机电一体化讲义重点

把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹 角θ时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条 纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列。 莫尔条纹具有如下特点： 1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每移动过一个栅距W，莫 尔条纹就移动过一个条纹间距B 2.莫尔条纹具有位移放大作用。 3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。 五、磁栅位移传感器
17 二、静态特性 由转速公式便可得到直流伺服电动机的机械特性和调节特性。 (1) 机械特性是指控制电压恒定时， 电动机的转速与电磁转矩的关系， 即ua=常数时， 转速ω与转矩Tem之间的关系ω =f(Tem)。 (2) 调节特性是指电磁转矩恒定时， 电动机的转速随控制电压变化的关 系， 即Tem=常数时， ω =f(Ua)。 由转速公式便可画出直流伺服电动机 的调节特性， 如图所示， 它们也是一组平行的直线。 这些调节特性曲 线与横轴的交点表示在一定负载转矩时电动机的始动电压。 若负载转 矩一定， 电动机的控制电压大于相对应的始动电压， 则电动机就转动 起来并达到某一转速； 三、直流电动机的驱动电路 1、线形直流功率放大器 2、PWM功率放大器
第四节 速度传感器
一、直流测速发电机 直流测速发电机是一种把机械转速变换成电压信号的测量元件，实际
上从原理上看，它就是一台微型的直流发电机，它的主要目的不是实现 机电能量转换，只是把转速变换为电压信号，作为测量元件。 二、码盘式转速转感器
盘式转速转感器采用增量式编码器直接连到转轴上，产生一系列脉 冲，从而得到数字式速度信号。
③ 电动机的内部阻尼较小，当相数较少时，单相运行振荡时间较长; ④ 断电后无定位转矩。
例：某三相感应电动机空载转速1485r/min，电源频率50Hz，额定转差 率0.04。 ①该电机的极数为多少？额定转速为多少？ ②额定运行状态下，定子、转子绕组电势频率各为多少？ ③电机空载时转子绕组电势频率较额定状态时变化如何？ 三相异步电动机电磁转矩的三种表达方式 三相异步电动机的固有机械特性 转子回路串电阻时的机械特性 第四节 电动机的选择 一、古典准则 1、功率条件 2、转矩和转速条件 由电动机最大转速和负载峰值转速（或线速度），可得减速器速比的下 限 二、电动机选择的通用准则 古典准则主要用于常速度运动，或者纯惯性负载的设计。对于一般性的 高动态负载，只有通过繁重的计算机仿真，才能给出明确的答案。 考虑动态负载，及惯性负载与负载转矩的组合。这时，电动机的最大转
绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相 应代码的检测元件。编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。
光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地 印制上二进制编码。如图所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分 别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上印制黑白等间隔图案， 形成一套编码 四、光栅位移传感器 1、光栅的构造 2、工作原理
步进电动机具有结构简单，价格低廉，工作可靠，维修容易等优点， 因此，在简易数控系统，办公自动化设备等领域得到广泛应用。 步进电机运动控制系统是一个开环控制系统： 它包括运动控制软件、脉冲分配器、驱动电路、步进电机以及传动装置 等 第二节 步进电机的原理与特性 一、分类及工作原理 分类 按定子相数不同：
半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料 的压阻效应。压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时， 其电阻率ρ发生变化的现象。 3.压电式
某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极 化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷， 当外力去掉 后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称压电效应。 当作用力方向 改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转换为电能的 现象， 称为“正压电效应”。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些 电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效 应）。具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机—电能量 的相互转换。 4. 电容式传感器的工作原理和结构
二、滤波电路 按带通带阻在频谱中的相对位置分 低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。 （一）、低通有源滤波器的设计 1、一阶低通滤波器 2、二阶低通滤波器 （二）、高通滤波器 对高频信号几乎无衰减地传输，但阻止低频信号通过。 （三）带通滤波器 对规定频带内的信号可以无衰减地传输，而对低于或高于该频带的信号 有很大的衰减。 （四）、带阻滤波器 只阻止所规定频段的信号，低于或高于该频段的信号都能通过。 第八节 数据采集系统 传感器输出信号形式 （1）数字量 数字量 一般是指8位16位或32位等二进制形式表示的数字信号。 例如旋转变压器和感应同步器。 （2）计数脉冲量 计数脉冲量 无论是脉冲频率和脉冲数，向微型计算机传送有两种形 式：先将脉冲量送入计数器形成数字量，再经过并行口送入计算机。通 过可编程定时/计数器8253直接将脉冲量送入计算机。 例 码盘式速度传感器。 （3）模拟量。需要经过模数转换器转换器为数字信号才能输入计算 机。 直流测速发电机、压电式传感器。 数据采集系统主要部分如下： （1）信号调理电路。多路转换器、可调增益放大器、抗混叠滤波器。
第七节 信号调理电路 一、前置放大器 1、电压跟随器 高输入阻抗，低输出阻抗。输入阻抗可达100M，输出阻抗只有100，与 传感器相连可以进行阻抗变换，降低对传感器的负载效应，提高传感器
的变换效率。 2、电荷放大器
压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路 通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。其作用为： 一是把它的高 输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传 感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号， 因此前置放大器也 有两种形式：电压放大器和电荷放大器。 3.测量放大器
10 三、光电编码器 1.增量式编码器结构 2.增量式编码器工作原理
鉴向盘与主码盘平行，并刻有a、b两组透明检测窄缝，它们彼此错开 1/4节距，以使A、B两个光电变换器的输出信号在相位上相差90°。工作 时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，光源发出的光投射到主 码盘与鉴向盘上。当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对 齐时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最小；当主码盘上的透 明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输 出电压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变换器将输出一个近 似的正弦波电压，且光电变换器A、B的输出电压相位差为90°。经逻辑 电路处理就可以测出被测轴的相对转角和转动方向。 3.绝对式编码器原理
（2）采样/保持。 (3) 模数转换。 （4）数模转换。 （5） 其他。
第一节 电动机的基本知识 一、电动机驱动机制及分类 1分类 固定磁阻电动机 直流伺服电机 交流伺服电机 变磁阻电动机 反应式步进电动机 永磁式步进电动机 混合式步进电动机 直线步进电动机 无磁电动机 超声波电机 2特点 直流伺服电动机
速和最大转矩分别满足以下两个条件： （1）折合到电动机转子轴上的负载峰值转速必须不大于电动机最大转 速。 2）折合到电动机转子轴上的负载转矩与电动机转子加速时的惯性转矩 之和必须不大于电动机最大转矩.
第一节 步进电机运动控制系统的组成 步进电动机又称为脉冲电动机。它采用变磁阻原理产生电磁转矩，将
数字的电脉冲输入转换为模拟的输出轴运动。每输入一个脉冲，旋转式 步进电机的输出轴转动一步（步距角）。因此，当输入一串脉冲序列 时，输出轴就以等增量的转角响应该输入序列，输出步数等于输入脉冲 个数，输出轴转速与输入脉冲频率成正比。
第五节 加速度传感器 一、力学模型 加速度传感器的基本力学模型是一个质量-弹簧-阻尼系统。 二、电阻应变式 电阻应变式加速度计原理结构如图所示。它由重块、悬臂梁、应变片和 阻尼液体等构成。当有加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定 的应变片之变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下即可算出被测 加速度。 三、压电式 将传感器固定在被测物体上，感受该物体的振动，惯性质量块产生惯性 力，使压电元件产生变形，压电元件产生的变形和由此产生的电荷与加 速度成正比。 四、电容式
第五节 加速度传感器 一、力学模型 加速度传感器的基本力学模型是一个质量-弹簧-阻尼系统。 二、电阻应变式 电阻应变式加速度计原理结构如图所示。它由重块、悬臂梁、应变片和 阻尼液体等构成。当有加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定 的应变片之变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下即可算出被测 加速度。 三、压电式 将传感器固定在被测物体上，感受该物体的振动，惯性质量块产生惯性 力，使压电元件产生变形，压电元件产生的变形和由此产生的电荷与加 速度成正比。 四、电容式
可控性好、稳定性好、响应快、有电刷接触 交流伺服电动机
励磁电流小、体积较小、机械强度高、无电刷 反应式步进电动机
启动和运行频率高、断电时无定位转矩、消耗功率较大。 永磁式步进电动机
消耗功率较反应电机小、需正负脉冲供电、启动和运行频率较小、有 定位转矩。 混合式步进电动机
启动和运行频率较高、需正负脉冲供电、消耗功率较小、有定位转 矩。 直线步进电动机
提供直线运动、结构简单、惯量小。 超声波电动机
低速大转矩、无电磁干扰、动作响应快、无输入自锁。
第二节 直流电动机 一、工作原理与结构 二、直流电机的基本结构
16 第三节 直流电动机的静态特性和驱动电路 一、直流电机的基本方程 在列写直流电动机的基本方程之前，先规定相关物理量的参考正方向， 若各物理量的瞬时实际方向与参考正方向一致，其值为正，反之为负。 电磁转矩方程： 转矩平衡方程： 直流电动机电枢反电动势Ea： 直流电动机的电压平衡方程式：
三相、四相、五相、六相等； 按转子材料不同：
永磁式、 磁阻式（反应式） 混合式。 按形状区分有： 旋转式 直线式 1.反应式步进电动机（变磁阻式步进电动机） (1) 定子 (2) 转子 特点： ① 步距角小，因为反应式步进电动机定转子是采用软磁材料做成的， 允许的最小步距情况下，转子的齿数可以做得很多; ② 励磁电流较大，要求驱动电源功率较大;