩擦：大小与相对运动速度成正比； 库仑摩擦：接触面对运动物

15、体的阻力，大小为一常数； 静摩擦：具有相对运动趋势但仍处于静止状态时摩擦面之间存在的摩擦力，运动开 始之后静摩擦力消失。5.1 机械传动系统的特性 摩擦力对运动状态的影响 机械系统的摩擦特性随着材料和表面状态的不同有很大差异。典型情况包括： 爬行，低速运动稳定性差，如气动系统有回程误差，精度低 对摩擦特性的要求： 静摩擦要小动摩擦因为小的正斜率5.1 机械传动系统的特性3、阻尼 机械部件振动的振幅取决于系统阻尼和固有频率：阻尼大，振幅小，衰减快 阻尼对弹性系统振动特性的主要影响：静摩擦阻尼大：系统失动量（运动反向间隙 ）和反转误差大，定位精度低，易爬行 粘性阻尼摩擦大：系统稳态误差大，精度低(

16、1)机械传动系统的特性失动量：数控机床上，由于各坐标轴进给传动链上驱动部件（如伺服电动机、伺服液压马达和步进电动机等 ）的反向死区、各机械运动传动副的反向间隙等误差的存在，造成各坐 标轴在由正向运动转为反向运动时形成反向偏差，通常也称反向间隙或失动量(1)机械传动系统的特性对于质量大刚度低的机械系统，为减小振幅、加速度衰减，可增加粘性摩擦阻尼实际应用中可以 0.40.8 之间的欠阻尼，可以保证振荡在一定范围内过渡过程较平稳、过渡时间较短，灵敏度较高机械传动系统的特性4、 刚度 机械系统的刚度包括： 构件产生各种基本变形时的刚度 两接触面的接触刚度定义： 静刚度：静态力和变形的比 动刚度：动态力

17、（交变力和冲击力）和变形的比机械传动系统的特性 对于伺服系统的失动量：系统刚度越大，失动量越小 对于伺服系统的稳定性：刚度对开环系统的稳定性没有影响；提高刚性可增加闭环系统的稳定性 ，但会带来转动惯量、摩擦和成本的增加机械传动系统的特性5、谐振频率任何弹性系统，若阻尼不计，可简化为质量、弹簧系统，对于质量为m,拉压刚性系数为 k 的直线运动系统，其固有频率为 :对于转动惯量为 J,扭转刚性系数为 k 的扭转运动系统，固有频率为：机械传动系统的特性 当外界的激振频率接近获等于固有频率时,系统将产生谐振而不能正常工作 机械传动部件一般有若干个固有频率,分别称为一阶谐振频率和n 阶谐振频率为了减少机

18、械传动部件转矩反馈对电机动态性能的影响,要求机械部件的谐振频率必须大于电气驱动部件的谐振频率机械传动系统的特性6、 间隙 间隙使传动系统产生回程误差,影响伺服系统中位置环的稳定性。 有间隙时,必须减小位置环的增益间隙的形式：齿轮传动的齿测间隙、丝杆螺母的传动间隙、丝杆轴承的轴向间隙、 连轴器的扭转间隙。第二章结束第二章 传感器检测及其接口 传感器是控制系统中所有原始信息的来源作为反馈元件,其直接影响到系统的运动性能、控制精度和智能水平。要求传感器灵敏度高、动态特性好、稳定性和抗干扰能力强,适应环境能力强 传感器 ：把被测非电量转换成为与之有确定对应关系, 且便于应用的某些物理量 （通 常为电量

19、）的测量装置。测量电路 ： 把传感器输出的变量变换成电压或电流信号,使之能在输出单元的指示 仪上指示或记录仪上记录；或者能够作为控制系统的检测或反馈信号。 输出单元：指示仪、记录仪、累加器、报警器、数据处理电路等。测量误差与数据处理正态分布随机误差是以不可预定的方式变化着的误 差，但在一定条件下服从统计规律正态分布的随机误差分布规律（1）对称性：绝对值相等的正误差和负误差出现的次数相等。（2）单峰性：绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多。（3）有界性：一定的测量条件下，随机误差的绝对值不会超过一定界限。（4）抵偿性：随测量次数的增加，随机误差的算术平均值趋向于零。随机误差的评价指标 由于

20、随机误差大部分按正态分布规律出现的，具有统计意义，通常以正态分布曲线的两个参 数算术平均值和均方根误差作为评价指标。（ 1）算术平均值（ 2）标准差（1）算术平均值（2 ）标准差测量列中单次测量的标准差测量列算术平均值的标准差 测量列中单次测量的标准差测量的极限误差测量的极限误差是极端误差，检测量结果的误差不超过该极端误差的概率为P,并使出现概率为（1 -P）误差超过该极端误差的检测量的测量结果可以忽略。3.1 传感器位移测量传感器速度、加速度传感器3.4 位置传感器测力传感器传感器的前期信号处理传感器接口技术传感器非线性补偿技术3.9 数字滤波传感器3、传感器性能和选用原则1）传感器的静特性

21、 传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态下，传感器的输入与输出值之间 的关系。传感器静态特性的主要技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。（ 1 ）线性度传感器的线性度是指传感器实际输出 输入特性曲线与理论直线之间的最大偏 差与输出满度值之比，即传感器（ 3 ）迟滞 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中，输出输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示传感器传感器3.1 传感器2）传感器的动态特性传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。通过时域、频域以及试验分析的方法确定，动态特性参数包括：最大超

22、调量、上升 时间、调整时间、频率响应范围、临界频率等。模拟信号检测系统振荡器用于对传感器信号进行调制，并为解调提供参考信号；量程变换电路的作用是避免放大器饱和并满足不同测量范围的需要； 解调器用于将已调制信号恢复成原有形式；数字信号检测系统如如：绝对码数字式和增量码数字式。当传感器输出的编码与被测量一一对应， 称为绝对码。绝对码检测系统如右图所示，每一当传感器输出增量码信号，即信号变化的周期数与被测量成正比，其增量码数 字信号检测系统的典型组成如右图所示。3.6 传感器的前期信号处理传感器的输出包括：电压输出、电流输出、频率输出等。传感器的输出信号一般较弱，需要进行信号的前处理才能使用，包括滤

23、波和放大。信号前处理的核心器件一般是集成运算放大器3.6 传感器的前期信号处理传感器大多要在现场工作，而现场的条件往往是不可预料的。各种外界因素要影响传感器的精度和性能，所以在检测系统传感信号处理中，抗干扰是非常重要的，尤其是在微弱输入信号的系统中。常采用的抗干扰措施有屏蔽、接地、隔离和滤波等。3.6 传感器的前期信号处理（1） 屏蔽屏蔽就是用低电阻材料或磁性材料把元件、传输导线、电路及组合件包围起来，以隔离内外电磁或电场的相互干扰。屏蔽可分为三种，即电场屏蔽、磁场屏蔽及电 磁屏蔽。（2） 接地电路或传感器中的地指的是一个等电位点，它是电路或传感器的基准电位点，与基准电位点相连接，就是接地。3

24、.6 传感器的前期信号处理（3） 隔离当电路信号在两端接地时，容易形成地环路电流，引起噪声干扰。这时，常采 用隔离的方法，把电路的两端从电路上隔开。隔离的方法主要采用变压器隔离和光 电耦合器隔离。（4） 滤波虽然采取了上述的一些抗干扰措施， 但仍会有一些噪声信号混杂在检测信号 中，因此检测电路中还常设置滤波电路，对由外界干扰引入的噪声信号加以滤除。 3.6 传感器的前期信号处理（5） 放大在传感器输出信号中，必须考虑其中包含的工频、静电、电磁耦合等共模干扰，需 要放大电路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗。具备以上特性的放大器一般称为仪用放大器。传感器的前期信号处理A）通用放大

25、器早期的测量放大电路设计：多运放搭建 缺点：假设了两输入的放大器性能（输入阻抗和电压增益）对称，输出漂移难以控 制。传感器的前期信号处理B）专用仪用放大器优点：体积小、外部电路简单，成本较低 具有较好的线性度、高共模抑制比、噪声低的特点。传感器的前期信号处理C）程控增益放大出现的原因：ADC 在满量程时的转换误差最小，需对输入信号幅值进行动态调整。 基本原理：利用反馈电阻值的变化传感器的前期信号处理 程控放大器可以由多路开关放大器搭建 专用程控放大器：已经将译码电路与模拟开关结合传感器接口技术 传感器的信号需要经过放大、滤波等系列处理，经模数转换后才能输入计算机； 模数转换的过程需要一定的时间

26、，在这段时间内必须保持信号的电平，在转换结束 后又必须快速跟踪外部信号的电平变化，这时需要采用采样保持电路。传感器接口技术模拟量的转换输入方式传感器接口技术多路模拟开关 又称为多路转换开关，简称多路开关，作用：分别或依次把各路检测信号与 A/D 转换器接通，以节省 A/D 转换器件。传感器接口技术信号采集与保持 采集，就是把时间连续的信号变成一串不连续的脉冲时间序列的过程。信号采样是通过采样开关来实现。采样开关又称采样器，实质上它是一个模拟开关，每隔时间间隔 T 闭合一次，每次闭合持续时间T其中，T 称为采样周期，其倒数 fs=1/T 称为采样频率，T称为采样时间或采样宽度，采样后的脉冲序列称

27、为采样信号。 采样信号是离散的模拟信号，它在时间轴上是离散的，但在函数轴上仍是连续的， 因而还需要用 A/D 转换器将其转换成数字量。传感器接口技术传感器接口技术运算放大器 Ni和 N2接成跟随器，作缓冲器用。当控制信号Uc为高电平时场效应管 VF 导通，对输入信号采样。输入信号Ui通过 Ni和 VF向电容 C 充电，并通过 N2输出 u。由于 Ni的输出阻抗很小，N2的输出阻抗很大，因而在 VF导通期间 u。=比。当Uc为低电平 时，VF截止，电容 C 将采样器间的信号电平保持下来，并经N2缓冲后输出。传感器非线性补偿技术 线性化处理与补偿机电测控系统中，特别是需对被测参量进行显示时，总是希

28、望传感器及检测电路的输出和输入特性呈线性关系，使测量对象在整个刻度范围内灵敏度一致，以便于读数及对系统进行分析处理。对于具体的检测元件，一般只能在一定范围内保持这种线性关系传感器非线性补偿技术 为了在较大的测量范围内保持传感器精度，就需要对输入和输出的关系进行补偿。? 硬件电路补偿：采用对数放大器、反对数放大器，设计反馈式回路。电路较 复杂，很难达到良好效果? 软件补偿（1）非线性补偿 当传感器及其调理电路至 A/D 转换器的输入 输出有非线性， 可按反非线性特性进 行转换， 进行非线性的校正， 使输出 y 与输入 x 呈理想直线关系。检测系统的零位误差是由温度漂移和时间漂移引起的。采用软件对

29、零位误差进行补 偿的方法又称数字调零，其原理如下图所示。增益误差同样是由温度漂移和时间漂移等引起的。增益误差补偿又称校准。 校准时，在微型机控制下先把多路开关接地，得到采样值a0 ，然后把多路开关接基准输入UR,得到采样值 xR,并寄存 a0 和 xF。在正式测量时，如测得对应输入信号Ui 的采样值为 xi，则输入信号可按下式计算：该校准方法可使测得的输入信号 Ui 与检测系统的漂移和增益变化无关,因而实现增 益误差补偿。数字滤波 干扰与噪声在系统中客观存在的 数字滤波是提高信号输入可靠性、 减少虚假信息影响的有利因素 系统中的噪声并非是越少越好,要根据实际情况进行判断。数字滤波 实质是程序滤

30、波,与模拟滤波相比具有如下优点：? 不需要额外的硬件设备, 不存在阻抗匹配问题, 可以使多个输入通道共用 一套数字滤波程序,降低仪器硬件成本。? 可以对频率很低或很高的信号实现滤波。? 可以根据信号的不同而采用不同的滤波方法或滤波参数,灵活、 方便、 功能强。数字滤波（1）中值滤波 中值滤波方法对缓慢变化的信号中由于偶然因素引起的脉冲干扰具有良好滤除效 果原理：对信号连续进行 n 次采样,然后对采样值排序,并取序列中位值作为采样有 效值。程序算法就是通用的排序算法。采样次数 n 一般取为大于 3 的奇数。数字滤波（2）算术平均滤波原理：对信号连续进行 n 次采样,以其算术平均值作为有效采样值。

31、 该方法对压力、流量等具有周期脉动特点的信号具有良好的滤波效果。采样次数 n 越大,滤波效果越好,但灵敏度也越低,为便于运算处理,常取n = 4、8、16。数字滤波滑动平均滤波用循环队列作为采样数据存储器，队列长度固定为n,每进行一次新的采样，把采样数据放入队尾，扔掉原来队首的一个数据。这样，在队列中始终有n 个最新的数据。对这 n 个最新数据求取平均值，作为此次采样的有效值。这种方法每采样一次， 便可得到一个有效采样值,因而速度快,实时性好,对周期性干扰具有良好的抑制 作用数字滤波低通滤波 当被测信号缓慢变化时,可采用数字低通滤波的方法去除干扰。数字低通滤波器是 用软件算法来模拟硬件低通滤波

32、的功能。一阶 RC 低通滤波器的微分方程为数字滤波式中：T= RC 是电路的时间常数。用 X 替代 ui, Y 替代 uo,将微分方程转换成差 分方程,并整理得 :式中一一采样周期；X ( n)本次采样值； Y(n )和 Y(n 1)本次和上次的滤波器输出值。取,则式可改写成数字滤波由上式可见滤波器的本次输出值主要取决于其上次输出值,本次采样值对滤波器输 出仅有较小的修正作用,因此该滤波器算法相当于一个具有较大惯性的一阶惯性环 节,模拟了低通滤波器的功能,其截止频率为第五章工业控制计算机及其接口技术 工业控制计算机系统是机电控制系统的中枢,其主要作用：? 按编制好的程序完成系统信息采集、加工处

33、理、分析和判断,作出相应的调 节和控制决策? 发出数字形式或模拟形式的控制信号? 控制执行机构的动作? 机电系统集成体系的组成方法 组成机电系统的各要素和子系统相接处必须具备一定的联系条件,这个联系条 件称为接口,简单地说就是各子系统之间以及子系统内各模块之间相互联接的硬件 及相关协议软件。机电一体化产品的设计, 就是在根据功能要求选择了各要素后,所进行的接口设 计。 从这一观点出发,机电产品的性能很大程度上取决于接口的性能,即各要素和 各子系统之间的接口性能是机电一体化系统性能好坏的决定性因素。接口设计是机电一体化产品设计的关键环节。工业控制计算机工业控制计算机系统的硬件组成：? 计算机基本

34、系统? 人机对话系统? 系统支持模块? 过程输入 /输出子系统 过程输入设备把系统测控对象的工作状况和被控对象的物理、工位 接点状态转换为数字信号输出设备把数字信息转换为驱动机构的功率信号工业控制计算机工业控制计算机系统的软件包括? 适应工业控制的实时系统软件? 通用软件? 工业控制软件。工业控制计算机 工业控制计算机系统的基本要求：? 1 具有完善的过程输入输出功能? 要使计算机能控制机电一体化系统的正常运行， 它必须具有丰富的模拟和数 字输入输出通道， 以便使计算机能实现各种形式的数据采集、 过程连接和信 息变换等，这是计算机能否投入机电一体化系统运行的重要条件。? 2 具有实时控制功能?

35、 工业控制计算机应具有时间驱动和事件驱动的能力。 要能对生产的工况变化 实时地进行监视和控制， 当过程参数出现偏差甚至故障时能迅速响应并及时 处理， 为此需配有实时操作系统及过程中断系统。工业控制计算机? 3 具有可靠性? 机电一体化设备通常是昼夜连续工作， 控制计算机又兼有系统故障诊断的任 务， 这就要求工业控制计算机系统具有非常高的可靠性。? 4 具有较强的环境适应性和抗干扰能力? 在工业环境中，电、磁干扰严重，供电条件不良。工业控制计算机必须具有 极高的电磁兼容性， 要有高抗干扰能力和共模抑制能力。此外，系统还应适 应高温、高湿、振动冲击、灰尘等恶劣的工作环境。工业控制计算机 工业控制计

36、算机的分类及其应用特点1、可编程控制器( PLC)? (1)控制程序可变， 具有很好的柔性。 在生产工艺流程改变或被控设备更新的情况下，不必改变 PLC 的硬件只需改变程序就可以满足要求。? (2)可靠性强，适用于工业环境。PLC 是专门为工业环境应用而设计的计算机控制系统， 在硬件和软件上采取了一系列有效措施， 以提高系统的可靠性和 抗干扰能力， 并有较完善的自诊断和自保护能力， 能够适应恶劣的工业环境。PLc 的平均无故障工作时间可达数万小时，这是其他计算机系统无法比拟的。工业控制计算机?(3)编程简单，使用方便。大多数 PLC 采用 梯形图”的编程方式。梯形图类似于继电接触控制的电气原理

37、团，使用者不需具备很深的计算机编程知识。 只 需将梯形图转换成逻辑表达式，将其输入 PLC即可使用。?(4)功能完善 PLC 具备输入输出、逻辑运算、算术运算、定时、计数、顺序控制、功率驱动、通讯、人 机对话、自检、记录和显示等功能，使系统的 应用范围大大提高。?(5)体积小、重量轻、易于装入机器内部。工业控制计算机2、总线型工业控制计算机 控制系统划分成具有一种或几种独立功能的硬件模块，从内总线入手把各功能模块 设计制造成 “标推 ”的印制电路板插件 (亦称模块 ) ，像搭积木一样将硬件插件及模板插 入一块公共的称为 “底板 ”的电路板插槽上组成一个模块网络系统， 每块插件之间的 信息都通过

38、底板进行交换，从而达到控制系统的整体功能，这就是所谓的模块化设 计。由于总线结构的控制计算机系统将一个较复杂的系统分解成具有独立功能的模 块，再把所需的功能模板插到底披上，构成一个计算机控制系统。工业控制计算机 工业个人计算机(In dustrial Perso nal Computer IF)是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工 业控制器在工业环境中可靠运行，具有较好的抗噪声、抗震等特性，也有更多的总线插槽。PC104 工业总线ISA 接口标准的延伸。IPC 的技术特点1、 采用符合“ EIA”准的全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力。有些厂家的产品，例如研祥 EVOC 的 IPC

39、0880X IPC-810B 与 IPC-8419 等机箱都带有 EMI 弹片，更 加稳固。2、 采用总线结构和模块化设计技术。CPU 卡及各功能卡皆使用插板式结构，并带有 压杆(或者橡胶垫)软锁定，提高了抗冲击、抗振动能力。3、 机箱内装有双风扇，微正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘。4、 配有高度可靠的工业开关电源，并有过压、过流保护，也是最有关键的。IPC 的技术特点5、 电源及键盘均带有电子锁开关，可防止非法开、关和非法键盘输入6、 具有自诊断功能。7、 可视需要选配 I/O 模板，ISA/PCI 总线的各类采集卡都可以选择。8、 设有 “看门狗 ”定时器，在因故障死机时，无需人的干预

40、而自动复位。9、 开放性好，兼容性好，吸收了 PC 机的全部功能，可直接运行 PC 机的各种应用软 件。10、可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行。11、可采用无源母板(底板) ，方便系统升级。工业控制计算机 总线型工业控制计算机的优点：?(1)提高设计效率， 缩短设计和制造周期。 在系统的整体设计时， 将复杂的电路分布在若干功能模板上， 可同时并行地进行设计， 大量的功能模板可以直 接购得，从而缩短系统设计、制造周期。?(2)提高了系统的可靠性。由于各通用模块均由专业制造厂以产品形式专业化大批量生产制造， 用户可以根据自己的具体需要， 购买产品，如中央处理器、 内存、A/ D、D/ A

41、 等模板及专用 1/O 接口板卡等，来构成自己的计算机系 统。由于模板的质量稳定，性能可靠，因此也就保证了控制计算机系统的可 靠性。工业控制计算机?(3)便于调试和维修。 由于模板是按照系统的功能进行分解的，维修或调试时，只要根据功能故障性质进行诊断，更换损坏的模板，就可以排除故障、进行 调试。?(4)能适应技术发展的需要， 迅速改进系统的性能。 总线结构的控制计算机只需改进模块和软件，不需对整个系统进行重新设计就能满足对系统提出的新 的要求。?(5)软件开发升级便利5.1 工业控制计算机3、单片机 满足特定需要的专用工业控制系统，特点：? 1）受集成度限制，片内存储器容量较小。一般片内ROM

42、 小于 48K 字节，片内 RAM 小于 256 字节；但可在外部进行扩展，如MCS-5I 系列单片机的片外可编程存储器（EPROM）静态随机存储器（SRAM）可分别扩展至以 64K 字节。?2）可靠性高。单片机芯片本身是技工业测控环境要求设计的，其抗工业噪声干扰的能力优于一般通用CPU;程序指令及其常数、表格固化在ROM 中不易损坏；常用信号通道均集成在一个芯片内，信号传输可靠性高。5.1 工业控制计算机?3）易扩展。片内具有计算机正常运行所必须的部件，芯片外部有许多供扩展用的总线及并行、串行输入输出端口， 很容易构成各种规模的计算机控制系 统。?4）控制功能强。为了满足工业控制要求，单片机

43、的指令系统中有丰富的条件分支转移指令、1/O 口的逻辑操作以及位处理功能。一般来说，单片机的逻辑控制功能及运行使度均高于同一档次的徽处理器。?5）般的单片机内无监控程序或系统通用管理软件，软件开发工作量大。5.2 计算机控制接口技术1、信息采集接口2、DA 数据输出接口在机电一体化产品中，被控对象所需要的驱动功率一般都比较大，而计算机发 出的数字控制信号或经D/A 转换后得到的模拟控制信号的功率都很小，因而必须经过功率放大后才能用来驱动被控对象。实现功率放大的接口电路又称为功率接口电 路。.光电藕合器在控制微机和功率放大电路之间，常常使用光电藕合器。光电藕合器由发光二 极管和光敏晶体管组成，

44、当在发光二极管二端加正向电压时，发光二极管点亮，照 射光敏晶体管使之导通，产生输出信号。光电藕合器的信号传递采取电-光-电形式， 发光部分和受光部分不接触，因此其绝缘电阻可高达 1010门以上，并能承受 2000V 以上的高压，被耦合的两个部分可 以自成系统，能够实现强电部分和弱电部分隔离，避免干扰由输出通道窜入控制微 机。 光电藕合器的发光二极管是电流驱动器件，能够吸收尖峰干扰信号，所以具有 很强的抑制干扰能力。光电藕合器作为开关应用时，具有耐用、可靠性高和高速等优点，响应时间一 般为数微秒以内，高速型光电藕合器的响应时间有的甚至小于10ns。在接口电路设计中，应考虑光电藕合器的两个参数:电

45、流传输比与时间延迟。电流传输比是指光电晶体管的集电极电流 IC 与发光二极管的电流Ii 之比。时间延迟是指光电藕合器在传输脉冲信号时，输出信号与输入信号的延迟时 间。例子：采用 DAC8031 和 4N25 组成基础电路。P1.O 低电平点亮发光二极管，电流为 10mA, 4N25 的电流传输比20%，所以光敏晶体管中的电流 Ic 2mA， 大功率晶 体管把这个电流放大就可以带动步进电动机等负载。2晶闸管晶闸管又称可控硅，是目前应用最广的半导体功率开关元件，其控制电流可从数安到数千安。晶闸管的主要类型有? 单向晶闸管 SCR? 双向晶闸管 Trim? 可关断晶闸管 GTO? 光控晶闸管? 温控

46、晶闸管3功率晶体管( GTR) 功率晶体管是指在大功率范围应用的晶体管，有时也称为电力晶体管。? 在中小功率领域可取代功率晶闸管；? 与晶闸管相比， GTR 不仅可以工作在开关状态， 也可以工作在模拟状态； GTR 的开关速度远大于晶闸管，并且控制比晶闸管容易；? 价格高于晶闸管。4功率场效应晶体管 (MOSFET)TTL 集成电路就可驱动大功率的场效应晶体管。TTL 集成电路的高电平输出为 3.55V,直接驱动功率场效应管偏低一些，所以在驱动电路中常采用集电极开路的 TTL 集成电路。5绝缘栅双极晶体管( IGBT)绝缘栅双极晶体管是 20 世纪 80 年代出现的新型复合器件， 它将MOSF

47、ET 和 GTR 的优点集于一身， 既具有输入阻抗高、 速度快、 热稳定性好和驱动电路简单的特点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点。6固态继电器 (SSR) 固态继电器是一种无触点功率型通断电子开关，又名固态开关。固态继电器与 电磁继电器相比， 具有工作可靠、 使用寿命长、能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快和使用方便等优点。三、开关型功率接口6、继电器输出接口? 由于继电器是通过改变金属触点的位置， 使动触点与定触点闭合或分开， 所 以具有接触电阻小、 流过电流大及耐高压等优点， 但在动作可靠性上不及晶 闸管。? 继电器有电压线圈与电流线圈两种工作类型， 它们在本质上是相同的

48、， 都是 在电能的作用下产生一定的磁势。电压继电器的电气参数包括线圈的电阻、电感或匝数、吸合电压、释放电压和最大允许工作电压。电流继电器的电气 参数包括线圈匝数、吸合电流和最大允许工作电流。三、 开关型功率接口 继电器接触器的供电系统分为直流电磁系统和交流电磁系统，工作电压也较高，因此从控制计算机输出的开关信号需经过驱动电路进行转换，使输出的电能能够适 应其线圈的要求。继电器 /接触器动作时，对电源有一定的干扰，为了提高控制计算 机系统的可靠性，在驱动电路与控制计算机之间常采用光电耦合器隔离。三、开关型功率接口7、固态继电器接口? 在继电器控制中， 由于采用电磁吸合方式， 在开关瞬间， 触点容

49、易产生火花， 从而引起干扰； 对于交流高压等场合， 触点还容易氧化， 影响系统的可靠性。? 固态继电器输入控制电流小，输出无触点，所以与电磁式继电器相比，具有 体积小、重量轻、无机械噪声、无抖动和回跳、开关速度快、工作可靠等优点。三、开关型功率接口（1）直流型 SSR直流型 SSR 的输入部分是一个光电隔离器，因此，可用晶体管直接驱动。它的输出 端经整形放大后带动大功率晶体管输出，输出工作电压可达30180V。 三、开关型功率接口（2）交流型 SSR? 交流型 SSR 又可分为过零型和移相型两类，采用双向晶闸管作为开关器件，用于交流大功率驱动场合，如交流电动机、交流电磁阀控制等。? 对于非过零

50、型 SSR 在输入信号时，不管负载电流相位如何，负载端立即导 通； 而过零型必须在负载电源电压接近零且输入控制信号有效时， 输入端负 载电源才导通。当输入的控制信号撤销后，不论哪一种类型， 它们都只在流 过双向晶闸管负载电流为零时才关断。三、开关型功率接口固态继电器缺点? 1）存在通态压降和断态漏电流，其通态压降一般小于2V,断态漏电流为510mA ，其中漏电流会使小电流执行器件 （如几毫安就能动作的灵敏继电器 ） 产生误动作，? 在使用时可在负载两端并联一个适当阻值的分流电阻抑制漏电流的影响。 固态继电器缺点? 2 ）电压过载能力差，当负载为感性时，在SSR 的输出端必须接压敏电阻，压敏电阻

51、标称电压可取电源电压有效值的1.61.9 倍。?3）固态继电器的电流容量、负载能力随温度升高而下降，使用的温度范围不宽（-40+80），所以当温度较高时.选用 SSR 的输出电压和电流应留有余量， 同时应装散热器。固态继电器缺点?4）对于白炽灯、电炉等具有 “冷阻”特性的负载.在电源接通瞬间将产生超过额定电流的浪涌电流。在选择额定电流时，应留有足够的余量，一般可按负 载平时工作电流约等于固态继电器额定电流的三分之二来选择固态继电器。浪涌电流电压与电流都会发生快速波动? 浪涌电流指电源接通瞬间，流入电源设备的峰值电流。由于输入滤波电容迅 速充电，该峰值电流远大于稳态输入电流。? 产生原因：电网、

52、雷击、爆破，人在地毯上行走所产生的上万伏静电感应电压浪涌电流二极管型防护器件? 二极管型防护器件是利用硅 PN 结正向压降（VF）和反向雪崩击穿电压 （Vz） 特性制成的，如瞬变电压抑制二极管（ TVS）晶闸管型防护器件? 晶闸管型防护器件有两种：第一种是控制栅极型双向三端器件，优点是耐电 流量大，缺点是点火电压易变化。浪涌电流气体放电管，优点是耐电流量大和静电容量小，缺点是点火电压高，在直流电压下不能恢复到截止状态，不能用于防低电压电路，经多次电压瞬变和浪涌后其性能 会下降金属氧化物压敏电阻，以氧化锌为主要原料制造的半导体陶瓷元件，利用ZnO 电压的非线性来吸收瞬变电压和浪涌。这种压敏电压器

53、件的电压范围很宽，可从几伏 到几千伏，吸收浪涌电流可从几十到几千安培，反应速度快，非线性指数大、无极 性、无续流、寿命长、成本低，缺点是箝位系数小，呈负温度系数，经多次电压瞬 变和浪涌后其性能会下降，使用温度范围低，不能采用气密性封装，其可靠性也不 高等。1. 开关输入接口? 参数对象：二值型控制命令和参数? 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。? 对于机械开关， 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 510ms。? 对于按钮，稳定闭合期由操作员的按键

54、动作决定，一般在几百微秒至几秒之 间。? 接口设计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电路，其中左为双稳态滤波消抖，右为单稳态多谐震荡消抖， 74xx121 是带有施密特触发器输入端的单稳态多谐震荡器。2. 拨盘输入接口BCD 码拨盘的接口静态接口动态接口3. 键盘输入接口. 矩阵式键盘工作原理矩阵式键盘由一组行线 (Xi) 与一组列线 (Yi) 交叉构成，按键位于交叉点上，为 对各个键进行区别，可以按一定规律分别为各个键命名键号，如右图所示。将列线通过上拉

55、电阻接至 +5V 电源，当无键按下时，行线与列线断开，列线呈高电平。当键盘上某键按下时，则该键对应的行线与列线被短路。例如，7 号键被按下闭合时，行线 X3与列线丫|被短路，此时丫|的电平由 X3电位决定。如果将列线 接至控制微机的输入口，行线接至控制微机的输出口，则在微机控制下依次从X0X3输出低电平，并使其它线保持高电平，则通过对丫0丫3的读取即可判断有无键闭合、哪一个键闭合。键盘接口电路下图示出了 8031 通过 P1 口与一个 4 X 4 键盘的接口电路，其中P1.0P1.3 作行扫描输出线，P1.4P1.7 作列检测输入线。键输入程序 键输入程序具有下面四项功能：判断键盘上有无键闭合 其方法为在扫描线 P1.0P1.3 上全部送“ 0，”然后读取 P1.4P1.7 状态，若全部为 “ 1；则无键闭合，若不全为“ 1；则有键闭合；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P1.4P1.7 的状态，若 P1.4P1.7 全为“ 1,则行线输出为“0 的这一列上没有键闭合；若 P1.4P1.7 不全为 “1，则说明有键闭合。行列交叉点即为该键键号，例如P1.0P1.3 输出为 1101，读