機(jī)電基本知識

1、山東理工大學(xué)山東理工大學(xué)山東理工大學(xué)山東理工大學(xué)山東理工大學(xué)山東理工大學(xué)制作人：董愛梅制作人：董愛梅制作人：董愛梅制作人：董愛梅制作人：董愛梅制作人：董愛梅機(jī)電一體化構(gòu)成要素目 錄緒論機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)傳感檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制電動機(jī)及其選擇計(jì)算工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及接口設(shè)計(jì)應(yīng)用舉例緒 論第一節(jié)第一節(jié) 機(jī)電一體化概念機(jī)電一體化概念一、機(jī)電一體化概念一、機(jī)電一體化概念 Mechatronics=Mechanics+Electronics 機(jī)械工程和電子工程相結(jié)合的技術(shù)，以及應(yīng)用這些技術(shù)的機(jī)械電子裝置（產(chǎn)品）。二、機(jī)電一體化產(chǎn)品錄像機(jī) 數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)用機(jī)電一體化產(chǎn)品 柔性生產(chǎn)單元、自動組合生產(chǎn)單

2、元 FMS、無人化工廠、CIMS 微機(jī)控制汽車、機(jī)車等交通運(yùn)輸工具運(yùn)輸、包裝及工程用機(jī)電一體化產(chǎn)品 數(shù)控包裝機(jī)械及系統(tǒng) 數(shù)控運(yùn)輸機(jī)械及工程機(jī)械設(shè)備 自動倉庫儲存、銷售用機(jī)電一體化產(chǎn)品 自動空調(diào)與制冷系統(tǒng)及設(shè)備 自動稱量、分選、銷售及現(xiàn)金處理系統(tǒng) 自動化辦公設(shè)備社會服務(wù)性機(jī)電一體化產(chǎn)品 動力、醫(yī)療、環(huán)保及公共服務(wù)自動化設(shè)備 文教、體育、娛樂用機(jī)電一體化產(chǎn)品 微機(jī)或數(shù)控型耐用消費(fèi)品家庭用機(jī)電一體化產(chǎn)品 炊事自動化機(jī)械 家庭用信息、服務(wù)設(shè)備 測試設(shè)備科研及過程控制用機(jī)電一體化產(chǎn)品 控制設(shè)備 信息處理系統(tǒng)農(nóng)、林、牧、漁及其它民用機(jī)電一體化產(chǎn)品航空、航天、國防用武器裝備等機(jī)電一體化產(chǎn)品三、機(jī)電一體化產(chǎn)品

3、的表現(xiàn)形式1.機(jī)械的電子化 （1）在原有機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用微型計(jì)算機(jī)控制裝置，使系統(tǒng)的性能提高，功能增強(qiáng)。例如，模糊控制洗衣機(jī)能根據(jù)衣物的潔凈度自動控制洗滌過程，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)電、節(jié)時(shí)、節(jié)洗衣粉的功能；機(jī)床的數(shù)控化是另一個(gè)典型的例子。 （2）用電子裝置局部替代機(jī)械傳動裝置和機(jī)械控制裝置，簡化結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)控制靈活性。例如，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)采用伺服系統(tǒng)，簡化了傳動鏈，提高了進(jìn)給系統(tǒng)的動態(tài)性能；將傳統(tǒng)電機(jī)的電刷用電子裝置替代形成的無刷電機(jī)，具有性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸減小等優(yōu)點(diǎn)。 （3）用電子裝置完全替代原來執(zhí)行信息處理功能的機(jī)構(gòu)，既減化了結(jié)構(gòu)，又極大地豐富了信息傳輸?shù)膬?nèi)容，提高了速度。例如，石

4、英電子鐘表、電子秤、按鍵式電話等。 （4）用電子裝置替代機(jī)械的主功能，形成特殊的加工能力。例如，電火花加工機(jī)床、線切割加工機(jī)床、激光加工機(jī)床等。2.機(jī)電技術(shù)完全融合形成新型機(jī)電一體化產(chǎn)品 生產(chǎn)機(jī)械中的激光快速成形機(jī)；信息機(jī)械中的傳真機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)；檢測機(jī)械中的CT（計(jì)算機(jī)斷層掃描診斷裝置）掃描診斷儀、掃描隧道顯微鏡等。C650臥式車床外形圖1 主軸變速箱 2溜板與刀架 3尾座 4床身 5絲杠 6光杠 7溜板箱 8進(jìn)給箱 9掛輪箱 效益分析 第二節(jié) 機(jī)電一體化構(gòu)成要素及相關(guān)技術(shù)一、構(gòu)成要素二、相關(guān)技術(shù)1.機(jī)械技術(shù)機(jī)械技術(shù) 機(jī)電一體化的機(jī)械產(chǎn)品與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品的區(qū)別在于：機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡單、機(jī)械功

5、能更強(qiáng)、性能更優(yōu)越?，F(xiàn)代機(jī)械要求具有更新穎的結(jié)構(gòu)、更小的體積、更輕的重量，還要求精度更高、剛度更大、動態(tài)性能更好。 在設(shè)計(jì)和制造機(jī)械系統(tǒng)時(shí)除了考慮靜態(tài)、動態(tài)剛度及熱變形等問題外，還應(yīng)考慮采用新型復(fù)合材料和新型結(jié)構(gòu)以及新型的制造工藝和工藝裝置。2 .傳感檢測技術(shù)傳感檢測技術(shù) 傳感檢測技術(shù)的內(nèi)容，一是研究如何將各種被測量（包括物理量、化學(xué)量和生物量等）轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量；二是研究對轉(zhuǎn)換的電信號的加工處理，如放大、補(bǔ)償、標(biāo)度變換等。 機(jī)電一體化系統(tǒng)要求傳感檢測裝置能快速、準(zhǔn)確、可靠的獲取信息 3 信息處理技術(shù)信息處理技術(shù) 實(shí)現(xiàn)信息處理的主要工具是計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)技術(shù)包括計(jì)算機(jī)的軟件技術(shù)、硬件技術(shù)、

6、網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)和數(shù)據(jù)技術(shù)。機(jī)電一體化系統(tǒng)中主要采用工業(yè)控制機(jī)（包括可編程控制器，單、多回路調(diào)節(jié)器，單片微控制器，總線式工業(yè)控制機(jī)，分布式計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)）進(jìn)行信息處理。信息處理的發(fā)展方向是提高信息處理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等都屬于計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)的范疇。4 自動控制技術(shù)自動控制技術(shù) 自動控制所依據(jù)的理論是自動控制原理（包括經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論），自動控制技術(shù)就是在此理論的指導(dǎo)下對具體控制裝置或控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)后進(jìn)行系統(tǒng)仿真，現(xiàn)場調(diào)試；最后使研制的系統(tǒng)可靠地投入運(yùn)行。 機(jī)電一體化系統(tǒng)中的自動控制技術(shù)主要包括位置控制、速度控制、最優(yōu)控制、自

7、適應(yīng)控制以及模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。 5 伺服傳動技術(shù)伺服傳動技術(shù)伺服傳動包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置常見的伺服驅(qū)動系統(tǒng)主要有電氣伺服（如步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)等）和液壓伺服（如液壓馬達(dá)、脈沖油缸等）兩類。6 系統(tǒng)總體技術(shù)系統(tǒng)總體技術(shù) 機(jī)電一體化系統(tǒng)是一個(gè)技術(shù)綜合體，它利用系統(tǒng)總體技術(shù)將各有關(guān)技術(shù)協(xié)調(diào)配合、綜合運(yùn)用而達(dá)到整體系統(tǒng)的最佳化。 三、學(xué)科構(gòu)成四、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法四、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法1. 1. 取代法取代法 取代法就是用電氣控制取代原系統(tǒng)中的機(jī)械控制機(jī)構(gòu)。該方法是改造舊產(chǎn)品、開發(fā)新產(chǎn)品或?qū)υ到y(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造常用的方法,也是改造傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品的常用方

8、法。 2. 2. 整體設(shè)計(jì)法整體設(shè)計(jì)法 整體設(shè)計(jì)法主要用于新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)完全從系統(tǒng)的整體目標(biāo)出發(fā),考慮各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 3.3.組合法組合法 組合法就是選用各種標(biāo)準(zhǔn)功能模塊組合設(shè)計(jì)成機(jī)電一體化系統(tǒng)。例如,設(shè)計(jì)一臺數(shù)控機(jī)床,可以依據(jù)機(jī)床的性能要求,通過對不同廠家的計(jì)算機(jī)控制單元、伺服驅(qū)動單元、位移和速度測試單元及主軸、導(dǎo)軌、刀架、傳動系統(tǒng)等產(chǎn)品的評估分析,研究各單元間接口關(guān)系和各單元對整機(jī)性能的影響,通過優(yōu)化設(shè)計(jì)確定機(jī)床的結(jié)構(gòu)組成。第三節(jié)第三節(jié) 機(jī)電一體化發(fā)展方向機(jī)電一體化發(fā)展方向一、機(jī)電一體化特點(diǎn)一、機(jī)電一體化特點(diǎn)1、體積小，重量輕體積小，重量輕 2、速度快，精度高、速度快，精度高

9、3、可靠性高、可靠性高4、柔性好、柔性好 二、發(fā)展方向二、發(fā)展方向1、復(fù)合化、復(fù)合化2、小型化，輕量化、小型化，輕量化3、高速化、高速化4、移動化、移動化5、智能化、智能化6、層次化和系統(tǒng)化、層次化和系統(tǒng)化7、全盤化、全盤化總之，性能上總之，性能上: :向高精度、高效率、高性能、智能化方向發(fā)展；向高精度、高效率、高性能、智能化方向發(fā)展； 功能上：向小型化、輕型化、多功能方向發(fā)展功能上：向小型化、輕型化、多功能方向發(fā)展; 層次上：向系統(tǒng)化、復(fù)合集成化方向發(fā)展層次上：向系統(tǒng)化、復(fù)合集成化方向發(fā)展。機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械系統(tǒng)是機(jī)電一體化系統(tǒng)的最基本要素，主要包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)和支承部件。機(jī)械的主要功

10、能是完成機(jī)械運(yùn)動，一部機(jī)器必須完成相互協(xié)調(diào)的若干機(jī)械運(yùn)動。每個(gè)機(jī)械運(yùn)動可由單獨(dú)的控制電機(jī)、傳動件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的若干個(gè)子系統(tǒng)來完成，若干個(gè)機(jī)械運(yùn)動由計(jì)算機(jī)來協(xié)調(diào)與控制。 第一節(jié)第一節(jié) 機(jī)械傳動系統(tǒng)的特性機(jī)械傳動系統(tǒng)的特性 一、機(jī)電一體化對機(jī)械傳動的要求一、機(jī)電一體化對機(jī)械傳動的要求 1、高精度2、快速響應(yīng)3、良好的穩(wěn)定性二、二、機(jī)械傳動系統(tǒng)的特性機(jī)械傳動系統(tǒng)的特性轉(zhuǎn)動慣量小轉(zhuǎn)動慣量小 摩擦小摩擦小 阻尼合適阻尼合適 剛度大剛度大 抗振性能好抗振性能好 間隙小間隙小 轉(zhuǎn)動慣量大會是機(jī)械負(fù)載增大、系統(tǒng)響應(yīng)性能變慢、靈敏度降低、固有頻率下降，容易諧振。同時(shí)，使電氣驅(qū)動部件諧振頻率降低，阻尼增大。阻尼

11、越大，最大振幅越小，衰減越快。但定位精度降低，易產(chǎn)生爬行；穩(wěn)態(tài)誤差大，精度降低。剛度大，失動量小。提高剛度可增加閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。第二節(jié)第二節(jié) 機(jī)械傳動裝置機(jī)械傳動裝置 1 齒輪2 同步齒形帶傳動 3 滾珠絲杠4 滾珠花鍵5 諧波齒輪減速器 提高傳動精度的結(jié)構(gòu)措施提高傳動精度的結(jié)構(gòu)措施有：(1)適當(dāng)提高零部件本身的精度；(2)合理設(shè)計(jì)傳動鏈，減少零部件制造、裝配誤差對傳動精度的影響3)采用消隙機(jī)構(gòu)以減少或消除空程。合理設(shè)計(jì)傳動鏈方法(1)合理選擇傳動型式(2)合理確定級數(shù)和分配各級傳動比(3)合理布置傳動鏈合理確定級數(shù)和分配各級傳動比合理布置傳動鏈齒輪傳動間隙的消除措施由于數(shù)控設(shè)備進(jìn)給系統(tǒng)經(jīng)常

12、處于自動變向狀態(tài)，反向時(shí)如果驅(qū)動鏈中的齒輪等傳動副存在間隙，就會使進(jìn)給運(yùn)動的反向滯后于指令信號，從而影響其驅(qū)動精度。因此必須采取措施消除齒輪傳動中的間隙，以提高數(shù)控設(shè)備進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動精度。 1. 圓柱齒輪傳動(1) 雙片薄齒輪錯(cuò)齒法 圖7-28 圓柱薄片齒輪可調(diào)拉簧錯(cuò)齒調(diào)整法1、2-齒輪 3、8-凸耳 4-彈簧 5、6-螺母 7-螺釘354672138(2) 偏心軸套調(diào)整法 電機(jī)1是通過偏心軸套2裝到殼體上，通過轉(zhuǎn)動偏心軸套的轉(zhuǎn)角，就能夠方便地調(diào)整兩嚙合齒輪的中心距，從而消除了圓柱齒輪正、反轉(zhuǎn)時(shí)的齒側(cè)隙。 圖7-26 偏心軸套式消除間隙結(jié)構(gòu) 1-電動機(jī) 2-偏心軸套21(3) 錐度齒輪調(diào)整法

13、在加工齒輪1和2時(shí)，將假想的分度圓柱面改變成帶有小錐度的圓錐面，使其齒厚在齒輪的軸向稍有變化（其外形類似于插齒刀）。裝配時(shí)只要改變墊片3的厚度就能調(diào)整兩個(gè)齒輪的軸向相對位置，從而消除了齒側(cè)間隙。 圖 7-27 帶 錐 度 齒 輪 的 消 除 間 隙 結(jié) 構(gòu) 1、 2-齒 輪 3-墊 片2132. 斜齒輪傳動 圖7-29是墊片錯(cuò)齒調(diào)整法，薄片齒輪由平鍵和軸連接，互相不能相對回轉(zhuǎn)。斜齒輪1和2的齒形拼裝在一起加工。裝配時(shí)，將墊片厚度增加或減少t，然后再用螺母擰緊。這時(shí)兩齒輪的螺旋線就產(chǎn)生了錯(cuò)位，其左右兩齒面分別與寬齒輪的齒面貼緊，從而消除了間隙。 圖7-29 斜齒薄片齒輪墊片錯(cuò)齒調(diào)整法薄片斜齒輪2

14、寬齒輪薄片斜齒輪1墊片t軸向壓簧錯(cuò)齒調(diào)整法，其特點(diǎn)是齒側(cè)隙可以自動補(bǔ)償，但軸向尺寸較大，結(jié)構(gòu)不緊湊。圖7-30 斜齒薄片齒輪軸向壓簧錯(cuò)齒調(diào)整法調(diào)壓螺母寬齒輪薄片斜齒輪2薄片斜齒輪1軸向壓簧同步齒形帶傳動 同步齒形帶傳動，是一種新型的帶傳動，如圖所示，它利用齒形帶的齒形與帶輪的輪齒依次相嚙合傳動運(yùn)動和動力，因而兼有帶傳動，齒輪傳動及鏈傳動的優(yōu)點(diǎn)，即無相對滑動，平均傳動比準(zhǔn)確，傳動精度高，而且齒形帶的強(qiáng)度高，厚度小，重量輕，故可用于高速傳動；齒型帶無需特別張緊，故作用在軸和軸承等上的載荷小，傳動效率高，在數(shù)控機(jī)械上亦有應(yīng)用。 滾珠絲杠螺母副機(jī)構(gòu) （1）滾珠絲杠副的工作原理及特點(diǎn)滾珠絲杠副是一種新型

15、的傳動機(jī)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動件，以減少摩擦，如圖7-13所示。圖中絲杠和螺母上都磨有圓弧形的螺旋槽，這兩個(gè)圓弧形的螺旋槽對合起來就形成螺旋線滾道，在滾道內(nèi)裝有滾珠。當(dāng)絲杠回轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠相對于螺母上的滾道滾動，因此絲杠與螺母之間基本上為滾動摩擦。為了防止?jié)L珠從螺母中滾出來，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置，使?jié)L珠能循環(huán)流動。 圖7-13 滾珠絲杠螺母內(nèi)滾道外滾道滾珠絲杠副的特點(diǎn)1）傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠副的傳動效率0.920.96，比常規(guī)的絲杠螺母副提高34倍。因此，功率消耗只相當(dāng)于常規(guī)的絲杠螺母副的1/41/3。2）給予適當(dāng)預(yù)緊，可消除絲杠和螺

16、母的螺紋間隙，反向時(shí)就可以消除空行程死區(qū)，定位精度高，剛度好。3）運(yùn)動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高。4）運(yùn)動具有可逆性，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，也可以從直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，即絲杠和螺母都可以作為主動件。5）磨損小，使用壽命長。6）制造工藝復(fù)雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。 7）不能自鎖。特別是對于垂直絲杠，由于自重慣力的作用，下降時(shí)當(dāng)傳動切斷后，不能立刻停止運(yùn)動，故常需添加制動裝置。 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整 (a)墊片調(diào)隙式（圖7-18） 通常用螺釘來連接滾珠絲杠兩個(gè)螺母的凸緣，并在凸緣間加墊片。調(diào)整墊片的厚度使螺母產(chǎn)生軸向位移，以達(dá)到消

17、除間隙和產(chǎn)生預(yù)拉緊力的目的。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是構(gòu)造簡單、可靠性好、剛度高以及裝卸方便。但調(diào)整費(fèi)時(shí)，并且在工作中不能隨意調(diào)整，除非更換厚度不同的墊片。4321 圖7-18 雙螺母墊片調(diào)隙式結(jié)構(gòu)1、2-單螺母 3-螺母座 4-調(diào)整墊片(b)螺紋調(diào)隙式（圖7-20）其中一個(gè)螺母的外端有凸緣而另一個(gè)螺母的外端沒有凸緣而制有螺紋，它伸出套筒外，并用兩個(gè)圓螺母固定著。旋轉(zhuǎn)圓螺母時(shí)，即可消除間隙，并產(chǎn)生預(yù)拉緊力，調(diào)整好后再用另一個(gè)圓螺母把它鎖緊。 圖7-19 雙螺母螺紋調(diào)隙式結(jié)構(gòu)1、2-單螺母 3-平鍵 4-調(diào)整螺母1234(c)齒差調(diào)隙式（圖7-20）在兩個(gè)螺母的凸緣上各制有圓柱齒輪，兩者齒數(shù)相差一個(gè)齒，并

18、裝入內(nèi)齒圈中，內(nèi)齒圈用螺釘或定位銷固定在套筒上。調(diào)整時(shí)，先取下兩端的內(nèi)齒圈，當(dāng)兩個(gè)滾珠螺母相對于套筒同方向轉(zhuǎn)動相同齒數(shù)時(shí)，一個(gè)滾珠螺母對另一個(gè)滾珠螺母產(chǎn)生相對角位移，從而使?jié)L珠螺母對于滾珠絲杠的螺旋滾道相對移動，達(dá)到消除間隙并施加預(yù)緊力的目的。 圖7-20 雙螺母齒差調(diào)隙式結(jié)構(gòu) 1、2-單螺母 3、4-內(nèi)齒輪z13z2124滾珠絲杠副的標(biāo)注方法 循環(huán)方式 預(yù)緊方式 公稱直徑 基本導(dǎo)程 負(fù)荷滾珠總?cè)?shù) 精度等級 螺紋旋向 浮動式 F 雙螺母齒差預(yù)緊 C內(nèi)循環(huán) 雙螺母墊片預(yù)緊 D 固定式 G 預(yù)緊方式 雙螺母螺紋預(yù)緊 L 單螺母變導(dǎo)程自預(yù)緊B 插管式 C外循環(huán) 螺旋槽式 L螺旋旋向?yàn)樽蟆⒂倚?，只?biāo)

19、左旋代號為LH，右旋不標(biāo)。例例 CTC63103.53.5/20001600表示為插管突出式外循環(huán)（CT），雙螺母齒差預(yù)緊（C）的滾珠絲杠副，公稱直徑63mm，基本導(dǎo)程10mm，負(fù)荷滾珠總?cè)?shù)3.5圈，精度等級3.5級，螺紋旋向?yàn)橛倚z杠全長為2000mm，螺紋長度為1600mm。傳感檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一節(jié) 傳感器一、傳感器分類被測對象傳感器信號調(diào)理傳輸信號處理顯示記錄控制系統(tǒng)二、機(jī)電一體化對檢測系統(tǒng)的基本要求：精度、靈敏度、分辨率高；線性、穩(wěn)定性和重復(fù)性好；抗干擾能力強(qiáng)；靜、動態(tài)特性好。此外，要求體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、便于安裝與維修，耐環(huán)境性能好等。三、傳感器特性：靜態(tài)特性：1、線性度：傳

20、感器實(shí)際特性曲線與擬合直線之間的偏差 2、靈敏度：輸出變化對輸入變化的比值 3、遲滯性：在正反行程期間輸入輸出特性曲線不重合程度 4、重復(fù)性：輸入量按同一方向多次測試時(shí)所得特性曲線的不重合程度動態(tài)特性：傳遞函數(shù)、時(shí)間響應(yīng)函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)、脈沖響應(yīng)函數(shù)。四、傳感器選用原則 快速、準(zhǔn)確、可靠、經(jīng)濟(jì)的獲取信號1）足夠的量程 2）與測量或控制系統(tǒng)匹配、轉(zhuǎn)換靈敏度高3）精度適當(dāng)、穩(wěn)定性高4）反應(yīng)速度快、工作可靠5）實(shí)用性和適應(yīng)性強(qiáng)6）使用經(jīng)濟(jì)第二節(jié) 位移測量傳感器一、電容傳感器1. 變極距型電容傳感器 ： 當(dāng)動極板因被測量變化而向上移動使減小時(shí)，電容量增大 。注意：傳感器輸出特性是非線性的，規(guī)定在較小

21、間隙變化范圍內(nèi)工作。 2. 變面積型電容傳感器 ：原理：它與變極距型不同的是，被測量通過動極板移動，引起兩極板有效覆蓋面積A改變，從而得到電容的變化。 這種傳感器的輸出特性呈線性。因而其量程不受線性范圍的限制，適合于測量較大直線位移和角位移。 3變介質(zhì)型電容傳感器 原理結(jié)構(gòu)如圖。圖中兩平行極板固定不動，極距為，相對介電常數(shù)為的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變電容。應(yīng)用：這種電容傳感器有較多的結(jié)構(gòu)形式，可以用來測量紙張、絕緣薄膜等的厚度，也可以用來測量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體的物質(zhì)的濕度。二、電感式傳感器將被測量轉(zhuǎn)換為電感量變化的裝置。變換原理：電磁感應(yīng)原理。按變換方式的不同分為

22、自感型（可變磁阻式與渦流式)與互感型(差動變壓器）。1、自感型（一）可變磁阻式 1線圈 2鐵心 3銜鐵 由此可見：只要改變空氣隙厚度或改變氣隙截面積，即可改變線圈的電感量。注意：改變空氣隙厚度傳感器輸出特性是非線性的，規(guī)定在較小間隙變化范圍內(nèi)工作。20022AWRWLm（二）渦流式（二）渦流式原理：金屬板在交變磁場中的渦電流效應(yīng)。金屬板置于一線圈附近，相互間距為。當(dāng)線圈中有高頻交流電流通過時(shí)，便產(chǎn)生磁通。此交變磁通通過相鄰近的金屬板，金屬板上便產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱為渦流。這種渦流將產(chǎn)生交變磁通1，根據(jù)楞次定律，渦流的交變磁場與線圈的磁場變化方向相反。由于渦流磁場的作用使

23、原線圈的等效阻抗發(fā)生變化，變化程度與距離有關(guān)。影響因素：線圈與金屬板間距離；金屬板的電阻率；磁導(dǎo)率；線圈激磁園頻率等。變化線圈與金屬板間距離，可作為位移、振動測量。變化金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率，可作為材質(zhì)鑒別或探傷等。應(yīng)用：可用于動態(tài)非接觸測量。用作渦流式位移計(jì)、振動測量儀、無損探傷儀、測厚儀等。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，不受油污等介質(zhì)的影響。2、互感型：、互感型：差動變壓器式差動變壓器式 原理：將被測位移轉(zhuǎn)換成線圈互感變化。注意：1、輸出交流電壓、幅值與鐵心位移成正比。只反映鐵心位移大小，不反映移動極性。 2、零點(diǎn)殘余電壓。原因：兩次級線圈結(jié)構(gòu)不對稱；初級線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分

24、布電容等形成。鐵心處在中間位置時(shí)，輸出不為零。解決辦法：后接電路。應(yīng)用：位移測量儀。光柵 光柵是一種新型的位移檢測元件，它的持點(diǎn)是測量精確高、響應(yīng)速度快和量程范圍大等。把指示光柵平行地放在標(biāo)尺光柵上面，并且使它們的刻線相互傾斜 一 個(gè)很小的角度，這時(shí)在指示光柵上就出現(xiàn)幾條較粗的明暗條紋，稱為莫爾條絞。它們是沿著與光柵條紋幾乎成垂直的方向排列，如圖3-18所示。 主光柵和被測物體相連，他隨被測物體的直線位移而產(chǎn)生位移。當(dāng)主光柵產(chǎn)生位移時(shí)，莫爾條紋便隨著產(chǎn)生上、下位移，若用光電器件記錄下莫爾條紋通過某點(diǎn)的數(shù)目，便可知主光柵移動的位移，也就測得了被測物體的位移量。感應(yīng)同步器 在兩個(gè)相對放置的板上刻有

25、如圖所示的繞組，當(dāng)在滑尺的兩在兩個(gè)相對放置的板上刻有如圖所示的繞組，當(dāng)在滑尺的兩個(gè)繞組中分別加上激勵電壓時(shí)，則在定尺繞組中就產(chǎn)生感應(yīng)電個(gè)繞組中分別加上激勵電壓時(shí)，則在定尺繞組中就產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其幅值決定于繞組的相對位置。勢，其幅值決定于繞組的相對位置。光電編碼器 將機(jī)械轉(zhuǎn)動的模擬量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)字電信號，進(jìn)行角位移檢測的傳感器稱為編碼器。編碼器的種類很多，根據(jù)檢測原理，它可以分為電磁式、電刷式、電磁感應(yīng)式及光電式等。由于光電編碼器具有非接觸和體積小的特點(diǎn)，且分辨率很高，在旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)已能產(chǎn)生數(shù)百萬個(gè)脈沖，因此，它是目前應(yīng)用最為廣泛的一種編碼器。光電編碼器在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人的位置控制、機(jī)床進(jìn)給

26、系統(tǒng)的控制以及角度的測量、通訊及自動化控制等方面部發(fā)揮著重要的作用。第三節(jié) 速度、加速度傳感器一、直流測速機(jī) 直流測速機(jī)是一種測速元件，實(shí)際上它就是臺微型的直流發(fā)電機(jī)。直流測速機(jī)的持點(diǎn)是輸出斜率大、線性好，但由于有電刷相換向器，構(gòu)造和維護(hù)比較復(fù)雜，摩擦轉(zhuǎn)矩較大。 測速機(jī)的結(jié)構(gòu)有多種，但原理基本相同。圖所示為永磁式測速機(jī)原理電路圖。恒定磁通由定子產(chǎn)生，當(dāng)轉(zhuǎn)子在磁場中旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組中即產(chǎn)生交變的電勢，經(jīng)換向器和電刷轉(zhuǎn)換成與轉(zhuǎn)子速度成正比的直流電勢。 直流測速機(jī)在機(jī)電控制系統(tǒng)中，主要用作測速和校正元件。在使用中，為提高檢測靈敏度、盡量把它連接到電機(jī)軸上，有的電機(jī)本身就已安裝了測速機(jī)。UsRP1R0

27、R0RbUfn-+U+R1IdRP2GUcUd-+UaML圖47 帶有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖二、光電式轉(zhuǎn)速傳感器 光電式轉(zhuǎn)速傳感器是由裝在被測軸(或與被測軸相連接的輸入軸)上的帶縫隙圓盤、光源、光電器件及指示縫隙盤組成，如圖3-25所示。光源發(fā)出的光通過縫隙圓盤和指示縫隙照射到光電器件上。 當(dāng)縫隙圓盤隨被測軸轉(zhuǎn)動時(shí)，由于圓盤上的縫隙間距與指示縫隙的間距相同，因此圓盤每轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與指示縫隙數(shù)相等的電脈沖，根據(jù)測量時(shí)間t內(nèi)的脈沖數(shù)N，可測出轉(zhuǎn)速為 n=60N/ZtZ一一圓盤 上的縫隙數(shù)；n轉(zhuǎn)速(rmin)；t測量時(shí)間(s)。第四節(jié) 位置傳感器 位置傳感器和位移傳感器不一樣，

28、它所測量的不是一段距離的變化量，而是通過檢測，確定是否已到某一位置。因此、它只需要產(chǎn)生能反映某種狀態(tài)的開關(guān)量就可以了。位置傳感器分接觸式和接近式兩種。所謂接觸式傳感器就是能獲取兩個(gè)物體是否己接觸的信息的一種傳感器；而接近式傳感器是用來判別在某一范圍內(nèi)是否有某物體的一種傳感器。一、接觸式位置傳感器 這類傳感器用微動開關(guān)之類的觸點(diǎn)器件便可構(gòu)成。二、接近式位置傳感器 接近式位置傳感器按其上作原理主要分：電磁式；光電式；靜電容式；氣壓式；超聲波式。其基本工作原理可用圖338表示出來。 接近傳感器在工業(yè)自動化控制、航天、航海技術(shù)、日常生活中都有廣泛的應(yīng)用。在安全防盜方面，如資料、財(cái)會、倉庫、博物館、金庫

29、等重要場合也都裝有各式各樣的接近傳感器。在一般工業(yè)生產(chǎn)自動控制中大都采用渦流式或電容式接近傳感器。在環(huán)境比較好的場合，可采用光電式接近傳感器。而在防盜系統(tǒng)中，大都使用紅外熱釋電接近傳感器、超聲波接近傳感器和微波接近傳感器。有時(shí)為了提高識別的可靠性，幾種接近傳感器可以復(fù)合使用。圖325是生產(chǎn)線工件計(jì)數(shù)裝置的示意圖。接近傳感器設(shè)置在工件傳送帶的一側(cè)，當(dāng)傳送帶運(yùn)行時(shí)，一個(gè)個(gè)工件經(jīng)過接近傳感器，當(dāng)工件靠近接近傳感器時(shí)，傳感器輸出脈沖開關(guān)信號，該信號可直接送往計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。第五節(jié) 傳感器信號處理測量放大器在許多檢測技術(shù)應(yīng)用場合傳感器輸出的信號往往較弱，而且其中還包含工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾，對這

30、種信號的放大就需要放大電路具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗。習(xí)慣上將具有這種特點(diǎn)的放大器稱為測量放大器或儀表放大器。程控增益放大器 經(jīng)過處理的模擬信號，在送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理前，必須進(jìn)行量化，即進(jìn)行模擬一數(shù)字變換，變換后的數(shù)字信號才能為計(jì)算機(jī)接收和處理。當(dāng)模擬信號送到模數(shù)變換器時(shí)為減少轉(zhuǎn)換誤差一般希望送來的模擬信號盡可能大，如采用AD變換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，在AD輸入的允許范圍內(nèi)，希望輸入的模擬信號盡可能達(dá)到最大值；然而，當(dāng)被測參量變化范圍較大時(shí)，經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換后的模擬小信號變化也較大，在這種情況下、如果單純只使用一個(gè)放大倍數(shù)的放大器，就無法滿足上述要求；在進(jìn)行小信號轉(zhuǎn)換時(shí)，可能會

31、引入較大的誤差。為解決這個(gè)問題，工程上常采用通過改變放大器增益的方法，來實(shí)現(xiàn)不同幅度信號的放大，如萬用表、示波器等許多測量儀器的量程變換等。選擇不同的開關(guān)閉合，即可實(shí)現(xiàn)增益的變換。如果利用軟件對開關(guān)閉合進(jìn)行選擇，即可實(shí)現(xiàn)程控增益變換。圖為利用AD521測量放大器與模擬開關(guān)結(jié)合組成的程控增益放大器，通過改變其外接電阻RG的辦法來實(shí)現(xiàn)增益控制。隔離放大器 在有強(qiáng)電或強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中，為了防止電網(wǎng)電壓等對測量回路的損壞，其信號輸入通道采用隔離技術(shù)，能完成這種任務(wù)，具有這種功能的放大器稱為隔離放大器。傳感器接口技術(shù)控制電動機(jī)及其選擇計(jì)算第一節(jié) 執(zhí)行元件分類液壓系統(tǒng)氣壓系統(tǒng)氣壓系統(tǒng)的基本組成直線氣缸擺

32、動氣缸氣馬達(dá)氣爪繼電器定時(shí)器電子元件計(jì)數(shù)器順序控制器氣動控制元件氣源氣源處理裝置 壓力控制閥 方向控制閥 流量控制閥 驅(qū)動裝置 操作裝置指示裝置 檢測裝置控制(運(yùn)算) 回路按扭開關(guān)選擇開關(guān)按扭閥指示器計(jì)數(shù)器蜂鳴器限位開關(guān)限位閥接近開關(guān)傳感器壓力開關(guān)真空開關(guān)速度控制閥緩沖閥快速排氣閥電磁閥氣控閥人工換向閥機(jī)控?fù)Q向閥減壓閥增壓閥安全閥空氣壓縮機(jī)過濾器油霧器油霧分離器驅(qū)動部分驅(qū)動部分控制部分控制部分檢測部分檢測部分氣壓系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的比較 ( 1)空氣可以從大氣中取之不竭且不易堵塞；將用過的氣體排入大氣，無需回氣管路處理方便；泄漏不會嚴(yán)重的影響工作，不污染環(huán)境。 (2)空氣粘性很小，在管路中的沿程壓

33、力損失為液壓系統(tǒng)的干分之一，易于遠(yuǎn)距離控制。 (3)工作壓力低可降低對氣動元件的材料和制造精度要求。 (4)對開環(huán)控制系統(tǒng)，它相對液壓傳動具有動作迅速、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。 (5)維護(hù)簡便，使用安全，沒有防火、防爆問題；適用于石油、化工、農(nóng)藥及礦山機(jī)械的特殊要求。對于無油的氣動控制系統(tǒng)則特別適用于無線電元器件生產(chǎn)過程，也適用于食品和醫(yī)藥的生產(chǎn)過程。氣壓系統(tǒng)與電氣、液壓系統(tǒng)比較有以下缺點(diǎn)：(1)氣功裝置的信號傳遞速度限制在聲速范圍之內(nèi)，所以它的工作頻率和響應(yīng)速度遠(yuǎn)不如電氣裝置并且信號產(chǎn)生較大失真和延遲，也不便于構(gòu)成十分復(fù)雜的回路。但這個(gè)缺點(diǎn)對生產(chǎn)過程不會造成困難。 (2)空氣的壓縮性遠(yuǎn)大干液壓油的收縮

34、性，精度較低。 (3)氣壓傳動的效率比液壓傳動還要低，且噪聲較大。 (4)工作壓力較低，不易獲得大的推力。氣壓傳動出力不如液壓傳動大；執(zhí)行元件特點(diǎn)應(yīng)用：液壓系統(tǒng)用于需大的功率重型設(shè)備 氣動用于工件夾緊、輸送等自動化生產(chǎn)線 電動應(yīng)用最廣泛伺服電機(jī)控制方式伺服電機(jī)比較第二節(jié) 步進(jìn)電動機(jī)一、一、步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理它與普通電動機(jī)一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，其中定子又分為定子鐵心和定子繞它與普通電動機(jī)一樣，也是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，其中定子又分為定子鐵心和定子繞組。定子鐵心由電工鋼片疊壓而成，定子繞組是繞置在定子鐵心組。定子鐵心由電工鋼片疊壓而成，定子繞組是繞置在定子鐵心6

35、個(gè)均勻分布的齒個(gè)均勻分布的齒上的線圈，在直徑方向上相對的兩個(gè)齒上的線圈串聯(lián)在一起，構(gòu)成一相控制繞組。上的線圈，在直徑方向上相對的兩個(gè)齒上的線圈串聯(lián)在一起，構(gòu)成一相控制繞組。圖圖6-1所示的步進(jìn)電動機(jī)可構(gòu)成所示的步進(jìn)電動機(jī)可構(gòu)成A、B、C三相控制繞組，故稱三相步進(jìn)電動機(jī)三相控制繞組，故稱三相步進(jìn)電動機(jī)。1-繞組繞組 2-定子鐵心定子鐵心 3-轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心圖圖6-1 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖 步進(jìn)電動機(jī)的工作原理 步進(jìn)電動機(jī)的工作原理實(shí)際上是電磁鐵的作用原理。當(dāng)A相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子的齒與定子AA上的齒對齊。若A相斷電，B相通電，由于磁力的作用，轉(zhuǎn)子的齒與定子BB上的

36、齒對齊，轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過，如果控制線路不停地按ABCA的順序控制步進(jìn)電動機(jī)繞組的通斷電，步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子便不停地逆時(shí)針轉(zhuǎn)動。若通電順序改為ACBA，步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子將順時(shí)針轉(zhuǎn)動30。這種通電方式稱為三相三拍，而通常的通電方式為三相六拍，其通電順序?yàn)锳ABBBCCCAA及AACCCBBBAA，相應(yīng)地，定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15。 步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)（1）步進(jìn)電動機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一個(gè)確定的角度，即步距角；（2）改變步進(jìn)電動機(jī)定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變；（3）步進(jìn)電動機(jī)定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度越快，即通電狀態(tài)的變化頻

37、率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高；（4）步進(jìn)電動機(jī)步距角與定子繞組的相數(shù)m、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z、通電方式k有關(guān)，可用下式表示： = 360/mzk 式中m相m拍時(shí)，k=1；m相2m拍時(shí)，k=2。對于圖6-1所示的單定子、徑向分相、反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，當(dāng)它以三相三拍通電方式工作時(shí)，其步距角為=360/341=30若按三相六拍通電方式工作，則步距角為=360/342=15步距角：常見的步距角0.60/1.20 , 0.750/1.50 , 0.90/1.80 ,10/20, 1.50/30 等。例：某步進(jìn)電機(jī)有80個(gè)齒, 采用3相6拍方式驅(qū)動, 經(jīng)絲杠螺母副驅(qū)動工作臺做直線運(yùn)動, 絲杠的導(dǎo)程為6mm。求:1、步進(jìn)電

38、機(jī)的步矩角。2、當(dāng)脈沖當(dāng)量要求為0.01mm時(shí),試設(shè)計(jì)此傳動系統(tǒng) i=Z2/Z1=L/360=L/360i1、k=6/3=2= 360/mzk =360/3802=0.75。 2、I=Z2/Z1=L/360=0.756/3600.01=2/1可選Z1=20，Z2=40，模數(shù)=1.5的齒輪傳動副例 將改造一臺C620車床，其縱向絲杠的螺距t=12mm，采用110BF003型步進(jìn)電動機(jī)，步距=0.75，系統(tǒng)規(guī)定的縱向步進(jìn)當(dāng)量=0.01mm，計(jì)算步進(jìn)電動機(jī)與縱向絲杠之間的聯(lián)接傳動比。解：根據(jù)式（7-1） 可選 ，模數(shù)m=1.5的齒輪傳動副。當(dāng)i為小數(shù)時(shí)，則可采用掛輪。 例：三相變磁阻式步進(jìn)電動機(jī)，轉(zhuǎn)

39、子80個(gè)齒。(1)要求電動機(jī)轉(zhuǎn)速為60r/min,單雙拍制通電，輸入脈沖頻率為多少?(2)要求電動機(jī)轉(zhuǎn)速為100r/min，單拍制通電，輸入脈沖頻率為多少?步進(jìn)電機(jī)分類反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)：定子轉(zhuǎn)子均有鐵心組成，轉(zhuǎn)子無繞組，步進(jìn)運(yùn)行由定子繞組通電歷磁產(chǎn)生的反應(yīng)力矩作用實(shí)現(xiàn)。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，運(yùn)行頻率高，步距角小。應(yīng)用：數(shù)控設(shè)備，機(jī)器人。永磁式步進(jìn)電機(jī)：轉(zhuǎn)子用永磁鐵，靠與定子產(chǎn)生電磁力特點(diǎn)：控制功率小，效率高，造價(jià)低，但步距角大。應(yīng)用：記錄儀，空調(diào)機(jī)?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)：轉(zhuǎn)子有齒，帶固定極性。特點(diǎn)：步距角小，工作頻率高，控制功率小。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源脈沖分配脈沖分配軟件

40、脈沖分配 軟件環(huán)形分配器的設(shè)計(jì)方法有很多，如查表法、比較法、移位寄存器法等，它們各有特點(diǎn)，其中常用的是查表法。步序?qū)щ娤喙ぷ鳡顟B(tài)數(shù)值（16進(jìn)制）程序的數(shù)據(jù)表正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) C B A TAB A0 0 101HTAB0 DB 01HAB0 1 103HTAB1 DB 03HB0 1 002HTAB2 DB 02HBC1 1 006HTAB3 DB 06HC1 0 004HTAB4 DB 04HCA1 0 105HTAB5 DB 05H四、步進(jìn)電動機(jī)的功率放大 1單電壓功率放大電路單電壓功率放大電路 此電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，不足之處是Rc消耗能量大，電流脈沖前后沿不夠陡，在改善了高頻性能后，低頻

41、工作時(shí)會使振蕩有所增加，使低頻特性變壞。2高低電壓功率放大電路電源U1為高電壓，電源大約為80150V，U2為低電壓電源，大約為520V。在繞組指令脈沖到來時(shí)，脈沖的上升沿同時(shí)使VT1和VT2導(dǎo)通。由于二極管VD1的作用，使繞組只加上高電壓U1，繞組的電流很快達(dá)到規(guī)定值。到達(dá)規(guī)定值后，VT1的輸入脈沖先變成下降沿，使VT1截止，電動機(jī)由低電壓U2供電，維持規(guī)定電流值，直到VT2輸入脈沖下降沿到來VT2截止。不足之處是在高低壓銜接處的電流波形在頂部有下凹，影響電動機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。 該電路的特點(diǎn)是工作時(shí)Vin端輸入方波步進(jìn)信號：當(dāng)Vin為“0”電平，由與門A2輸出Vb為“0”電平，功率管（達(dá)林頓管

42、）VT截止，繞組W上無電流通過，采樣電阻上R3上無反饋電壓，A1放大器輸出高電平；而當(dāng)Vin為高電平時(shí)，由與門A2輸出的Vb也是高電平，功率管VT導(dǎo)通，繞組W上有電流，采樣電阻上R3上出現(xiàn)反饋電壓Vf，由分壓電阻R1、R2得到設(shè)定電壓與反饋電壓相減，來決定A1輸出電平的高低，來決定Vin-信號能否通過與門A2。若Vref-Vf時(shí)Vin信號通過與門，形成Vb正脈沖，打開功率管VT；反之，Vref-Vf時(shí)Vin信號被截止，無Vb正脈沖，功率管VT截止。這樣在一個(gè)Vin脈沖內(nèi)，功率管VT會多次通斷，使繞組電流在設(shè)定值上下波動。 3斬波恒流功放電路斬波恒流功放電路 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源總結(jié)作用：對控制脈沖

43、進(jìn)行功率放大，以使步進(jìn)電機(jī)獲得足夠大的功率驅(qū)動負(fù)載運(yùn)行。1、步進(jìn)電機(jī)是用脈沖供電，且按一定工作方式輪流作用于各相勵磁線圈上。2、步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)是靠給各相勵磁線圈通電順序變化來實(shí)現(xiàn)的。3、速度控制是靠改變控制脈沖的頻率實(shí)現(xiàn)的。4、在通電脈沖內(nèi)使勵磁線圈的電流能快速建立，而在斷電時(shí)電流能快速消失。五、步進(jìn)電機(jī)的選擇1、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

44、相電機(jī)）等。2、靜力矩的選擇 （1）根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)草圖計(jì)算機(jī)械傳動裝置及負(fù)載折算到電動機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量。（2）計(jì)算各種工況下所需的等效力矩。（3）根據(jù)步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩和起動、運(yùn)行矩頻特性。 TL/TMax0.5 JL/Jm43、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)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓）第三節(jié) 直流伺服電動機(jī) 直流伺服電動機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的起動轉(zhuǎn)矩，相對功率大及快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。盡管其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，在機(jī)電控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件還是獲得了廣泛的應(yīng)用。 直流伺服電動機(jī)按激磁方式可分為電磁式和永磁式兩種。電磁

45、式的磁場由激磁繞組產(chǎn)生；永磁式的磁場由永磁體(永久磁鐵)產(chǎn)生。電磁式直流伺服電動機(jī)是一種目前巳普遍使用的伺服電動機(jī)，特別是在大功率范圍內(nèi)(100w以上)。永磁式直流伺服電動機(jī)由于尺寸小、重量輕、效率高、出力大、結(jié)構(gòu)簡單，無需激磁等一系列優(yōu)點(diǎn)而被越來越重視。一、 特點(diǎn)1、穩(wěn)定性好2、可控性好3、響應(yīng)迅速4、控制功率低，損耗小5、轉(zhuǎn)矩大勵磁繞組補(bǔ)償繞組(c)(f)rFcFaUai電樞繞組(a)ffUiFs 直流伺服電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與一般的電機(jī)結(jié)構(gòu)相似，也是由定子、轉(zhuǎn)子和電刷等部分組成，在定子上有勵磁繞組和補(bǔ)償繞組，轉(zhuǎn)子繞組通過電刷供電。由于轉(zhuǎn)子磁場和定子磁場始終正交，因而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。 直流伺服

46、電機(jī)控制二、 驅(qū)動與控制 一個(gè)驅(qū)動系統(tǒng)性能的好壞，不僅取決于電機(jī)本身的特性，而且還取決于驅(qū)動電路的性能以及兩者之間的相互配合。對驅(qū)動電路一般要求頻帶寬、效率高、能量能回授等。目前常用晶體管驅(qū)動和晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動，廣泛采用的直流伺服電機(jī)的晶體管驅(qū)動電路有線性直流伺服放大器和脈寬調(diào)制放大器(PwM)。 一般，寬頻帶低功率系統(tǒng)選用線性放大器(小于幾百瓦)，而脈寬調(diào)制放大器常用在較大的系統(tǒng)中，尤其是那些要求在低速和大轉(zhuǎn)矩下連續(xù)運(yùn)行的場合。一、晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動UsRP1R0R0RbUfn-+U+R1IdRP2GUcUd-+UaML圖47 帶有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖二、脈寬調(diào)制放大器(P

47、wM) PWM放大器的優(yōu)點(diǎn)是功率管工作在開關(guān)狀態(tài)，管耗小。它的基本原理是：利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電源電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率(例如2000HZ)的方波電壓，加在直流電動機(jī)的電樞上，通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，如圖418所示。鋸齒波發(fā)生器的輸出電壓vA和直流控制信號vIN進(jìn)行比較。同時(shí)，在比較器的輸入端還加入一個(gè)調(diào)零電壓v0，當(dāng)控制電壓vIN為零時(shí)，調(diào)節(jié)vo使比較器的輸出電壓為正、負(fù)脈沖寬度相等的方波信號，如圖419(a)所示。當(dāng)控制信號vIN為正或負(fù)時(shí)，比較器輸入端處的鋸齒波相應(yīng)地上移或下移，比較器的輸出脈沖也隨著相應(yīng)改變，實(shí)現(xiàn)了脈寬調(diào)制，如圖419

48、(b)、(c)所示。第四節(jié) 交流伺服電動機(jī) 與普通直流伺服電動機(jī)相比較，普通交流伺服電動機(jī)的特點(diǎn)是：它不需要電刷和換向器，因而避免了由于存在電刷和換向器而引起的一系列弊病。此外，它的轉(zhuǎn)動慣量、體積和重量一般來說也較小。缺點(diǎn)是：輸出功率和轉(zhuǎn)矩較??；轉(zhuǎn)矩特性和調(diào)節(jié)特性的線性度不及直流伺服電動機(jī)好；其效率也較直流伺服電動機(jī)為低。銀狐工控網(wǎng)自動化、企業(yè)信息化中國工控網(wǎng)-運(yùn)動控制專欄-中國工業(yè)控制及自動化領(lǐng)域權(quán)威咨詢、資訊傳媒!一、交流伺服電動機(jī)種類1、同步型（SM）：采用永磁結(jié)構(gòu)的同步電動機(jī)，又稱無刷直流伺服電動機(jī)。特點(diǎn)：無接觸換向部件 需要磁極位置檢測器（如編碼器） 具有直流伺服電動機(jī)的全部優(yōu)點(diǎn)。2

49、、感應(yīng)型（IM）：籠型感應(yīng)電動機(jī)特點(diǎn)：對定子電流的激勵分量和轉(zhuǎn)矩分量分別控制具有直流伺服電動機(jī)的全部優(yōu)點(diǎn)。用于自動焊機(jī)中保持電弧長度穩(wěn)定，其原理如圖434所示。交流伺服電機(jī)sL經(jīng)減速器2帶動焊條8的移動裝置3。為保證焊接質(zhì)量，要求自動焊機(jī)在整個(gè)焊接過程中能夠自動調(diào)節(jié)電弧長度，使電弧穩(wěn)定地燃燒。當(dāng)電弧長度符合要求時(shí)，反饋的弧壓up和給定電壓u相等，通過比較器4得偏差信號o，伺服電機(jī)不轉(zhuǎn)動。如果外界干擾使弧長變長或變短，反饋弧壓up相當(dāng)于增大或減小，偏差信號經(jīng)放大器1送入電機(jī)sL的控制電壓的相序發(fā)生改變，使控制伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，經(jīng)移動裝置3帶動焊條8上下移動，以保持電弧長度恒定。應(yīng)用舉例二、交流

50、伺服電動機(jī)調(diào)速變頻調(diào)速 間接變換方式 （交直交變頻）變頻方式 直接變換方式（交交變頻） 交直交變頻是把交流電通過整流器變?yōu)橹绷麟?，再用逆變器將直流電變?yōu)轭l率可變的交流電供給異步電動機(jī)。目前常用的通用變頻器即屬于交直交變頻，其基本結(jié)構(gòu)原理如圖412。由圖可知，變頻器主要由主回路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制回路組成。變頻器還有豐富的軟件，各種功能主要靠軟件來完成。 交流電源 交流電源 電壓頻率可變 中間直流環(huán)節(jié)逆變器整流器控 制 電 路變頻器的分類方式很多，除了按電源變換方式分類外，還可以按逆變器開關(guān)方式來分類，即PAM方式和PWM方式。PAM控制是Pulse Amplitude M

51、odulation（脈沖振幅調(diào)制）控制的簡稱； PWM控制是Pulse Width Modulation（脈沖寬度調(diào)制）控制的簡稱，是在逆變電路部分同時(shí)對輸出電壓（電流）的幅值和頻率進(jìn)行控制的控制方式。在這種控制方式中，以較高頻率對逆變電路的半導(dǎo)體開關(guān)元器件進(jìn)行開閉，并通過改變輸出脈沖的寬度來達(dá)到控制電壓（電流）的目的。目前在變頻器中多采用正弦波PWM控制方式，即通過改變PWM輸出的脈沖寬度，使輸出電壓的平均值接近正弦波，這種方式也被稱為SPWM控制。變頻器還可以按控制方式分為V/F（電壓/頻率）控制、轉(zhuǎn)差頻率控制和矢量控制三種。其中，V/F控制屬于開環(huán)控制，而轉(zhuǎn)差控制和矢量控制屬于閉環(huán)控制，

52、二者的主要區(qū)別在于V/F控制方式中沒有進(jìn)行速度反饋，而在轉(zhuǎn)差頻率控制方式和矢量控制方式利用了速度傳感器的速度閉環(huán)控制。三、 交流伺服電動機(jī)的選擇1、交流伺服電動機(jī)的初選擇(1)首先考慮電動機(jī)能夠提供負(fù)載所需的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。就是能夠提供克服峰值負(fù)載所需的功率。Pm=(1.52.5)TLPnLP/159其次，當(dāng)電動機(jī)的工作周期可以與其發(fā)熱時(shí)間常數(shù)相比較時(shí)，必須考慮電機(jī)的熱額定問題，通常用負(fù)載的均方根功率作為確定電機(jī)發(fā)熱功率的基礎(chǔ)。Pm=(1.52.5)TLrnLr/159(2)發(fā)熱校核TNTLrtdtTTTTtLFLaLLr02)(3)轉(zhuǎn)矩過載校核(TL)max(Tm)max過載轉(zhuǎn)矩(Tm)max=

53、Tn額定力矩2.伺服系統(tǒng)慣量匹配原則1）慣量較小的系統(tǒng)1Jl/Jm32）慣量較大的系統(tǒng)0.25Jl/Jm1變頻器種類通用變頻器：節(jié)能，節(jié)電20%，用于壓縮機(jī)、泵、攪拌機(jī)、擠壓機(jī)等； 提高控制性能實(shí)現(xiàn)自動化，用于運(yùn)輸機(jī)械、起重機(jī)等。紡織專用變頻器：改善傳動特性，實(shí)現(xiàn)自動化。紡織、化纖機(jī)械。矢量控制變頻器：提高傳動精度及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集散控制。冶金、印刷、造紙。 要求高精度的轉(zhuǎn)矩控制，加速度大，能與上位機(jī)進(jìn)行通訊。機(jī)床專用變頻器：用于機(jī)床主軸傳動控制，以滿足工藝上要求得大加減速轉(zhuǎn) 矩，寬廣的恒功率控制及高精度的定位控制，提高機(jī)床自動化。電梯專用矢量變換控制變頻器：實(shí)現(xiàn)緩慢平穩(wěn)的升降速。高頻變頻器：用于

54、超精密加工、高速電動機(jī)。如專用脈沖調(diào)幅型變頻器，頻率達(dá)3kHZ，對應(yīng)轉(zhuǎn)速 18 104r/min。 變頻器選擇分析控制對象的負(fù)載特性選擇電動機(jī)的容量根據(jù)用途選擇合適的變頻器類型確定變頻器容量 （1）選擇變頻器具體型號是以電動機(jī)額定電流值為依據(jù)，以電動機(jī)的額定功率為參考值。變頻器最大輸出電流應(yīng)大于電動機(jī)的額定電流值。 （2）變頻器與電動機(jī)的距離過長時(shí)，為防止電纜對地耦合與變頻器輸出電流中諧波疊加而造成的電動機(jī)端子處電壓升高的影響，應(yīng)在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。 （3）變頻器選擇時(shí)，要考慮電動機(jī)的運(yùn)行頻率在什么功率范圍內(nèi)。在低速范圍內(nèi)，應(yīng)考慮電動機(jī)的溫升情況，是否需加裝風(fēng)扇給電動機(jī)散熱。 （4

55、）變頻器選擇時(shí)，一定要注意其防護(hù)等級應(yīng)與現(xiàn)場情況相匹配，防止現(xiàn)場的粉末或水分影響變頻器的長久運(yùn)行。 變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例 ABB變頻器在恒壓供水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 恒壓供水是指不論用戶端水量大小，總保持管網(wǎng)水壓基本恒定。這樣，既可以滿足各部位用戶的用水的需要，又不使電動機(jī)空轉(zhuǎn)，造成電能的浪費(fèi)。因此，由變頻器得到給定壓力信號和實(shí)際反饋信號，利用變頻器內(nèi)部固有的功能進(jìn)行比較計(jì)算，通過頻率輸出的變化調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，從而控制管網(wǎng)中水壓力恒定。變頻器恒壓供水系統(tǒng)如圖4-13所示。圖422 變頻器恒壓供水系統(tǒng)圖進(jìn)水管水池閥門止回閥狀態(tài)顯示器水泵閥門出水管變頻器壓力傳感器M水泵電動機(jī) 本系統(tǒng)

56、僅舉出一個(gè)簡單例子，即一臺變頻器帶一臺水泵運(yùn)行。主要構(gòu)成為ABB ACS600系列變頻器一臺，由于ABB公司ACS600系列變頻器均帶有PID調(diào)節(jié)器，所以可以根據(jù)給定壓力（設(shè)定壓力）和壓力傳感器返回的實(shí)際壓力信號進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)（比例積分微分調(diào)節(jié)），變頻器根據(jù)用戶水量大小而引起的水壓變化，相應(yīng)地調(diào)節(jié)水泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制水壓的恒定，另外變頻器可以輸出相應(yīng)的電流信號給顯示控制器，可直接顯示出變頻器的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)變頻器對電動機(jī)具有過流、過壓、欠壓、過載等全部故障保護(hù)功能。恒壓供水系統(tǒng)的控制原理圖如圖4-14所示。 變頻器的功能參數(shù)設(shè)定主要根據(jù)現(xiàn)場條件和廠家提供的用戶手冊進(jìn)行設(shè)定，主要

57、有：啟動/停止參數(shù)、信號選擇參數(shù)、PID控制參數(shù)與加/減速時(shí)間等幾組參數(shù)，其余均可遵照變頻器出廠值。 在本系統(tǒng)主電路中，變頻器的前端加入空氣斷路器與快速熔斷器進(jìn)行前端過電流保護(hù)與短路保護(hù)，以避免變頻器整流部分的損壞。后端直接與水泵電動機(jī)相連。 接變頻器運(yùn)行指示信號接變頻器起/停信號X25:3X25:2X2:1X2:7接壓力給定信號（如信號發(fā)生器）接壓力反饋信號（如壓力變送器）FUACS601系列變頻器X1:6X1:5X1:7X1:8M圖423 恒壓供水系統(tǒng)控制原理圖U1V1W1QF1U2V2W2在本系統(tǒng)控制電路中，變頻器接受的壓力給定信號與壓力反饋信號均為電流信號（4-20mA），變頻器接受的

58、啟/停信號為無源開關(guān)量信號，其運(yùn)行指示信號輸出也為無源開關(guān)量信號。需要指出的是，在系統(tǒng)中如果水泵為離心式水泵，那么變頻器在選擇時(shí)可按照平方轉(zhuǎn)矩選擇；如果水泵為潛水泵，那么變頻器在選擇時(shí)應(yīng)按照恒轉(zhuǎn)矩選擇。這是因?yàn)闈撍秒妱訖C(jī)的額定電流比通常電動機(jī)的額定電流要大，所以選擇變頻器時(shí)，變頻器的連續(xù)輸出電流要大于潛水泵電動機(jī)的額定電流。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及接口第一節(jié) 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)微機(jī)構(gòu)成微機(jī)系統(tǒng)二、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本要求具有完善的過程輸入/輸出功能具有實(shí)時(shí)控制功能具有可靠性具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾能力具有豐富的軟件三、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)分類及特點(diǎn)1.可編程控制器2.總線型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)3.單片機(jī)PL

59、C構(gòu)成PLC特點(diǎn)程序可變，柔性好?？煽啃詮?qiáng)，適于工業(yè)環(huán)境。編程簡單，使用方便。功能完善。體積小，重量輕，易于裝入機(jī)器內(nèi)部?？偩€型工控機(jī)總線型工控機(jī)特點(diǎn)提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)和制造周期。提高系統(tǒng)可靠性。便于調(diào)試和維修 。能適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的需要。單板機(jī)單片機(jī)單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成單片機(jī)特點(diǎn)受集成度的限制，片內(nèi)存儲器容量較小?？煽啃愿?。易擴(kuò)展。控制功能強(qiáng)。一般單片機(jī)內(nèi)無監(jiān)控程序或系統(tǒng)通用管理程序?？刂葡到y(tǒng)比較一、信息采集接口1、轉(zhuǎn)換形式數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換接口DA轉(zhuǎn)換器是指將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的電路，它由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、參考電壓、電子開頭等組成，典型的R2R網(wǎng)絡(luò)DA原理圖如圖521所示。從圖中可見，不管電子開關(guān)接在

60、2點(diǎn)還是接地，流過每個(gè)支路的2R上的電流都是固定不變的，從參考電壓端看其輸入電阻為R，從參考電源流入的總電流為J，則每個(gè)支路流經(jīng)2R電阻)的電流依次為：J2，J4，J8J16，而I=VREFR。故輸出電壓為 vOUTVREF24 d323+d222+d121+d020 式中 d3d0為輸入代碼，d“o”，則開關(guān)接地； d“1” ，則開關(guān)接到輸出上。如果采月n個(gè)電子開關(guān)組成的網(wǎng)絡(luò)，那么 vOUTVREF2n dn-12n-1+d020式中 n指DA電路能夠被轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制位數(shù)，如有8位、10位、12位等，有時(shí)也稱為分辨率。直流伺服電機(jī)控制接口第三節(jié) 可編程控制器二、PLc與通用微處理機(jī)的區(qū)別掃描工