第2章機(jī)電一體化的系統(tǒng)組成

2.1機(jī)械單元

2.2伺服與驅(qū)動單元2.3檢測單元 2.4控制單元 2.5接口技術(shù)本章知識體系傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)一般由動力件、傳動件和執(zhí)行件三部分,加上電氣、液壓和機(jī)械控制等部分組成.機(jī)電一體化系統(tǒng)中的機(jī)械系統(tǒng)則是由計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)與控制，用于完成包括機(jī)械力、運(yùn)動和能量流等動力學(xué)任務(wù)且機(jī)電部件信息流相互聯(lián)系的系統(tǒng)。2.1機(jī)械單元

機(jī)電一體化系統(tǒng)主要由機(jī)械單元、檢測單元、控制單元、伺服與驅(qū)動單元等組成。2.1.1機(jī)械單元基礎(chǔ)2.1.2傳動與導(dǎo)向元件2.1.3執(zhí)行元件手表的精確定時(shí)靠機(jī)械傳動實(shí)現(xiàn)2.1.1機(jī)械單元基礎(chǔ)機(jī)械單元是機(jī)電一體化系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是系統(tǒng)中所有功能單元的安裝骨架和支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)還具有傳遞動力和運(yùn)動的作用。

機(jī)電一體化系統(tǒng)中的機(jī)械系統(tǒng)主要包括以下五大部分：傳動機(jī)構(gòu)

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)

軸系

機(jī)座或機(jī)架

基本要求：精度高，慣量小，剛度大主要組成：傳動與導(dǎo)向元件（傳動、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)）傳動帶、傳動鏈、傳動齒輪、傳動軸等。導(dǎo)軌、導(dǎo)向鍵等執(zhí)行元件（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）

機(jī)械執(zhí)行元件，液壓缸、氣缸等；

電氣執(zhí)行元件，如電動機(jī)、電磁閥、電磁開關(guān)、電磁離合器等機(jī)座元件（機(jī)體）2.1.2傳動與導(dǎo)向元件機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用的機(jī)械傳動有：螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶傳動等。傳動部件直接影響機(jī)電一體化系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性。機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)具有良好的伺服性能，傳動部件應(yīng)有足夠的制造精度，滿足快速穩(wěn)定和高效的要求，還應(yīng)使機(jī)械傳動部分動態(tài)特性與執(zhí)行元件的動態(tài)特性相匹配。螺旋傳動主要有螺紋、絲杠、滾珠絲杠(Ballscrew)等幾種形式。其工作原理來源于螺紋傳動過程，可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動，或?qū)⒅本€運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動。結(jié)構(gòu)原理圖

實(shí)物滾珠絲杠傳動精度高、摩擦阻力小的滾珠絲杠是機(jī)電一體化系統(tǒng)中的主要傳動元件，滿足較高的傳動精度。滾珠絲杠傳動特點(diǎn)摩擦損失小，傳動效率高0.92~0.96，而滑動絲杠的傳動效率為0.20~0.40。絲杠螺母之間預(yù)緊后，可以完全消除間隙，傳動精度高，剛度好。摩擦阻力小，且?guī)缀跖c運(yùn)動速度無關(guān)，動靜摩擦力之差極小，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象。保證了運(yùn)動的平穩(wěn)性。磨損小，壽命長，精度保持性好。不能自鎖，能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動與直線運(yùn)動的可逆轉(zhuǎn)換，但在立式使用時(shí)應(yīng)增加制動裝置。制造工藝復(fù)雜，成本高。在機(jī)電一體化的輪系傳動中,常用的機(jī)構(gòu)主要有齒輪傳動、齒輪齒條傳動、同步帶傳動、凸輪傳動等。齒輪傳動是機(jī)電一體化系統(tǒng)中使用最多的機(jī)械傳動裝置,其瞬時(shí)傳動比為常數(shù),傳動精確且強(qiáng)度大,能承受重載,結(jié)構(gòu)緊湊,摩擦力小,效率高。同步帶實(shí)物機(jī)電一體化系統(tǒng)的帶傳動設(shè)計(jì)時(shí)往往不采用平帶傳動或V帶傳動機(jī)構(gòu)，而是采用同步帶傳動。同步帶傳動利用同步帶的齒形和帶輪的輪齒嚙合來傳遞運(yùn)動或動力。與平帶傳動、V帶傳動相比較具有傳動比準(zhǔn)確、傳動效率較高、吸振效果好、噪聲低、傳動平穩(wěn)、傳動速度高、維護(hù)保養(yǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)

其缺點(diǎn)是安裝精確度要求較高。打印機(jī)上的字車結(jié)構(gòu)字車又稱打印墨盒拖車，是指在噴墨打印機(jī)和針式打印機(jī)中用于放置墨盒或打印頭，是可以借助于滑動軸、皮帶、電機(jī)等來左右移動的部件。桿系由若干剛性節(jié)相互連接形成的連桿機(jī)構(gòu),有平面桿系和空間桿系兩大類示意圖縫紉機(jī)下針機(jī)構(gòu)平面桿系空間桿系空間桿系，若干個連桿機(jī)構(gòu)按照一定的方式組合在一起，可以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的平面平移、角度傾斜、回轉(zhuǎn)等復(fù)合運(yùn)動。凸輪傳動

由凸輪、從動件、機(jī)架這三個基本構(gòu)件組成特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；高副接觸，易磨損，傳力不大；可實(shí)現(xiàn)任意要求的從動件運(yùn)動規(guī)律。原理圖

結(jié)構(gòu)示意圖發(fā)動機(jī)配氣機(jī)構(gòu)的凸輪傳動結(jié)構(gòu)凸輪微動機(jī)構(gòu)應(yīng)用電機(jī)1帶動長軸2轉(zhuǎn)動，長軸2末端與端面凸輪7相連并隨之轉(zhuǎn)動，使殼體6和套筒5沿軸向運(yùn)動。當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動到回程時(shí)，凸輪推動殼體6向右側(cè)運(yùn)動，殼體內(nèi)的彈簧4推動套筒5向右運(yùn)動。反之，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動到推程時(shí)，套筒右側(cè)的彈簧推動套筒向左運(yùn)動。套筒和支座上分別焊接了固定銷8，微動裝置就是通過兩固定銷驅(qū)動外固定架的兩段沿軸向往復(fù)運(yùn)動，外固定架再通過鋼釘驅(qū)動骨折段微動。通過調(diào)整微動頻率、微動幅度、微動力，對骨折段施加載荷，使骨折段產(chǎn)生微動，以此來提高患者在術(shù)后的治療效果。單側(cè)外固定架1—電機(jī)2—長軸3—支座4—彈簧5—可調(diào)節(jié)套筒6—?dú)んw7—凸輪8—固定銷9—連接桿10—固定夾11—鋼針直線滾動導(dǎo)軌由鋼球在滑塊與滑軌之間作無限滾動循環(huán)，使負(fù)載平臺能沿著滑軌輕易的以高精度作直線運(yùn)動，其摩擦系數(shù)僅為傳統(tǒng)滑動導(dǎo)軌的1/50，定位精度可達(dá)到μm級。磨損小,定位精度高,靈敏度高,運(yùn)動平穩(wěn)可靠,承載能力強(qiáng),能適應(yīng)高速運(yùn)動且大幅降低驅(qū)動功率,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造困難,維護(hù)要求高在高精密的機(jī)電一體化產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛

實(shí)物

內(nèi)部結(jié)構(gòu)氣浮導(dǎo)軌在分步重復(fù)照相機(jī)精密X，Y工作臺上的應(yīng)用，它以靜摩擦力驅(qū)動機(jī)構(gòu)代替進(jìn)給絲杠，從而消除了間隙。為了減小作用于馬達(dá)的靜摩擦力矩，驅(qū)動桿和工作臺都采用了空氣軸承導(dǎo)向。空氣軸承導(dǎo)向微動臺2.1.3執(zhí)行元件機(jī)械執(zhí)行元件是機(jī)器的直接工作部分，將動力和運(yùn)動轉(zhuǎn)化為克服有效外載、對外做功、完成人們設(shè)計(jì)任務(wù)的元件。如，汽車驅(qū)動輪、機(jī)床刀具、夾持機(jī)器人手指等。機(jī)電一體化系統(tǒng)中，執(zhí)行元件主要包括機(jī)械執(zhí)行元件、電磁執(zhí)行元件、機(jī)械手末端執(zhí)行器等。1.機(jī)械執(zhí)行元件微動機(jī)構(gòu)是機(jī)電一體化系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的執(zhí)行元件

機(jī)械式：精密絲杠、精密杠桿、齒輪機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)以及彈性機(jī)構(gòu)等。

機(jī)電式：電熱式、電磁式、壓電式、電致伸縮式、磁致伸縮式等。螺旋微動機(jī)構(gòu)

萬能工具顯微鏡工作臺的螺旋微動裝置熱變形式微動機(jī)構(gòu)：依靠電熱元件通電后產(chǎn)生的熱變形實(shí)現(xiàn)微小位移機(jī)構(gòu)原理示意圖熱變形微動機(jī)構(gòu)磁致伸縮式微動機(jī)構(gòu)：利用特種材料在磁場作用下會改變尺寸的特性,實(shí)現(xiàn)微量位移的,在精確位移調(diào)整、切削刀具磨損補(bǔ)償、溫度變形補(bǔ)償、自動調(diào)整系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。電磁執(zhí)行元件利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象驅(qū)動被控對象。

電磁閥

電磁馬達(dá)

電磁離合器左端電線圈通電

右端電線圈通電二位五通電磁閥工作原理工業(yè)機(jī)械手末端執(zhí)行器工業(yè)機(jī)械手是一種自動控制、可重復(fù)編程、多自由度的操作機(jī),其末端執(zhí)行器主要包括機(jī)械夾持器、特種末端執(zhí)行器、靈巧手等幾種末端執(zhí)行器主要包括機(jī)械夾持器，特種末端執(zhí)行器，靈巧手等。第2章機(jī)電一體化的系統(tǒng)組成

2.1機(jī)械單元 2.2伺服與驅(qū)動單元2.3檢測單元 2.4控制單元 2.5接口技術(shù)2.2伺服與驅(qū)動單元 2.2.1伺服與驅(qū)動單元基礎(chǔ)

2.2.2步進(jìn)電機(jī)

2.2.3伺服電機(jī)2.2.1伺服與驅(qū)動單元基礎(chǔ)伺服與驅(qū)動單元將輸入的其他形式能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，可以根據(jù)單元輸入的控制指令，產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械運(yùn)動。雷達(dá)天線自動瞄準(zhǔn)跟蹤控制系統(tǒng)

性能穩(wěn)定動作靈敏控制精度高

特點(diǎn)：

伺服與驅(qū)動單元基本組成1.伺服與驅(qū)動單元組成（1）控制元件將系統(tǒng)反饋信號與給定的輸入信號和指令進(jìn)行比較，將得到的偏差信號送給驅(qū)動元件處理，一般由電子電路或微處理器構(gòu)成。（2）驅(qū)動元件將控制元件的輸出信號進(jìn)行變換和放大，以驅(qū)動伺服元件工作，是單元正常運(yùn)行的前提和保證。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，常采用各種電力電子器件構(gòu)成驅(qū)動電路。（3）伺服元件將輸入的各種形式能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，以帶動系統(tǒng)產(chǎn)生機(jī)械動作。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，常采用直流伺服電動機(jī)、交流伺服電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)作為伺服元件。（1）按系統(tǒng)輸入能源：分為電氣、液壓和氣動三種類型電氣伺服與驅(qū)動單元將電氣系統(tǒng)中的電磁能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，由直流伺服電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)、交流伺服電動機(jī)等伺服元件構(gòu)成。2.伺服與驅(qū)動單元分類

將液壓系統(tǒng)中的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，其包括液壓馬達(dá)和液壓缸等伺服元件。

液壓伺服與驅(qū)動單元?dú)鈩铀欧c驅(qū)動單元

將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，其包括氣缸和氣動馬達(dá)等伺服元件。

（2）按系統(tǒng)控制方式：分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)打印頭移動開環(huán)控制系統(tǒng)

當(dāng)操作者在計(jì)算機(jī)中給出打印指令，即輸入控制信號，打印機(jī)的字車步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路工作，驅(qū)動字車步進(jìn)電機(jī)，使載有打印頭的字車移動到需要打印位置，并通過打印頭電磁鐵的吸合或釋放來控制打印針擊打色帶，從而完成文件打印。

閉環(huán)控制系統(tǒng)

操作者設(shè)定空調(diào)溫度，此溫度設(shè)定值與溫度傳感器檢測到的室溫值相比較，產(chǎn)生的偏差值送至控制板處理，控制板發(fā)出控制指令，驅(qū)動變頻制冷壓縮機(jī)中的直流無刷伺服電動機(jī)工作，從而使制冷壓縮機(jī)啟動，調(diào)節(jié)空調(diào)房間的室溫。溫度傳感器再次檢測空調(diào)房間的室溫，當(dāng)室溫基本達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，控制器發(fā)出命令，使制冷壓縮機(jī)停止工作。變頻空調(diào)溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)在工作時(shí)應(yīng)滿足如下要求：（1）精度高（2）慣量?。?）穩(wěn)定性好3.伺服與驅(qū)動單元的工作要求（1）技術(shù)性能向高精度、高速度、智能化方向發(fā)展。（2）單元規(guī)模將向高集成、體積小方向發(fā)展。（3）控制信號將向數(shù)字化方向發(fā)展。4.伺服與驅(qū)動單元的發(fā)展方向2.2.2步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種機(jī)電執(zhí)行元件，其作用是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或直線位移信號。當(dāng)輸入一個電脈沖信號時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)過一個角度，脈沖依次地輸入，電機(jī)就一步步地轉(zhuǎn)動。由于步進(jìn)電機(jī)輸入的是電脈沖信號，所以又稱為脈沖電動機(jī)。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)

混合式步進(jìn)電動機(jī)

1.特點(diǎn)（1）由于輸入信號的特殊性，使其易于與計(jì)算機(jī)通信，可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。（2）步距值不受外界干擾因素影響。步進(jìn)電機(jī)的輸出角位移與脈沖數(shù)成正比；單位時(shí)間內(nèi)輸入的脈沖個數(shù)越多，脈沖頻率越高，轉(zhuǎn)過的角度累積值越大，轉(zhuǎn)速越快，電機(jī)轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。（3）步距誤差不長期積累。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一步所轉(zhuǎn)過的實(shí)際步距值與理論步距值間會有一些誤差。隨步數(shù)增加，總會有一定的誤差累積，但每轉(zhuǎn)一圈的累積誤差卻為零。（4）調(diào)速范圍大，調(diào)速平滑性好。2.基本結(jié)構(gòu)

定子由六個凸極組成，在相對的凸極上套有一相能產(chǎn)生磁場的繞組，三相繞組的首端輪流接收電脈沖信號，尾端連在一起；轉(zhuǎn)子鐵心上沖槽，不裝有繞組。以三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)為例：

定子轉(zhuǎn)子三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，通電方式為三相單三拍A-B-C-A，其工作過程如下：當(dāng)只有A相繞組通入電脈沖時(shí)，在繞組周圍會產(chǎn)生磁場，載流導(dǎo)體在磁場中產(chǎn)生電磁力，在電磁力作用下，轉(zhuǎn)子齒1、3被吸引，從而轉(zhuǎn)過一個角度，與定子凸極相對，即定子凸極AA`與轉(zhuǎn)子齒1、3相對。A相繞組通電，定子AA`與轉(zhuǎn)子齒1、3相對3.工作原理當(dāng)A相斷電，只有B相繞組通入電脈沖時(shí)，在繞組上也產(chǎn)生電磁力，在電磁力作用下，轉(zhuǎn)子齒2、4被吸引，從而逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過一個角度，與定子凸極B`B相對。

B相繞組通電，定子BB`與轉(zhuǎn)子齒4、2相對當(dāng)B相斷電，只有C相繞組通入電脈沖，在繞組電磁力作用下，轉(zhuǎn)子齒3、1被吸引，從而逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過一個角度，與定子凸極CC`相對。C相繞組通電，定子CC`與轉(zhuǎn)子齒3、1相對

當(dāng)C相斷電，A相繞組又重新通入電脈沖時(shí)，在電磁力作用下，轉(zhuǎn)子齒2、4被吸引，從而逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過一個角度，與定子凸極AA`相對。A相繞組通電，定子AA`與轉(zhuǎn)子齒2、4相對

定子繞組如此反復(fù)通入電脈沖，轉(zhuǎn)子就一步一步的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動。

①步距角：轉(zhuǎn)子每前進(jìn)一步轉(zhuǎn)過的角度。

②齒距角：轉(zhuǎn)子前進(jìn)一個齒所對應(yīng)的角度。

在一個通電循環(huán)內(nèi)，改變?nèi)瓮姺绞?，轉(zhuǎn)子前進(jìn)了三步，轉(zhuǎn)過，剛好轉(zhuǎn)過一個轉(zhuǎn)子齒距角。

4.驅(qū)動單元

加到步進(jìn)電機(jī)控制繞組上的電脈沖信號，是通過步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動單元提供的。由計(jì)算機(jī)等控制器發(fā)出脈沖指令，送至變頻信號源，由變頻信號源輸出具有一定頻率的脈沖串，脈沖串經(jīng)環(huán)形脈沖分配器按一定規(guī)律分配給三相電路，且保持三相脈沖間存在一定的相位差，再經(jīng)功率放大器將脈沖進(jìn)行功率放大，從而驅(qū)動三相步進(jìn)電機(jī)動作。5.應(yīng)用領(lǐng)域與實(shí)例

步進(jìn)電動機(jī)可以直接接收數(shù)字控制信號。伴隨微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,步進(jìn)電動機(jī)的應(yīng)用也更加廣泛制袋機(jī)教學(xué)機(jī)器人數(shù)控鉆床應(yīng)用實(shí)例:

應(yīng)用二維繪圖儀在繪圖紙上繪制出一個“好”字。首先在計(jì)算機(jī)的編程軟件中編寫一段程序，下載存入驅(qū)動卡的單片機(jī)中，使其發(fā)出變頻脈沖信號，送至驅(qū)動單元，驅(qū)動軸、軸的步進(jìn)電機(jī)動作，從而帶動繪圖工作臺與繪圖筆相對移動，這樣在繪圖紙上“好”字就勾勒出來。2.2.3伺服電動機(jī)伺服電動機(jī)是一種機(jī)電執(zhí)行元件，其作用是將輸入的電壓信號轉(zhuǎn)換成軸上的轉(zhuǎn)速信號或轉(zhuǎn)角信號，從而帶動控制對象動作。按所接電流種類的不同，可分為直流伺服電動機(jī)和交流伺服電動機(jī)兩種類型。

SZ系列直流伺服電機(jī)

BL(3)系列交流伺服電機(jī)

伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)性能比較

控制方式控制精度矩頻特性過載能力運(yùn)行性能伺服電機(jī)連續(xù)電壓信號高（全數(shù)字式）輸出恒力矩（額定轉(zhuǎn)速內(nèi)）強(qiáng)閉環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)電脈沖信號低輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降弱開環(huán)控制伺服電動機(jī)與普通直流、交流電動機(jī)相比，除具有轉(zhuǎn)子慣性小、響應(yīng)快、過載能力強(qiáng)、可靠性好等特點(diǎn)之外，其最大特點(diǎn)是輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變化由控制電壓信號控制，即：

（1）控制電壓信號的有或無控制伺服電機(jī)的啟動或停止（2）控制電壓信號的極性控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向（3）控制電壓信號的大小控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小直流伺服電動機(jī)直流伺服電動機(jī)將輸入的直流電壓信號轉(zhuǎn)換成軸上的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號。永磁直流伺服電動機(jī)

基本類型按傳統(tǒng)的勵磁方式

電磁直流伺服電動機(jī)他勵并勵串勵按低慣量構(gòu)成結(jié)構(gòu)無刷直流伺服電動機(jī)無槽直流伺服電動機(jī)圓盤直流伺服電動機(jī)杯形直流伺服電動機(jī)基本結(jié)構(gòu)與工作原理基本結(jié)構(gòu)與工作原理以永磁式直流伺服電動機(jī)為例。伺服電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成。

定子部分是指電機(jī)中固定不動的部分，包括永久磁鐵（N極、S極）、電刷裝置（A、B電刷）、機(jī)座、端蓋等。轉(zhuǎn)子部分是指電機(jī)中能夠轉(zhuǎn)動的部分，包括轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、換向器、軸、軸承等。為減小轉(zhuǎn)動慣量，將轉(zhuǎn)子鐵心做得細(xì)長些。

簡化的電機(jī)結(jié)構(gòu)：N、S永久磁鐵作磁極，轉(zhuǎn)子鐵心省略未畫，在鐵心槽里嵌放轉(zhuǎn)子繞組，假設(shè)轉(zhuǎn)子繞組只有一匝線圈abcd構(gòu)成。將轉(zhuǎn)子繞組的首尾兩端分別焊在兩個半圓形的銅質(zhì)換向片上，在換向片上下分別安置兩個靜止不動的電刷A和B，電刷與換向片是摩擦接觸的。在電刷A、B間連接控制電壓信號視頻當(dāng)電刷A接電源+極電刷B接電源-極

直流電流經(jīng)換向片、電刷流入繞組abcd

載流導(dǎo)體在N、S極形成磁場中受到電磁力作用

根據(jù)左手定則判斷

N極下導(dǎo)體ab所受作用力F方向向左S極下導(dǎo)體cd所受作用力F方向向右繞組abcd逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動

換向片轉(zhuǎn)動繞組abcd的電流方向改變轉(zhuǎn)子沿同一方向轉(zhuǎn)動帶動控制對象旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方法將直流控制信號直接進(jìn)行電壓和功率放大，驅(qū)動直流伺服電動機(jī)。

通常直流伺服電動機(jī)采用專門的驅(qū)動模塊，例如用L165集成電路構(gòu)成直流伺服放大器。

應(yīng)用領(lǐng)域與實(shí)例直流位置伺服控制系統(tǒng)，由自整角機(jī)、相敏放大器、校正裝置、功率放大器、直流伺服電機(jī)等元件組成。

當(dāng)發(fā)送機(jī)輸入的轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)機(jī)械角度為，接收機(jī)根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象使轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)的機(jī)械角度為，此時(shí)接收機(jī)轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生交流感應(yīng)電動勢，經(jīng)相敏放大器處理后轉(zhuǎn)換成直流電壓，再通過校正和功率放大，來驅(qū)動直流伺服電動機(jī)，使直流伺服電動機(jī)帶動接收機(jī)偏轉(zhuǎn)，從而使值逐漸接近，直到，這樣就實(shí)現(xiàn)了位置系統(tǒng)的精確跟蹤。，2.交流伺服電動機(jī)

交流伺服電動機(jī)將輸入的交流電壓信號轉(zhuǎn)換成軸上的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號?；绢愋桶崔D(zhuǎn)速是否變化同步伺服電動機(jī)異步伺服電動機(jī)按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)鼠籠式伺服電動機(jī)（形狀上像裝老鼠的籠子）空心杯形伺服電動機(jī)（形狀上像喝水的杯子）基本結(jié)構(gòu)與工作原理以兩相鼠籠式異步伺服電動機(jī)為例，由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子主要由定子鐵心和嵌放在鐵心中的兩個空間軸線相互垂直的繞組、組成；轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子鼠籠銅條繞組組成。為了使電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量小，響應(yīng)靈敏，通常將轉(zhuǎn)子做得細(xì)長。、兩相鼠籠式異步伺服電動機(jī)，在勵磁繞組U1U2

回路中串接一個適當(dāng)?shù)碾娙軨，調(diào)節(jié)電容C的大小使和相位差為，假設(shè)超前。

U1U2、V1V2繞組軸線垂直為90°

超前為90°在電機(jī)氣隙中會產(chǎn)生順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)磁場

旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動切割轉(zhuǎn)子鼠籠銅條繞組在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢形成轉(zhuǎn)子電流電流與磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)子以小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。

驅(qū)動方法將電源電壓經(jīng)90°分相電路分解成控制電壓和勵磁電壓，且保持兩者相位差為90°，將送給定子勵磁繞組，同時(shí)將送至交流調(diào)壓器改變其幅值大小，然后提供給定子控制繞組，從而調(diào)節(jié)交流伺服電機(jī)的幅值驅(qū)動。驅(qū)動單元由90°分相電路和交流調(diào)壓器構(gòu)成。不同系列、不同功率的交流伺服電機(jī)驅(qū)動器也各不相同。

ISMD180系列驅(qū)動器ISMD0640系列驅(qū)動器調(diào)速視頻應(yīng)用領(lǐng)域與實(shí)例例如交流伺服電動機(jī)在自動控制系統(tǒng)中的典型應(yīng)用。位置傳感器檢測負(fù)載的運(yùn)動位置，將檢測的位置信號送至比較放大器與給定位置信號比較，產(chǎn)生的偏差驅(qū)動伺服電動機(jī)，從而帶動負(fù)載動作。

調(diào)速打漿機(jī)

擴(kuò)展知識--有關(guān)直線電機(jī)第2章機(jī)電一體化的系統(tǒng)組成

2.1機(jī)械單元 2.2伺服與驅(qū)動單元2.3檢測單元

2.4控制單元 2.5接口技術(shù)2.3檢測單元2.3.1檢測單元基礎(chǔ)2.3.2傳感器的結(jié)構(gòu)與基本原理2.3.3數(shù)據(jù)采集與處理2.3.4虛擬儀器2.3.1檢測單元基礎(chǔ)機(jī)電一體化系統(tǒng)能否有效發(fā)揮其自動化功能，獲得準(zhǔn)確信息是首要前提，完成這一任務(wù)的環(huán)節(jié)就是檢測單元（Detectingunit）。傳感器與人體的感覺器官相對應(yīng)，計(jì)算機(jī)與大腦相對應(yīng)，執(zhí)行器與人體的運(yùn)動器官相對應(yīng)。這種從外界獲得信息，并從中提取有用信息的過程稱為檢測。傳感器是檢測過程中的核心元件。生物系統(tǒng)機(jī)電一體化系統(tǒng)檢測的作用2.3.1檢測單元基礎(chǔ)

傳感器的基本用途2.傳感器的組成3.傳感器的分類4.傳感器技術(shù)的發(fā)展傳感器的基本用途（1）生產(chǎn)過程中的信號測量與控制。（2）安全報(bào)警與環(huán)境保護(hù)。（3）自動化設(shè)備。（4）交通運(yùn)輸和資源探測。（5）醫(yī)療衛(wèi)生和家用電器。2.傳感器的組成將被測物理量按照一定規(guī)律變換為與之對應(yīng)的另一種物理量的裝置叫做傳感器，也叫變換器或探測器。其作用是將各種非電物理量轉(zhuǎn)換成其他量，由接口電路轉(zhuǎn)換成電壓量。傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路組成。敏感元件轉(zhuǎn)換元件基本轉(zhuǎn)換電路被測量電量3.傳感器的分類4.傳感器技術(shù)的發(fā)展（1）新型傳感器開發(fā)。（2）傳感器的集成化。（3）傳感器的多功能化。（4）傳感器的智能化。（5）仿生傳感器（Biomimeticsensor）。2.3.2傳感器的結(jié)構(gòu)與基本原理1.

線位移檢測傳感器2.

角位移檢測傳感器3.

轉(zhuǎn)速檢測傳感器4．加速度檢測傳感器5.

壓力檢測傳感器6.

溫度檢測傳感器7.

流量傳感器8.

其他信號檢測傳感器1.線位移檢測傳感器（1）電阻式線位移傳感器滑線位移式繞線位移式滑線位移傳感器，電阻絲端電壓恒定為Ui，當(dāng)待測物體往返運(yùn)動時(shí)，將帶動拉桿、電刷運(yùn)動，電刷在電阻絲上往返滑動，其輸出端電壓為Uo，且與位移量成正比。因此，當(dāng)我們檢測到輸出電壓的變化量△Uo，就可以獲知待測物體的位移量?；€式位移傳感器實(shí)物繞線位移傳感器電阻應(yīng)變計(jì)式線位移傳感器懸臂梁是等強(qiáng)度的彈性元件，當(dāng)其自由端承受待測物體的作用力F而產(chǎn)生位移時(shí)，粘貼在懸臂梁上的應(yīng)變片的電阻將發(fā)生變化,其阻值的變化量與相對位移成正比。（2）電感式線位移傳感器差動電感式線位移傳感器：兩個螺旋形線圈與電橋的兩臂相連,并對接在同一圓柱形線圈筒上。當(dāng)待測物體在磁場中移動時(shí),磁心將受到磁場力的作用而產(chǎn)生位移,切割磁力線產(chǎn)生電動勢使電橋失去平衡,其電橋式檢測電路輸出電壓信號,該電壓值與待測物體位移成正比。差動變壓器式線位移傳感器將被測量轉(zhuǎn)化為線圈的互感變化。初級線圈L1由交流電源勵磁，交流電的頻率稱為勵磁頻率。兩個次級線圈L2和L3接成差動式，它們反向串接，輸出電壓U0是兩次級線圈的感應(yīng)電壓差值，故稱差動變壓器。當(dāng)磁芯處于整個線圈中心位置時(shí)，兩個次級線圈的磁阻相等，當(dāng)磁芯移動時(shí)，將產(chǎn)生與位移成線性關(guān)系的感應(yīng)電壓Uo。（3）電容式線位移傳感器

S、ε、d的變化，均會引起電容量的變化。通過檢測電路將電容量的變化將會引起電路中的電壓或電流變化，這樣即可轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，以此來確定位移量的大小和方向。應(yīng)用：無接觸檢測，在惡劣環(huán)境下工作。可應(yīng)用于檢測位移、振動、角度、速度、加速度、壓力等參數(shù)。（4）光柵式線位移傳感器相鄰兩莫爾條紋的間距W為：

若用計(jì)數(shù)器記錄下光柵上的移動通過的條紋數(shù)，即可測試主光柵移動的距離。（5）激光式線位移傳感器主要裝置是邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀工作原理

激光傳感器示意圖激光傳感器測量輪轂

光幕式激光傳感器測量直徑（5）激光式線位移傳感器激光具有較好的方向性、單色性和亮度，可從較遠(yuǎn)距離對被測物體進(jìn)行測量。由于光斑直徑小，所以可實(shí)現(xiàn)對微小元件的測量。非接觸式的測量原理可保證無磨損、高精度的測量，測量過程不會受到干擾。除此之外，激光三角反射測量原理還極為適用于高精度、高分辨率的快速測量。2.角位移傳感器（1）電阻式角位移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)范圍寬、輸出信號大、抗干擾強(qiáng)和準(zhǔn)確度較高等特點(diǎn)，已廣泛用于檢測各種回轉(zhuǎn)角度和角位移量。適用轉(zhuǎn)速較低的角位移測量。工作原理

結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)物（2）電感式角位移傳感器旋轉(zhuǎn)變壓器是一種典型的電感式角位移傳感器。精度較高、可靠性好,能完成多種功能，廣泛應(yīng)用于自動解算系統(tǒng)、遠(yuǎn)距離同步傳輸系統(tǒng)以及移相器和坐標(biāo)變換器等設(shè)備正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理D1D2—勵磁繞組；D3D4—交變繞組；Z1Z2—余弦輸出繞組；Z3Z4—正弦輸出繞組2.角位移傳感器（3）電容式角位移傳感器

當(dāng)動極板產(chǎn)生角位移時(shí)，電容器的工作面積發(fā)生變化，通過檢測電路檢測出電容量的變化，即可確定角位移量。2.角位移傳感器（4）光電式角位移傳感器光電式角位移傳感器是一種非接觸式電位器，它用光束代替電刷。沒有金屬絲電刷造成的摩擦力矩，具有分辨率高、壽命長、掃描速度快等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是接觸電阻較大，輸出信號要經(jīng)過阻抗匹配交換器才能用。3.轉(zhuǎn)速檢測傳感器（1）電容式轉(zhuǎn)速傳感器當(dāng)電容極板與齒頂相對時(shí)，電容量最大；而電容極板與齒隙相對時(shí)，電容量最小。設(shè)齒輪齒數(shù)為z，則由計(jì)數(shù)器得到的頻率數(shù)計(jì)算出測量轉(zhuǎn)速為3.轉(zhuǎn)速檢測傳感器（2）電感式轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)齒數(shù)為z，由測速表測的頻率計(jì)算出測量轉(zhuǎn)速為：

目前已生產(chǎn)的電感式轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)速從600r/min到6000r/min。測量點(diǎn)間距達(dá)到2～10mm，測量誤差小于0.01％。原理圖

汽車后輪轉(zhuǎn)速測量

實(shí)物

電感式轉(zhuǎn)速傳感器原理3.轉(zhuǎn)速檢測傳感器

（3）光電式轉(zhuǎn)速傳感器若開孔數(shù)為20，記錄過程時(shí)間為t，總脈沖數(shù)為N，則轉(zhuǎn)速為：n=60N/(20t)。4．加速度檢測傳感器

當(dāng)傳感器承受振動體的加速度時(shí)，通過質(zhì)量塊產(chǎn)生相對位移，也就是壓電片的變形量為xm

x，在壓電片的線性彈性范圍內(nèi)，有

式中，F(xiàn)—作用在壓電片上的力；k—壓電片的彈性系數(shù)。而壓電片表面所產(chǎn)生的電荷量與作用力成正比，即式中，d—壓電元件的壓電常數(shù)，—傳感器的固有角頻率，

—加速度。5.壓力檢測傳感器按傳感器的工作原理,壓力傳感器可分為電阻應(yīng)變式、壓阻式、壓電式、電感式、電容式等。（1）電阻應(yīng)變式壓力傳感器

應(yīng)變片用黏合劑粘貼在彈性體上,當(dāng)受外力作用時(shí),應(yīng)變片隨彈性體一同變形,其電阻值也隨之變化,通過測量電橋把電阻值變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流變化輸出,即可反映被測壓力值的大小。5.壓力檢測傳感器（2）壓阻式壓力傳感器

壓阻式壓力傳感器的工作原理是以某些材料的壓阻效應(yīng)為基礎(chǔ)。壓阻效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料沿某一軸向受到應(yīng)力而產(chǎn)生應(yīng)變時(shí),其電阻率發(fā)生變化。結(jié)構(gòu)示意圖硅杯及硅膜片實(shí)物壓電效應(yīng)：物質(zhì)在機(jī)械力作用下發(fā)生變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，而在其表面上產(chǎn)生電荷，去掉外力時(shí)，電荷量立即消失。根據(jù)這一現(xiàn)象，通過檢測的電荷并轉(zhuǎn)化為電壓量，放大輸出后，即可顯示壓力的大小。5.壓力檢測傳感器

（3）壓電式壓力傳感器原理圖

測量切削力實(shí)物2.3.2傳感器的結(jié)構(gòu)與基本原理熱電效應(yīng)：對于均質(zhì)導(dǎo)體，當(dāng)兩端溫度不相等時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子將從高溫端向低溫端擴(kuò)散，在其兩端形成電勢，該電勢稱為溫差電勢。6.溫度檢測傳感器

（1）熱電偶式溫度傳感器熱電偶原理

普通型熱電偶結(jié)構(gòu)實(shí)物集成溫度傳感器是一種將感溫元件、放大電路、溫度補(bǔ)償電路等功能集成在一塊極小芯片上的溫度傳感器。跟傳統(tǒng)的熱電阻、熱電偶相比，具有線性度好、靈敏度高、體積小、穩(wěn)定性好、輸出信號大等優(yōu)點(diǎn)，是其他溫度傳感器無法比擬的。6.溫度檢測傳感器（2）集成溫度傳感器空氣流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，其作用是將空氣流量轉(zhuǎn)換成電信號送給電控單元，該信號作為決定噴油量的基本信號之一。葉片式空氣流量計(jì)由空氣流量計(jì)和電位計(jì)兩部分組成。7.流量傳感器（Flowsensor）通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，這是目前應(yīng)用最多的傳感器。光電編碼器可以進(jìn)行角度測量、長度測量、速度測量、位置測量等。8.其他信號檢測傳感器

（1）光電編碼器（Photoelectricencoder）超聲波探頭又稱為超聲波傳感器、超聲波換能器。當(dāng)工件內(nèi)無缺陷時(shí)，接收能量大，儀表指示值大；有缺陷時(shí)部分能量被反射，接收能量小，儀表指示值小。根據(jù)這個變化可將工件內(nèi)部缺陷檢測出。8.其他信號檢測傳感器

（2）超聲波傳感器（Ultrasonicsensors）最常用的視覺傳感器是三維攝像機(jī)，它對景物進(jìn)行掃描，把一幅幅圖像信號變成電壓信號，再由計(jì)算機(jī)對這些檢測信號進(jìn)行相應(yīng)處理，進(jìn)行圖像識別，提取有用信息。8.其他信號檢測傳感器

（3）視覺傳感器（Visionsensor）感知和辨別在氣體、液體或固體中傳遞的聲波所使用的傳感器，稱之為聽覺傳感器。最常見的聲波傳感器即話筒。8.其他信號檢測傳感器

（4）聽覺傳感器（Auditorysensor）電磁振動式滑覺傳感器，測量端用一個直徑為0.5cm鋼球接觸被抓物體表面。若被抓物產(chǎn)生滑動，會引起測量端部產(chǎn)生振動，振動通過連桿傳向振動子，振動子振動產(chǎn)生磁通變化，因而在線圈中感應(yīng)出交流輸出信號。它有不受滑動方向限制的特點(diǎn)，對有限區(qū)域的滑覺檢測是很有效的，但由于是點(diǎn)接觸，鋼球必須對準(zhǔn)被測握力面。8.其他信號檢測傳感器（5）滑覺傳感器（Sliptactilesensor）2.3.3數(shù)據(jù)采集與處理數(shù)據(jù)采集與處理的幾個階段：信息采集、信號轉(zhuǎn)換、放大、傳輸接口等。2.3.3數(shù)據(jù)采集與處理1．?dāng)?shù)據(jù)采集2．信號放大3．信號轉(zhuǎn)換4.數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)采集：利用傳感器從系統(tǒng)外部的被測單元中獲取一定的信息如物理量、化學(xué)量等，轉(zhuǎn)換為有效電信號并輸入到系統(tǒng)內(nèi)部。數(shù)據(jù)處理：采集的數(shù)據(jù)不一定滿足需要，因此要進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大、運(yùn)算、傳輸?shù)裙ぷ?。直流電橋常用來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，R1、R2、R3、R4是電橋的橋臂電阻，RL是被測電阻，Ui是電源。當(dāng)RL趨于無窮大時(shí)，電橋的輸出電壓Uo為：1．?dāng)?shù)據(jù)采集（Dataacquisition）電橋平衡時(shí)，Uo=0，可以得到電橋平衡的條件，即：當(dāng)電橋不平衡時(shí)，電橋輸出電壓為：當(dāng)R1=R2=R3=R4=R0，且時(shí)，電橋的理想輸出為運(yùn)算放大器（Operationalamplifier）簡稱“運(yùn)放”，是可以對電信號進(jìn)行運(yùn)算，具有很高放大倍數(shù)的電路單元。輸入和輸出電壓的關(guān)系為：2．信號放大（Signalamplifier）模-數(shù)轉(zhuǎn)換，即A/D轉(zhuǎn)換，由A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。數(shù)-模轉(zhuǎn)換，即D/A轉(zhuǎn)換，由D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。信號轉(zhuǎn)換的一般步驟為：采樣、保持、量化、編碼。3．信號轉(zhuǎn)換（Signalconversion）采樣（Sampling）是將時(shí)間域或空間域的連續(xù)量轉(zhuǎn)化成離散量的過程，根據(jù)采樣定理確定采樣頻率。量化（Quantization）是將采樣電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量最小數(shù)量單位

的整數(shù)倍的過程。編碼（Encoding）是將量化結(jié)果用代碼表示出來。量化誤差是由于模擬量不一定能被整除所忽略的部分。模擬電壓二進(jìn)制編碼代表的模擬電壓電平模擬信號采樣信號4.數(shù)據(jù)傳輸（Datatransmission）檢測單元數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)是將被測模擬量，如位移、壓力、流量、溫度等非電量，經(jīng)過傳感器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器后輸入給微機(jī)，主要應(yīng)用接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)。2.3.4虛擬儀器虛擬儀器就是在通用計(jì)算機(jī)平臺上，根據(jù)用戶需求自行定義、設(shè)計(jì)儀器的測試功能，讓使用者在操作這臺計(jì)算機(jī)時(shí)，就像是在操作一臺他自己設(shè)計(jì)的測試儀器一樣。簡言之，“軟件就是儀器”。不論是何種測試儀器，其組成都可以概括為信號采集與控制單元、信號分析與處理單元、結(jié)果表達(dá)輸出單元三部分。虛擬儀器主要完成三種功能：2.3.4虛擬儀器1.虛擬儀器組成2.LabVIEW虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境簡介3.虛擬儀器的應(yīng)用硬件平臺可以是各類計(jì)算機(jī)，如PC、便攜式計(jì)算機(jī)、工作站、嵌入式計(jì)算機(jī)等。測控功能硬件主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等功能。不同的總線對應(yīng)不同的I/O接口硬件設(shè)備，如PC總線的數(shù)據(jù)采集卡、GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus）總線儀器、VXI（VMEbusExtensionsforInstrumentation,VME總線對儀器的擴(kuò)展）總線儀器模塊、串口總線儀器等。1.虛擬儀器組成（1）虛擬儀器的硬件PC-DAQ型虛擬儀器的硬件平臺1.虛擬儀器組成（2）虛擬儀器的應(yīng)用軟件應(yīng)用程序

I/O接口驅(qū)動程序。軟件三大任務(wù)：集成開發(fā)環(huán)境，儀器硬件的高級接口，儀器用戶的接口。2.LabVIEW虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境簡介（1）前面板前面板是VI的交互式用戶界面，外觀和功能都類似于傳統(tǒng)儀器面板，用戶的輸入數(shù)據(jù)通過前面板傳遞給框圖，計(jì)算和分析結(jié)果也在前面板上以數(shù)字、圖形、表格等各種不同方式顯示出來。運(yùn)行的虛擬儀器的前面板（2）框圖程序

LabVIEW用框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼，編程的過程即是使用圖形符號表達(dá)程序行為的過程，源代碼不是文本而是框圖。（3）圖標(biāo)和連接器圖標(biāo)

連接器通過連線進(jìn)行編程（3）圖標(biāo)和連接器通過連線進(jìn)行編程如果將虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器作一類比，前面板就像是儀器的操作和顯示面板，提供各種參數(shù)的設(shè)置和數(shù)據(jù)的顯示，框圖就像是儀器內(nèi)部的印刷電路板，是儀器的核心部分，對用戶來講是透明的，而圖標(biāo)和連接器可以比作電路板上的電子元器件和集成電路，保證了儀器正常的邏輯和運(yùn)算功能。3.虛擬儀器的應(yīng)用在電子和通信工程中，虛擬儀器可用于電子測量和信號分析；在自動化檢測領(lǐng)域內(nèi)，虛擬儀器可用于數(shù)據(jù)采集和控制；在航天航空學(xué)科里，虛擬儀器可用于監(jiān)測和分析火箭或衛(wèi)星傳遞來的復(fù)雜數(shù)據(jù)；在基礎(chǔ)學(xué)科的研究中，虛擬儀器可用于設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，例如用于生化領(lǐng)域中監(jiān)測薄膜分子的相互作用，以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中研究嗅覺和視覺。第2章機(jī)電一體化的系統(tǒng)組成

2.1機(jī)械單元 2.2伺服與驅(qū)動單元2.3檢測單元 2.4控制單元

2.5接口技術(shù)2.4控制單元 2.4.1控制單元基礎(chǔ)

2.4.2常用控制器

2.4.3控制原理與策略2.4.1控制單元基礎(chǔ)1.控制單元作用2.控制單元分類3.控制單元基本性能要求4.控制單元組成2.4.1控制單元基礎(chǔ)當(dāng)機(jī)電一體化系統(tǒng)要想實(shí)現(xiàn)某種控制，需要將一些功能塊集中在一起，這就形成了控制單元。其作用是將輸入信號與輸出信號之間建立起一定的對應(yīng)控制關(guān)系。1.控制單元作用2.控制單元分類

控制單元兩種分類方法:按自動控制方式分類和按調(diào)節(jié)規(guī)律分類。交通燈汽車倒車?yán)走_(dá)居民樓恒壓供水A8隨動轉(zhuǎn)向大燈全自動洗衣機(jī)巡航導(dǎo)彈磁懸浮列車煙草生產(chǎn)線工業(yè)鍋爐除氧器混合動力電動汽車船舶自動駕駛3.控制單元基本性能要求（1）穩(wěn)定性（2）快速性（3）準(zhǔn)確性

4.控制單元組成“穿針引線”的控制過程。針和線是輸入信號，針孔和線相對位置是輸出信號。通過人的眼睛檢測針孔和線的實(shí)際位置，將信息反饋給大腦進(jìn)行處理，大腦發(fā)出指令傳遞給肌肉，肌肉帶動手動作，來調(diào)節(jié)針孔和線的相對位置。在這個控制過程中人的大腦就是控制單元。常用控制器：單片機(jī)、PLC、DSP、工控機(jī)、現(xiàn)場總線等。

單片機(jī)PLCDSP5.控制技術(shù)發(fā)展方向（1）20世紀(jì)40~50年代形成了經(jīng)典控制理論。（2）20世紀(jì)60~

70年代形成了現(xiàn)代控制理論。（3）20世紀(jì)80年代以來形成了智能控制。2.4.2常用控制器1.單片機(jī)2.PLC3.DSP4.工控機(jī)5.現(xiàn)場總線1.單片機(jī)

將微處理器、存儲器、I/O接口電路集成在一片電路芯片上，就構(gòu)成了單芯片微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)。

單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)由中央處理器（CPU）、存儲器、時(shí)鐘電路、I/O口和基本功能單元等組成。

單片機(jī)引腳封裝封裝形式有兩種：雙列直插式封裝（DIP）和方形封裝。

AT89C51的雙列直插式封裝有40個引腳，與其他51系列單片機(jī)引腳是兼容的。40個引腳可分為I/O端口線、電源線、控制線、外接晶體線四部分。

單片機(jī)特點(diǎn)性能價(jià)格比高；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便；芯片集成度高，實(shí)現(xiàn)模塊化；可靠性高，可達(dá)到106小時(shí)無故障；體積小，價(jià)格低，應(yīng)用靈活。單片機(jī)常用的編程語言有4種

匯編語言、C語言、PL/M和BASIC語言

單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域高精度數(shù)控恒流源

無線對講機(jī)

呼吸機(jī)

航天測控系統(tǒng)

嬰兒看護(hù)器

汽車DPS導(dǎo)航

單片機(jī)接口單片機(jī)常用外設(shè)：鍵盤、顯示器、打印機(jī)、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器等。D/A轉(zhuǎn)換器

液晶屏

數(shù)碼管鍵盤A/D轉(zhuǎn)換器打印機(jī)單片機(jī)單片機(jī)應(yīng)用實(shí)例以倉儲多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)為例：系統(tǒng)以AT89C51微處理器為控制核心，通過3個溫度傳感器監(jiān)測糧倉內(nèi)不同點(diǎn)處溫度，并借用液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示采集到的溫度值。若溫度檢測值超過預(yù)設(shè)值，發(fā)出聲光警示。

2.PLCPLC是可編程序控制器的簡稱，是在繼電器接觸器控制和計(jì)算機(jī)控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是以微處理器為控制核心，融合自動控制技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等為一體的新型通用的工業(yè)自動控制裝置。

PLC系統(tǒng)組成PLC系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分構(gòu)成。PLC硬件部分主要由中央處理器、存儲器、輸入/輸出部件、電源和編程器等組成。

PLC軟件部分包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩部分。目前PLC的標(biāo)準(zhǔn)編程語言有順序功能圖、梯形圖、功能塊圖、指令表和結(jié)構(gòu)文本5種?，F(xiàn)在應(yīng)用最多的是梯形圖語言，形象直觀、邏輯關(guān)系明顯。

三相異步電動機(jī)的自鎖控制梯形圖。X0、X1為輸入繼電器，Y0為輸出繼電器。

PLC梯形圖

指令表

PLC的編程手段有兩種：

手持編程器利用計(jì)算機(jī)的編程軟件

PLC主要控制功能及特點(diǎn)PLC主要控制功能包括定時(shí)/計(jì)數(shù)控制功能，數(shù)據(jù)處理功能，步進(jìn)控制功能，運(yùn)動控制功能，過程控制功能，數(shù)/模轉(zhuǎn)換功能，監(jiān)控功能，擴(kuò)展功能，遠(yuǎn)程輸入/輸出功能，通信聯(lián)網(wǎng)功能。

PLC工作特點(diǎn)：可靠性高、可操作性強(qiáng)、設(shè)計(jì)周期短、體積小、能耗低。

PLC工作方式PLC采用循環(huán)掃描的工作方式。為了理解方便，PLC一個工作過程近似的分為三個階段：輸入刷新階段、程序執(zhí)行階段和輸出刷新階段。完成三個階段的時(shí)間稱為一個掃描周期。PLC通信與網(wǎng)絡(luò)

以FP1系列PLC為例，PLC的通信方式大體分為三種：

FP1與計(jì)算機(jī)PC之間的通信FP1與上位機(jī)PLC的通信

FP1與外圍設(shè)備之間的通信

PLC應(yīng)用領(lǐng)域與實(shí)例以警報(bào)系統(tǒng)為例，系統(tǒng)的控制要求為：過程一：當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能及時(shí)報(bào)警，即警燈閃爍，警鈴響；過程二：當(dāng)操作人員發(fā)現(xiàn)報(bào)警時(shí)，按響應(yīng)開關(guān)以示響應(yīng)。這時(shí)警燈變?yōu)槌Ａ?，警鈴?fù)ｍ?；過程三：故障排除，報(bào)警信號撤消，警燈滅；過程四：按下檢查開關(guān)，警燈亮，否則指示燈壞，應(yīng)更換。

I/O地址分配連接的外部設(shè)備I/O地址分配連接的外部設(shè)備X0報(bào)警信號SB1Y0警燈

X1響應(yīng)開關(guān)SB2Y1警鈴

X2檢查開關(guān)SB3根據(jù)輸入、輸出信號畫出控制系統(tǒng)的時(shí)序圖

編寫梯形圖程序

PLC接口

思考題單片機(jī)與PLC的應(yīng)用范圍有何不同

？單片機(jī)：應(yīng)用于數(shù)字采集和工業(yè)控制PLC：應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的自動化控制3.DSPDSP是數(shù)字信號處理器的簡稱，是一種專門用于數(shù)字信號處理運(yùn)算的、具有特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可編程微處理器。DSP特點(diǎn)在單指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法運(yùn)算；程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問、具有獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，處理指令和數(shù)據(jù)可并行完成；具有流水線，使取指令、譯碼、取數(shù)和執(zhí)行等操作可重疊起來進(jìn)行；片內(nèi)存儲器處理速度快，可以多塊存儲器并行訪問；具有特殊的DSP指令，專門為實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理的算法設(shè)置；具有快速中斷處理和I/O支持能力；可以大規(guī)模集成，可靠性高，處理速度快

DSP

系統(tǒng)構(gòu)成及工作過程一個典型的DSP系統(tǒng)包括抗混疊濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、DSP芯片、D/A轉(zhuǎn)換器和抗鏡像濾波器等。

DSP應(yīng)用領(lǐng)域DSP接口以TMS320C54x為例來介紹DSP接口。

DSP編程語言DSP有匯編語言、C語言和混合編程三種編程方式。

思考題單片機(jī)與DSP的區(qū)別是什么

？DSP與單片機(jī)的最大區(qū)別是DSP能夠高速、實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)字信號處理運(yùn)算。單片機(jī)的位控能力強(qiáng)，I/O接口種類繁多，片內(nèi)外設(shè)和控制功能豐富、價(jià)格低、使用方便，但與DSP相比，信號處理速度較慢；

DSP具有高速并行結(jié)構(gòu)及指令、多總線，而單片機(jī)沒有；DSP處理的算法復(fù)雜度和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理流量，單片機(jī)無法可比。4.工控機(jī)工控機(jī)是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的簡稱，又名IPC，是為工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)。

功能及特點(diǎn)主要功能：數(shù)據(jù)處理；順序控制；周期性巡回檢測；直接數(shù)字控制；監(jiān)控；反饋指導(dǎo)操作；通信聯(lián)網(wǎng)等。特點(diǎn)：實(shí)時(shí)在線檢測與控制、工作時(shí)間長、可靠性高、工作環(huán)境適應(yīng)性好、編程語言豐富、擴(kuò)展空間大、輸入/輸出能力強(qiáng)。

組成全鋼機(jī)箱工業(yè)電源無源底板工控機(jī)主要由全鋼機(jī)箱、無源底板、工業(yè)電源、CPU卡以及鼠標(biāo)、鍵盤、顯示器、硬盤等附件組成。

應(yīng)用領(lǐng)域樓宇監(jiān)控系統(tǒng)路橋收費(fèi)系統(tǒng)柜臺收銀系統(tǒng)加油系統(tǒng)5.現(xiàn)場總線

將各個分散的現(xiàn)場設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接起來，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備之間以及現(xiàn)場設(shè)備與高級控制系統(tǒng)之間雙向數(shù)字式通信的標(biāo)準(zhǔn)總線。

現(xiàn)場總線的特點(diǎn)全數(shù)字通信，傳輸精度高，消除模擬信號的瓶頸現(xiàn)象。適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，既是通信網(wǎng)絡(luò)，又是自控網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備間互操作性和互換性。實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，安全性好。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)及其相關(guān)信息，多為短幀傳送。通信傳輸速率低，傳輸距離遠(yuǎn)。

2.4.3控制原理與策略1.控制原理開環(huán)閉環(huán)2.控制策略PID控制智能控制：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制1.控制原理自動控制系統(tǒng)主要有兩種基本的控制方式：開環(huán)控制和閉環(huán)控制。開環(huán)控制開環(huán)控制是指系統(tǒng)輸入量對輸出量實(shí)行單方向的控制，并沒有對輸出量結(jié)果進(jìn)行檢測。優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，成本低，不存在穩(wěn)定性問題。缺點(diǎn)：抗干擾能力差，控制精度低，對外界干擾產(chǎn)生的偏差沒有自動補(bǔ)償修正功能。開環(huán)控制的特點(diǎn)以直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)為例，說明開環(huán)控制。

對干擾信號的調(diào)節(jié)當(dāng)系統(tǒng)受到外界干擾，假設(shè)直流電動機(jī)所帶負(fù)載增加回路電流增大電動機(jī)的轉(zhuǎn)速降低

對給定信號的調(diào)節(jié)

當(dāng)給定電壓信號變化時(shí)，假設(shè)增加晶閘管控制角小晶閘管整流電路輸出電壓平均值增大直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速升高

閉環(huán)控制閉環(huán)控制系統(tǒng)對輸出量結(jié)果進(jìn)行檢測，并將檢測信號變換送至系統(tǒng)輸入端，與輸入量比較后進(jìn)行控制，直至將系統(tǒng)擾動產(chǎn)生的偏差修正過來。

仍以直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)為例，說明閉環(huán)控制。

對干擾信號的調(diào)節(jié)當(dāng)系統(tǒng)受到外界干擾，假設(shè)直流電動機(jī)所帶負(fù)載增加回路電流增大電動機(jī)的轉(zhuǎn)速降低測速發(fā)電機(jī)輸出電壓減小分壓減小電壓偏差ΔU增大放大器輸出電壓增大小增大轉(zhuǎn)速升高維持電動機(jī)轉(zhuǎn)速基本保持不變對給定信號的調(diào)節(jié)

當(dāng)給定電壓信號變化時(shí)，假設(shè)增加偏差ΔU增大增大晶閘管控制角小晶閘管整流電路輸出電壓平均值增大直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速升高

優(yōu)點(diǎn)：存在反饋環(huán)節(jié)，系統(tǒng)總是力圖補(bǔ)償和修正擾動產(chǎn)生的偏差，對包圍在環(huán)內(nèi)的一切主通道上的擾動作用都能有效抑制，控制精度高。缺點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在偏差修正過程中需要一定時(shí)間，才能將輸出量補(bǔ)償過來，這可能引起超調(diào)，系統(tǒng)存在穩(wěn)定性問題。閉環(huán)控制的特點(diǎn)思考題下列現(xiàn)象是開環(huán)控制還是閉環(huán)控制

？自動門開關(guān)控制火災(zāi)自動報(bào)警器電飯煲煮飯游泳池注水定時(shí)控制系統(tǒng)家用電冰箱的溫度控制系統(tǒng)電飯煲保溫游泳池注水水位控制系統(tǒng)開環(huán)控制閉環(huán)控制2.控制策略

PID控制PID控制是比例（P）、積分（I）、微分（D）控制，是以系統(tǒng)的偏差為自變量，通過比例運(yùn)算、積分運(yùn)算、微分運(yùn)算計(jì)算出控制量。

系統(tǒng)偏差與控制量之間的關(guān)系可表示為：

以浴缸水溫調(diào)節(jié)為例，小明同學(xué)希望洗澡時(shí)的浴缸水溫為38

Ｃ，浴缸的水龍頭具有熱水閥和冷水閥，可以分別向浴缸內(nèi)注水，通過溫度計(jì)可以實(shí)時(shí)測量浴缸的水溫。小明將冷水閥調(diào)整在一個適當(dāng)?shù)牧髁勘３植蛔?，單純通過熱水閥的流量調(diào)整，來控制浴缸的水溫。PID控制是比較理想的控制策略，既具有比例的快速響應(yīng)，又具有積分的消除穩(wěn)態(tài)誤差，還有微分的超前控制功能。調(diào)節(jié)初期，微分起作用，抑制偏差的變化幅度和速度；比例起作用，快速消除偏差。調(diào)節(jié)后期，積分起作用，逐漸消除掉誤差。

思考題PID參數(shù)設(shè)定的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律是什么呢？參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查先是比例后積分，最后再把微分加曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降曲線波動周期長，積分時(shí)間再加長曲線振蕩頻率快，先把微分降下來動差大來波動慢，微分時(shí)間應(yīng)加長理想曲線兩個波，前高后低四比一一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會低智能控制

智能控制主要用來處理傳統(tǒng)控制難以解決的復(fù)雜性、不確定性的控制問題。

智能控制技術(shù)的主要方法有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制等。

模糊控制模糊控制基于計(jì)算機(jī)模仿人的模糊決策和推理的控制思想，以人類專家對被控對象或過程的控制策略為控制依據(jù)，運(yùn)用模糊集合、模糊語言變量、模糊推理的理論知識，將精確量與模糊量相轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)代替人對系統(tǒng)的自動控制。模糊控制器由模糊化、模糊推理、規(guī)則庫和去模糊化四個功能模塊組成。

在風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動下，葉輪中葉片不斷對空氣做功，使空氣高速排出風(fēng)機(jī)。同時(shí)風(fēng)機(jī)前端吸塵區(qū)域中的空氣就會不斷補(bǔ)充，由此在吸塵器內(nèi)部瞬間形成真空，與外界大氣產(chǎn)生壓差。在壓差作用下，吸嘴處的灰塵、贓物隨空氣被吸入內(nèi)部，經(jīng)過濾塵器，灰塵、贓物留在濾袋里，空氣排出吸塵器外。

家用吸塵器的模糊控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是基本不依賴于模型的一類控制，能解決復(fù)雜的非線性、不確定、不確知系統(tǒng)的控制問題。是一種模仿人腦神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能建立起來的模型，是由大量模擬生物神經(jīng)元的人工神經(jīng)元互連而成的網(wǎng)絡(luò)，具有某些仿人的特征和功能。

專家控制專家控制將專家系統(tǒng)思想與自動控制理論、技術(shù)相融合，實(shí)現(xiàn)在未知環(huán)境下仿效專家的經(jīng)驗(yàn)，對系統(tǒng)進(jìn)行控制。專家系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個智能計(jì)算機(jī)程序，其運(yùn)用某個領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗(yàn)，來模擬專家思維解決難題。專家控制器的基本結(jié)構(gòu)由知識庫、推理機(jī)、控制算法庫、信息獲取與處理四部分構(gòu)成。

思考題模糊專家控制、專家模糊控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家控制等控制有何不同？模糊專家控制是將模糊技術(shù)引入專家系統(tǒng)，采用模糊集和模糊邏輯來表示和處理知識的不確定性的專家系統(tǒng)。專家模糊控制是將專家系統(tǒng)技術(shù)引入模糊控制，運(yùn)用模糊邏輯原理和專家系統(tǒng)知識來構(gòu)建控制策略的模糊控制。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是按照模糊系統(tǒng)模型建立，將模糊輸入信號和模糊權(quán)值輸入常規(guī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家控制是采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)建，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為前端的知識獲取器，獲取的知識作為網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，并將網(wǎng)絡(luò)計(jì)算輸出結(jié)果輸入推理機(jī)的專家系統(tǒng)。第2章機(jī)電一體化的系統(tǒng)組成

2.1機(jī)械單元 2.2伺服與驅(qū)動單元2.3檢測單元 2.4控制單元 2.5接口技術(shù)2.5接口技術(shù) 2.5.1人機(jī)接口

2.5.2信息采集接口

2.5.3控制