机电控制工程复习提纲

1、机电控制工程 课程内容回顾：序号日期节数教 学 内 容备 注12机电控制工程的历史与现状机电控制工程的基本概念和系统组成 理论22机电一体化系统总体设计方法，项目研发计划书理论32传感器分类、常用传感检测系统设计（编码器）理论42伺服驱动系统设计（步进电机控制及实现、直流伺服电机）理论52机电系统建模、仿真与分析理论62MATLAB软件操作与教学机器人系统建模、仿真与分析上机上机72直线运动单元建模仿真分析实验实验82直流伺服电机速度控制实验验证实验92微机控制系统的设计与开发方法理论102AVR单片机系统设计理论112单片机开发板介绍与开发软件操作上机122直线运动单元速度控制系统软件设计实

2、验132插补算法与数控编程理论142数控编程与仿真实验152插补算法软件设计实验162数控编程与加工实验上机172研讨课 机电控制技术前沿发展趋势理论机电控制工程课程体系 概念、定义、组成、范围、分类；设计方法（准则，步骤，外观）机械结构与传动（滚珠丝杠传动、齿轮传动、谐波齿轮传动、齿形带传动、导轨、主轴组件、支承件）传感器定位与检测（角位移、光栅位移、电磁感应）伺服驱动（步进电机、直流电机、交流电机、开环伺服、闭环伺服）微机原理与控制系统（原理，接口，运动规律、传递函数、控制算法）典型机电控制实例机器人与数控机床发展趋势机电控制知识结构方案设计知识树原理构思？运动分解？直线运动：机构？旋转运

3、动：机构?常用的减速器？各自特点？传动机构？各自特点？连接机构？各自特点？导向支承机构？各自特点？执行机构？各自特点？各种常用的传感器?各自特点？驱动？各自优缺点？适用的场合?常用的控制系统分类？各自特点？教学机器人系统设计实例一、需求分析（目的，功能，指标，成本，时间）二、方案选型（总体，电机，传感，控制）1、总体结构2、电机选型与计算3、传感器选型4、控制系统选型三、详细设计（分解，结构，计算，仿真，分析，装配）机电系统机械传感驱动控制方案选型机械结构机电一体化机械系统的组成：动力源传动机构导向支撑机构机架几部分。（多个运动）机电系统机械传感驱动控制方案选型传感器选型 传感器是将某种信号,

4、按一定规律转换成相应的另一种有用信号的器件或装置,是获取信息的工具。作为信息采集的传感器技术和计算机技术，通讯技术一起，通称为现代信息技术的三大支柱。 为了让计算机等电气自动化系统能够识别，传感器采集的各种信号(包括各种不同类型的电信号),必须转换成让计算机等电气自动化系统能够识别的电信号。方案选型传感器选型传感器的选用原则及注意事项根据使用要求，在众多传感器中选择适合自己所需要的主要性能参数：测量范围、精度、分辨力、灵敏度等在确保其主要性能指标的情况下，适当放宽对次要性能指标的要求切忌盲目追求各种特性参数均高指标，以形成较高的性能价格比 2、常用位置传感器光电编码器（绝对、相对角位置，角速度

5、）红外开关（非接触式）霍尔开关（非接触式）电位器（接触式）光电编码器利用光电信号测量位置的一种传感器，简称为码盘，它可以直接输出数字信号，因而可以省略和计算机连接时的模数转换接口，是属于数字传感器类型。输出脉冲数表示其主轴的旋转角度，亦可间接计算出运动部件的直线位移。它具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。增量式码盘工作原理下面我们主要介绍增量式光电编码器，如左图所示：增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；两对发射接收的对管成90度夹角安装，这样经过整形后的得到的A

6、,B两相的波形为相位相差90度的脉冲序列，从而可方便地判断出旋转方向而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。左图是对于一路信号(A 或B)没有整形后的更为一般的情况，理论上是一个随着光线的强弱变化而形成的正弦波，然后可以通过带斯密特的门电路处理后得到较好的方波。这种光电编码器的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上。采用差分驱动的增量式编码器抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。光电码盘如何测量转速？增量式编码器输出的是连续的脉冲信号，通过得到一秒钟内的脉冲个数，利用已知的编码器线数（如2MC-H-500-582912为500）可得到电机转速，

7、或者在直接以每秒的脉冲数作为速度，具体以计算方便为准。对此有两种较为常见的做法：测频率和测脉宽法。测频率法是设定一个固定的采样时间T，比如秒，采样一次得到的脉冲个数N，那么速度VNT（）而测脉宽法（有的书上也叫测周期法），则是通过测定一个脉冲的周期（对于方波，可以测定脉宽即半周期）来计算速度。具体的思路是测定两个相邻的上升沿或下降沿的时间间隔，得到脉冲的周期，进而得到速度。码盘的辨向原理在实际的使用中，需要对编码器作辨向处理，如下图所示，使用触发器实现。假定电机正转时，相超前相度，那么在相每个脉冲的上升沿，端输出为高，反之，电机反转时，相超前相度，那么在相每个脉冲的上升沿，端输出为低。这样就实

8、现了辨向电路。图1.4给出了一种实用的码盘与单片机的接口电路。如何学习使用传感器学原理（掌握先进的、思考创新的）学接口（电气借口、数据协议）非接触、数字式、网络化代表了传感技术的发展方向。机电系统机械传感驱动控制驱动元件（执行元件）：是各类工业机器人、CNC机床等机电一体化系统中的能量转换装置，它在微电子装置的控制下，将输入的各种形式的能量转换为机械能。与传统机器中的动力元件不同，机电控制系统中的驱动元件，不但要提供运动的动力，同时还要具有可控的性质。一、 驱动元件的种类和特点 对伺服系统的基本要求 1. 位移精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。伺服系统的位移精度是指指令脉

9、冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，位移精度愈高。 2. 稳定性好 稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。要求伺服系统具有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。 3. 快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统跟踪精度。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系统，为保证轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，跟随误差小。 4. 调速范围宽 调速范围是指生产机械要求电机能提供

10、的最高转速和最低转速之比。在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。 5. 低速大扭矩 要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，伺服系统在低速时要求有大的转矩输出。 1、分类和特点伺服驱动系统电气式液压式气压式其他电动机电磁铁及其他交流伺服电动机直流伺服电动机步进电动机其他电动机油缸马达气缸气压马达与材料有关形状记忆合金压电元件双金属片一、驱动元件的种类及特点 三种驱动元件的比较各种电机的不同的特性、工作原理与控制方式 电机类型主要特点构造与工作原理控制方式直

11、流伺服电机只需接通直流电即可工作，控制特别简单；启动转矩大、体积小、重量轻、转速和转矩容易控制、效率高需要定时维护和更换电刷，使用寿命短、噪声大。由永磁体定子、线圈转子、电刷和换向器构成。通过电刷和换向器使电流方向不断随着转子的转动角度而改变，实现连续旋转运动转速控制采用电压控制方式，因为控制电压与电机转速成正比。转矩控制采用电流控制方式，因为控制电流与电机转矩成正比。交流伺服电机没有电刷和换向器，不需维护，也没有产生火化的危险；驱动电路复杂，价格高；按结构分为同步电机和异步电机，转子是由永磁体构成的为同步电机，转子是由绕组形成的电磁铁构成的为异步电机。无刷直流电机，结构与同步电机相同，特性与

12、直流电机相同。分为电压控制和频率控制两种方式。异步电机通常采用电压控制方式。步进电机直接用数字信号进行控制，与计算机的接口比较容易；没有电刷，维护方便、寿命长；启动、停止、正转、反转容易控制。步进电机的缺点是能量转换效率低，易失步等按产生转矩的方式可分为永磁体式（PM）,可变磁阻式（VR）,和混合式 (HB)。 PM式产生的转矩较小，多用于计算机外围设备和办公设备；VR式能够产生中等转矩，而 HB式能够产生较大转矩，因此应用最广单相励磁：精度高，但易失步；双相励磁：输出转矩大，转子过冲小，常用方式，但效率低；单-双相励磁：分辨率高，运转平稳。 机电系统机械传感驱动控制控制理论+ 控制系统机械工

13、程控制论的研究任务 从系统、输入、输出三者之间的关系出发，根据已知条件与求解问题的不同，机械工程控制论的任务可以分为以下五种： （1）系统分析：已知系统和输入，求系统的输出（响应），并通过输出来研究系统本身的有关问题； （2）最优控制：已知系统和系统的理想输出，确定输入使得输出尽可能符合给定的最佳要求； （3）最优设计：已知输入和理想输出时，设计系统； （4）滤波与预测：当系统已定，输出已知，要识别输入或输入中的有关信息； （5）系统辨识：已知系统的输入和输出，求系统的结构与参数，即建立系统的数学模型。 问题？1、为什么要建立控制系统的数学模型？2、建模的方法和步骤？3、如何建立直流伺服电机的

14、数学模型？4、如何仿真分析一个控制系统？5、系统的参数变化对系统性能的影响？6、你知道哪些控制系统仿真工具？2 控制系统建模的基本概念 2.1 数学模型 数学模型是系统动态特性的数学描述。由于在过渡过程中，系统中的各变量要随时间而变化，因而在描述系统动态特性的数学模型中不仅会出现这些变量本身，而且也包含这些变量的各阶导数，所以系统的动态特性方程式就是微分方程式，它是表示系统数学模型的最基本的形式。数学模型定义：控制系统的数学模型是描述系统内部各物理量（或变量）之间关系的数学表达式。在静态条件下（即变量的各阶导数为零）描述各变量之间关系的数学方程，称为静态模型在动态过程中，各变量之间的关系用微分

15、方程描述，称为动态模型 定 义 2.2 建立数学模型的意义控制系统的数学模型是由具体的物理问题、工程问题从定性的认识上升到定量的精确认识的关键！研究与分析一个机电控制系统，不仅要定性地了解系统的工作原理及特性，而且还要定量地描述系统的动态性能。数学模型的种类复数域模型: 包括系统传递函数和结构图。 表示系统本身的特性而与输入信号无关；不仅可以表征系统的动态性能,而且可以研究系统的结构或参数变化对系统性能的影响。频率域模型: 主要描述系统的频率特性,具有明确的物理意义，可用实验的方法来确定.三类常用数学模型表示形式： a.微分方程 b.传递函数 c.频率系统 三种数学模型之间的关系线性系统传递函

16、数微分方程频率特性拉氏变换傅氏变换建立系统模型步骤 1、线性系统微分方程的建立： 确定系统的输入量和输出量； 将系统划分为若干环节，从输入端开始，按信号传递的顺序，依据各变量所遵循的物理学定律（牛顿定律、基尔霍夫电流和电压定律、能量守恒定律）等，列出各环节的线性化原始方程； 2、针对前述建立的微分方程，逐个进行拉普拉斯变换，消去中间变量，得到系统的传递函数模型 1.基尔霍夫电流定律 在任一瞬间，流向某一节点的电流之和应该等于由该节点流出的电流之和。就是在任一瞬间，一个节点上电流的代数和为零。基尔霍夫电流定律应用于节点。2.基尔霍夫电压定律 在任一瞬间，沿任一回路循行方向（顺时针或逆时针方向），

17、回路中各段电压的代数和恒等于零。基尔霍夫电压定律应用于回路。 3.能量守恒定律 能量即不能产生也不能消灭，它只能从一种形式转化到另一种形式但总能量是守恒的4 .牛顿第一定律 任何物体都要保持其静止或直线匀速运动状态直到外力迫使它改变运动状态为止5.牛顿第二定律 物体所受的合外力等于质量和加速度的乘积6.牛顿第三定律 两个相互作用的物体之间的作用力与反作用力大小相等方向相反并且在一条直线上，分别作用于不同的物体机电系统机械传感驱动控制控制理论+ 控制系统2012年05月7日AVR单片机基础实验机电控制工程1.认识开发板4.实现功能任务：I/O输入/输出：端口 查询方式与中断方式Timer定时计数

18、器： 定时初值计算AD模数转换： 对齐方式，转换结果的读取与操作数码管显示 如何包含头文件串口通信步进电机控制实验 原理、换向、调速4.实现功能：举例4.实现功能：举例4.实现功能：举例插补算法及数控编程机电控制工程1.1 插补概念插补技术机床数控系统的核心技术之一是插补技术，在已知运动轨迹的起点与终点坐标、轨迹的曲线方程，由数控系统实时地计算出各个中点坐标的过程，称为插补。插补的两层意思 一是用小线段逼近产生基本线型（如直线、圆弧等） 二是用基本线型拟和其它轮廓曲线。插补的重要指标插补运算具有实时性，直接影响刀具的运动。插补运算的速度和精度是数控装置的重要指标。插补器数控系统中完成插补工作的

19、装置称为插补器1.2 插补分类按采用的原理和计算方法大多数数控系统都具有直线插补器和圆弧插补器。只有某些高档CNC系统才有抛物线、螺旋线等插补功能。插补方法脉冲增量插补数字增量插补 脉冲增量插补 逐点比较法原理 计算机在控制加工过程中，逐点地计算和判别加工偏差，以控制坐标进给特点运算直观，插补误差不大于一个脉冲当量，脉冲输出均匀，调节方便。1.3 插补算法直线逐点比较插补程序流程图：(G90 模式)算法之外：已知量的初始化和赋值数据的存储结构作图与仿真逐点比较法圆弧逐点比较插补程序流程图：与直线插补区别：偏差函数方向判断象限判断在循环内终点判别逐点比较法数控加工程序编制概念从零件图纸到数控加工

20、指令的有序排列的全过程。将零件加工的工艺分析、加工顺序、零件轮廓轨迹尺寸、工艺参数(F、s、t)及辅助动作（变速、换刀、冷却液启停、工件夹紧松开等）等，用规定文字、数字、符号组成的代码按一定格式编写加工程序单，并将程序单的信息变成控制介质的全过程。 二、数控编程编程方法：手工编程和自动编程手动编程 定义：整个编程过程由人工完成。对编程人员的要求高（熟悉数控代码功能、编程规则，具备机械加工工艺知识和数值计算力）适用： 几何形状不太复杂的零件； 三坐标联动以下加工程序自动编程：定义：编程人员根据零件图纸的要求，按照某个自动编程系统的规定，将零件的加工信息用较简便的方式送入计算机，编程系统将根据数控

21、系统的类型输出数控加工程序。适用： 形状复杂的零件 虽不复杂但编程工作量很大的零件（如有数千个孔的零件) 虽不复杂但计算工作量大的零件（如非圆曲线轮廓的计算） 二、数控编程 常用G代码及功能G代码功能G00点定位（快速进给）G01直线插补（切削进给）G02圆弧插补CW（顺时针）G03圆弧插补CCW（逆时针）G90绝对坐标指令G91相对坐标指令G代码（需要记住） G00 快速定位 指令格式：G00X(U)_Y(V)_G00指令用于快速点定位，两个轴同时进给，合成速度为最大唯一速度。 指令中的X(U)和Y(V)值确定终点坐标，起点为当前点。G01 直线插补指令格式：G01 X(U)_Y(V)_F_

22、G01为直线插补运动，即两个轴以当前点为起点，以F指令指定的速度同时进给，终点位置由X(U)和Y(V)确定。速度字F具有模态性，即由F指令的进给速度直到变为新的值之前均有效，因此不必每个程序段均指定一次。单位：mm/min。G代码功能描述 G02/03 圆弧插补 （G02：顺时针圆弧 G03：逆时针圆弧） 使两轴以当前点为起点，按照给定的参数走出一段圆弧。其指令格式可以有两种形式：G02/03 X(U)_Y(V)_I_J_F X(U)、Y(V):确定终点位置； I，J分别对应X，Y方向上圆弧起点到圆心的距离(有符号) F：插补速度G02/03 X(U)_Y(V)_R_F X(U)、Y(V):确

23、定终点位置； R：圆弧半径 F：插补速度G代码功能描述M指令(辅助功能) M03 对应于笔架下降 M05 对应于笔架抬起 M30 程序停止 可根据需要在G代码文件中加入相应的M指令示例 1 N10 M03 G01 X10笔架下降，以直线插补方式从原点(0,0)运动至点(10,0)； N20 G01 Y10接上一步，以直线插补方式从点(10,0)运动至点(10,10)； N30 G01 X0 Y0接第二步，以直线插补方式从点(10,10)运动至原点(0,0)； N40 M05 M30 笔架抬起，结束。N10 M03 G01 X10N20 G01 Y10N30 G01 X0 Y0N40 M05 M30 N01 M03 G90 G01 X20 笔架下降，以直线插补方式从原点(0,0)运动至点(20,0)； N02 G03 X-20 Y0 I-20 J0以圆弧插补方式逆时针从点(20,0)运动至点(-20,0)； N03 M05 M30 笔架抬起，结束。示例 2N01 M03 G90 G01 X20N02 G03 X-20 Y0 I-20 J0N03 M05 M30一设计方法、类型、准则二三四五总体设计内容设计流程机电一体化系统的总体设计总体