机电一体化系统设计第三章
第3章机电一体化系统执行元件-文档资料
噪声久磁铁、定子用软磁钢制成
8) 定子上绕组通电建立的磁场与永久磁铁的恒定磁场相互吸 引与排斥产生转矩
电方式有关。
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3)矩－频特性曲线：步进电动机在连续运行 状态下，电磁转矩随控制频率的升高而逐步 下降。这种电磁转矩与控制频率之间的变化 关系称为矩－频特性。 4) 空载起动频率（空载突跳频率，fq）：在 空载状态下，转子从静止状态能够不失步地 起动时的最大控制频率。反映电动机跟踪的 快速性。负载惯量增加 fq 5) 最高连续运行频率fmax： 步进电动机在额定状态下不丢步地连续 运行时所能接受的最高控制频率。 fmax fq
4. 液压式 先将电能变换成液压能并用电磁阀改变压力油的流向，从而 时液压执行元件驱动运行机构运动。
5. 气压式 气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执 行元件无什么区别 代表性的气压执行元件有气缸、气压马达等
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执行元件的特点及优缺点
种 特点 类
优点
缺点
电 可使用商用电源；信 操作简便；编程容 瞬时输出功率大；过载
六、步进电动机的驱动
1. 步进电动机的运行特性与配套使用的驱动电源有密切关系。 2.驱动电源由脉冲分配器和功率放大器等组成 P.99图3.11 3.脉冲分配器：步进电动机的各相绕组必须按一定的顺序通电才
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二、机电一体化系统对控制用电动机的基本要求
1. 性能密度大（功率密度、比功率大）
功率密度：PG=P/G (W/N) 对于起停频率低（如几十次/分）、但
要求低速平稳和扭矩脉动小，高速运行时振动、噪声小，在整个
机电一体化系统设计03_测量模块
机电一体化系统设计03_测量模块机电一体化系统中的测量模块是一个重要的组成部分，它用于测量和检测系统中各个部分的物理参数。
测量模块的设计影响着整个系统的准确性和稳定性。
本文将详细介绍机电一体化系统中常见的测量模块的设计考虑因素和技术选择。
首先，测量模块的设计需要考虑到被测参数的类型和范围。
不同的物理参数需要不同的测量方法和传感器。
常见的被测参数包括温度、压力、流量、速度等。
对于温度的测量，可以选择热电偶、热敏电阻等传感器；对于压力的测量，可以选择压力传感器；对于流量的测量，可以选择流量计等。
在选择传感器时，还需要考虑传感器的量程是否合适和是否能满足系统的精度要求。
其次，测量模块的设计中需要考虑到信号的采集和处理。
传感器输出的信号通常是模拟信号，需要经过模数转换器进行数字化处理。
模数转换器的选择要考虑到信号的频率范围、分辨率和转换速率，以及接口标准。
同时，还需要考虑到信号的放大、滤波和校准处理等。
放大电路用于放大传感器输出的微弱信号，使其能够达到适合于模数转换器输入的范围。
滤波电路用于抑制干扰信号和噪声，保证测量信号的可靠性和稳定性。
校准处理用于校正传感器的非线性特性和偏差，提高系统的准确度。
此外，测量模块的设计还需要考虑到信号的传输和通信。
传感器输出的数字信号通常需要通过总线或网络进行传输和共享。
传输介质可以选择为模拟电缆、光纤或无线方式。
通信协议选择可以根据系统需求选择合适的标准或协议，例如RS485、CAN、Ethernet等。
在传输和通信过程中，还需要考虑信号的抗干扰性和可靠性，以及数据的安全性和实时性等要求。
最后，测量模块的设计需要考虑到系统的可扩展性和兼容性。
随着系统的发展和应用的变化，可能需要增加新的测量参数或更换传感器。
因此，测量模块应具备良好的可扩展性，能够方便地增加或更换传感器。
同时，测量模块的设计还需要考虑到与其他模块的兼容性，确保各个模块之间的数据交换和协同工作。
总的来说，测量模块的设计需要综合考虑被测参数的类型和范围、信号的采集和处理、信号的传输和通信、系统的可扩展性和兼容性等因素。
【DOC】第3章机电一体化技术与系统中微型计算机控制系统及接
第3章：机电一体化技术与系统中微型计算机控制系统及接口设计 3.1 控制系统的一般设计思路3.1.1专用与通用、硬件与软件的权衡与抉择1. 专用与通用的抉择 专用控制系统：适合于大批量生产的而且较成熟的机电一体化产品。
通用控制系统：适合还在不断改进，结构还不十分稳定的产品。
2. 硬件与软件的权衡根据经济性和可靠性的标准权衡决定。
例：分立元件组成硬件------软件 利用LSI 芯片组成电路-----软件3.1.2 控制系统的一般设计思路 设计步骤为：确定系统整体控制方案；确定控制算法；选用微型计算机；系统总体设计；软件设计等。
1、确定系统整体控制方案（1）应了解被控对象的控制要求，构思控制系统的整体方案。
（2）考虑执行元件采用何种方式。
（3）要考虑是否有特殊控制要求。
（4）考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理，微机应承担哪些任务，为完成这些任务，微机应具备哪些功能，需要哪些输入/输出通道、配备哪些外围设备。
（5）应初步估算其成本。
2、确定控制算法建立该系统的数学模型，确定其控制算法。
数学模型：就是系统动态特性的数学表达式。
它反映了系统输入、内部状态和输出之间的数量和逻辑关系。
控制算法：所谓计算机控制，就是按照规定的控制算法进行控制，因此，控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。
例如：机床控制中常使用的逐点比较法的控制算法和数字积分法的控制算法；直线算法：a a xy yx F -= 或K x y T T ee Y X==∆∆ 圆弧算法：222R Y X F i i i -+= 或yxT T Y X =∆∆ 直接数字控制系统中常用的PID 调节的控制算法；位置数字伺服系统中常用的实现最少拍控制的控制算法；另外，还有各种最优控制的控制算法、随机控制和自适应控制的控制算法。
3、选择微型计算机 （1）较完善的中断系统 （2）足够的存储容量（3）完备的输入／输出通道和实时时钟（4）特殊要求：字长、速度、指令4、系统总体设计设计中主要考虑硬件与软件功能的分配与协调、接口设计、通道设计、操作控制台设计、可靠性设计等问题。
机电一体化系统设计课件第三：机电一体化系统执行元件的选择与设计-文档资料
常用伺服控制电动机的控制方式
厚 励德 志达 勤理 工
主要有：开环控制、半闭环控制、 闭环控制三种。 如图所示数控机床伺服系统。
它由控制器、被控对象、反馈测量装置 等部分组成。
3.2.1 机电一体化系统 对伺服控制电动机的基本要求
厚 励德 志达 勤理 工
为实现运动、功率/能量、控制运动方式的 转换，对伺服控制电动机提出了一些基本要求。 （1）性能密度大。即功率密度 Pw=P/G 或比 功率密度 Pbw=(T2/J)/G 大。 （2）快速性好。加速度大、响应特性好。 （ 3 ）位置控制与速度控制精度高、调速范围 大、低速平稳性好、分辨率高以及振动噪音小。 （4）能适应频繁启动，可靠性高、寿命长。 （5）易于与计算机对接，实现计算机控制。
T Tjmax T Tjmax Tq Tq
p p p /3
r e
p /3
p
r
p
e
Tjmax
Tjmax
矩－角特性曲线族
3.3.3 步进电机的驱动与控制
厚 励德 志达 勤理 工
步进电机的驱动电路：主要由脉冲分配器 和功率放大器两部份组成。 变频控制信号：主要有脉冲频率信号和 方向控制信号。
脉冲 分配器 功率 放大器
脉冲 环 形 方向控制 分 配 方式信号 器 功 率 放 大 电 路 步 进 电 机 步 进 电 机 各 相 绕 组
驱 相 动 相 电 相 路 器 相
相
串行控制方式
并行控制方式
3.4 直流（DC）伺服电动机及其驱动 3.4.1 直流（DC）伺服电动机工作原理
厚 励德 志达 勤理 工
通过电刷和转换器产生的整流作用，使磁 场磁动势和电枢电流磁动势正交，从而产生 转动力矩。使用直流供电，实现速度和方向 调节控制，主要通过对直流电压/电流的大 小和方向进行调节来实现。 直流伺服电动机的调速控制如下图所示。
机电一体化第3章
3.2.2 传感器的性能指标及选用原则
3、传感器的响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，
必须在允许频率范围内保持不失真。实际上传感器
的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越好。
传感器的频率响应越高，可测的信号频率范围
就越宽。
在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、
随机等)响应特性，以免产生过大的误差。
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3.2.2 传感器的性能指标及选用原则
4、线性范围 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。 以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感 器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一 定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类 确定以后首先要看其量程是否满足要求。 但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性， 其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时， 在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近 似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。
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3.2.2 传感器的性能指标及选用原则
5、稳定性
传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力称为稳定 性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主 要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定 性，传感器必须要有较强的环境适应能力。 在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据 具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减 小环境的影响。 传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用 前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。 在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定 的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住 长时间的考验。
机电一体化系统第三章执行元件
一、 特点
1、稳定性好 2、可控性好 3、响应迅速 4、控制功率低，损耗小 5、转矩大
补偿绕组(c)
励磁绕组 (f) ia
Fr Ua Fc Uf
电枢绕组(a)
直流伺服电动机的结构与一般的电机结构相似，也是 由定子、转子和电刷等部分组成，在定子上有励磁绕组 和补偿绕组，转子绕组通过电刷供电。由于转子磁场和 定子磁场始终正交，因而产生转矩使转子转动。
步进电机驱动电源
Hale Waihona Puke 四、步进电动机的功率放大1．单电压功率放大电路
此电路的优点是电路结构简单，不足 之处是Rc消耗能量大，电流脉冲前后 沿不够陡，在改善了高频性能后，低 频工作时会使振荡有所增加，使低频 特性变坏。
2．高低电压功率放大电路
电源U1为高电压，电源大约为80～150V， U2为低电压电源，大约为5～20V。在绕组 指令脉冲到来时，脉冲的上升沿同时使VT1 和VT2导通。由于二极管VD1的作用，使绕组 只加上高电压U1，绕组的电流很快达到规定 值。到达规定值后，VT1的输入脉冲先变成 下降沿，使VT1截止，电动机由低电压U2供 电，维持规定电流值，直到VT2输入脉冲下 降沿到来VT2截止。 不足之处是在高低压衔接处的电流波形在顶 部有下凹，影响电动机运行的平稳性。
步进电机驱动电源总结
作用：对控制脉冲进行功率放大，以使步进电机获 得足够大的功率驱动负载运行。 1、步进电机是用脉冲供电，且按一定工作方式轮 流作用于各相励磁线圈上。 2、步进电机正反转是靠给各相励磁线圈通电顺序 变化来实现的。 3、速度控制是靠改变控制脉冲的频率实现的。 4、在通电脉冲内使励磁线圈的电流能快速建立， 而在断电时电流能快速消失。
伺服电机控制方式
伺服电机比较
机电一体化技术与系统——第3章 机电一体化技术与系统中微型计算机控制系统及接口设计
第3章 机电一体化技术与系统中微型计算机控制系统及接口设计3.1 控制系统的一般设计思路3.1.1专用与通用、硬件与软件的权衡与抉择1. 专用与通用的抉择 专用控制系统：适合于大批量生产的而且较成熟的机电一体化产品。
通用控制系统：适合还在不断改进，结构还不十分稳定的产品。
2. 硬件与软件的权衡根据经济性和可靠性的标准权衡决定。
例：分立元件组成硬件------软件 利用LSI 芯片组成电路-----软件3.1.2 控制系统的一般设计思路设计步骤为：确定系统整体控制方案；确定控制算法；选用微型计算机；系统总体设计；软件设计等。
1、确定系统整体控制方案（1）应了解被控对象的控制要求，构思控制系统的整体方案。
（2）考虑执行元件采用何种方式。
（3）要考虑是否有特殊控制要求。
（4）考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理，微机应承担哪些任务，为完成这些任务，微机应具备哪些功能，需要哪些输入/输出通道、配备哪些外围设备。
（5）应初步估算其成本。
2、确定控制算法建立该系统的数学模型，确定其控制算法。
数学模型：就是系统动态特性的数学表达式。
它反映了系统输入、内部状态和输出之间的数量和逻辑关系。
控制算法：所谓计算机控制，就是按照规定的控制算法进行控制，因此，控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。
例如：机床控制中常使用的逐点比较法的控制算法和数字积分法的控制算法；直线算法：a a xy yx F -= 或K x y T T ee Y X==∆∆ 圆弧算法：222R Y X F i i i -+= 或yxT T Y X =∆∆ 直接数字控制系统中常用的PID 调节的控制算法；位置数字伺服系统中常用的实现最少拍控制的控制算法；另外，还有各种最优控制的控制算法、随机控制和自适应控制的控制算法。
3、选择微型计算机（1）较完善的中断系统（2）足够的存储容量（3）完备的输入／输出通道和实时时钟（4）特殊要求：字长、速度、指令4、系统总体设计设计中主要考虑硬件与软件功能的分配与协调、接口设计、通道设计、操作控制台设计、可靠性设计等问题。
机电一体化系统设计：第3章 检测传感器及其接口电路讲解
R1 330
+5V
I nput
光电耦合电路
+5V
R2 10K
Output
I nput Output
图3-33 光电耦合电路应用
6.光电开关传感器
由振荡调制器产生的调制脉冲驱动LED光发射到被测物体表 面并反射，反射光被光敏三极管接收，经放大整形解调后输出 电平信号。
被检物表面
NPN -P HOTO
衔铁在零位以下
Uba Ucd Ubc
Ubc=Uba-Ucd>0 Uba Ucd Ubc
Ubc=Uba-Ucd=0 Uba Ucd Ubc
Ubc=Uba-Ucd<0
图3-17 全波整流电路波形图
e2
-x
+x
0
图3-18 差动变压器输出电压-位移图 图3-19 差动结构电感式位移传感器
3.3.4 涡流电感式位移传感器
D1 P HOTO
+15 V
8
1
7
I R2
R2 1K
3
2 R1 1K
6
Vo
4
-1 5 v
Rf 1 0K
图3-28 光敏二极光敏管二信极管号信处号理处理电电路路
4.光敏三极管
光电三极管具有普通三极管的特性，但其基区面积较大以接收光线照射。
光敏三极管的主要参数： 最高工作电压：
在无光照下，集电极电流为规定值时，集电极与发射极间的电压。
暗电流：
在无光照下，集电极与发射极间的电压为规定值时，流过集电极的电流。
光电流：在规定电压下，及规定光照时，流过集电极的电流。
3
图3-27 光敏三极管
图3-28 光敏三极管符号
03机电一体化系统设计检测系统1
2）能量控制型
又称无源传感器（或电参量型传感器）， 即不能将非电功率转换成电功率的传感器。 这类传感器是以被测物理量对传感器中的电 参数的控制和调节作用来实现测量的目的， 所以，它必须有辅助的能源（电源）。如电 阻式、电感式、电容式等传感器均属此类。 习惯上长把工作原理和用途结合起来命名传 感器，如电感式位移传感器、压电式加速度 传感器等。
检测系统框图
被测 物理量 （非电量）
传感 器
电信号
变换 （F/V) 放大 存储
控制装置 显示
• 检测系统一般由传感器和信号加工两部分 构成。即：1）把各种非电量信号转换为电 信号，这就是传感器的功能。传感器又称 为“一次仪表”。2）对传感器送出的电信 号进行加工，使之成为合乎需要的、便于
输送或显示和记录的、可作进一步处理的 信号。
按国家标准，传感器的命名应由主题 词加四级修饰语构成：
• 主题词 传感器。
• 第一级修饰语 被测量，包括修饰被测量 的定语。
• 第二级修饰语 转换原理，一般可后续以 “式”字。
• 第三级修饰语 特征描述，指必须强调的 传感器结构、性能、材料特征、敏感元 件及其他必要的性能特征，一般可后续 以“型”字。
精度、灵敏度和分辨率高，能满足机电一体化系统 对检测精度和速度的要求。
• 能满足精度和速度的要求 • 线性度、灵敏度稳定性和重复性好，工作可靠。 • 静、动态特性好，测量范围大。 • 高可靠性和高抗干扰性。 • 其它特殊要求：体积小、重量轻、价格便宜、便
于安装与维修、耐环境性好等。
3.1.2 传感器分类
3.1.1 传感器概念和定义
人体对外界和周围环境的感觉或感知， 是通过五官、皮肤等来完成的。感觉器官从 外界获取信息，传输到大脑神经中枢进行信 息处理和加工，然后根据信息处理的结果控 制肌肉产生相应的动作。在机电一体化系统 中，外界信息是通过传感器进行检查和测量， 然后经过计算机处理，再控制执行装置完成 动作任务。
机电一体化重要章节课程 第三章
响应频率高
缺点：制造成本高，效率低，转子的阻尼差，
噪声大
第3章 机电一体化系统执行元件的选择与设计
机电一体化
工作原理：绕组3轮流通电，其建立的磁 场与永久磁铁（转子2）的恒定磁场相互 吸引与排斥产生转矩使转子转动。 含永久磁铁——无励磁有保持力（记 忆力，可作定位驱动） 转子磁铁的磁化间距受到限制，难于制造 ——步距角大 优点：励磁功率小，效率高，造价便宜
第3章 机电一体化系统执行元件的选择与设计
机电一体化
1.对于起停频率低（如几十次/分），但要求低速平稳 和扭矩脉动小，高速运行时振动、噪声小，在整个调 速范围内均可稳定运动的机械，如NC工作机械的进给 运动、机器人的驱动系统，其功率密度是主要的性能 指标；
2.对于起停频率高（如数百次/分），但不特别要求低 速平稳性的产品，如高速打印机、绘图机、打孔机、 集成电路焊接装置等主要的性能指标是高比功率；
伺服电动机的作用是将输入的控制信号转换成轴上的角位移或角速 度输出。 其最大特点是：有控制信号时转子立即旋转，无控制信号时转子立 即停转。转轴转向和转速是由控制信号的方向和大小决定的。
三种伺服电动机驱动的特点： 1、步进电动机
转角与数字脉冲成比例，可构成直接数字控制 构成廉价的开环系统 控制系统控制较简单
气动式
第3章 机电一体化系统执行元件的选择与设计 机电一体化 3.1.2 机电一体化系统对执行元件的基本要求
◆ 惯量小、动力大：快速响应性好，承载能力强
◆ 体积小、重量轻：易于安装及与机械系统联接
◆ 便于维修、安装：最好不需要维修 ◆ 宜于微机控制：主流是电气式，其他需增加接口 名词定义： 比功率——表征执行元件动力大小的综合性能指标，包含了功率，加速 性能与转速 三个因素，其值为T2/J 比功率密度——执行元件单位重量所能达到的比功率，其值为(T2/J)/G 功率密度——执行元件单位重量所能达到的输出功率，其值为P/G