机电系统分析与设计

第五章机电一体化系统微机控制系统选择与设计

本章内容：5.1

微机控制系统选择与设计

5.2

可编程逻辑控制器(PLC)选择1编辑课件５.1微机控制系统

随着机电一体化系统所需的控制功能、控制形式、控制方式的不同和多控制过程日趋复杂，对控制系统的要求越来越高。微机控制系统的引用，在许多方面能满足机电一体化控制系统的要求。

微机控制系统：是将微型计算机作为机电一体化产品的控制器，结合微型计算机的工作原理、接口电路（数字和模拟）的设计、相应的控制硬件和软件，以及它们之间的匹配，实现对控制对象的有效控制。常用的微机控制系统：专用微机控制系统——

核心部件为单片机和单板机。

通用微机控制系统——

核心部件为可编程控制器和工业控制计算机。2编辑课件５.1.1控制系统硬件与软件方案选择

在确定微机控制系统时，应重点考虑几方面的问题。（1）专用/通用微型计算机的选择

1）专用控制系统的构成与特点

用于大批量生产的机电一体化产品。具有机械电子有机结合紧凑，由专用IC芯片、接口电路、执行元件、传感器等相互合理匹配成专用控制器，软件采用专用机器代码或语言，可靠性强，成本低，但适应能力较差。3编辑课件2）通用控制系统的构成与特点

构成：控制系统以通用微型计算机为核心，设计专用或选用通用的集成IC芯片、接口电路、执行元件、传感器，以及相互合理匹配元件，组成具有较好通用能力的控制器。软件采用通用平台软件系统。特点：具有可靠性高，适应性强，但成本高，应采取一定的抗干扰措施等特点。应用：适用于多品种、中小批量生产的机电一体化产品。4编辑课件（2）硬件与软件的权衡

/匹配

任何微机控制系统的控制功能，既可以由硬件实现，也可以由软件实现，两者的合理匹配是确定或选用微机控制系统研究内容之一。主要依据经济性、可靠性、适用性等要求来决定。★主要用通用分离元件组成的控制系统——最好采用软件来实现对机电一体化产品的主要控制功能，接口少，易于调整，适应能力强，但成本较高。

5编辑课件

★主要用专用集成元件组成的控制系统——最好选用硬件实现对机电一体化产品的主要控制功能，具有廉价、可靠、处理速度快等特点。（3）应有必要的抗干扰措施

由于工作环境比较恶劣（存在电噪声干扰等），易产生故障。为提高控制系统的环境适应能力和抗干扰能力，以及可靠性，必须采取相应的抗干扰措施。6编辑课件５.1.2

微机控制系统的设计思路

（1）确定系统总体控制方案

总体控制方案确定技术路线从系统构成上考虑控制方式（开环控制、半闭环控制、闭环控制）——传感元件选用（含精度）——选用/设计执行元件——考虑被控制对象特殊控制要求（高可靠性、高精度、快速响应特性）——微机在整个控制系统中的作用（计算、数据处理、直接/间接控制方式、控制功能、I/O接口、外围设备等）——控制系统成本核算。

确定微机控制系统总体控制的初步方案总体方案可行性论证——总体方案技术/经济评价——总体方案鉴定。

最终确定微机控制系统总体控制方案7编辑课件（2）确定控制算法

目的在于确定微机控制系统输入/输出之间的数字和逻辑数学模型的数学表达方式，为控制系统输出的控制信号，实现被控制对象的各控制功能、精度、稳定性、可靠性等要求提高可靠的理论依据。常用的控制算法：

逐点比较法、数字积分法、PID调节控制法、最小拍控制法、最优控制法、随机控制法、自适用控制法、遗传控制法、模糊控制法、鲁棒控制法、神经网络控制法、专家系统等。选用何种控制算法，应依据被控制对象的具体要求而定，主要包括控制功能、精度、稳定性、可靠性等。8编辑课件（3）微型计算机选择

任何微机控制系统中的微型计算机，无论被控制对象的要求如何，对微型计算机都有一定最基本要求。

1）较完善的适时中断系统实时控制能力、紧急处理能力。

2）足够的存储容量（ROM、RAM、E2PROM）

有效地保证微机系统软件、应用软件、数据处理工作的正常运行。

3）完善的输入/输出通道逻辑、数字、模拟通道，以及输入/输出通道接口数。

4）实时时钟控制作为控制系统实现控制功能的基准。除此之外，还有一些特殊要求——字长、运行速度、指令、成本、编程难易、输入/输出接口扩展能力等。9编辑课件微型计算机的最终确定：

可选用微型计算机主要有三种类型：

单片机

—主要包括数字计算机四个基本组成部分(CPU、EPROM、RAM、I/O)，为单片集成电路。具有结构简单、实用范围广，但需用专用的开发系统对其软件和硬件进行开发才能满足使用要求。

单板机

—将单片机、编程器、外部存储器、专用/通用接口电路等板卡式微型计算机。具有成本低、体积小特点，主要用于生产现场的控制系统；但内存容量少，接口电路少，采用机器语言编程、程序编写、调试困难。

微型计算机

—具有丰富的软件和硬件支持，具有可视化界面的系统软件、可应用高级语言、汇编语言等编写应用程序，程序编写、调试方便快捷，有多样化数据信号输入/输出接口（COM、USB）或插槽（PCI、ISA）；但价格比较昂贵、抗干扰能力较差。

10编辑课件（4）控制系统总体设计

（技术设计）被控对象的具体要求、微型计算机、控制软件平台确定后，便可进行控制系统的总体设计。主要解决系统硬件、软件和操作人员三者之间的匹配，数据信息和控制信息交换的通讯接口设计（硬件接口），时序控制设计，应用软件设计等方面问题。控制系统总体设计的主要内容：

1）软件与硬件功能合理分配与协调(主要依据经济性、可靠性指标进行软件/硬件的分配、协调与权衡)。

2）接口设计（输入/输出信号匹配与协调）。

3）通道设计（信号通讯方式与I/O类型）。

4）操作控制台设计（人机交换方式）。

5）可靠性设计（可靠性设计方案与措施）。

11编辑课件（5）软件设计

系统软件：主要有操作系统、故障诊断系统、开发系统、信息处理系统等。在机电一体化产品的控制系统软件设计中、一般不设计系统软件，只是合理选用并了解基本的工作原理和熟练使用方法的问题。

应用软件：由操作者依据被控制系统的控制要求和特点，用户自行编写完成的。对于操作者或编程员来讲，软件设计均为应用软件设计。除此之外，在应用软件设计时，还应考虑一些基本要求，如实时性、针对性、灵活性和通用性等方面要求。

12编辑课件（6）系统调试

微机控制系统设计完成后，需对整个系统进行调试，以便达到设计要求。调试步骤包括硬件调试、软件调试、系统调试三大步骤。13编辑课件５.２可编程逻辑控制器(PLC)（1）PLC的基本工作原理与构成

工作原理：使用可编程存储器存储用户设计的应用程序指令，由指令实现逻辑运算、顺序操作、定时、计数、算术运算和I/O接口通讯来控制机电一体化系统（产品）。

基本构成：主要由微处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM、E2PROM）、I/O接口（数字、模拟）、编程接口、编程器（含显示）等组成。

14编辑课件（2）PLC的编程特点

PLC可编程逻辑控制器的设计者向用户提供简明、易学、易记的汇编语言，也可借助于逻辑梯形图作为编程的首选编程语言，将一组含义明确、功能性强、为数不多的指令用指令助记符表示的一种直观易懂的编程方法。15编辑课件（3）PLC的应用举例

16编辑课件５.３微机控制系统输入/输出的可靠性设计

微机控制系统以及各主要功能元件（部件）的输入/输出信号控制功能主要由硬件和软件设计来保证。在硬件设计中，如何提高控制系统的工作可靠性，是微机控制系统设计的重要环节之一。主要包括：

1）能可靠地传递各类控制信息有效保证输入/输出控制信号转换的运动状态。

2）能够进行有效的信息转换满足微机对输入/输出信息类型的转换要求。如：A/D、D/A转换；平行数字信号与串行数字信号的转换；电平信号的转换与匹配；电量与非电量的转换；强电与弱点转换。

3）具有阻断干扰信号进入微机控制系统的能力主要采用滤波技术、光电隔离技术、屏蔽技术等。17编辑课件

本节重点学习微机控制系统的输入/输出电路和信息接口设计的可靠性方法，即光电隔离电路设计、信息转换电路设计。

5.3.1

光电隔离电路设计（1）光电隔离电路的基本工作原理与组成18编辑课件（2）光电隔离电路的特点

光电隔离电路通过光敏转换实现信号的单向传递，可有效地阻断各类干扰信号，实现信号的电平转换（功率放大）和电平极性转换(+/-)。光电隔离时域检测电路时域响应特性输出阻抗/时间响应特性19编辑课件光电隔离频域检测电路时域响应特性输出阻抗/频率响应特性20编辑课件（3）光电隔离电路的作用

1）可将输入/输出两部分的供电电源和电路的地线分离。光电耦合输入、输出端之间绝缘电阻很大（1011~1013Ω），寄生的电容很小（0.5~2pF），因而干扰信号很难从输入端传递到输出端。

2）可进行电平转换，实现要求的电平输出，从而具有初级功率放大作用。

3）提高对负载的驱动能力。可直接驱动光控晶闸管工作。如果光电隔离电路与滤波电路、屏蔽电路有效的结合起来，将会进一步提高微机控制系统的抗干扰能力。21编辑课件（4）光电耦合隔离电路的应用

光电隔离电路在机电控制系统中的基本配置22编辑课件注意：

在微机控制系统中，由于可采用的高功能集成元件端口（输入/输出接口）的性质常有所不同，因而所采用或设计的光电隔离电路也有所不同。在系统设计中，应依据实际情况而定。

1）8031芯片匹配的输入输出光电隔离接口电路

特点：P3口作为准双向接口，当P3输入口被拉成低电平时，可直接由TTL或MOS电路驱动；当外部信号为低电平时，P3可被拉成高电平直接与光电耦合器连接。23编辑课件2）8031、8215、8255芯片匹配光电隔离接口电路

特点：当接口作为输入口时，端口为高阻抗输入，与8031的P1接口与光电耦合器的输入连接相同；当P1和P3作为输出接口（准双向接口）时，高电平输出时对外泄漏的电流很小（零点几mA）；低电平输出时对外泄漏的电流很大，P1和P3作为输出接口。24编辑课件3）8155、8255芯片匹配光电隔离接口电路

特点：由于8155、8255输出口可释放和吸收的电流较大，故可直接用高点平推动晶体管驱动光电二极管。在8155、8255上电复位（高阻抗状态）时，不使开机输出额外的信息，将晶体管硬拉成低电平。25编辑课件

4）输出较大电流驱动的光电隔离接口输出电路

特点：采用达林顿型驱动电路，可输出更大的电流驱动输出设备。26编辑课件5）提高普通光电耦合器光耦合速度的光电隔离

接口输出（响应）电路

特点：可进一步提高普通光电耦合器光耦合速度。27编辑课件6）V/F转换器（LM331）频率输出光电隔离

接口输出电路

特点：可提高在恶劣环境中前向型通道和电源的抗干扰能力。28编辑课件5.3.2信息转换电路设计

（1）弱电/强电转换电路

29编辑课件（2）数字/脉冲信号转换——并行转换为串行

（3）数/模(D/A)转换、模数(A/D)转换

30编辑课件5.4常用检测传感器与微机接口

微型计算机需要输