機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)第二章

1、第第2 2章章 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)3前輔助軸承電主軸雙面軸向推力軸承前徑向軸承后徑向軸承后輔助軸承前徑向傳感器后徑向傳感器 軸向傳感器圖2 磁浮軸承高速主軸q 磁浮軸承主軸結(jié)構(gòu)4電磁鐵繞組通過電流 I0，對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生吸力 F，與轉(zhuǎn)子重量平衡，轉(zhuǎn)子處于懸浮平衡位置（圖1）。轉(zhuǎn)子受擾動后，偏離其平衡位置。傳感器檢測出轉(zhuǎn)子位移，將位移信號送至控制器?？刂破鲗⑽灰菩盘栟D(zhuǎn)換成控制信號，經(jīng)功放變換為控制電流，改變吸力方向，使轉(zhuǎn)子重新回到平衡位置。位移傳感器通常為非接觸式，其數(shù)量一般為5-7個(gè)，對其靈敏度和可靠性要求均較高?？刂破髟O(shè)計(jì)較復(fù)雜，使磁懸浮軸承成本較高（一套磁懸浮軸承售價(jià)約1萬美元）。放大器電

2、磁鐵（定子）傳感器轉(zhuǎn)子圖1 磁懸浮軸承工作原理控制器5 主軸由兩個(gè)徑向和兩個(gè)軸向磁浮軸承支承，磁浮軸承定子與轉(zhuǎn)子間空隙約0.1mm。 剛度高，約為滾珠軸承主軸剛度10倍。 轉(zhuǎn)速特征值可達(dá)4106。 回轉(zhuǎn)精度主要取決于傳感器的精度和靈敏度，以及控制電路性能，目前可達(dá)0.2m。 機(jī)械結(jié)構(gòu)及電路系統(tǒng)均較復(fù)雜；又由于發(fā)熱多，對冷卻系統(tǒng)性能要求較高。q 磁浮軸承主軸特點(diǎn)6789101112直流放大電路直流放大電路 電壓增益電壓增益: :1) 1) 反相放大器反相放大器 1RRAFv反饋電阻反饋電阻R RF F值不能太大，否則會產(chǎn)生較大的噪聲及值不能太大，否則會產(chǎn)生較大的噪聲及漂移，一般為幾十千歐至幾百千

3、歐。漂移，一般為幾十千歐至幾百千歐。R R1 1的取值應(yīng)遠(yuǎn)的取值應(yīng)遠(yuǎn)大于信號源大于信號源U Ui i的內(nèi)阻的內(nèi)阻。 132)2)同相放大器同相放大器 同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點(diǎn)，廣泛用于前置放大級。點(diǎn)，廣泛用于前置放大級。 同相放大器也是最基本的電同相放大器也是最基本的電路路 ，其閉環(huán)電壓增益，其閉環(huán)電壓增益Av為為:11RRAFv14 若只需要放大交流信號，可采用圖示的集成運(yùn)放交若只需要放大交流信號，可采用圖示的集成運(yùn)放交流電壓同相放大器。其中電容流電壓同相放大器。其中電容C1C1、C2C2及及C3C3為隔直電容。為隔直電容

4、。 交流放大電路交流放大電路 R1R1一般取幾十千歐。耦合電容一般取幾十千歐。耦合電容C1C1、C3C3可根據(jù)交流放大可根據(jù)交流放大器的下限頻率器的下限頻率fLfL來確定。來確定。 )2/()103(31LLfRCC11RRAFv154211/RRRRff)(112420UURRUf16iURRU)/(120iUURRU2)/2(0210117iiiiURRRUURUIII111011118112323101ififURRURRRRRU19-R1=-R2R3=-Rf21RR fRR 3)(1210iifUURRU20Ui1-=-Ui2=-Uic12iiicUUUicffoURRRRRRRU13

5、2211R1=-R2-R3=-RfR1=-21RR fRR 300URf/-.R1R2RR2R1/RRf2R3R)(121210iiwffUURRRRURwwR2122)/1)(/(112GGSRRRRRR)()1 (112ININOUTGGSVVKVRRRRRRK232425 2627282930五、程控增益放大器五、程控增益放大器 程控增益放大器可由測量放大器、模擬開關(guān)及電阻網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，程控增益放大器可由測量放大器、模擬開關(guān)及電阻網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，也可采用集成程控測量放大器，如也可采用集成程控測量放大器，如PGA200/201、PGAl02、PGA100、AD612/614等。等。 PGA100

6、是是B-B公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的8級二進(jìn)制可編程增益控制運(yùn)算放大器級二進(jìn)制可編程增益控制運(yùn)算放大器（如圖（如圖2.19所示）。所示）。PGA100的的8個(gè)二進(jìn)制增益?zhèn)€二進(jìn)制增益1，2，4，8，16，32，64，128及相應(yīng)的及相應(yīng)的8個(gè)模擬通道，由個(gè)模擬通道，由A2A1A0選擇模擬通道，由選擇模擬通道，由A5A4A3選擇增益，選擇方法如表選擇增益，選擇方法如表2.1所示。所示。 31 32A A3 3A A2 2A A1 1A A0 00 00 00 00 00 00 0ININ0 00 00 01 10 00 01 1ININ1 10 01 10 00 01 10 0ININ2 20 01 1

7、1 10 01 11 1ININ3 31 10 00 01 10 00 0ININ4 41 10 01 11 10 01 1ININ5 51 11 10 01 11 10 0ININ6 61 11 11 11281281 11 11 1ININ7 73334LCf2135圖圖2.6 2.6 調(diào)頻電路調(diào)頻電路 3637380()00ZDiZDiUUuuUUu39圖圖2.47 具有回差的零值比較器具有回差的零值比較器 4000.7iRziRVuuuUuu4142. .。21RR 5462RRRiiiiiUURRURRURRURRU)2()(55465646043. iU1D2D01U1D2A0Ui

8、iUURRU460iUiUiUU 044 1.正峰值保持電路正峰值保持電路 如圖如圖2.45a所示。所示。.kUiUcU1NCicUUU00UiUiUCCkUC峰峰值值運(yùn)運(yùn)算算電電路路45. .iUiU1NC2N0UiUCcUU 0iU峰值運(yùn)算電路峰值運(yùn)算電路 4647目的目的 解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題。解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題。 48tUtucmccos)(緩變信號緩變信號調(diào)制調(diào)制高頻信號高頻信號放大放大放大高放大高頻信號頻信號解調(diào)解調(diào)放大緩放大緩變信號變信號4950tmxUucmscos)(c5152UccUcc0100iccuUuUcUcU圖圖2.22 串

9、并聯(lián)幅值調(diào)制串并聯(lián)幅值調(diào)制 53圖圖2.23 全波相乘調(diào)制電路全波相乘調(diào)制電路 要使載波信號的整個(gè)周期內(nèi)都有信號輸出，可采用圖要使載波信號的整個(gè)周期內(nèi)都有信號輸出，可采用圖2.23a2.23a所示的所示的全波調(diào)幅電路。全波調(diào)幅電路。 54調(diào)制信號形成原理：調(diào)制信號形成原理：可見可見uouo相當(dāng)于相當(dāng)于uiui與幅值按與幅值按0 0、1 1變化的變化的矩形載波信號矩形載波信號UccUcc相乘。將相乘。將UccUcc按傅里葉級數(shù)展開得按傅里葉級數(shù)展開得 ttUccc3cos32cos2210ucUiucU將將uo與與Ucc相乘后，再用帶通濾波器濾除直流分量和頻率高于相乘后，再用帶通濾波器濾除直流分

10、量和頻率高于Ucc的高頻分量，就得到相乘調(diào)制信號為：的高頻分量，就得到相乘調(diào)制信號為： iucUc3tuuciscos255561) 1)二極管整流二極管整流 采用二極管采用二極管VDVD作為整流元件的包絡(luò)檢波電作為整流元件的包絡(luò)檢波電路，如圖所示。路，如圖所示。 包包絡(luò)絡(luò)檢檢波波圖圖2.26 2.26 二極管包絡(luò)檢波二極管包絡(luò)檢波57 2) 2)晶體管整流晶體管整流 采用晶體管采用晶體管VTVT作為整流元件實(shí)現(xiàn)平均值作為整流元件實(shí)現(xiàn)平均值檢波的電路，如圖所示。檢波的電路，如圖所示。 包包絡(luò)絡(luò)檢檢波波圖圖2.27 2.27 晶體管包絡(luò)檢波晶體管包絡(luò)檢波581.調(diào)幅信號波形的特點(diǎn)調(diào)幅信號波形的特

11、點(diǎn) 1）當(dāng)調(diào)制信號為零時(shí)，調(diào)幅信號的幅值也為零；）當(dāng)調(diào)制信號為零時(shí)，調(diào)幅信號的幅值也為零；2）當(dāng)調(diào)制信號由正值變?yōu)樨?fù)值時(shí)，調(diào)幅信號的相位變化）當(dāng)調(diào)制信號由正值變?yōu)樨?fù)值時(shí)，調(diào)幅信號的相位變化180。 59010scscuUuuU60 xxxx.UmUccmmxxtmxUucms)cos(mUcm6162c.cUccFTTFTTcTFTF63C.cL.lCLLCf21)21 (000CCffff64tmxUucms)cos(tmxmxUccmdtdus)sin()(656667)cos(mxtUucmsdtdxcdtmxtdmc)(cc6869 70c.c71Nffc3607273濾波器是一種選頻

12、裝置，可以使信號中特定頻率成濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分分通過，而極大地衰減其他頻率成分 7475低通低通高通高通76帶通帶通帶阻帶阻77濾波器的串濾波器的串/ /并聯(lián)并聯(lián) 低通濾波器和高通濾波器是濾波器的兩種最基本的形低通濾波器和高通濾波器是濾波器的兩種最基本的形式，其它的濾波器都可以分解為這兩種類型的濾波器。式，其它的濾波器都可以分解為這兩種類型的濾波器。78.2/KK2/K1212021ffffBfQ790ffc1fc2A00.707A0dBQ=0 / B80 2.5.2 RC 2.5.2 RC無源濾波器無源濾波器 ioouudtduRC8

13、111)(jjG82.當(dāng)當(dāng).時(shí)，幅頻特性時(shí)，幅頻特性A()1，此時(shí)信號幾乎不受衰，此時(shí)信號幾乎不受衰減地通過，并且減地通過，并且()-關(guān)系為近似于一條通過原點(diǎn)的直線。因關(guān)系為近似于一條通過原點(diǎn)的直線。因此，可以認(rèn)為，在此情況下，此，可以認(rèn)為，在此情況下，RC低通濾波器是一個(gè)不失真?zhèn)鬏數(shù)屯V波器是一個(gè)不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。系統(tǒng)。 1. 1221)(ARCf2122283(2) RC(2) RC高通濾波器高通濾波器 sssUsUisG1)()(0)(iooudtuRCu1圖圖2.35 RC2.35 RC高通濾波器高通濾波器 84. . .11)(A0)(1.21)(ARCf211jjjG1)(2)(1)

14、(A1)(arctg85)()()(21sGsGsG)()()()()()(2121AAA22112121ff；128687 n2221202)(nnssbsbsbsG010bb22nKb882222)(nnnssKsGjs nnjKjG21)(221222212tan)(21)(nnnnKA8990. .111CR22CRf2/ RRKf21/1n)(2121n,/1RRKf212/1CCRRfn)/1/1/1 (/21122ffRRRCCRR91.Kb0021 bb2222)(nnssKssGjs KGG)(, 0)0(nnjKjG21)(222221)(nnKA2112)(nntg929

15、311RRfK21321CCRRn21322212232)1(CCRRCRCRCRK9431CCK3211CCRRnf313212CCRRCCCf95.020 bbnKb212222)(nnnsssKsGjs 2/1QnnjQKjG1)(96.nnnnQtgQKA122)(1)(QBQ0n0B)(2121012B97圖圖2.40 2.40 帶通濾波器幅頻特性帶通濾波器幅頻特性 982 2）參數(shù)計(jì)算）參數(shù)計(jì)算 12112CRRRRnfKK)11142213(RRCCRn)(4132123111121RRRRRCCRfn992 2）參數(shù)計(jì)算）參數(shù)計(jì)算 111CRK2132121CCRRRRRn)(

16、2212132121RRCCRRRCC100（4 4）二階帶阻有源濾波器）二階帶阻有源濾波器1) 1)基本特性基本特性 時(shí)，為帶時(shí)，為帶阻濾波器，其傳遞函數(shù)為阻濾波器，其傳遞函數(shù)為 在穩(wěn)態(tài)情況下，在穩(wěn)態(tài)情況下，.則頻率特性為則頻率特性為 0,10bKbp202pKb 22222)()(nnnsssKsGjs )(1)(22nnQjKjG101.)(tan)(11)(220012002QQKApQ102 103 通頻帶增益通頻帶增益.固有角頻率固有角頻率.阻尼比阻尼比211RRCn21RR1K阻帶寬度阻帶寬度B B及品質(zhì)因數(shù)及品質(zhì)因數(shù)Q Q分別為分別為 CRB2221221RRBnQ104濾波器

17、的應(yīng)用濾波器的應(yīng)用超門限報(bào)警超門限報(bào)警 案例：案例：旅游索道鋼纜檢測旅游索道鋼纜檢測105由案例提煉的典型實(shí)驗(yàn)：由案例提煉的典型實(shí)驗(yàn)：鋼管無損探傷鋼管無損探傷濾除信號中的零漂和低頻晃動，便于門限報(bào)警濾除信號中的零漂和低頻晃動，便于門限報(bào)警106案例：機(jī)床軸心軌跡的濾波處理案例：機(jī)床軸心軌跡的濾波處理 107案例：機(jī)床軸心軌跡的濾波處理案例：機(jī)床軸心軌跡的濾波處理 濾除信號中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運(yùn)動規(guī)律濾除信號中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運(yùn)動規(guī)律 108動手做：動手做：調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)mp3播放器等播放器等軟件中的聲音均衡器，試軟件中的聲音均衡器，試驗(yàn)其對音樂信號的濾波情驗(yàn)其對音樂信號

18、的濾波情況。況。1092.6.1 2.6.1 位移傳感器位移傳感器 2.6 2.6 節(jié)機(jī)電一體化中常用檢測裝置節(jié)機(jī)電一體化中常用檢測裝置 1. 1.差動變壓器差動變壓器差動變壓器的工作原理差動變壓器的工作原理 工作如圖所示。其結(jié)構(gòu)組成主要有鐵工作如圖所示。其結(jié)構(gòu)組成主要有鐵心、銜鐵和線圈三個(gè)部分。心、銜鐵和線圈三個(gè)部分。氣氣隙隙型型差差動動變變壓壓器器圖圖21UsrUsc(a)e2ae2br1ar1bi1usrMaMbr2ar2busc(b)N1bN2bN1aN2aab鐵 心銜 鐵圖 2.2 氣 隙 型 差 動 變 壓 器110111播放中播放中圓弧莫爾條紋單擊準(zhǔn)備演示單擊準(zhǔn)備演示播放動畫播放

19、動畫112光閘莫爾條紋播放動畫播放動畫播放中播放中113長光柵莫爾條紋播放動畫播放動畫114長光柵光閘莫爾條紋播放動畫播放動畫115WbcabB)2/sin(莫爾條紋的特點(diǎn)：莫爾條紋的特點(diǎn)：具有位移放大作用具有位移放大作用 . . .4n s inc o ss inc o sWx/2x116圖圖2.55 2.55 光柵測量線位移原理光柵測量線位移原理1. 1.標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光柵 2. 2.指示光柵指示光柵117 圖圖2.56 2.56 光柵信號的四細(xì)分與辨向原理光柵信號的四細(xì)分與辨向原理 118 （1 1）工作原理）工作原理 1 1）編碼器）編碼器 2 2）工作原理）工作原理 3 3）與被測對象

20、的連接）與被測對象的連接 4 4）輸出信號）輸出信號3. 3.編碼器編碼器 119120121 圖圖2.572.57給出了光學(xué)增量編碼器的原理。圖中有一個(gè)固定于軸給出了光學(xué)增量編碼器的原理。圖中有一個(gè)固定于軸上的圓盤，盤上刻有許多徑向窄縫；一個(gè)固定的不隨軸旋轉(zhuǎn)的上的圓盤，盤上刻有許多徑向窄縫；一個(gè)固定的不隨軸旋轉(zhuǎn)的板塊上也刻有徑向窄縫；圖中還有光源和光檢測器。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)板塊上也刻有徑向窄縫；圖中還有光源和光檢測器。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，光源發(fā)生的光透過旋轉(zhuǎn)盤和固定盤的窄縫，光敏元件接收時(shí)，光源發(fā)生的光透過旋轉(zhuǎn)盤和固定盤的窄縫，光敏元件接收到光信號，當(dāng)光源被光盤擋住，不能通過窄縫時(shí)，光敏元件不到光信號，當(dāng)光

21、源被光盤擋住，不能通過窄縫時(shí)，光敏元件不能收到光信號。增量式編碼器在圓盤上刻有兩組光柵，當(dāng)軸轉(zhuǎn)能收到光信號。增量式編碼器在圓盤上刻有兩組光柵，當(dāng)軸轉(zhuǎn)動時(shí)，兩組光柵產(chǎn)生兩組相位相差動時(shí)，兩組光柵產(chǎn)生兩組相位相差9090的脈沖，的脈沖，A A組脈沖和組脈沖和B B組組脈沖。盤上還有一單個(gè)的窄縫，旋轉(zhuǎn)一周，只產(chǎn)生一個(gè)單獨(dú)的脈沖。盤上還有一單個(gè)的窄縫，旋轉(zhuǎn)一周，只產(chǎn)生一個(gè)單獨(dú)的脈沖，稱零位脈沖，可以用來定位。脈沖，稱零位脈沖，可以用來定位。編碼器又稱脈沖發(fā)生器（編碼器又稱脈沖發(fā)生器（PGPG），它是一種直接），它是一種直接數(shù)字代碼表示角位移及線性位移的檢測器。編數(shù)字代碼表示角位移及線性位移的檢測器。編

22、碼器有回轉(zhuǎn)型和直線型，其中有光電式、電刷碼器有回轉(zhuǎn)型和直線型，其中有光電式、電刷式和磁性編碼器等。式和磁性編碼器等。 122 圖圖2.57 光學(xué)編碼器原理光學(xué)編碼器原理1.旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)軸 2.碼盤碼盤 3.接收元件接收元件 4.狹縫狹縫 5.發(fā)光元件發(fā)光元件123圖圖2.58 2.58 增量式編碼器的輸出脈沖增量式編碼器的輸出脈沖1244.4.旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種將機(jī)械轉(zhuǎn)角變換為與該轉(zhuǎn)角呈某一函數(shù)關(guān)系的電旋轉(zhuǎn)變壓器是一種將機(jī)械轉(zhuǎn)角變換為與該轉(zhuǎn)角呈某一函數(shù)關(guān)系的電信號的精密微電機(jī)。從原理上講它相當(dāng)于一個(gè)將一、二次繞組分別放信號的精密微電機(jī)。從原理上講它相當(dāng)于一個(gè)將一、二次繞組分別

23、放置在定子和轉(zhuǎn)子上的可轉(zhuǎn)動的變壓器。當(dāng)變壓器的一次側(cè)外施以單相置在定子和轉(zhuǎn)子上的可轉(zhuǎn)動的變壓器。當(dāng)變壓器的一次側(cè)外施以單相交流電壓勵(lì)磁時(shí)，其二次側(cè)的輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角嚴(yán)格保持某種函數(shù)交流電壓勵(lì)磁時(shí)，其二次側(cè)的輸出電壓與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角嚴(yán)格保持某種函數(shù)關(guān)系。關(guān)系。 （1 1）旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)）旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和兩相繞線式異步電機(jī)相似，可分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)和兩相繞線式異步電機(jī)相似，可分為定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。其繞組分別嵌入各自的槽狀鐵心內(nèi)。定子繞組通過固定在殼體上的接線分。其繞組分別嵌入各自的槽狀鐵心內(nèi)。定子繞組通過固定在殼體上的接線引出。引出。 圖圖2.602.60是有

24、刷式旋轉(zhuǎn)變壓器。它的轉(zhuǎn)子繞組是通過滑環(huán)和電刷直接引出的。是有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器。它的轉(zhuǎn)子繞組是通過滑環(huán)和電刷直接引出的。圖圖2.612.61是無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器，它分為兩大部分，即旋轉(zhuǎn)變壓器本體和附加變壓是無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器，它分為兩大部分，即旋轉(zhuǎn)變壓器本體和附加變壓器。器。 125 圖圖2.60 2.60 有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器有刷式旋轉(zhuǎn)變壓器 圖圖2.61 2.61 無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器無刷式旋轉(zhuǎn)變壓器 126 （2 2）旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理）旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理 旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上保證了其定子和轉(zhuǎn)子之間空氣間隙內(nèi)磁通分布符旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上保證了其定子和轉(zhuǎn)子之間空氣間隙內(nèi)磁通分布符合正弦規(guī)律。因此，當(dāng)勵(lì)磁電壓加到定子繞組時(shí)，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子合正弦規(guī)律。因此，當(dāng)勵(lì)磁電壓加到定子繞組時(shí)，通過電磁耦合，轉(zhuǎn)子繞組便產(chǎn)生感應(yīng)電勢。繞組便產(chǎn)生感應(yīng)電勢。 圖圖2.62 2.62 兩極旋轉(zhuǎn)變壓器兩極旋轉(zhuǎn)變壓器 圖圖2.63 2.63 四極繞組四極繞組 電氣工作原理圖電氣工作原理圖 旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器 127設(shè)加在定子繞組設(shè)加在定子繞組S1S2中的勵(lì)磁電壓以角速度中的勵(lì)磁電壓以角速度 隨時(shí)間隨