第四章-微机控制系统选择与设计

1、机电一体化系统设计,第四章 机电一体化系统 微机控制系统选择与设计,随着机电一体化系统所需的控制功能的增加，控制过程日趋复杂，对控制系统的要求越来越高。机电一体化系统的控制器基本都采用微机控制系统。 微机控制系统：将微型计算机作为机电一体化产品的控制核心，结合必要的接口电路（数字和模拟的输入输出接口等）和应用软件，实现对控制对象（执行元件）的有效控制。 常用的微机控制系统： 单片机系统 单板机系统（已基本淘汰） 可编程控制器（PLC）系统 工业计算机系统,第一节 专用/通用的选择 硬件与软件权衡,在设计微机控制系统时，应重点考虑几方面的问题。 （1）专用/通用的选择 1）专用控制系统 专门针对

2、某种设备或某种工艺，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(汇编或C)编写(通常固化在ROM中） 特点：可靠性强，大批量时成本低，但灵活性较差 用于大批量生产的机电一体化产品（如办公设备、家用电器、汽车等）。,温度控制器,电动车控制器,电梯控制器,汽车空调控制器,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(PLC、工控机）为核心，设计专用或选用通用的接口电路、执行元件、传感器，组成具有较好通用能力的控制系统。软件采用通用编程软件编写，可根据现场情况随时更改。 特点：具有适应性强，程序修改方便，易于产品改进升级的优点，但

3、成本较高。 应用：适用于多品种、中小批量生产的机电一体化产品（各种数控加工设备、机电设备）。,华中科大世纪星数控系统,数控车、铣、钻等均可,干法制粒机,粉末原料挤压破碎筛分颗粒原料,程序修改方便，易于产品改进升级,两种常用的编写、编辑、调试PLC程序的工具,使用计算机的编程软件 【step7 microwin】等,编程器 【手持编程器】,【特点】 小型便携 便于修改部分程序 仅能显示代码指令,【特点】 易于编辑调试 （计算机显示画面大） 监控功能强 易于编写梯形图,（2）硬件与软件的权衡/匹配,大多数控制功能，即可以由硬件实现，也可以由软件实现(如步进电机的脉冲分配器），两者的合理匹配是确定或

4、选用微机控制系统研究内容之一。 主要依据经济性、可靠性等要求来决定。 大量采用通用分离元件组成硬件的控制系统中最好多采用软件来实现主要控制功能。 好处：硬件连线少，焊点少，可靠性高，软件易于调整，适应能力强。 能采用通用LSI芯片组成所需电路的控制系统中最好多选用硬件实现主要控制功能，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，必须采取相应的抗干扰措施。 合理接地（分安全接地和抗干扰接地） 合理屏蔽（采用屏蔽线、走桥架、穿铁管） 适当隔离（强弱电隔离、光电隔离）,第二节 微机控制

5、系统的设计思路,1 确定系统总体控制方案 确定总体方案的技术路线 分析设备工艺过程明确控制要求（控制对象）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） 选用执行元件（电动、气动、液动）考虑是否有特殊控制要求（高可靠性、高精度、快速响应特性）考虑微机在整个控制系统中的作用（计算、数据处理、逻辑控制等），需要哪些输入输出通道哪些外围设备控制系统成本核算 其它同类方案的比较论证总体方案最终确定。,2 确定控制算法,算法是控制系统的灵魂和统帅。即采用什么样的方法计算控制器的输出值，从而对被控对象施加控制。,建立各环节数学模型-求出系统数学模型-分析系统模型（动态特性、稳态特性）

6、-采用何种控制算法以校正系统模型,常用的控制算法： 逐点比较法、数字积分法 数控机床的插补运算 PID调节控制法 连续量的过程控制（位移、速度、温度、压力、流量） 最小拍控制法、 数字伺服系统 最优控制法、随机控制法、自适应控制法、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 智能控制 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。,3 微型计算机选择,无论何种被控对象，对微型计算机都有一定最基本要求。 1）较完善的中断系统（定时中断、输入中断） 实时控制能力、紧急处理能力。 2）足够的存储容量（ROM、RAM、EPROM ） 有效

7、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 数字、模拟通道、通讯口，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（故障记录，定时任务 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。,4 控制系统总体设计（技术设计、具体实施）,一旦被控制对象的具体要求、微型计算机、控制软件平台等确定，便可进行控制系统的总体技术设计。 控制系统总体技术设计的主要内容： 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）接口与通道设计（ I/O信号类型及

8、数量、 I/O信号匹配与协调）。 对于单片机，可选择各种扩展接口芯片如8155、8255、ADC0809、DAC0832等。,对于PLC，可选择各种数字量、模拟量扩展单元及通讯单元。,工控机的各种输入输出板卡,3）操作控制台设计（人机界面设计） 人机交互不能仅依靠微机键盘、显示器等通用设备，容易误操作，需要专用的操作控制台，一般有以下功能： (1)工艺参数的设定(触摸屏或过程仪表） (2)设备运行状态的显示(触摸屏或过程仪表） (3)工作方式转换、系统的启动停止(按钮)、主要设备的手动控制(按钮) (4)急停(按钮)及报警指示,PLC,5 软件设计,系统软件：选择稳定性好、适用于工业现场应用的

9、操作系统。如WINDOWS NT 、XP专业版、WIN7专业版。 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（通用语言或平台软件)。 实时性（多采用中断程序） 针对性（采用合适的算法） 灵活性和通用性（尽量结构化、模块化） 界面简洁，沉稳，冷色调，无歧义,6 系统调试 一旦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。,第三节微型计算机的系统构成及种类,1.微型计算机的基本硬件构成,2微型计算机的种类,(1)按组装形式分类 按组装形式可将微型计算机分为单片机、单板机、微机系统（工控机）和可编程控制器（

10、PLC)等。 1)单片机（如下图所示） 在一块集成电路芯片(LSI)上装有CPU、ROM、RAM以及输入输出端口(弱电接口）电路，该芯片就称为单片微型计算机(SCM-Single Chip Microcomputer)，简称单片机。例如Intel公司的MCS48系列、51系列、96列等。,优点：体积小，价格便宜，具有较强的数据处理和逻辑控制功能，易于扩展。 缺点：1）不能直接连接工业检测元件的输入信号，也不能直接将输出信号驱动执行元件，都需要相应的转换和驱动电路。 2）需要采取相应的抗干扰措施。 应用：单片机广泛应用于仪器仪表、儿童玩具、办公设备、小型机器人等机电一体化产品。,2)单板机 将微

11、型计算机的基本体系CPU、ROM和RAM、输入输出端口(I/O电路)以及一些辅助电路分别做成LSI芯片，并将它们配置在一块印制电路板上，用电缆线和外部设备直接连接起来，这样的计算机叫做单板微型计算机，简称单板机。例如TP801是以8位微处理器(如Z80)为核心组装的8位单板机，SDK-86是以16位微处理器（Intel8086/8088)为核心组装的16位单板机。,3)微型计算机,根据需要，将CPU、ROM、RAM、I/O接口电路、电源等组装在不同的印制电路板上，然后组装在一个机箱内，再配上键盘、显示器、打印机、硬盘和软盘驱动器等多种外围设备和足够的系统软件,就构成了一个完整的微机系统。,工业

12、用途的计算机中采取了一些防水、防尘以及屏蔽等措施，并增加了各种接口插槽，构成工控机。 特点：计算处理功能最强，可靠性较髙，人机界面丰富。但成本最高。国产30006000元，进口1000030000元（不包括接口卡） 用途：控制功能复杂的大型机电设备，工业生产线等。,4）可编程逻辑控制器（PLC） 广泛应用于各种机电设备，工业生产线的控制系统中的一种工业用控制器，具有很高的可靠性、易用性。被誉为工业自动化支柱之一。,第四节 微机控制系统的软件与程序设计语言 第五节 微机应用领域及其选用要点 第六节 8086/8088CPU的硬件结构特点 第七节 Z80CPU的结构特点及储存器、输入/输出扩展接口

13、第八节 单片机的硬件结构特点及其最小应用系统 第九节 数字显示器及键盘的接口电路 以上章节在相关课程中已有讲述，在此不再重复。,第十节 微机应用系统的输入输出控制的可靠性设计,微机控制系统的可靠性很大程度上取决于其输入输出系统的硬件电路。微机系统对输入输出电路的要求是： 1）能可靠地传递各类控制信息 并能够输入有关运动机构的状态信息 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；并行数字信号与串行数字信号的转换；高低电平信号的转换与匹配；电量与非电量的转换；强电与弱电转换。 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

14、、屏蔽技术等。,本节重点学习微机控制系统的输入/输出电路设计和信息转换电路的设计。,一、光电隔离电路设计 光电隔离电路的基本组成与工作原理,G-光电耦合器,用在微机的输出端,用在微机的输入端,光电隔离电路的作用： （1）信号的隔离。可将输入与输出端两部分电路的地线分开，各自使用一套电源供电。这样信息通过光电转换，单向传递，因此，干扰信号很难从输出端反馈到输入端，从而起到隔离作用。 （2）可以进行电平转换。如右图所示电路，通过光电耦合器可以很方便地把微机的输出信号变为12V。 （3）提高驱动能力。有些光电耦合器件，如达林顿晶体管输出型和晶闸管输出型光电耦合器件，不但具有隔离功能，而且还具有较强的

15、驱动负载能力。微机输出信号通过这种光电耦合器件后，就能直接驱动负载。,图a为普通型信号隔离用光电耦合器件 图b为高速型光电耦合器件 采用光敏二级管和高速开关管 响应速度快。 图c为达林顿管输出光电耦合器件，以光敏晶体管和放大晶体管构成达林顿管输出。可直接用于驱动较低频率的负载。 图d为晶闸管输出型光电耦合器件。输出部分为光控晶闸管，用在大功率的隔离驱动场合。,常用光电耦合器件,2. 光电耦合隔离电路应用 采用光电耦合器可以将微机与前向、后向通道以及其它相关部分切断与电路的联系，从而有效地防止干扰信号进入微机，其基本配置如下图所示。,请同学们注意： 在微机控制系统中，由于采用的高功能集成元件（如

16、8031、8155、8255）端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：当P3作为输入口时，输入阻抗较小，可直接由TTL或MOS电路驱动；,特点： 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）；低电平允许输入的电流很大（带载能力强） 开机复位时不会输出不必要的信号。,光电耦合器与8031输出接口连接,特点： 由于8155、8255输出口可释放和吸收的电流较大，故可直接用高电平推动晶体管驱动光电二极管。 在8155、8255上电复位（输入状态）

17、时，不使开机输出额外的信息，将晶体管拉成低电平。,2）8155、8255芯片匹配光电隔离输出接口电路,输出,特点： 对于继电器、电磁离合器等需要较大电流的负载，可采用达林顿型驱动电路。,3）输出较大电流驱动负载的光电隔离输出电路,VD的作用？,4）V/F转换器（LM331）频率输出光电隔离接口输出电路,能够将输入的电压信号转换成与之成比例的频率脉冲信号，常用作A/D转换,二、信息转换电路设计 1.弱电转强电电路,接触器,继电器,2 数字/脉冲信号转换,只要CPU定时地向某个I/O端口输出高低电平相间的逻辑信号，就可产生一个脉冲序列。,3 数/模(D/A)转换、模数(A/D)转换,常用D/A转换

18、芯片：DAC0832(8位）、AD7520（10位） 常用A/D转换芯片：ADC0809（8位）、AD574（12位）,4 电量转非电量 (电-气转换、电-液转换）,开关量转换：,模拟量转换：,电液伺服阀-流量或压力受控于模拟电信号,第十二节 常用检测传感器的性能特点、选用与微机接口,一、 检测传感器的分类与基本要求 （1）传感器 将被检测对象的各种变化物理量转换成电信号的一种变换器。 （2）传感器的作用 被用于检测机电一体化系统自身和作业对象、作业环境的状态，为有效地控制机电一体化系统动作提供信息。,（3）传感器的分类,1）传感器的作用主要分为：内部信息传感器和外部信息传感器。 内部信息传感

19、器 检测机电一体化系统内部状态。主要包括：检测位置、速度、力/力矩、温度以及异常变化等的传感器。 外部信息传感器 检测作业对象的状态和外部环境状态。如：温度/湿度传感器、气压传感器、视觉传感器、触觉传感器等。 2）按输出信号的性质可分为：开关型、模拟型和数字型传感器（计数型和代码型）。 3）按传感器的用途分为：位移、位置、速度、加速度、力/力矩、温度、湿度、压力等传感器。 4）按传感器的工作原理分为：电阻式、电感式、电磁式、电容式、光电式。,（4）传感器的基本要求,体积小、重量轻、适应性好。 精度和灵敏性高、响应快、稳定性好、信噪比高。 安全可靠、寿命长。 便于与计算机对接。 不易受被检测对象

20、和外部环境的影响。 环境适应能力强。 现场安装处理简单、操作方便，价格便宜。,二、机电一体化系统中常用传感器,在机电一体化系统中，常常需要检测运动部件的位移和速度。检测角位移和角速度常用的传感器是增量式光电编码器，检测线位移和线速度常用的则是直线光栅尺和磁栅尺。,电动机,编码器,光电编码器是由光码盘和光电检测装置组成。光码盘在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光码盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算输出脉冲的个数就能反映当前电动机的相对角位移。,电动机,编码器,1、增量式光电编码器,为判断光码盘的旋

21、转方向，可在码盘上开两道弧圈，输出两组脉冲信号（一般称为A相和B相），并使其输出脉冲间隔1/2拍，如图所示。控制器只要比较A相超前B相还是B相超前A相就能确定旋转方向。 有的编码器为了消除每转的累积误差，设有零位，称为Z相，每转输出一个脉冲。,零位(z相),2）产品的选用 选型应注意问题： 机械安装尺寸 包括定位止口、轴径、安装孔、电缆出线等。 分辨力 编码器工作时每转输出的脉冲数（常用1024和2500） 电气接口 常见输出方式有电压输出、集电极开路输出 国内常见产品： 日本:欧姆龙OMRON 国产：长春光机数显有限公司（中科院长春光学精密机械与物理研究所）,3）样本实例（长春光机数显）,2

22、、直线光栅 1）结构和工作原理,光电元件,光电元件,标尺光栅,反射式光栅,透射式光栅,光栅在玻璃或金属表面刻有透明和不透明相间的条纹,两条光栅尺安装时，保证主光栅(标尺光栅)和指示光栅相距0.050.1mm，并使二者的线纹相互倾斜一个角度。当光源照射时，在线纹的相交处会出现莫尔条纹(18世纪莫尔发现的一种光的干涉现象),光栅莫尔条纹的形成,当指示光栅向右或向左移动一个栅距时，莫尔条纹就向下或向上移动一个纹距W，在某一点上，其光强的变化近似正弦波形，通过光电元件可将光强变化转换为电脉冲信号。,为辨别方向，可在莫尔条纹移动方向间隔1/4纹距布置A B两个光电元件，输出A相和B相两路脉冲信号，通过判

23、断两相信号的超前关系辨别出移动方向。,2）样本实例（长春光机数显）,SGC,SGC,SGC-2型,电气输出接口,直线光栅,磁栅尺 1）结构和工作原理 利用与录音技术相似的方法，通过录磁头在磁性尺（或盘）上录制出间隔严格相等的磁波，制成磁栅尺。磁栅尺的尺体可由满足一定要求的硬磁合金或柔软的橡胶磁带制成。 读数头读取记录在磁尺上的磁信号，通过检测电路转换成数字信号输出。 2）特点： 磁带磁性稳定,使用寿命长,10年不丢磁,防护等级高,可直接工作于油,水,100度高温等恶劣环境 精度：0.01-0.001mm,磁栅尺与光栅尺的对比： 国内光栅尺一般只做到4M以下，4M以上价格高，测量误差大。 而磁栅

24、尺可以随便剪裁，因此磁栅尺可以无限加长，能够满足超长测量需求。 磁栅尺安装简便，是龙门铣等大型机床安装数显改造的不二选择。 一般短距离（3米以下）用光栅尺，长距离用磁栅尺,其它位移传感器 1）拉线式位移传感器 特点：柔性连接，易于安装，测量距离达几百米，但速度不能太快,2）激光位移传感器和超声波位移传感器 非接触式测量，测量距离一般不能太长（1m以下） 激光精度在微米级，价格较高 超声波精度在毫米级，价格便宜,3 开关型传感器,机电一体化系统中，开关型传感器常用来检测位置（是否到位）、判断有无（识别）、计数、检测料位（高限、低限）等，应用广泛。分为接触式和非接触式（接近开关）。,接触式行程开关

25、,接近开关,接近开关 当物体接近 接近开关的感应面到规定的动作距离（一般是几毫米）时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动交流或直流电器或给计算机装置提供控制指令。 特点：动作可靠，性能稳定，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。产品有电感式、电容式、霍尔式等类型。,1）电感式接近开关,原理：,LC振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并达到检测距离时，在金属目标内产生涡流，涡流反作用于磁场，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号输出,选型样本主要参数： 外径：常见M8、M10、M12、M18、M30 检测距离：220mm。常用4mm 工作电源：交流/直流 是否屏蔽：屏蔽/非屏蔽 输出方式：两线制/三线制,两线制,三线制,2）电容式接近开关,原理：,测头为电容器的一个极板、被测物体为另一极板，当两个极板间距离发生改变时，电容介电常数发生改变，电路将这一变化变换处