第1章緒論1.1機(jī)電一體化技術(shù)的產(chǎn)生與開(kāi)展機(jī)電一體化技術(shù)的產(chǎn)生：機(jī)械化技術(shù)的開(kāi)展：工業(yè)革命開(kāi)始……控制技術(shù)開(kāi)展：20世紀(jì)30年代，開(kāi)始快速開(kāi)展，以軍工技術(shù)為載體……信息處理技術(shù)的開(kāi)展：20世紀(jì)60年代，開(kāi)始快速開(kāi)展，以大規(guī)模集成電路為載體…機(jī)電一體化技術(shù)的產(chǎn)生：自從控制技術(shù)快速開(kāi)展，就……20世紀(jì)70年代，60年代提出，70開(kāi)始快速開(kāi)展機(jī)電一體化技術(shù)的開(kāi)展：自動(dòng)化技術(shù)開(kāi)展的必然產(chǎn)物：各個(gè)學(xué)科綜合結(jié)果，尤其自動(dòng)化技術(shù)+計(jì)算機(jī)技術(shù)?！踩毡荆簷C(jī)械制造領(lǐng)域：為提高生產(chǎn)效率，自動(dòng)化生產(chǎn)、生產(chǎn)過(guò)程信息化控制；美國(guó)：主動(dòng)將自動(dòng)化技術(shù)〔正像喬布什說(shuō)的“人們并不清楚自己需要什么，需要你來(lái)告訴他們”〕、信息化技術(shù)推廣到工程技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域；英國(guó)學(xué)者：各個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展過(guò)程中的自然滲透，涉及大量學(xué)科。中國(guó)：國(guó)家9.5開(kāi)始大力支持；各個(gè)高校對(duì)機(jī)電一體化的理解〕1.2機(jī)電一體化的相關(guān)技術(shù)圖SEQ圖\*ARABIC1控制系統(tǒng)的根本組成圖2機(jī)電一體化技術(shù)體系傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)、系統(tǒng)總成技術(shù)1.2.1傳感器技傳感器：能檢測(cè)各種物理量，將測(cè)得的各種參量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并輸送到信息處理局部的功能器件。完成對(duì)各種信息的檢測(cè)、收集，這些信息包括：位移、位置、速度、加速度、力；壓力、流量、溫度；電壓、電流因此傳感器首先需要有敏感元件局部。輸出量通常為模擬電流、電壓、數(shù)字量，因此傳感器通常配有專用的信號(hào)處理電路。1.2.2信息處理技術(shù)完成對(duì)信息的輸入、輸出、計(jì)算、分析、存儲(chǔ)。通常為專用控制裝置，以及計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、A/D、D/A完成上位機(jī)的信息交換功能。1.2.3自動(dòng)控制技術(shù)各種控制單元，以自動(dòng)化過(guò)程為控制目的的各種邏輯控制；以某些參數(shù)值為控制目的的各種參數(shù)控制；以某些綜合指標(biāo)為控制目標(biāo)的最優(yōu)化控制。等等。高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷、校正、補(bǔ)償、示教再現(xiàn)、檢索等技術(shù)。各種控制理論、特殊控制策略、專用算法1.2.4伺服傳動(dòng)技術(shù)電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)液壓傳動(dòng)及伺服控制技術(shù)氣壓傳動(dòng)技術(shù)1.2.5精密機(jī)械技術(shù)為更好地與控制技術(shù)結(jié)合，精密機(jī)械技術(shù)較一般的同類機(jī)械精度要求更高，要有更好的可靠性及維護(hù)性，同時(shí)要有更新穎的結(jié)構(gòu)。高精度導(dǎo)軌、精密滾珠絲杠、高精度軸承、高精度齒輪，微電機(jī)系統(tǒng)、高精度伺服系統(tǒng)1.2.5系統(tǒng)總體技術(shù)局部最優(yōu)技術(shù)：就某一指標(biāo)局部到達(dá)最優(yōu)?？傮w最優(yōu)技術(shù)：系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件的指標(biāo)可能非最有，但系統(tǒng)的各種指標(biāo)總體評(píng)價(jià)最有。1.3機(jī)電一體化技術(shù)的開(kāi)展前景μm；最新電液伺服閥帶寬可大1000Hz以上；功能方面：小型化、輕型化、多功能。如微型電機(jī)、特種電機(jī)，尤其是近幾年出現(xiàn)的新型壓電執(zhí)行器〔應(yīng)用于電液伺服閥、特種加工〕、超聲電機(jī)〔高速高精度控制、特種加工〕。層次方面：復(fù)合集成、系統(tǒng)化。如復(fù)合控制系統(tǒng)〔電力驅(qū)動(dòng)+液壓伺服〕、實(shí)時(shí)仿真與控制系統(tǒng)〔DSPACE〕、多模式電機(jī)控制器〔多自由度電機(jī)〕1.4液壓鋼索張拉系統(tǒng)1.4.1鋼索張拉系統(tǒng)要求張拉系統(tǒng)：要求：1.按照給定的張拉力-時(shí)間曲線對(duì)鋼索進(jìn)行張拉，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)〔畫張拉曲線并對(duì)張拉過(guò)程進(jìn)行解釋〕1.4.2張拉系統(tǒng)組成首先介紹目前的張拉過(guò)程特點(diǎn)：機(jī)液液壓系統(tǒng)；人工控制；人工監(jiān)理缺點(diǎn)：精度低；張拉過(guò)程難以標(biāo)準(zhǔn)化；無(wú)法多點(diǎn)張拉同步；無(wú)法信息化。執(zhí)行機(jī)構(gòu)〔伺服傳動(dòng)系統(tǒng)〕：液壓缸，也可以包括液壓系統(tǒng)壓力傳感器〔檢測(cè)傳感系統(tǒng)〕：壓力——>電壓〔電流〕轉(zhuǎn)換控制器〔控制系統(tǒng)〕：液壓系統(tǒng)+PLC+控制算法信息處理〔信息處理系統(tǒng)〕：數(shù)據(jù)記錄、存儲(chǔ)，報(bào)警、提示。整體最優(yōu)設(shè)計(jì)〔系統(tǒng)總成技術(shù)〕:伺服系統(tǒng)/比例系統(tǒng)/開(kāi)關(guān)系統(tǒng)1.5無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)本章思考題什么是機(jī)電一體化？其組成要素是什么？與機(jī)電一體化相關(guān)的技術(shù)有哪些？機(jī)電一體化是在什么背景下產(chǎn)生和開(kāi)展起來(lái)的？通過(guò)列舉生活中的實(shí)例來(lái)說(shuō)明機(jī)電一體化的組成要素和作用。機(jī)電一體化開(kāi)展的前景如何？第2章傳感器技術(shù)2.1位移傳感器2.1.1電感式位移傳感器變氣隙式〔變阻式〕：高頻反射渦電流式：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、性能穩(wěn)定、工作可靠，應(yīng)用廣泛。2.1.2差動(dòng)變壓器式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高2.1.3電容式傳感器面積變化型、極距變化型、介質(zhì)變化型特點(diǎn)：鼓勵(lì)能量小、不受非電磁環(huán)境干擾、響應(yīng)快通常做位移、角位移傳感器需調(diào)頻電路調(diào)整感應(yīng)同步器是利用兩個(gè)平面形繞組的互感隨位置不同而變化的原理組成的?？捎脕?lái)測(cè)量直線或轉(zhuǎn)角位移。測(cè)量直線位移的稱長(zhǎng)感應(yīng)同步器，測(cè)量轉(zhuǎn)角位移的稱圓感應(yīng)同步器。感應(yīng)同步器的工作原理與旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理相似。當(dāng)勵(lì)磁繞組與感應(yīng)繞組間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，由于電磁耦合的變化，感應(yīng)繞組中的感應(yīng)電壓隨位移的變化而變化，感應(yīng)同步器和旋轉(zhuǎn)變壓器就是利用這個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量的。標(biāo)準(zhǔn)的感應(yīng)同步器定尺長(zhǎng)250mm，尺上是單向、均勻、連續(xù)的感應(yīng)繞組；滑尺長(zhǎng)100mm，滑尺上有兩組勵(lì)磁繞組，一組叫正弦勵(lì)磁繞組，一組叫余弦勵(lì)磁繞組，定尺和滑尺繞組的節(jié)距相同。當(dāng)正弦勵(lì)磁繞組與定尺繞組對(duì)齊時(shí)，余弦勵(lì)磁繞組與定尺繞組相差l／4節(jié)距。〔定尺由優(yōu)質(zhì)碳素鋼為機(jī)體，導(dǎo)磁性好，外表制有連續(xù)平面繞組，在機(jī)體上用絕緣的粘合劑貼上銅箔，用光刻或化學(xué)腐蝕的方法制成方形開(kāi)口平面繞組，并在花癡的周圍貼有一層鋁箔，防止靜電干擾，常用于機(jī)床上〕應(yīng)用介紹:感應(yīng)同步器廣泛應(yīng)用于高精度伺服轉(zhuǎn)臺(tái)、雷達(dá)天線、火炮和無(wú)線電望遠(yuǎn)鏡的定位跟蹤、精密數(shù)控機(jī)床以及高精度位置檢測(cè)系統(tǒng)中。一、鑒相方式將滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以幅值相同、頻率相同、相位相差90°的交流電壓。當(dāng)滑尺上的正弦繞組和余弦繞組分別以1～10kHz的正弦電壓激磁時(shí)，將產(chǎn)生同頻率的交變磁通；該交變磁通與定尺繞組耦合，在定尺繞組上將產(chǎn)生同頻率的感應(yīng)電勢(shì)。正弦、余弦繞組是幅值相同、相角差90o的交流信號(hào)：正弦繞組：余弦繞組：輸出：在一個(gè)節(jié)距內(nèi)，與滑尺移動(dòng)距離是一一對(duì)應(yīng)的，通過(guò)測(cè)量定尺感應(yīng)電勢(shì)相位，便可測(cè)出定尺相對(duì)滑尺的位移。二、鑒幅方式將滑尺的正弦繞組和余弦繞組分別通以頻率相同、相位相同，但幅值不同的交流電壓假設(shè)電氣角，那么測(cè)出Uo的幅值KUmsin(-θ)，便可間接地求出θ。特點(diǎn)：精度高,通常在1微米以下感應(yīng)同步器的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量長(zhǎng)度不受限制；對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；維護(hù)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)；抗干擾能力強(qiáng)、工藝性好、本錢低。2.1.5回轉(zhuǎn)編碼器回轉(zhuǎn)編碼器是一種回轉(zhuǎn)式數(shù)字測(cè)量元件，通常裝在被檢測(cè)軸上，隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，可將被測(cè)軸的角位移轉(zhuǎn)換為增量脈沖形式或絕對(duì)式的代碼形式。增量型和絕對(duì)型增量型回轉(zhuǎn)編碼器：A、B、Z三相絕對(duì)型回轉(zhuǎn)編碼器下列圖中碼盤旋轉(zhuǎn)方向不同，造成觀察到的圖形不同，〔解釋〕絕對(duì)性：位置——編碼，意義對(duì)應(yīng)8421碼：根本二進(jìn)制雷格碼〔二位循環(huán)碼〕：特點(diǎn)：相鄰嗎僅有一位變化，數(shù)據(jù)處理問(wèn)題。編碼器的性能受到加工技術(shù)、電路工作頻率的影響。2.1.7光柵位移傳感器光柵的構(gòu)造：工作原理：把兩塊柵距W相等的光柵平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角θ時(shí)，這時(shí)光柵上會(huì)出現(xiàn)假設(shè)干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋，它們沿著與光柵條紋幾乎垂直的方向排列，如下圖。莫爾條紋具有如下特點(diǎn)：1.莫爾條紋的位移與光柵的移動(dòng)成比例。光柵每移動(dòng)過(guò)一個(gè)柵距W，莫爾條紋就移動(dòng)過(guò)一個(gè)條紋間距B2.莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間關(guān)系為3.莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用?！补鈻艡z測(cè)裝置的關(guān)鍵局部是光柵讀數(shù)頭，它由光源、會(huì)聚透鏡、指示光柵、光電元件及調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成。光柵讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)形式很多，根據(jù)讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用場(chǎng)合分為直接接收式讀數(shù)頭(或稱硅光電池讀數(shù)頭、鏡像式讀數(shù)頭、分光鏡式讀數(shù)頭、金屬光柵反射式讀數(shù)頭〕為檢測(cè)運(yùn)動(dòng)方向：2個(gè)指示光柵介紹一下電路原理：其目的產(chǎn)生對(duì)u1、u2的細(xì)分脈沖?！部衫镁幋a器的原理介紹〕為提高分辨率同時(shí)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)方向：4個(gè)指示光柵2.2速度檢測(cè)傳感器2.2.1測(cè)速發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速——>電信號(hào)。常見(jiàn)類型：交流異步測(cè)速發(fā)電機(jī)〔永磁式〕、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)工作原理：發(fā)電機(jī)工作原理交流：勵(lì)磁繞組、輸出繞組、轉(zhuǎn)子直流：永久磁鐵、輸出繞組〔換向機(jī)構(gòu)〕、轉(zhuǎn)子特點(diǎn)：線性度好，理論上輸出電壓與轉(zhuǎn)速嚴(yán)格線性關(guān)系增益高2.2.1回轉(zhuǎn)編碼器的使用時(shí)鐘頻率越高、測(cè)速誤差越小。但時(shí)鐘頻率受到計(jì)數(shù)器容量和工作上限頻率的影響?！步忉專弘姍C(jī)轉(zhuǎn)速范圍對(duì)計(jì)數(shù)器選擇的影響：〕周祖德教材P23：有關(guān)于關(guān)于時(shí)鐘頻率、轉(zhuǎn)速、存放器位數(shù)之間的匹配計(jì)算。需要講清楚：〔1〕一個(gè)A相脈沖中，時(shí)鐘脈沖過(guò)多導(dǎo)致計(jì)數(shù)器溢出。解決方法：增加計(jì)數(shù)器位數(shù)；限制被測(cè)電機(jī)的最小測(cè)量轉(zhuǎn)速?！?〕一個(gè)A相脈沖中，時(shí)鐘脈沖太少導(dǎo)致計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)相對(duì)誤差過(guò)大。解決方法：限制被測(cè)電機(jī)的最高測(cè)量轉(zhuǎn)速2.3位置傳感器位置傳感器與位移傳感器位置傳感器應(yīng)用：工作臺(tái)到位檢測(cè)，行程開(kāi)關(guān)，通常為開(kāi)關(guān)量2.3.1接觸式位置傳感器微動(dòng)開(kāi)關(guān)，矩陣式位置傳感器2.3.2接近式位置傳感器電磁式：用于檢測(cè)電磁材料?！伯媹D解釋渦電流式、霍爾〕電容式：幾乎可以檢測(cè)所有的固體和液體材料。〔畫圖〕將電容其作為振蕩電路的一局部。光電式：對(duì)環(huán)境有一定要求?！伯媹D：透射型、反射性〔輸出電流小〕〕氣壓式、超聲波式：在很多情況下：位移傳感器可以對(duì)位置進(jìn)行測(cè)量，如渦電流式傳感器；位置傳感器也可以作為位移傳感器使用，如編碼器。2.4壓力傳感器〔圖〕2.4.1壓阻式壓力傳感器一種半導(dǎo)體材料的電阻率隨其所受的壓力變化2.4.2應(yīng)變式壓力傳感器外界壓力是半導(dǎo)體電阻或應(yīng)變片的形狀發(fā)生變化，導(dǎo)致其電阻變化2.4.3壓電式壓力傳感器利用壓電效應(yīng)簡(jiǎn)述光電式傳感器的類型以及各自的工作原理?！?〕對(duì)位置檢測(cè)裝置的根本要求有哪些？簡(jiǎn)述光柵式傳感器的工作原理。簡(jiǎn)述光電耦合器的工作原理、應(yīng)用場(chǎng)合?！?〕最常用的位移傳感器有哪幾種？最常用的位置傳感器有哪幾種？了解它們的工作原理。最常用的壓力傳感器有哪幾種？分別說(shuō)出它們的工作原理和區(qū)別。試舉出你所熟悉的5種機(jī)械參量測(cè)試傳感器，并說(shuō)明它們的變換原理。試按接觸式與非接觸式分類傳感器，列出它們的名稱，用在何處?9、如果實(shí)驗(yàn)室里有力傳感器及放大器，請(qǐng)你設(shè)計(jì)一個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)一電機(jī)驅(qū)動(dòng)的軸承作動(dòng)態(tài)扭矩的測(cè)試。10、欲測(cè)量河水的幾種狀態(tài)水位，擬采用接近式位置傳感器，請(qǐng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并說(shuō)明工作原理?11、在機(jī)電一體化測(cè)控系統(tǒng)中，傳感器信號(hào)放大常采用哪幾種放大器?其特點(diǎn)如何?12、傳感器非線性補(bǔ)償處理方法常用的有哪幾種?其根本原理為何?13、一變極距型電容傳感器，其圓形極板半徑R=6mm，工作初始間隙為0．3mm。問(wèn)：(1)工作時(shí)，如果傳感器與工件的間隙變化量為±2／um，電容變化量是多少?(2)如果測(cè)量電路的靈敏度S1=1000mV／pF，讀數(shù)儀表的靈敏度S2=5格／mV，在間隙變化量為±2~um時(shí)，讀數(shù)儀表的指示變化多少格?第3章電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器控制3.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。

目前,生產(chǎn)步進(jìn)電機(jī)的廠家確實(shí)不少，但具有專業(yè)技術(shù)人員，能夠自行開(kāi)發(fā)，研制的廠家卻非常少，大局部的廠家只一、二十人，連最根本的設(shè)備都沒(méi)有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給用戶在產(chǎn)品選型、使用中造成許多麻煩。簽于上述情況，我們決定以廣泛的感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)為例。表達(dá)其根本工作原理。望能對(duì)廣闊用戶在選型、使用、及整機(jī)改良時(shí)有所幫助。3.1.1步進(jìn)電機(jī)工作原理3.1.1.1．三相六拍反響式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理三相六拍反響式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，定子上有三對(duì)磁極，每對(duì)磁極上繞有一相控制繞組，轉(zhuǎn)子有四個(gè)分布均勻的齒，齒上沒(méi)有繞組A相通電B相通電C相通電左圖：三相均不通電，然后：A相通電，自鎖；B相，逆時(shí)針、自鎖；C相，順時(shí)針、自鎖。通電方式：A→B→C→A A相通電時(shí)，磁力線A—1—3—A’—A齒距角90o，步距角30o在這里解釋幾個(gè)概念：(1)齒距角與步距角步距角：每給一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)角度的理論值。二者之間的關(guān)系其中，m為定子相數(shù)；z為轉(zhuǎn)子齒數(shù)；k為通電系數(shù)，m相m拍，k＝1；m相2m拍，k＝2。α一般很小，如：3°/1.5°，1.5°/0.75°，0.72°/0.36°等〔2〕脈沖頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速，二者之間的關(guān)系〔3〕最大工作頻率/轉(zhuǎn)速、最大起動(dòng)頻率/轉(zhuǎn)速〔4〕同步電機(jī)與異步電機(jī)的概念〔5〕矩角特性靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mj：在電機(jī)軸上施加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩M，轉(zhuǎn)子會(huì)在載荷方向上轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度θ〔失調(diào)角〕，轉(zhuǎn)子因而受到一個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩Mj的作用與負(fù)載平衡。矩角特性：步進(jìn)電機(jī)單相通電的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mj隨失調(diào)角θ的變化曲線?！?〕矩頻特性連續(xù)運(yùn)行頻率：步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)后，其運(yùn)行速度能跟蹤指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率。其值遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率。矩頻特性：是描述步進(jìn)電機(jī)在連續(xù)運(yùn)行時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系。〔6〕工作方式單拍工作方式：雙拍工作方式〔三相雙三拍〕：AB→BC→CA→AB AB相通電：磁力線A—1—4—B’—A齒距角90o，步距角30o單雙拍工作方式〔三相單、雙六拍〕：A→AB→B→BC→C→CA→A齒距角90o，步距角15o3.1.1.2．三相步進(jìn)電機(jī)齒距角Nr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)，Nr=40，θZ=9o單拍步距角m為相數(shù)，假設(shè)Nr=40，m=3，那么θZ=3o單雙拍步距角假設(shè)Nr=40，m=3，那么θZo3.1.2步進(jìn)電機(jī)的特性及主要參數(shù)特性：步進(jìn)電機(jī)的工作電流：通過(guò)繞組的電流，步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載：感性負(fù)載工作電流為脈沖電流，工作電流=啟動(dòng)電流電機(jī)電壓：特點(diǎn)：屬于同步電機(jī)范疇；工作時(shí)有銅損、鐵損、機(jī)械損耗非超載的情況下，轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù),與負(fù)載無(wú)關(guān)。步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)，使得步進(jìn)電機(jī)的控制非常簡(jiǎn)單。特性參數(shù)：距角特性和最大靜力矩啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)頻率運(yùn)行距頻特性3.1.3步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源單電源供電先用一個(gè)開(kāi)關(guān)控制用電器的電路說(shuō)明一下根本的：理論情況，VT關(guān)閉時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題；VT電子開(kāi)關(guān)；VD續(xù)流管；Rc加速電阻VD、Rc的作用：對(duì)VT進(jìn)行保護(hù)，Rc提高充電轉(zhuǎn)折頻率，但Rc具有耗能缺點(diǎn)；C、R都具有提放電速度的作用，但R損壞低頻特性，通常只采用C即可。以上為單電源情況，為增加相應(yīng)速度，可采用雙電源驅(qū)動(dòng)。解釋工作原理：3.1.3.2上下壓供電方式先用一組慣性過(guò)程曲線介紹一下工作原理采用單電源時(shí)的響應(yīng)曲線說(shuō)明，采用雙電源是的響應(yīng)曲線說(shuō)明3.1.4步進(jìn)電機(jī)的控制利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，些編寫相應(yīng)的程序大概畫一下原理〔15分鐘時(shí)間介紹〕3.1.4.2環(huán)形分配器環(huán)形分配器的作用補(bǔ)充：Cu：輸入脈沖，正傳CW時(shí)鐘CD：輸入脈沖，反轉(zhuǎn)CCW時(shí)鐘CK：輸入，在單時(shí)鐘方式時(shí)使用V/D：方向轉(zhuǎn)換，0—正傳，1—反轉(zhuǎn)EA、EB：勵(lì)磁方式控制，11—單雙；00—雙；01、10—單ΦC：3/4相選擇，0—3相，1—4相Vss：地：復(fù)位端子，低電平有效，當(dāng)=0,時(shí)，Φ1~Φ1為“1”時(shí)，步進(jìn)電機(jī)鎖定Φ1、Φ2、Φ3、Φ4：3相—Φ2、Φ3、Φ4，4相—Φ1、Φ2、Φ3、Φ4EM：鼓勵(lì)監(jiān)視，0—單，1—雙，脈沖——單雙Co：輸入脈沖控制，輸出與時(shí)鐘同步VDD：+4——+18V例如，可以參考PMM8713.pdf，也可以參考“趙再軍書”p154，圖5-103.1.4.3PLC+環(huán)形分配器軟件——硬件3.1.5步進(jìn)電機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)有步距角〔涉及到相數(shù)〕、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來(lái)了。步距角的選擇:電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率〔當(dāng)量〕換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度〔包括減速〕。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度〔五相電機(jī)〕、0.9度/1.8度〔二、四相電機(jī)〕、1.5度/3度〔三相電機(jī)〕等。靜力矩的選擇:步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩不易確定，往往確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù):電機(jī)工作負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)〔一般由低速〕時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來(lái)〔幾何尺寸〕電流的選擇:靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差異很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流〔參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓〕力矩與功率換算:步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來(lái)衡量，力矩與功率換算如下：P=Ω·MΩ=2π·n/60P=2πnM/60其P為功率單位為瓦，Ω為每秒角速度，單位為弧度，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓·米P=2πfM/400(半步工作〕其中f為每秒脈沖數(shù)〔簡(jiǎn)稱PPS)1、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中起什么作用?2、一臺(tái)五相反響式步進(jìn)電機(jī)采用五相十拍運(yùn)行時(shí)，步距角為1。5度，當(dāng)控制信號(hào)脈沖頻率為3kHz時(shí)，求該步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。3、步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、運(yùn)行轉(zhuǎn)矩有何區(qū)別？以某型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)為例說(shuō)明啟動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。4、試述反響式步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性、啟動(dòng)矩頻特性。5、如何控制步進(jìn)電機(jī)的輸出角位移量及轉(zhuǎn)速。6、步進(jìn)電機(jī)的連續(xù)工作頻率與它的負(fù)載轉(zhuǎn)矩有何關(guān)系？為什么？7、什么是環(huán)形分配器?起何作用?8、單片機(jī)、PLC、環(huán)形分配器控制步進(jìn)電機(jī)時(shí)，各有什么特點(diǎn)？3.2直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制3.2.1直流電機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)3.2.1.1直流電動(dòng)機(jī)的工作原理1—磁極；2—電樞；3—換向器；4—電刷洛倫茲力=磁密*長(zhǎng)度*電流，左手法那么確定方向。換向器與電刷的作用：電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)：一臺(tái)直流電機(jī)原那么上既可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，只是其輸入輸出的條件不同而已。電機(jī)學(xué)理論中稱為電機(jī)的可逆原理。3.2.1.2直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)電流電機(jī)的結(jié)構(gòu)剖面圖1—換向器；2—電刷裝置；3—機(jī)座；4—主磁極；5—換向極；6—端蓋；7—風(fēng)扇；8—電樞繞組；9—電樞鐵心定子局部:主要由主磁極、換向極、機(jī)座和電刷裝置等組成。轉(zhuǎn)子局部：主要由電樞鐵心和電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等組成1—主極鐵心；2—?jiǎng)?lì)磁繞組；3—機(jī)座；4—電樞1—轉(zhuǎn)軸；2—軸承；3—換向器；4—電樞鐵心；5—電樞繞組；6—風(fēng)扇；7—軸承直流電機(jī)的勵(lì)磁方式：他勵(lì)式：由與電樞不同的電源產(chǎn)生主磁場(chǎng)自勵(lì)式：由電樞電源產(chǎn)生主磁場(chǎng)，包括串勵(lì)式、并勵(lì)式、復(fù)勵(lì)式。直流電機(jī)的特點(diǎn)：與交流電機(jī)相比，直流電機(jī)有以下特點(diǎn)：〔1〕調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)速；〔2〕起動(dòng)、制動(dòng)和過(guò)載轉(zhuǎn)矩大；〔3〕易于控制，可靠性較高3.2.1.3直流電機(jī)的主要性能參數(shù)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，直流電機(jī)的額定值有：〔1〕額定功率PN〔kW〕；〔2〕額定電壓UN(V〕；〔3〕額定電流IN(A〕；〔4〕額定轉(zhuǎn)速nN〔r/min〕；〔5〕勵(lì)磁方式和額定勵(lì)磁電流IfN(A)。有些物理量雖然不標(biāo)在銘牌上，但它們也是額定值，例如在額定運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩、效率分別稱為額定轉(zhuǎn)矩、額定效率等。關(guān)于額定功率，對(duì)直流發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，是指電機(jī)出線端輸出的電功率，其額定容量為PN=UN*IN；對(duì)直流電動(dòng)機(jī)而言，那么是指它的轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率，其額定功率為PN=UN*IN*ηN；。直流電機(jī)的參數(shù)簡(jiǎn)單估算：直流伺服電機(jī)簡(jiǎn)介伺服電動(dòng)機(jī)又稱為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。它將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出.直流伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)際上就是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)和原理與普通的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)相同，只不過(guò)直流伺服電動(dòng)機(jī)輸出功率較小而已。直流伺服電機(jī)的電樞控制方式：控制電樞電流，多用。直流伺服電機(jī)的磁場(chǎng)控制方式：控制勵(lì)磁繞組電流，使用場(chǎng)合很少?！惨?yàn)槠湔{(diào)節(jié)持性在某一范圍不是單值函數(shù)，每個(gè)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)兩個(gè)控制信號(hào)〕勵(lì)磁繞組：勵(lì)磁Uf→勵(lì)磁If→勵(lì)磁Φf，電樞繞組：控制電壓Ue，電樞回路的電壓平衡方式為Ua=Ia*Ra+Ea其中Ea=CeΦ*nCe為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式為：T=CT*Φ*IaCT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)電磁功率：PM=T*Ω直流伺服電機(jī)的控制原理圖：直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)平衡方程：3.2.1.5直流電機(jī)的機(jī)械特性、調(diào)節(jié)特性、控制特性機(jī)械特性：由上面三式可得到電樞控制的直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式為〔〕改變控制電壓Ua，而機(jī)械特性的斜率Ra/(CeΦ)不變，故其機(jī)械特性是一組平行的直線理想空載轉(zhuǎn)速為Ua/(CeΦ)。機(jī)械特性曲線與橫軸的交點(diǎn)處的轉(zhuǎn)矩就是n=0時(shí)的轉(zhuǎn)矩，即直流伺服電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為IaRa/(CeΦ)。機(jī)械特性〔負(fù)載特性〕調(diào)節(jié)特性〔控制特性〕調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性是指在一定的轉(zhuǎn)矩下電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與控制電壓Ua的關(guān)系。由調(diào)節(jié)特性可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，增強(qiáng)Ua，直流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，且呈正比例關(guān)系；反之，減弱控制信號(hào)減弱到某一數(shù)值，直流伺服電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，即出現(xiàn)電機(jī)堵轉(zhuǎn),始動(dòng)電壓：實(shí)際上始動(dòng)電壓就是調(diào)節(jié)特性與橫軸的交點(diǎn)?！怖靡陨?圖，解釋直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)〕3.2.2直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源3.2.2.1交流電源+整流電路晶閘管整流，晶閘管導(dǎo)通條件：①陽(yáng)極正電壓、陰極負(fù)電壓；②觸發(fā)脈沖上升沿〔圖解〕在輸入電壓為正弦波形的情況下：控制角：從開(kāi)始承受正向電壓到開(kāi)始導(dǎo)通的角度α導(dǎo)通角：導(dǎo)通的角度為導(dǎo)通角θ有：α→θ→電壓波形→平均電壓。單相半波整流，圖解優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：電流脈動(dòng)大、變壓器容量利用率低單相半波可控整流單相橋式全控整流單相橋式全控整流：優(yōu)點(diǎn)：變壓器容量利用率高3.2.3直流電機(jī)的調(diào)速控制轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制：〔介紹調(diào)速原理〕直流電源+PWM控制：簡(jiǎn)單介紹PWM的原理〔5分鐘以內(nèi)：介紹清楚占空比與平均輸出值之間的定性關(guān)系〕。對(duì)電壓的調(diào)節(jié)→對(duì)占空比的調(diào)節(jié)，數(shù)字控制器的應(yīng)用3.2.4直流電機(jī)的工作方式電壓控制方式：原始控制方式，其特性為直流電機(jī)的原始特性,(機(jī)械特性、調(diào)節(jié)特性)。速度控制方式：電機(jī)最常見(jiàn)的控制方式，如前所述。目前比擬先進(jìn)的方式：PWM驅(qū)動(dòng)，閉環(huán)控制。對(duì)于伺服電機(jī)，通常有專用的控制器。位置控制方式：小功率伺服控制場(chǎng)合，電流控制方式：電流控制即力矩閉環(huán)控制方式，特殊場(chǎng)合。對(duì)于具有專用控制器的伺服電機(jī)，以上幾種控制方式可以隨時(shí)進(jìn)行切換，甚至動(dòng)態(tài)切換。3.3交流電機(jī)3.3.1交流電機(jī)工作原理旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：鼠籠式、繞組式轉(zhuǎn)差率概念：s轉(zhuǎn)速方程：，定子轉(zhuǎn)速n1,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n，電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)p3.3.2交流電機(jī)的特性3.3.2.1固有機(jī)械特性三相異步電動(dòng)機(jī)的定子在額定頻率的額定電壓下，定子繞組按規(guī)定的接線方式聯(lián)結(jié)，定子及轉(zhuǎn)子回路不外接任何電器元件的條件下的機(jī)械特性稱為固有機(jī)機(jī)械特性。幾個(gè)特殊點(diǎn)有：同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)〔s=0〕、額定運(yùn)行點(diǎn)〔s=sN〕、最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)〔s=sm〕、起動(dòng)點(diǎn)〔s=1〕。3.3.2.2人為機(jī)械特性降低定子回路端電壓的人為機(jī)械特性：線性段變軟，過(guò)載能力顯著下降。轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串接對(duì)稱電阻時(shí)的人為機(jī)械特性：線性段的特性越軟，但起動(dòng)力矩可能變大。定子回路串接對(duì)稱電抗或電阻時(shí)的人為機(jī)械特性：其線性段的特性變軟。3.3.3交流電機(jī)的啟動(dòng)與制動(dòng)三相異步電機(jī)直接起動(dòng)：在額定電壓下直接起動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)。即轉(zhuǎn)差率s＝1，功率因數(shù)很小，起動(dòng)電流I0相當(dāng)大而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T0并不大。啟動(dòng)電流過(guò)大：沖擊電網(wǎng)，反過(guò)來(lái)影響電機(jī)的起動(dòng)，因此需要大容量變壓器。對(duì)于鼠籠式電機(jī)：〔1〕降低定子電壓；〔2〕加大定子端電阻或電抗。具體措施如下：直接起動(dòng)時(shí)：能耗較大，小容量電機(jī)，電機(jī)容量小于。簡(jiǎn)單方便定子串接電抗器或電阻起動(dòng):對(duì)容量不限制，但應(yīng)該輕載起動(dòng)。輕載，沖擊小ㄚ－△降壓起動(dòng):而且限于正常運(yùn)行為△接法的電動(dòng)機(jī)，可頻繁起動(dòng)。效果好自耦變壓器降壓起動(dòng)：較大容量的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)上廣泛應(yīng)用，較大負(fù)載起動(dòng)，但不應(yīng)頻繁起動(dòng)。延邊三角形降壓起動(dòng)：專門設(shè)計(jì)的電機(jī)，較大負(fù)載可頻繁起動(dòng)串電抗器起動(dòng)自耦變壓器降壓起動(dòng)直接起動(dòng)延邊三角起動(dòng)繞組式電機(jī)的起動(dòng)：對(duì)于三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子回路串接適當(dāng)?shù)娜鄬?duì)稱電阻，既能限制起動(dòng)電流，又能增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，且能使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩等于最大轉(zhuǎn)矩。起動(dòng)結(jié)束后，可以切除外串電阻，電動(dòng)機(jī)的效率不受影響。對(duì)于重載和頻繁起動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械，三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)難以滿足要求時(shí)，才選用三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)。因?yàn)椋@線式異步電動(dòng)機(jī)與鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)相比擬，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，控制維護(hù)較困難，制造本錢較高，價(jià)格較貴。3.3.5交流電機(jī)的變頻調(diào)速控制交流電機(jī)使用廣泛，其調(diào)速方法及技術(shù)更有意義。3.3.5.1晶閘管調(diào)壓調(diào)速閉環(huán)控制：線路簡(jiǎn)單、裝置體積小、使用維護(hù)方便、價(jià)格低廉低速時(shí)感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)差功率損耗大，運(yùn)行效率低。3.3.5.2PWM調(diào)速①晶閘管變頻調(diào)速原理介紹原理，三個(gè)模塊的作用：直流→交流、調(diào)整頻率。整流器——濾波器——逆變器。為確保在要求的時(shí)刻準(zhǔn)確通斷，粗要增設(shè)專門的電路晶閘管的通電方式：通電順序1→2→3→4→5→6②脈寬調(diào)制型晶閘管調(diào)速系統(tǒng)變幅脈寬調(diào)制恒幅脈寬調(diào)制〔利用脈寬調(diào)制方法〕③脈寬調(diào)制方法3.4電機(jī)的選擇〔MAXON〕3.4.0電機(jī)選擇的主要參數(shù)關(guān)于負(fù)載特性：轉(zhuǎn)速：扭矩：功率：其他：控制方式、供電方式、體積重量等利用對(duì)電機(jī)的控制調(diào)整其特性，以滿足不同工作點(diǎn)。3.4.1交流電機(jī)的選擇轉(zhuǎn)速：異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速不可調(diào)。除非涉及專門的調(diào)速系統(tǒng)。扭矩：重要指標(biāo)起動(dòng)力矩：配合起動(dòng)方式情況下的起動(dòng)力矩轉(zhuǎn)速控制：不控制/控制，變頻控制是流行的控制方式。3.4.2直流電機(jī)的選擇3.4.3步進(jìn)電機(jī)的選擇第4章機(jī)電一體化中的接口技術(shù)4.1單片機(jī)簡(jiǎn)介接口用于協(xié)調(diào)、匹配、轉(zhuǎn)換兩個(gè)或兩個(gè)以上系統(tǒng)之間的介質(zhì)、速度等工作方式根據(jù)接口形態(tài)分：機(jī)械接口、電氣接口、電氣機(jī)械接口：機(jī)電一體化中的接口類型：人機(jī)接口、機(jī)電接口機(jī)電接口：進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和功率放大；進(jìn)行抗干擾隔離；進(jìn)行A/D和D/A轉(zhuǎn)換。人機(jī)接口：4.1A/D模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換4.1.1A/D原理4.1.1.1A/D轉(zhuǎn)換原理：如圖：〔周祖德書P75，圖4.3〕逐次逼近式：①給定初值，存入存放器②將存放器中的數(shù)字量進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換③將轉(zhuǎn)換結(jié)果與被轉(zhuǎn)換的模擬量進(jìn)行比擬④如果轉(zhuǎn)換結(jié)果小于被轉(zhuǎn)換的模擬量，上調(diào)存放器的數(shù)字量，重復(fù)②如果轉(zhuǎn)換結(jié)果大于被轉(zhuǎn)換的模擬量，下調(diào)存放器的數(shù)字量，重復(fù)②⑤以上②-④重復(fù)N次，即存放器的位數(shù)，輸出存放器結(jié)果雙積分方式：4.1.1.2A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)：分辨率和量化誤差：如8位A/D轉(zhuǎn)換器相對(duì)分辨率=0.39%，量化誤差為±轉(zhuǎn)換精度：實(shí)際量化值-理想量化值，8位A/D的絕對(duì)精度<0.5LSB，相對(duì)精度<0.2%轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率：完成一次A/D所需要的時(shí)間，其倒數(shù)為轉(zhuǎn)換速率失調(diào)溫度系數(shù)：環(huán)境溫度變化1度引起的相對(duì)誤差4.1.2A/D常見(jiàn)芯片8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809〔ADC0808〕：〔見(jiàn)右圖〕28引腳8路8位A/D轉(zhuǎn)換器單路轉(zhuǎn)換時(shí)間115μs〔時(shí)鐘640kHz〕轉(zhuǎn)換精度：1LSB〔ADC0808為0.5LSB〕主要組成局部及其功能：8選一開(kāi)關(guān)、地址鎖存與譯碼、8位逐次比擬模數(shù)轉(zhuǎn)換器、三態(tài)輸出緩沖器、控制邏輯12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574〔見(jiàn)右圖〕28引腳單路12位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間25μs，內(nèi)部時(shí)鐘；轉(zhuǎn)換精度：0.5LSB主要組成局部及其功能：輸入方式選擇、比擬器、D/A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近存放器、時(shí)鐘電路、三態(tài)輸出緩沖器、控制邏輯4.1.3A/D接口設(shè)計(jì)以AD