机电一体化系统设计复习.ppt

1、1,1,机电一体化系统设计,WHY WHAT HOW -WWH,2,2,机电一体化系统设计,参考资料,机电一体化系统设计与应用张训文 北京理工大学出版社 2006 机电一体化系统设计 曾励 高等教育出版社 2004,考核形式,试卷，闭卷,作业与考勤,3,4,5,为使电动机实现双向调速，多采用下图所示桥式电路，其工作原理与线性放大桥式电路相似。电桥由四个大功率晶体管VT1VT4组成。如果在VT1和VT3的基极上加以正脉冲的同时，在VT2和VT4的基极上加负脉冲，这时VT1和VT4导通，VT2和VT4截止，电流沿+90VcVT1dMbVT3a0V的路径流通。设此时电动机的转向为正向。反之，如果在晶

2、体管VT1和VT3的基极上加负脉冲，在VT2和VT4的基极上加正脉冲，则VT2和VT4导通，VT1和VT3截止，电流沿+90VcVT2bMdVT4a0V的路径流通，电流的方向与前一情况相反，电动机反向旋转。显然，如果改变加到VT1和VT3、VT2和VT4这两组管子基极上控制脉冲的正负和导通率，就可以改变电动机的转向和转速。,6,7,步进电动机是一种将脉冲信号转换为角位移的执行元件,步进电动机是一种纯粹的数字控制电动机。其角位移与输入脉冲数严格成正比，旋转一周没有累计误差 需要脉冲电源（产生旋转磁场、提供功率驱动）,第四节 步进电动机及其驱动,8,三种常见的步进电动机：,第四节 步进电动机及其驱

3、动,9,（可变磁阻）步进电动机工作原理,定子,转子,三相步进电动机简化图,三相： A-A B-B C-C,当某相处于对齿状态时，其它相处于错齿状态。,10,步进电动机工作原理,产生了磁阻性质的转矩,11,（可变磁阻）步进电动机工作原理,三拍一个循环，转子旋转了 一个齿极，空间角度为90。 步距角为30。,三相三拍或单三拍工作方式,三相三拍工作方式,逆时针旋转30,30,30,通电顺序为：ABCA,12,（反应式）步进电动机工作原理,13,（可变磁阻）步进电动机工作原理,三相六拍工作方式,三相六拍工作方式,通电顺序为：AABBBCCCAA,六拍一个循环，转子旋转了 一个齿极，空间角度为90。 步

4、距角为15。,09:21,14,（可变磁阻）步进电动机工作原理,双三拍工作方式,双三拍工作方式,通电顺序为：ABBCCAAB,三拍一个循环，转子旋转了 一个齿极，空间角度为90。 步距角为30。,15,（可变磁阻）步进电动机工作原理,三种工作方式比较,三相三拍工作方式： 三相六拍工作方式： 双三拍工作方式：,每次只有一相绕组通电，切换瞬间会失去自锁转矩，易产生失步。且一相绕组产生的力矩相对较小，在平衡位置易产生振荡。,电动机运转中至少有一相绕组通电，运转比较平稳。步距角是三相三拍工作方式步距角的一半。,电动机运转中总有两相绕组通电并产生力矩，运转比较平稳。,16,三、 步进电动机的运行特性,1

5、、步距角,步进电机运行一拍，其转子转过的转角度。 对应一个转角当量：转角/脉冲。,17,步进电动机伺服控制,执行部件移动方向的控制,只要控制进给脉冲正反向，就可以控制执行部件的移动方向。,正转,反转,09:21,18,Basic Architecture and Principles of Microcomputer System,(1) CPU：(MPU) ALU、Controller、Register (2) Memory System ROM、RAM (3) I/O Interface (4) I/O Device (5) Bus： AB、DB、CB (6) Software (7) W

6、orking Principles,19,总线是指信息传送的公共通道，是沟通微型计算机各部分的桥梁。 、AB：Address Bus AB和所有存储器及I/O接口的设备码线相连，用以决定CPU哪一个存储器单元或I/O接口进行数据交换。 、DB：Data Bus 、CB：Control Bus,(4) Bus： AB、DB、CB,20,计算机通过执行程序完成人们指定的任务，程序由一条一条指令构成，能为CPU识别并执行的指令的集合就是该CPU的指令系统。 MCS-51单片机汇编语言指令格式: 操作符 目的操作数，源操作数,操作符指明该指令完成什么操作； 操作数是指明该指令的操作对象。 目的操作数是

7、存放结果的。 指令中操作数提供的方式称为寻址方式。,21,2.1 寻址方式,1、立即寻址 指令中直接给出操作数的寻址方式。在51系列单片机的指令系统中，立即数用一个前面加 “#“号的8位数(#data，如#30H)或16位数(#data16，如#2052H)表示。立即寻址中的数，称为立即数。 例如指令：MOV A，#30H; 30H A,执行后A=30H MOV DPTR，#2000H；,22,2、直接寻址 操作数的地址直接出现在指令中。 寻址对象： 内部数据存贮器：使用它的地址。 特殊功能寄存器：既可使用它的地址，也可以 直接使用寄存器名。,例：MOV A，40H ; A=56H,操作前，A

8、的值不定，操作后A的值为40H中的值，即56H.,23,MOV 40H，41H 内部RAM （41H）（40H） （40H）=（41H）=78H,操作前,操作后,24,2.4 控制转移指令,这一类指令的功能是改变指令的执行顺序，转到指令指示的新的PC地址执行。 MCS-51单片机的控制转移指令有以下类型： 无条件转移：无需判断，执行该指令就转移到目的地址。 条件转移：需判断标志位是否满足条件，满足条件转移到目的地址，否则顺序执行。 绝对转移：转移的目的地址用绝对地址指示，通常为无条件转移。 相对转移：转移的目的地址用相对于当前PC的偏差（偏移量）指示，通常为条件转移。 长转移或长调用：目的地址

9、距当前PC 64KB地址范围内。 短转移或短调用：目的地址距当前PC 2KB地址范围。,25,2.4 控制转移指令,短转移指令：(Short Jump)相对寻址 SJMP REL PCPC+2+REL 目标地址的形成： PCPC+2， PCPC+REL。该指令执行完后，程 序从现行地址跳过由REL规定的一段程序空间，而转至目标地址。 转移范围： (PC+2)-128 (PC+2)+127。因为REL偏移量是用8位二进 制补码表示的相对转移偏移量。 REL的提供方式：直接提供数值 提供目标地址的语句标号，偏移量由系统计算。,26,2.4 控制转移指令,减1条件转移指令： 指定字节减1，根据减1后

10、该字节是否为零决定是否转移。 DJNZ Rn,REL Rn=Rn-1,Rn0则转移,PCPC+2+REL DJNZ DIRECT,REL (DIRECT)=(DIRECT)-1,(DIRECT) 0则转移, PCPC+2+REL 减1条件转移指令都是相对寻址。,27,2.4 控制转移指令,子程序调用及返回 子程序调用指令： ACALL addr11 PCPC+2 SP SP+1,(SP) PC07 SP SP+1,(SP) PC815 PC010addr11 LCALL addr11 PCPC+3 SP SP+1,(SP) PC07 SP SP+1,(SP) PC815 PCaddr16,28

11、,1）分析问题，明确任务； 2）总体设计，拟定性/价比最高的方案； 3）硬件设计； 4）软件设计； 5）系统调试。,设计单片机系统的步骤,29,某广告灯，要求8个灯循环点亮，即8个灯点亮顺序循环左移（或右移），循环不止。,1）分析问题，明确任务；,2）总体设计。 3）硬件设计。简化起见，采用8个发光二极管代替广告灯。,根据设计要求，可采用单片机的输出口P1并行输出驱动8个发光二极管，硬件电路如下：,被控对象是8个发光二极管，采用共阳极接法，8个发光二极管的阴极分别由P1.0P1.7控制。若P1的某位输出为“0”，相应位的发光二极管的阴极为低电平，则该管加正向电压被点亮发光。若P1口的某位输出为

12、“1”，则相应位的发光二极管截止而熄灭。,30,31,4）软件设计 根据以上原理和硬件电路设计结果，软件设计如下：使P1口每一位依次输出“0”，点亮相应位的发光二极管，并经软件延时后，将“0”左移一位后输出，不断循环。 流程图及程序如下：,32,33,4）软件设计,DJNZ R2, LP1 DJNZ R1, LP RET END,ORG 0000H MOV A, #0FEH LOOP: MOV P1, A LCALL DELAY RL A SJMP LOOP DELAY: MOV R1, #0FFH LP: MOV R2, #80H LP1: NOP NOP,34,4）软件设计 ORG 000

13、0H MOV A, #0FEH；FEH为点亮第一个发光二极管的代码 LOOP: MOV P1, A；点亮P1.0位控制的发光二极管 LCALLDELAY；调用延迟一段时间的子程序 RL A；“0”左移一位 SJMP LOOP；不断循环 DELAY: MOV R1, #0FFH；延时子程序入口 LP: MOV R2, #80H LP1: NOP RET,35,5）系统调试。利用单片机开发装置调试此程序，在开发机上进行仿真调试并运行成功后，将此程序写入电路中的单片机程序存储器ROM中，即可投入使用。,36,2.2 指令寻址方式,1.编址方式 1)位编址： 寄存器标识符+字节地址.位地址，如I0.0

14、、M0.1、Q0.2等。 2)字节编址： 寄存器标识符+字节长度B+字节号，如IB1、VB20、QB2等。 3)字编址： 寄存器标识符+字长度W+起始字节号，如VW20表示VB20和VB21这2个字节组成的字。 4)双字编址： 寄存器标识符+双字长度D+起始字节号，如VD20表示从VB20到VB23这4个字节组成的双字。,37,1)立即数寻址 对立即数直接进行读写操作的寻址称为立即数寻址。立即数寻址的数据在指令中以常数形式出现。常数的大小由数据的长度（二进制数的位数）决定。 在S7-200系列PLC中，常数值可为字节、字或双字。存储器以二进制方式存储所有常数。指令中可用二进制、十进制、十六进制

15、或ASCII码形式来表示常数。,2)直接寻址方式 直接寻址方式是指在指令中直接使用存储器或寄存器的地址编号，直接到指定的区域读取或写入数据，如I0.0、MB20、VW100等。,2.寻址方式,38,2.3 S7-200系列PLC指令系统的类型,梯形图Ladder Logic Program(LAD)程序指令 梯形图程序指令的基本逻辑元素是触点、线圈、功能框和地址符。 语句表Statemen List Program(STL)程序指令 语句表程序指令由操作码和操作数组成，类似于计算机的汇编语言，它的图形显示形式即为梯形图程序指令，语句表程序指令则显示为文本格式。 功能块图Fanction Blo

16、ck Diagram Program(FBD)程序指令 功能块图程序指令由功能框元素表示。,39,PLC控制的基本步骤,(2)确定系统输入输出元器件。,(1)深入了解被控系统。,(10)编写技术文件。,(9)联机调试。,(8)模拟调试程序。,(7)编写用户程序。,(6)设计控制箱。,(5)绘制硬件接线图并连接。,(4)分配PLC的I/O点。,选择PLC。根据被控对象对PLC控制系统技术指标的要 求、确定输入输出信号的点数及类型，据此确定PLC的类型和配置。对整体式模块，选定基本单元和扩展单元的型号；对模块式PLC，确定框型或基板的型号，再选择所需模块型号及数量、编程设备及外围设备的型号。,(3

17、),(1)深入了解被控系统。,(4)分配PLC的I/O点。,(9)联机调试。,(7)编写用户程序。,40,M 3 ,3 应用-S7-200 PLC控制电动机正反转,09:21,3.1 电动机正反转控制线路,A B C,41,3 应用-S7-200 PLC控制电动机正反转,SB1 正转启动按钮 SB2 反转启动按钮 SB3 停止按钮,KM1 正转接触器线圈 KM2 反转接触器线圈,3.2 输入/输出点分配,Q0.0-,输出点：,输入点：,I0.0-,控制电路,SB1,KM1,KM2,SB2,SB3,Q0.1-,I0.1- I0.2-,KM1、KM2触点不需定义？,42,SB1,SB2,SB3,K

18、M1,KM2,PLC电动机正反转控制线路,3 应用-S7-200 PLC控制电动机正反转,3.3 硬件接线,43,梯形图（LAD）,3 应用-S7-200 PLC控制电动机正反转,09:21,语句表（STL）,3.4 编写用户程序,44,12.1 传感器技术基础,位移传感器 力传感器 温度传感器,物理式 化学式 生物式,按被测量,物性型：例：压电式 结构型：例：电容式,按工作 原理,45,电阻式传感器,一、变阻器式传感器,位移电阻变化,电阻式传感器,变阻器式,电阻应变式,直线位移型传感器,角位移型传感器,非线性型传感器,金属电阻应变片,半导体应变片,丝式,箔式,11.2,电阻式传感器：,分类：

19、直线位移型、角位移型、非线性型,46,直线位移型,灵敏度：,输入：x(位移),输出：R(电阻),应用：测量直线位移,电阻值与位移的关系：,47,角位移型,应用：测量角位移,输入： (角位移),输出：R(电阻),电阻值与角度的关系：,灵敏度：,48,若被测量,要求：,为使输出的阻值：,骨架当触点在x处时：,为任一位置微小区间内的电阻,所以，骨架形状应为三角形,非线性型,骨架按被测量与位移之间的关系确定,可得：,（x为位移 ）,其中，,49,应用,案例1：重量的自动检测-配料设备,电阻式传感器,原理 用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化,50,箔式特点：线条均匀，尺寸准确，粘结状

20、况优， 传递应变性能好,工作原理推导过程：,弹性模量,纵向应变,电阻丝泊松比,压阻系数,横向应变,金属材料的 应变灵敏系数,51,（二）半导体应变片,工作原理：利用半导体材料的压阻效应,压阻效应：单晶半导体材料在 沿某一轴向受到外力作用时， 其电阻率 发生较大变化,半导体应变片灵敏度,比金属丝电阻应变片大50倍,1、胶膜基片 2、半导体敏感元件 3、内引线 4、焊盘 5、外引线,52,（二）半导体应变片,对半导体：,由几何尺寸变化引起，,半导体应变灵敏系数：,工作原理推导过程,远小于,，可略去,弹性模量,压阻系数,半导体材料的电阻值变化 主要与电阻率变化有关,53,注意：1）应变片的粘接 2）

21、温度的影响，温度补偿 3）用于动态测量时，要注意应变 片的上限测量频率,54,应用,案例1：桥梁固有频率测量,原理：在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。,55,案例2：电子称,原理 将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,56,12.4 磁电式传感器,被测物理量 电信号（感应电动势）,原理：感应电动势,影响磁通量 的因素：,1.磁场强度 2.磁路磁阻 3.线圈的运动速度,磁阻式 动圈式,磁电感应式,动圈式,磁阻式,通过磁电作用将,霍尔式传感器,磁电式传感器,（一）磁电感应式,57,. 动圈式,线速度型

22、,感应电动势：,惯性式速度计,2. 角速度型,感应电动势：,转速测量,58,二. 磁阻式传感器,工作原理：线圈与磁铁无相对运动，由运动着的物体 （导磁材料）来改变磁路的磁阻，引起磁力 线的增强与减弱，线圈中产生感生电动势。,应用：测频数，转速，偏心测量，振动测量,特点：简单，方便,59,（二） 霍尔式传感器,原理：利用霍尔元件基于霍尔效应原理，将被测量转换为电动势,运动电荷受磁场中洛兰兹力的作用：,霍尔电场：,：霍尔系数，决定于材质，温度，尺寸；,霍尔组件的应用：测位移，微压，压差，加速度，振动等,60,应用,从 a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生露尔电势VH2

23、，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1 VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；,1、位移传感器,61,12.5 压电式传感器,力,电荷量,应用：力，压力，加速度的测量,工作原理：基于压电材料的压电效应,一. 压电效应,压电材料： 石英晶体如右图，钛酸钡等,以压电晶片为传感元件,正压电效应：某些物质在沿一定 方向受到压力或拉力作用而发生 改变时，其表面上会产生电荷， 若外力去掉时，它们又重新回到 不带电的状态,逆压电效应：在压电材料的两个极面上， 加以交流电压，压电片能产生机械振动， 即压电片在电极方向有伸缩现象,62,第一节机械传动系统,一、数学模型 系统的数学模型就

24、是用数学的方法和形式表示和描述系统中输入输出及各变量之间的相互关系。 几个典型的数学模型。 （1）牛顿第二定律的数学模型： （2）牛顿转动定律的数学模型： （3）阻尼器的数学模型： （4）弹簧的数学模型： 例题3-1，3-2 。,63,（3）使负载加速度为最大的总传动比选择 （4）各级传动比的最佳分配原则 3）谐波齿轮传动 （1）原理和机构 （2）传动比计算 （3）应用和特点 4）滚珠丝杠传动 （1）工作原理 （2）特点 （3）滚球的循环方式,64,第二节液压与气压执行装置,一、液压执行装置 1）液压执行装置的概念 液压能量转变成机械能，并带动机械做功的装置 。 2）分类 （1）液压缸：液压能

25、转变为直线运动 （2）液压马达:液压能转变为旋转运动 （3）摆动马达：液压能转变为摆动运动,65,分析一下活塞的输出功率与哪些因素有关 输出功率W=F*V 加在活塞上的力F=P*A 活塞速度V=Q/A 所以，W=F*V=P*Q 活塞的输出功率与压力差P和流量Q有关,66,7）液压伺服系统 （1）作用：以液压动力组件为驱动装置组成的反馈控制系统 （2）分类： （3）基本结构：测量反馈装置比较装置伺服放大器电液伺服阀液压马达液压缸液压源,67,7）液压伺服系统 （4）工作原理：执行装置产生的输出信号经测量反馈装置反馈至输入端，通过比较装置于输入信号进行比较，并生成偏差信号，该信号经伺服放大器放大后形成电流信号输入电液伺服阀，电液伺服阀将输入的电流信号通过电气机械转换装置转换成机械位移，控制阀芯动作，并输出相应的压力和流量的压力油，从而驱动执行组件运行，直至偏差信号消失，整个过程简图。,68,二、市场调查与预测,市场调查：收集市场