第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件

1、第4章 機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與設(shè)計(jì) 4.1 微機(jī)控制系統(tǒng)4.3 CPU的擴(kuò)展接口及相關(guān)芯片4.4 MCS-51的特點(diǎn)、系統(tǒng)構(gòu)成4.5 數(shù)字顯示器及鍵盤的接口電路4.6 微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的輸入/輸出控制的可靠性設(shè)計(jì)4.8常用檢測傳感器的性能特點(diǎn)、選用及其微機(jī)接口第4章 機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與設(shè)計(jì) 4.1 微4.1 微機(jī)控制系統(tǒng) 4.1.1 微機(jī)控制系統(tǒng)專用與通用、硬件與軟件的抉擇和權(quán)衡1、主要遇到的問題：A 專用與通用的抉擇： 專用控制系統(tǒng)適合于大批量生產(chǎn)的機(jī)電一體化系統(tǒng)；對(duì)于多品種、中小批量生產(chǎn)的機(jī)電一體化產(chǎn)品，采用通用控制系統(tǒng)比較合理。B 硬件與軟件的權(quán)衡 在用分立元

2、件組成硬件的情況下，就可考慮是否采用軟件，能采用通用的LSI芯片來組成所需的電路的情況下，則最好采用硬件；這是因?yàn)榕c采用分立元件組成的電路相比，采用軟件不需要焊接，且易于修改，所以采用軟件更為可靠，而在得用LSI芯片組成電路時(shí)，不公價(jià)廉，而且可靠性高，處理速度快，因而在此條件下，采用硬件更為有利。4.1 微機(jī)控制系統(tǒng) 4.1.1 微機(jī)控制系統(tǒng)專用與通4.1.2確定控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路 1、確定系統(tǒng)整體控制方案 2、確定控制算法 3、選擇微型計(jì)算機(jī) a 較為完善的中斷系統(tǒng)； b 足夠的存儲(chǔ)容量； c 完備的輸入輸出通道和實(shí)時(shí)時(shí)鐘； 選擇微機(jī)的其它特殊要求： a、字長 b、速度 c、指令4.1.2確

3、定控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路4、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) a 接口設(shè)計(jì)：一是擴(kuò)展接口，二是安排通過各接口電路輸入輸出端的輸入輸出信號(hào)，選定各信號(hào)輸入輸出時(shí)采用何種控制方式。 b通道設(shè)計(jì)：開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量 c擦作控制臺(tái)設(shè)計(jì) 5、軟件設(shè)計(jì)：模塊化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì) 6、系統(tǒng)調(diào)試：4、系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)4.1.3微型計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成和種類1、微型計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成：略4.1.3微型計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成和種類2、微型計(jì)算機(jī)的種類：按組裝形式分： a 單片機(jī)： b單板機(jī)： c 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：2、微型計(jì)算機(jī)的種類：第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件按處理機(jī)位數(shù)分：4、8、16、32、64按用途分：控制用和

4、數(shù)據(jù)處理用4.1.5 微機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域和選用要點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域：1、工業(yè)控制和機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)電一體化2、交通和能源設(shè)備的機(jī)電一體化3、家用電器的機(jī)電一體化4、商用產(chǎn)品的機(jī)電一體化5、儀器、儀表的機(jī)電一體化6、辦公自動(dòng)化設(shè)備的機(jī)電一體化7、信息處理自動(dòng)化設(shè)備8、導(dǎo)航與控制按處理機(jī)位數(shù)分：4、8、16、32、64選用要點(diǎn)： 4位機(jī)常用于較簡單、規(guī)模較小的系統(tǒng)，16位或32位及64位機(jī)主要用于較復(fù)雜的大系統(tǒng)，8位機(jī)則用于中等規(guī)模的系統(tǒng)。 另外，對(duì)于一般的工業(yè)控制設(shè)備及機(jī)電產(chǎn)品、汽車機(jī)電一體化控制、智能儀表、計(jì)算機(jī)外設(shè)控制、磅秤自動(dòng)化、交通與能源管理等多采用8位機(jī)。選用要點(diǎn)：4.3 CPU的擴(kuò)展接口及相關(guān)芯片1

5、、輸入輸出接口： 在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，微機(jī)與外部設(shè)備、執(zhí)行元件和檢測傳感器之間都需要有I/O通道，以便交換信息。I/O接口應(yīng)包括I/O接口硬件電路和軟件兩方面的內(nèi)容。 I/O接口硬件電路主要由地址譯碼、I/O讀寫譯碼接口芯片（如數(shù)據(jù)緩沖器和數(shù)據(jù)鎖存器）組成。 通用I/O擴(kuò)展接口芯片主要有Intel的PPI8255、8155等。4.3 CPU的擴(kuò)展接口及相關(guān)芯片1、輸入輸出接口：a PPI8255芯片使用簡介。（Programmable Peripheral Interface）8255芯片可按照程序指定進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入輸出的三個(gè)獨(dú)立的端口A、B、C，每個(gè)端口都是8位。 通常，A或B為輸入、輸出數(shù)據(jù)

6、端口，C為控制或狀態(tài)信息端口，它在狀態(tài)字控制下，可分為兩個(gè)4位的端口，每個(gè)端口均有鎖存器，分別與A或B配合使用，可作為控制信號(hào)輸出或狀態(tài)信號(hào)輸入端口。 8255芯片的工作方式是通過CPU的控制字來指定的。在其內(nèi)有控制寄存器，接受來自CPU輸出的控制字，端口C是按照控制字來實(shí)現(xiàn)每一位的“復(fù)位”與“置位”控制的。a PPI8255芯片使用簡介。（Programmable第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件輸入輸出端口的尋址可通過A1、A0、RD、WR和CS不同組合實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)各種輸入輸出操作?？梢?，控制字寄存器只能寫不能讀，通過A1、A0組合可以指定8255三個(gè)端口之一和指定控

7、制字寄存器。輸入輸出端口的尋址可通過A1、A0、RD、WR和CS不同組合第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件 b I/O尋址方法。選擇I/O端口的方法就是I/O尋址方法，I/O地址是輸入端口或輸出端口的地址總稱，這些地址是用十六進(jìn)制數(shù)表示的。 使用8255的輸入輸出端口時(shí)，首先要通過初始化程序來規(guī)定A、B、C各個(gè)端口是輸入口還是輸出口，這種規(guī)定是通過將8位控制字代碼寫入控制寄存器來選擇8255的動(dòng)作狀態(tài)的，8255的工作狀態(tài)有三種，即0、1和2狀態(tài)。 0狀態(tài)為基本的輸入輸出方式，可將A、B、C高4位和C低4位分別作為輸入或輸出使用，如下表所示，通過不同的控制字可選擇不同的輸

8、入輸出端口。 b I/O尋址方法。選擇I/O端口的方法就是I/O尋址方第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件1狀態(tài)時(shí)為選通控制信號(hào)，狀態(tài)信號(hào)的I/O方式，端口A和端口B用于輸入或輸出，而端口A的動(dòng)作狀態(tài)由端口C（高4位）控制，端口B組的動(dòng)作狀態(tài)由端口C（低聲下氣位）控制。 2狀態(tài)時(shí)為雙向選通輸入輸出方式，只能使用端口A，就是說端口A由端口C控制。 上述最常用的是0工作狀態(tài)。1狀態(tài)時(shí)為選通控制信號(hào)，狀態(tài)信號(hào)的I/O方式，端口A和端 c 實(shí)現(xiàn)片選的方法。邏輯電路法：只使用于只有1個(gè)或2個(gè)8255的場合，如下圖譯碼器法：當(dāng)同時(shí)使用幾個(gè)8255時(shí)，用邏輯電路法選片使電路過于復(fù)雜，此時(shí)

9、可使用譯碼器來選片，如圖4-20所示。 c 實(shí)現(xiàn)片選的方法。第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件2、8155芯片使用簡介與8255相比，8155功能更強(qiáng)，它除了能提供并行接口，還能提供RAM存儲(chǔ)器的定時(shí)/計(jì)數(shù)器。8155芯片具有三個(gè)可編程I/O口，其中A口和B口為8位，C口為6位，此外還有256個(gè)單元的RAM和一個(gè)14位計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。單片機(jī)與8155的地址、命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息都通過地址總線口傳送。2、8155芯片使用簡介第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控

10、制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件引腳介紹 a 22條I/O總線，PA0-PA7為通用I/O線，PB0-PB7為通用I/O線；PC0-PC5為I/O數(shù)據(jù)/控制線，在通用I/O方式下，用作傳送I/O數(shù)據(jù)，在選通I/O方式下，用作傳送命令/狀態(tài)信息。 b 8條控制總線：RESET為總清0線，在RESET上輸入一個(gè)大于600ns的正脈沖，8155立即處于總清狀態(tài)，A、B、C三口也定義為輸入方式；CE為8155片選線，低電平工作，高電平不工作；IO/M為I/O端口或RAM的選通線，若為0，則CPU選中8155的RAM工作，若為1，則CPU選中8155片內(nèi)

11、某一寄存器工作。RD/WR是讀/寫命令輸入線；ALE為允許地址輸入線，高電平有效時(shí)，8155允許地址線上地址鎖存到地址鎖存器，否則，8155地址處于封鎖狀態(tài)，常與MCS-51同名端相連；T/IN是計(jì)數(shù)器輸入線，其上脈沖用于對(duì)8155片內(nèi)14位計(jì)數(shù)器減1；T/OUT為計(jì)數(shù)器輸出線，當(dāng)14位計(jì)數(shù)器計(jì)滿回0時(shí)其上輸出脈沖波形，輸出脈沖的形狀和計(jì)數(shù)器工作方式有關(guān)。引腳介紹8155RAM單元及I/O編址：8155RAM單元及I/O編址：8155命令字：8155命令字：8155狀態(tài)字8155狀態(tài)字8155工作方式： a 存儲(chǔ)器方式：8155的存儲(chǔ)器方式用于對(duì)片內(nèi)256字節(jié)的RAM單元進(jìn)行讀和寫，CPU通過

12、AD7-AD0上的地址選擇RAM中的任一單元讀寫。 b I/O方式：8155的I/O方式又可分為通用I/O和選通I/O兩種工作方式，如上表所示；通用I/O方式下，A、B、C三口用作輸入/輸出，由命令字決定；選通I/O方式下，由命令字D3D2狀態(tài)決定，A和B都可獨(dú)立工作于這種方式，此時(shí)，A和B用作數(shù)據(jù)口，C用作A和B的聯(lián)絡(luò)控制。此方式還可分為選通I/O數(shù)據(jù)輸入和選通I/O數(shù)據(jù)輸出。8155工作方式：8155內(nèi)部定時(shí)器的使用：減1計(jì)數(shù)，14位計(jì)數(shù)定時(shí)器共有4種工作方式，由定時(shí)器長度字高字節(jié)中的M2和M1兩位狀態(tài)決定，定時(shí)器長度字的低14位用于給定時(shí)器設(shè)置初值。定時(shí)器長度字格式如下圖所示：注意與MC

13、S-51定時(shí)器的不同之處。8155內(nèi)部定時(shí)器的使用：減1計(jì)數(shù)，14位計(jì)數(shù)第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件單片機(jī)與8155的連接單片機(jī)與8155的連接第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件3、地址鎖存器74LS373為地址鎖存器，如下圖所示，它是一片三態(tài)輸出8D觸發(fā)器，當(dāng)OE=0時(shí)，三態(tài)門導(dǎo)通，輸出線上為8位鎖存器的狀態(tài)，當(dāng)OE=1時(shí)，輸出呈高阻態(tài)，G為鎖存信號(hào)輸入線，G=1時(shí)鎖存器輸出等于D端輸入，G輸入端負(fù)跳變將輸入信息鎖存到8位鎖存器中。當(dāng)單片機(jī)在訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出高8位地址，P

14、0分時(shí)傳送低8位地址和指令字節(jié)。在ALE為高電平時(shí)，P0口輸出的地址有效，并由ALE的下降沿鎖存到地址鎖存器中，此時(shí)外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)線PSEN出現(xiàn)低電平，選通相應(yīng)的外部EPROM，相應(yīng)的指令字節(jié)出現(xiàn)在EPROM的數(shù)據(jù)線上，輸入到P0口，CPU將指令字節(jié)讀入指令寄存器。3、地址鎖存器第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件4.4 MCS-51的特點(diǎn)、系統(tǒng)構(gòu)成4.4 MCS-51的特點(diǎn)、系統(tǒng)構(gòu)成第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件4.5 數(shù)字顯示器及鍵盤的接口電路1、數(shù)字顯示器的結(jié)構(gòu)及其工作原理單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常使用LED、CRT和LCD等作為顯示器件。

15、其中LED和LCD成本低，配置靈活、與單片機(jī)接口方便，幫應(yīng)用廣泛。8位并行輸出口輸出不同的字節(jié)數(shù)據(jù)即可獲得不同的數(shù)字或字符，通常將控制發(fā)光二極管的8位字節(jié)數(shù)據(jù)稱為段選碼，共陽極與共陰極的段選碼為補(bǔ)數(shù)。4.5 數(shù)字顯示器及鍵盤的接口電路1、數(shù)字顯示器的結(jié)構(gòu)及其工第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件 a 靜態(tài)顯示法 所謂靜態(tài)顯示，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止，這種顯示方式每一位都需要一個(gè)8位輸出口控制，靜態(tài)顯示時(shí)，較小的電流能得到較高的亮度，所以由8255的輸出口直接驅(qū)動(dòng)，適用于顯示器位數(shù)很少（1或2位時(shí)）。如下圖所示 a 靜態(tài)顯示法第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選

16、擇與的設(shè)計(jì)-課件 b動(dòng)態(tài)顯示法： 當(dāng)顯示位數(shù)較多時(shí)，用靜態(tài)顯示所需的I/O口就較多，這時(shí)一般采用動(dòng)態(tài)顯示方法，所謂動(dòng)態(tài)顯示法，就是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器，對(duì)于每一位來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次，顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也和點(diǎn)亮的時(shí)間與間隔時(shí)間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度較高的較穩(wěn)定的顯示。若顯示器的位數(shù)不大于8位，則控制顯示公共極電位只需一個(gè)8位并口（稱掃描口）；控制各位顯示器所顯示的字形也需一個(gè)共用的8位口（稱數(shù)據(jù)口）。如下圖所示 b動(dòng)態(tài)顯示法：第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件指令如下：指

17、令如下：2 、鍵盤、顯示器接口電路8279芯片為專用鍵盤顯示控制芯片，最大配置為8X8，所描線由SL0-SL2通過3-8譯碼器提供，接入鍵盤列線（可設(shè)掃描線為列線），查詢線由反饋輸入線RL0-RL7提供，接入鍵盤行線（設(shè)定查詢線為行線）。具體接線如下圖所示： a 命令字、狀態(tài)字口地址為7FFFH；數(shù)據(jù)輸入輸出口地址為7FFEH； b B0-B3依次接顯示器段選項(xiàng)端a,b,c,d;B4-B7依次接e,f,g, dp2 、鍵盤、顯示器接口電路8279芯片為專用鍵盤顯示控制芯片第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件3、行列式鍵盤接口電路行列式鍵盤又叫矩陣鍵盤，用I/O口線組成行、列

18、結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。 a 鍵盤工作原理：將列線的所有I/O線均置成低電平，然后將行線電平狀態(tài)讀入累加器A中，如果有鍵被按下，總會(huì)有一根行線電平被拉至低電平，從而使行輸入不全為1。方法是依次給列線送低電平，然后查所有行線狀態(tài)，如果全為1，則所按下的鍵不在此列，如果不全為1，則所按下的鍵必在此列。3、行列式鍵盤接口電路行列式鍵盤又叫矩陣鍵盤，用I/O口線組第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件b 鍵盤工作方式編程掃描方式、定時(shí)掃描方式和中斷掃描方式三種，下面介紹一下編程掃描方式。b 鍵盤工作方式第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件第4章-機(jī)電一體化系

19、統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件4.7微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的輸入輸出控制的可靠性設(shè)計(jì) 微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的輸入輸出是通過硬件電路和軟件共同完成的，對(duì)其硬件電路的要求是：a 能夠可靠地傳遞控制信息，并能夠輸入有關(guān)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的狀態(tài)信息；b能夠進(jìn)行相應(yīng)的信息轉(zhuǎn)換，以滿足微機(jī)對(duì)輸入輸出信息的轉(zhuǎn)換要求，如D/A，A/D轉(zhuǎn)換，并行數(shù)字量轉(zhuǎn)換成串行電脈沖、電平的轉(zhuǎn)換與匹配，電量與非電量之間的轉(zhuǎn)換，弱電與強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換以及功率的匹配等到；c應(yīng)具有較強(qiáng)的阻斷干擾信號(hào)進(jìn)入微機(jī)控制系統(tǒng)的能力，以提高系統(tǒng)的可靠性。4.7微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的輸入輸出控制的可靠性設(shè)計(jì) 微機(jī)應(yīng)1、光電隔離電路設(shè)計(jì)光電隔離電路：如下圖所示為了防止強(qiáng)電干擾及其它干

20、擾信號(hào)通過I/O控制電路進(jìn)入計(jì)算機(jī)，通常的辦法是首先采用濾波吸收，抑制干擾信號(hào)的產(chǎn)生，然后用光電隔離的辦法，使微機(jī)與強(qiáng)電部件不共地，阻斷干擾信號(hào)的傳導(dǎo)。其作用有： a 可將輸入與輸出端兩部分電路的地線分開，各自使用一套電源供電。 b 可進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。 c 提高驅(qū)動(dòng)能力。1、光電隔離電路設(shè)計(jì)第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件光電耦合隔離電路的應(yīng)用 采用光電耦合器可以將微機(jī)與前向、后向通道及其它相關(guān)部分切斷與電路的聯(lián)系，從而有效地防止干擾信號(hào)進(jìn)入微機(jī)，基本配置如下圖所示。 光電耦合隔離電路的應(yīng)用第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微

21、機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件2、信息轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)弱電轉(zhuǎn)強(qiáng)電電路微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的微機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)一般要經(jīng)過功率放大后，才能驅(qū)動(dòng)各類執(zhí)行元件，如下圖所示2、信息轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換在控制系統(tǒng)中，應(yīng)用微機(jī)很容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字脈沖的轉(zhuǎn)換工作，即使CPU定時(shí)地向某一個(gè)I/O口的某一二進(jìn)制位輸出高低電平相間的邏輯信號(hào)，就可產(chǎn)生一個(gè)脈沖序列，具體應(yīng)用如下圖所示。數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)換D/A、A/D轉(zhuǎn)換 微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中I/O控制回路中，還常用到D/A、A/D轉(zhuǎn)換，如下圖所示。D/A、A/D轉(zhuǎn)換電量轉(zhuǎn)非電量如

22、下圖所示。電量轉(zhuǎn)非電量應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件4.8常用檢測傳感器的性能特點(diǎn)、選用及其微機(jī)接口4.8.1檢測傳感器的分類 傳感器是將機(jī)電一體化系統(tǒng)中被檢測對(duì)象的各種物理變化量變?yōu)殡娦盘?hào)的一種變換器。按作用可分為檢測機(jī)電一體化系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的內(nèi)部信息傳感器和檢測作業(yè)對(duì)象和外部環(huán)境的外部信息傳感器。按輸出信號(hào)的性質(zhì)可將傳感器分為開關(guān)型，模擬型和數(shù)字型。按傳感器的用途分類一般是按被測物理量分類。4.8常用檢測傳感器的性能特點(diǎn)、選用及其微機(jī)接口4.8.1檢第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的

23、設(shè)計(jì)-課件第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件4.8.3傳感器的選用原則及注意事項(xiàng)因?yàn)閭鞲衅魃a(chǎn)廠家所生產(chǎn)的系列產(chǎn)品已為用戶作了許多相當(dāng)復(fù)雜的工作，用戶只需根據(jù)使用要求按其主要性能參數(shù)，如測量范圍、精度、分辨力、靈敏度等選用即可。傳感器性能參數(shù)指標(biāo)包含的面很寬，對(duì)于具體的某種傳感器，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的需要和可能，在確保其主要性能指標(biāo)的前提下，適當(dāng)主寬對(duì)次要性能的要求，切忌盲目要求各種特性參數(shù)均高指標(biāo)，以形成較高的性能價(jià)格比。4.8.3傳感器的選用原則及注意事項(xiàng)因?yàn)閭鞲衅魃a(chǎn)廠家所生產(chǎn)此外，還可采取一些技術(shù)來改善傳感器的性能，

24、這些技術(shù)如下：平均技術(shù)：有誤差平均效應(yīng)和數(shù)據(jù)平均處理。差動(dòng)技術(shù)：抵消共模誤差、減小非線性。屏蔽和隔離：穩(wěn)定性處理此外，還可采取一些技術(shù)來改善傳感器的性能，這些技術(shù)如下：4.8.4傳感器的測量電路傳感器的輸出信號(hào)不同，其測量電路也有模擬型測量電路、數(shù)字型測量電路和開關(guān)型測量電路之分。模擬型測量電路：數(shù)字型測量電路：開關(guān)型測量電路：轉(zhuǎn)換電路：a 電橋 b 放大電路 c調(diào)制與解調(diào)電路 d A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路4.8.4傳感器的測量電路傳感器的輸出信號(hào)不同，其測量電路也4.8.5傳感器的微機(jī)接口輸入到微機(jī)的信息必須是微機(jī)能夠處理的數(shù)字量信息，傳感器的輸出形式可分為模擬量、數(shù)字量和開關(guān)量，與此相對(duì)應(yīng)的

25、接口與下表：4.8.5傳感器的微機(jī)接口輸入到微機(jī)的信息必須是微機(jī)能夠處理第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件根據(jù)模擬量轉(zhuǎn)換、輸入的精度、速度和通道等因素，可有下表的四種轉(zhuǎn)換輸入方式，每種輸入方式的基本組成元件是相同的。輸入擴(kuò)大器（衰減器）抗頻混濾波器采樣保持電路模擬多路開關(guān)根據(jù)模擬量轉(zhuǎn)換、輸入的精度、速度和通道等因素，可有下表的四種模擬多路開關(guān)：CC4046型四雙向模擬開關(guān)的引腳如下圖，每一個(gè)模擬開關(guān)都相當(dāng)于一個(gè)可控的單擲開關(guān)，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)組合，可構(gòu)成各種模擬多路開關(guān)。同時(shí)，為了用較少的控制信號(hào)來選通多路開關(guān)，可加一個(gè)譯碼器，集成電路CC4051就是帶有譯碼電路的八選一多路

26、開關(guān)。模擬多路開關(guān)：CC4046型四雙向模擬開關(guān)的引腳如下圖，每一第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件信號(hào)采樣保持電路所謂采樣，就是把時(shí)間連續(xù)的信號(hào)變成一串不連續(xù)的脈沖時(shí)間序列的過程。信號(hào)采樣是通過采樣開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的，采樣開關(guān)又稱采樣器，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)模擬開關(guān)，每隔T閉合一次，每次閉合時(shí)間t，其中T為采樣周期，其倒數(shù)為采樣頻率，t為采樣時(shí)間或采樣寬度，采樣后的脈沖序列稱為采樣信號(hào)，這是一個(gè)離散的模擬信號(hào)，它是時(shí)間軸上是離散的，在函數(shù)軸上是連續(xù)的，因而還需要A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。因A/D轉(zhuǎn)換過程需要一定的時(shí)間，為防止

27、產(chǎn)生誤差，要求在此期間內(nèi)保持采樣信號(hào)不變，這就要用到采樣/保持電路。信號(hào)采樣保持電路所謂采樣，就是把時(shí)間連續(xù)的信號(hào)變成一串不連續(xù)第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件A/D轉(zhuǎn)換器及其與微機(jī)的連接A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的重要器件，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換有多種形式，A/D轉(zhuǎn)換芯片也有許多型號(hào)，其技術(shù)參數(shù)主要有：分辨力，相對(duì)精度，輸入電壓，轉(zhuǎn)換時(shí)間，輸入電阻，供電壓等，其中分辨力和轉(zhuǎn)換時(shí)間兩項(xiàng)最為關(guān)鍵。分辨力是指轉(zhuǎn)換微小輸入量變化的敏感程度，用數(shù)字量來表示，如8位，12位

28、和16位等。轉(zhuǎn)換時(shí)間是指A/D轉(zhuǎn)換的工作時(shí)間，它對(duì)所能轉(zhuǎn)換的最高信號(hào)頻率有影響，時(shí)間的倒數(shù)對(duì)應(yīng)最轉(zhuǎn)換頻率。A/D轉(zhuǎn)換器及其與微機(jī)的連接A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件4.8.6常用的傳感器及其檢測系統(tǒng)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的控制對(duì)象主要是伺服驅(qū)動(dòng)單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，受控變量通常是機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如位移、速度、加速度、運(yùn)動(dòng)軌跡，以及機(jī)器操作和加工過程參數(shù)等，這些運(yùn)動(dòng)參數(shù)可以用旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、測速發(fā)電機(jī)、光柵、磁柵、編碼器等到來檢測。所獲得的信息，在開環(huán)控制系統(tǒng)中可用于數(shù)字顯示或誤差補(bǔ)償，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中則作為反饋信息，它與指令值進(jìn)行

29、比較后來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。4.8.6常用的傳感器及其檢測系統(tǒng)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，控制系一、旋轉(zhuǎn)變壓器檢測系統(tǒng) 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種利用電磁感應(yīng)原理將轉(zhuǎn)角變換為電壓信號(hào)的傳感器。由于它結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作靈敏，對(duì)環(huán)境無特殊要求，輸出信號(hào)大，抗干擾性好，因此被廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中。一、旋轉(zhuǎn)變壓器檢測系統(tǒng) 旋轉(zhuǎn)變壓器是一種利用電磁感應(yīng)原理將轉(zhuǎn)1、旋轉(zhuǎn)變壓器的構(gòu)造和工作原理旋轉(zhuǎn)變壓器在結(jié)構(gòu)上與兩相繞組式異步電機(jī)相似，由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子和轉(zhuǎn)子這間的氣隙中磁通分布符合正弦規(guī)律。在定子上有激磁繞組S1-S2和輔助繞組K1-K2，兩個(gè)繞組的軸線正交；轉(zhuǎn)子上也有兩個(gè)互相垂直的繞組A1-A2和B-B2，如下圖所示。工

30、作時(shí)，在定子繞組施加交流激磁電壓，通過電磁耦合，在轉(zhuǎn)子繞組上就感應(yīng)出與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角相對(duì)應(yīng)的電壓。轉(zhuǎn)子繞組與滑環(huán)相連，再經(jīng)電刷引到接線板上與檢測電路相連。1、旋轉(zhuǎn)變壓器的構(gòu)造和工作原理第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理與普通變壓器相似，定子繞組相當(dāng)于變壓器的原邊，轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于變壓器的副邊。所不同的是：普通變壓器的輸入、輸出兩個(gè)繞組的位置是固定的，其輸出電壓與輸入電壓之比是一個(gè)常數(shù)，而旋轉(zhuǎn)變壓器的輸入、輸出繞組分別固定在定子和轉(zhuǎn)子上，所以輸出電壓大小與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理與普通變壓器相似，定子繞組相當(dāng)于變壓器的以左圖兩極旋轉(zhuǎn)變壓器為例，設(shè)施加在

31、定子繞組中的激勵(lì)電壓是頻率、隨時(shí)間t變化的交流電壓Us=Umsin t，則轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢為UB=KUssin=KUmsinsin t式中，K-變壓比，Um-定子繞組中交變電壓的幅值；-轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角，當(dāng)轉(zhuǎn)子和定子的磁軸垂直時(shí)為0。以左圖兩極旋轉(zhuǎn)變壓器為例，設(shè)施加在定子繞組中的激勵(lì)電壓是頻率由上式可知，轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢UB也是頻率為、隨時(shí)間t變化的交變電壓信號(hào)，其幅值KUmsin隨著轉(zhuǎn)子和定子的相對(duì)位置按正弦函數(shù)變化。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組中接以負(fù)載時(shí)，其繞組中便有正弦感應(yīng)電流通過，該電流所產(chǎn)生的交變磁通將使定子和轉(zhuǎn)子間氣隙中的合成磁通畸變，從而使轉(zhuǎn)子繞組中輸出電壓也發(fā)生畸變。為了克服上述缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用

32、中常采用四極繞組式旋轉(zhuǎn)變壓器，其定子和轉(zhuǎn)子繞組均由兩個(gè)匝數(shù)相等，且互相垂直的繞組構(gòu)成，一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組作為輸出信號(hào)，另一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組接高阻抗作為補(bǔ)償。由上式可知，轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢UB也是頻率為、隨時(shí)間t變2、測量方式和檢測系統(tǒng) a、鑒相測量方式這種測量方式是根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電勢的相位來確定被測轉(zhuǎn)角的大小。2、測量方式和檢測系統(tǒng) a、鑒相測量方式由上式可知，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢UB與定子繞組中的激磁電壓同頻率，但相位不同，相位差就是被測角位移的大小。使用鑒相式旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)角位置控制系統(tǒng)如下圖所示，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意，UB是變量的周期函數(shù)，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，UB值周期性地變化一次，

33、因此，不但要測出UB的大小，而且要測出UB的周期性變化次數(shù)，或者將被測角位移限制在180度之內(nèi)，即每次測量過程中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度小于半周。由上式可知，旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢UB與定子繞組中的第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件 b、鑒幅測量方式鑒幅測量方式是通過檢測旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電勢的幅值來實(shí)現(xiàn)角位移檢測的，這時(shí)，定子繞組S1-S2和K1-K2分別輸入頻率和相位相同、幅值不同的交變激磁電壓 b、鑒幅測量方式由上式可知，轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢UB是以為角頻率的交變信號(hào)，其幅值為UBm=Umsin(-)。值得注意的是，UBm是變量的周期函數(shù)，當(dāng)大于180度時(shí)，將會(huì)

34、造成對(duì)的跟隨錯(cuò)誤，例如，當(dāng)180= 360度時(shí)， 可能出現(xiàn)跟隨失步。另外， 值較大時(shí)， 跟隨 的線性度不好，跟隨誤差大，這將使伺服系統(tǒng)的性能受到影響。因此，用于機(jī)床伺服系統(tǒng)的鑒幅式旋轉(zhuǎn)變壓器的 常選得很小，一般不超過3度。但這不影響使用，因?yàn)楸M管每次被測對(duì)象轉(zhuǎn)過的角度很小，但轉(zhuǎn)過N次后，其總的角位移量值可以很大。由上式可知，轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電勢UB是以為角頻率的交變信號(hào)二、感應(yīng)同步器檢測系統(tǒng)1、感應(yīng)同步器的構(gòu)造感應(yīng)同步器是一種應(yīng)用電磁感應(yīng)原理來測量位移的高精度檢測元件，有直線式和圓盤式兩類，分別用來檢測直線位移和角位移。 直線感應(yīng)同步器由定尺和滑只兩部分組成。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的直線感應(yīng)同步器，定尺一般

35、為250mm長，上面均勻分布節(jié)距W為2mm的繞組；滑尺長100mm，表面布有兩個(gè)繞組，即正弦繞組和余弦繞組，如圖36所示。當(dāng)余弦繞組與定尺繞組相位相同時(shí)，正弦繞組與定尺繞組錯(cuò)開14節(jié)距。二、感應(yīng)同步器檢測系統(tǒng)1、感應(yīng)同步器的構(gòu)造第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件圓盤式感應(yīng)同步器如圖37所示，其轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線感應(yīng)同步器的定尺，定子相當(dāng)于滑尺，而且定子繞組中的兩個(gè)繞組也錯(cuò)開14節(jié)距。直線感應(yīng)同步器的安裝應(yīng)保證定尺與滑尺平行且有一定的間隙，間隙約為0250.05mm。如果測量長度大于250mm，可以采用多塊定尺接長，相鄰定尺間隔可用塊規(guī)或激光測長儀進(jìn)行調(diào)整，使拼接后總長度的精度

36、保持(或略低于)單塊定尺的精度。尺與尺之間的繞組連接方式是:若定尺少于10塊，將各繞組串聯(lián)連接;若定尺多于10塊，先將各繞組分成兩組串聯(lián)，然后將此兩組再并聯(lián)，以不使定尺繞組阻抗過高為原則。圓盤式感應(yīng)同步器如圖37所示，其轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線感應(yīng)同步器的第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件2、感應(yīng)同步器的工作原理當(dāng)向滑尺上的繞組通以一定頻率的交流電壓后，就在感應(yīng)同步器中產(chǎn)生了一個(gè)磁場，該磁場以同步速度移動(dòng)并切割定尺導(dǎo)片，由于電磁感應(yīng)，在定尺上將感應(yīng)出相同頻率的感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓的值隨滑尺與定尺的相對(duì)位置不同而變化，如下圖所示。感應(yīng)同步器就是利用這個(gè)感應(yīng)電壓的變化來進(jìn)行位置檢測的。2

37、、感應(yīng)同步器的工作原理當(dāng)向滑尺上的繞組通以一定頻率的交流電第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件 3、測量方式和檢測系統(tǒng) a、鑒相測量方式在鑒相測量系統(tǒng)中，供給滑尺的正、余弦繞組的激磁信號(hào)是頻率和幅值相同、相位差為90度的交流電壓，即：Us=Umsint, Uc=Umcost開始時(shí)，正弦激磁繞組與定尺繞組重合，=0，即兩繞組間的相位角為0。當(dāng)滑尺移動(dòng)時(shí)，兩繞組不再重合，此時(shí)在定尺上感應(yīng)電壓為：U2s=KUscos=KUmsintcos同理，由于余弦激磁繞組與定子繞組空間相差1/4節(jié)距，在定尺上感應(yīng)電壓為：U2c=KUccos(+90)=-KUmcostsin式中，K為電磁耦合

38、系數(shù)，Um為最大瞬時(shí)電壓；為兩尺空間相位角 3、測量方式和檢測系統(tǒng)由于感應(yīng)同步器的磁路系統(tǒng)可視為線性的，根據(jù)疊加原理，定尺上感應(yīng)總電壓為：U2=U2s+U2c=KUmsintcos-KUmcostsin=KUmsin(t-)若感應(yīng)同步器的節(jié)距為W，則滑尺直線位移量x和的關(guān)系為：=2x/W,從上可知，可通過測量定尺上的感應(yīng)電壓的相位來測得滑尺和定尺間的相對(duì)位移。如下圖所示：由于感應(yīng)同步器的磁路系統(tǒng)可視為線性的，根據(jù)疊加原理，定尺上感第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件 b、鑒幅測量方式： 在鑒幅測量系統(tǒng)中，供給滑尺的正、余弦繞組的激磁信號(hào)是頻率和相位相同而幅值不同的交流電壓，

39、根據(jù)定尺上感應(yīng)電壓的幅值變化來測量滑尺和定尺之間的相對(duì)位移，加在滑尺正、余弦繞組激勵(lì)電壓幅值的大小，應(yīng)分別與工作臺(tái)移動(dòng)的指令x1（對(duì)應(yīng)的位移為1）成正、余弦關(guān)系：Us=Umsin 1sint, Uc=Umcos1sint 當(dāng)滑尺移動(dòng)時(shí)，定尺上感應(yīng)電壓U2隨滑尺移動(dòng)距離x（對(duì)應(yīng)的位移角為），即：U2=U2s+U2c=KU Umsin 1sintcos-K Umcos1sintsin=KUmsintsin(1-) b、鑒幅測量方式：從上可知，定尺上感應(yīng)電壓的幅KUmsin(1-)按正弦規(guī)律隨指令位移量x1(1)與工作臺(tái)實(shí)際位移量x()之差變化，因此，可以通過測量U2的幅值來測得定尺和滑尺之間的相對(duì)

40、位移。從上可知，定尺上感應(yīng)電壓的幅KUmsin(1-)按正弦規(guī)第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件三、光柵檢測系統(tǒng)目前，在高精度的位置檢測系統(tǒng)中，大量使用光柵作為檢測反饋元件，光柵與旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器不同，它是一種將機(jī)械位移或模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字脈沖的測量裝置。常見的光柵從形狀上可分為長光柵和圓光柵，前者用于檢測直線位移，后者用于檢測角位移，光柵的精度比較高，可達(dá)1um。三、光柵檢測系統(tǒng)目前，在高精度的位置檢測系統(tǒng)中，大量使用光柵1、光柵的構(gòu)造如右圖所示，主要由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭組成，標(biāo)尺光柵和指示光柵應(yīng)相互平行并保持0.05mm或0.1mm的間隙。1、光柵的構(gòu)造如右圖所

41、示，主要由標(biāo)尺光柵和光柵讀數(shù)頭組成，標(biāo)2、工作原理常見光柵都是根據(jù)物理學(xué)莫爾條紋的形成原理進(jìn)行工作的。莫爾條紋的形成原因，對(duì)于粗光柵主要是擋光積分效應(yīng)，對(duì)于細(xì)光柵則是光線通過線紋衍射后，產(chǎn)生干涉的結(jié)果。粗光柵形成莫爾條紋的原因如下圖所示。2、工作原理常見光柵都是根據(jù)物理學(xué)莫爾條紋的形成原理進(jìn)行工作第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件莫爾條紋的特性：當(dāng)用平行光束照射光柵時(shí)，所形成莫爾條紋的光強(qiáng)近似呈正弦分布。放大作用。平均效應(yīng)。莫爾條紋的移動(dòng)與兩光柵尺之間的相對(duì)移動(dòng)相對(duì)應(yīng)，即兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距d時(shí)，莫爾條紋便相應(yīng)地移動(dòng)一個(gè)節(jié)距W，其方向與光柵尺相對(duì)移動(dòng)的方向垂直。莫爾條

42、紋的特性：3、檢測系統(tǒng)如下圖所示，它是一個(gè)數(shù)字信號(hào)檢測系統(tǒng)，由多路采集細(xì)分電路、放大環(huán)節(jié)、整形環(huán)節(jié)和辨向電路組成。這種利用多個(gè)傳感器對(duì)同一被測量同時(shí)采集多路相位不同的信號(hào)而實(shí)現(xiàn)細(xì)分方法稱作多路信號(hào)采集細(xì)分。通常n=4，放大環(huán)節(jié)常采用差動(dòng)放大器，整形環(huán)節(jié)將正弦波轉(zhuǎn)換成相位相同的矩形波，用過零比較器來實(shí)現(xiàn)。3、檢測系統(tǒng)如下圖所示，它是一個(gè)數(shù)字信號(hào)檢測系統(tǒng)，由多路采集第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件通過對(duì)“或”

43、門輸出的脈沖進(jìn)行加、減計(jì)數(shù)，便可獲得相對(duì)位移量及位移方向，如果該系統(tǒng)中光柵柵距d=0.02mm,則經(jīng)過4細(xì)分后，每個(gè)計(jì)數(shù)脈沖代表的位移量為d/4=0.005mm，從而使檢測系統(tǒng)分辨力提高了4倍。另外， 對(duì)“或”門輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)可采用二進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，正向脈沖信號(hào)使計(jì)數(shù)器做加法計(jì)數(shù)，反向脈沖信號(hào)使計(jì)數(shù)器做減法計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器的內(nèi)容為0時(shí)，工作臺(tái)處于坐標(biāo)原點(diǎn)。通過對(duì)“或”門輸出的脈沖進(jìn)行加、減計(jì)數(shù)，便可獲得相對(duì)位移量及四、磁柵檢測系統(tǒng) 磁柵是利用電磁特性來進(jìn)行位置檢測的。先在磁性標(biāo)尺的磁膜上用錄磁磁頭記錄一定波長的矩形或正弦形電信號(hào)，作為測量的基準(zhǔn)標(biāo)尺，檢測時(shí)用拾磁磁頭將記錄在磁性標(biāo)尺上的信號(hào)讀出

44、，通過檢測電路得到位移量，供數(shù)字顯示或控制之用。磁柵可用于直線位移和角位移的測量，具有精度高、復(fù)制簡單、安裝調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)。四、磁柵檢測系統(tǒng) 磁柵是利用電磁特性來進(jìn)行位置檢測的。先在磁1、磁柵的構(gòu)造和工作原理磁柵位置檢測裝置由磁性標(biāo)尺、磁頭和檢測電路組成，如下圖所示。磁尺按形狀不同可分為直線位移測量用的平面實(shí)體型磁尺、帶狀磁尺和線狀磁尺，以及用于角位移測量的圓型磁尺。磁頭是進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的變換器，它把反映空間位置的磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸送到檢測電路中去。分速度響應(yīng)型磁頭和磁通響應(yīng)型磁頭。1、磁柵的構(gòu)造和工作原理磁柵位置檢測裝置由磁性標(biāo)尺、磁頭和檢輸出信號(hào)電壓為：U=U0sin(2x/)sintU0

45、為感應(yīng)電壓系數(shù)，為磁尺上磁化信號(hào)節(jié)距，x為磁頭相對(duì)磁尺的位移，/2為激磁電流頻率輸出信號(hào)電壓為：辨向磁頭配置 這種調(diào)制輸出信號(hào)跟磁頭與磁尺的相對(duì)速度無關(guān)，只要計(jì)算出振幅變化的次數(shù)，并以寫入的波長為單位，就可算出位移量。為了鑒別磁頭在磁尺上的移動(dòng)方向，通常采用間距為（m+1/4）的兩組磁頭，如下圖所示，m為任意整數(shù)，從而得兩個(gè)磁頭的輸出信號(hào)為U1=U0sin(2x/)sintU2=U0 cos(2x/)sintU1和U2是相位差90度的兩列脈沖，至于哪個(gè)導(dǎo)前，則取決于磁尺的移動(dòng)方向，根據(jù)兩磁頭輸出信號(hào)的超前或滯后，可確定其移動(dòng)方向。辨向磁頭配置 這種調(diào)制輸出信號(hào)跟磁頭與磁尺的相對(duì)速度無關(guān)，只2、

46、測量方式和檢測系統(tǒng) a、鑒相測量方式采用相位檢測的精度可以大大高于錄磁節(jié)距，并可以通過提高內(nèi)插脈沖頻率來提高系統(tǒng)的分辨率，系統(tǒng)如下圖所示：將圖中一組磁頭的激磁信號(hào)移相90度，則得到輸出電壓為：U1=U0sin(2x/)cost, U2=U0cos(2x/)sint2、測量方式和檢測系統(tǒng) a、鑒相測量方式在求和電路中相加，則得到磁頭總輸出電壓為：U=U0sin(2x/+t）所以，合成輸出電壓U的幅值恒定，而相位隨磁頭與磁尺的相對(duì)位置x變化而變。該輸出信號(hào)與旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器的讀取繞組中取出的信號(hào)相似，所以其檢測系統(tǒng)也相同。在求和電路中相加，則得到磁頭總輸出電壓為：第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)

47、控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件 b、鑒幅測量方式（了解）如前所述，磁頭有兩組信號(hào)輸出，將高頻載波濾掉后，則得到相位差為90度的兩組信號(hào)：U1=U0sin(2x/）U2=U0cos(2x/）檢測系統(tǒng)如下圖所示，這種方法的線路比較簡單，但分辨率受到錄磁節(jié)距的限制，若要提高分辨率就必須采用較復(fù)雜的倍頻電路，故不常采用。 b、鑒幅測量方式（了解）第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件五、編碼器檢測系統(tǒng)編碼器是一種碼盤式角度數(shù)字檢測元件，它有兩種基本類型：一種是增量式編碼器，一種是絕對(duì)值式編碼器。增量式具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低、精度易于保證等優(yōu)點(diǎn)，所以目前采用最多；絕對(duì)值式編碼器能直接給出對(duì)

48、應(yīng)于每個(gè)轉(zhuǎn)角的數(shù)字信息，便于計(jì)算機(jī)處理，但當(dāng)進(jìn)給轉(zhuǎn)數(shù)大于一轉(zhuǎn)時(shí)，須作特別處理，而且必須用減速齒輪將兩個(gè)以上的編碼器連接起來，組成多級(jí)檢測裝置，使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。五、編碼器檢測系統(tǒng)編碼器是一種碼盤式角度數(shù)字檢測元件，它有1、增量式編碼器增量式編碼器是指隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的碼盤給出一系列脈沖，然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向用計(jì)數(shù)器對(duì)這些脈沖進(jìn)行加減計(jì)數(shù)，以此來表示轉(zhuǎn)過的角位移量，工作原理如下圖。它由主碼盤、鑒向盤、光學(xué)系統(tǒng)和光電變換器組成，把此正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)分別輸入到雙時(shí)鐘可逆計(jì)數(shù)器的正、反向計(jì)數(shù)端進(jìn)行計(jì)數(shù)，則可得到轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度，為了能得到絕對(duì)轉(zhuǎn)角（角位移），應(yīng)在起始位置時(shí)對(duì)可逆計(jì)數(shù)器清零。1、增量式編碼器第

49、4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件利用增量式編碼器還可測量軸的轉(zhuǎn)速，方法有以下兩種： a、時(shí)鐘脈沖在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)打開選通門，同時(shí)在每次計(jì)數(shù)之前清除計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器在給定的時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)編碼器所產(chǎn)生的脈沖計(jì)數(shù)，然后按下式求出轉(zhuǎn)速： n=N1/N60/t(r/min)式中，t 是測速時(shí)間，即采樣時(shí)間；N1是在t 時(shí)間內(nèi)測得的脈沖數(shù)；N是編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)。這種方法的測量精度與被測轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，脈沖頻率變低，測速誤差變大。（見圖a）利用增量式編碼器還可測量軸的轉(zhuǎn)速，方法有以下兩種：第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選

50、擇與的設(shè)計(jì)-課件 b、這種方法是測量編碼器脈沖間隔時(shí)間，按下式求得：n=N2/N60/T(r/min)式中，N2表示脈沖間隔數(shù)，N表示編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，T為測量時(shí)間值。在測量高轉(zhuǎn)速時(shí)，一般以測多個(gè)脈沖間隔來提高精度。 b、這種方法是測量編碼器脈沖間隔時(shí)間，按下式求得：第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件2、絕對(duì)值式編碼器它是通過讀取編碼盤上的圖案信息來表示數(shù)值的，有三種類型：光電編碼器、磁性編碼器和接觸式編碼器，目前使用最多的是光電編碼器。2、絕對(duì)值式編碼器第4章-機(jī)電一體化系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇與的設(shè)計(jì)-課件圖4-15 光柵測量原理 圖4-15 光柵測量原理 圖4-16

51、 莫爾條紋示意圖4-16 莫爾條紋示意光柵莫爾條紋的特點(diǎn)是起放大作用,用W表示條紋寬度,P表示柵距,表示光柵條紋間的夾角,則有若P0.01mm,把莫爾條紋的寬度調(diào)成10mm,則放大倍數(shù)相當(dāng)于1000倍,即利用光的干涉現(xiàn)象把光柵間距放大1000倍,因而大大減輕了電子線路的負(fù)擔(dān)。 光柵測量系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖4-17所示。 (4-10) 光柵莫爾條紋的特點(diǎn)是起放大作用,用W表示條紋寬度,P表示圖4-17 光柵測量系統(tǒng)圖4-17 光柵測量系統(tǒng)滑尺表面刻有兩個(gè)繞組,即正弦繞組和余弦繞組,見圖4-18。 滑尺表面刻有兩個(gè)繞組,即正弦繞組和余弦繞組,見圖4-18圖4-18 感應(yīng)同步器原理圖圖4-18 感應(yīng)同

52、步器原理圖圓盤式感應(yīng)同步器如圖4-19所示,其轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線感應(yīng)同步器的滑尺,定子相當(dāng)于定尺,而且定子繞組中的兩個(gè)繞組也錯(cuò)開1/4節(jié)距。圓盤式感應(yīng)同步器如圖4-19所示,其轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線感應(yīng)同圖4-19 圓盤式感應(yīng)同步器（a） 定子； （b） 轉(zhuǎn)子圖4-19 圓盤式感應(yīng)同步器（1） 鑒相式。 所謂鑒相式,就是根據(jù)感應(yīng)電勢的相位來鑒別位移量。即uA=Umsint,uB=Umcost時(shí),則定尺上的繞組由于電磁感應(yīng)作用將產(chǎn)生與激磁電壓同頻率的交變感應(yīng)電勢。圖4-20說明了感應(yīng)電勢幅值與定尺和滑尺相對(duì)位置的關(guān)系。 （1） 鑒相式。 所謂鑒相式,就是根據(jù)感應(yīng)電勢的相位來鑒圖4-20 滑尺繞組位置與定尺感

53、應(yīng)電勢幅值的變化關(guān)系圖4-20 滑尺繞組位置與定尺感應(yīng)電勢幅值的變化關(guān)系滑尺在定尺上每滑動(dòng)一個(gè)節(jié)距,定尺繞組感應(yīng)電勢就變化了一個(gè)周期,即 eA=Ku Acos （4-11）式中: ;K滑尺和定尺的電磁耦合系數(shù)； 滑尺和定尺相對(duì)位移的折算角。若繞組的節(jié)距為W,相對(duì)位移為l,則 （4-12）滑尺在定尺上每滑動(dòng)一個(gè)節(jié)距,定尺繞組感應(yīng)電勢就變化了一個(gè)同樣,當(dāng)僅對(duì)正弦繞組B施加交流激磁電壓UB時(shí),定尺繞組感應(yīng)電勢為e B=-Ku B sin （4-13）對(duì)滑尺上兩個(gè)繞組同時(shí)加激磁電壓,則定尺繞組上所感應(yīng)的總電勢為e =e A+eB=Ku A cos-KuBsin =KUm sint cos-KU m c

54、ostsin =KUm sin (t-)（4-14）從上式可以看出,感應(yīng)同步器把滑尺相對(duì)定尺的位移l的變化轉(zhuǎn)成感應(yīng)電勢相角的變化。因此,只要測得相角,就可以知道滑尺的相對(duì)位移l： （4-15）同樣,當(dāng)僅對(duì)正弦繞組B施加交流激磁電壓UB時(shí),定尺繞組感（2）鑒幅式。 在滑尺的兩個(gè)繞組上施加頻率和相位均相同,但幅值不同的交流激磁電壓uA和uB。 uA=Umsin-1sint （4-16） uB=Umcos -1 sint （4-17）式中: 1指令位移角。設(shè)此時(shí)滑尺繞組與定尺繞組的相對(duì)位移角為,則定尺繞組上的感應(yīng)電勢為e =KuA cos-KuB sin=KUm (sin -1 cos-cos-1s

55、in)sint=KUm sin (1-) sint （4-18） （2）鑒幅式。 在滑尺的兩個(gè)繞組上施加頻率和相位均相同,圖4-42 采樣/保持原理圖4-42 采樣/保持原理2. 集成采樣/保持器集成采樣保持器的特點(diǎn)是： （1） 采樣速度快、精度高,一般在22.5s內(nèi)即可達(dá)到0.010.003的精度。（2） 下降速率慢,如AD585,AD348為0.5 mVms,AD389為0.1 Vms。正因?yàn)榧刹蓸颖３制饔性S多優(yōu)點(diǎn),因此得到了極為廣泛的應(yīng)用。下面以LF398為例,介紹集成采樣保持器的原理。圖4-43為LF398的原理圖。由圖可知,其內(nèi)部由輸入緩沖級(jí)、輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)和控制電路三部分組成。 2.

56、 集成采樣/保持器圖4-43LF398的原理圖圖4-43LF398的原理圖主要技術(shù)指標(biāo)有： （1） 工作電壓： 518 V。（2） 采樣時(shí)間： 10 s。（3） 可與TTL、PMOS、CMOS兼容。（4） 當(dāng)保持電容為0.01F時(shí),典型保持步長為0.5 mV（5） 低輸入漂移,保持狀態(tài)下輸入特性不變。（6） 在采樣或保持狀態(tài)時(shí)高電源抑制。主要技術(shù)指標(biāo)有： 圖4-44為LF398的外引腳圖,圖4-45為其典型應(yīng)用圖。在有些情況下,還可采取兩級(jí)采樣保持串聯(lián)的方法,選用不同的保持電容,使前一級(jí)具有較高的采樣速度而使后一級(jí)保持電壓下降速率慢,兩級(jí)結(jié)合構(gòu)成一個(gè)采樣速度快而下降速度慢的高精度采樣保持電路,

57、此時(shí)的采樣總時(shí)間為兩個(gè)采樣保持電路時(shí)間之和。 圖4-44為LF398的外引腳圖,圖4-45為其典型圖 4-44 LF398的外引腳圖圖 4-44 LF398的外引腳圖圖4-45 LF398的典型應(yīng)用圖圖4-45 LF398的典型應(yīng)用圖 4.6.2 多通道模擬信號(hào)輸入1.常用多路模擬開關(guān)集成電路1） 單端8通道AD7501是單片集成的CMOS 8選1多路模擬開關(guān),每次只選中8個(gè)輸入端的一路與公共端接通,選通通道是根據(jù)輸入地址編碼而得到的。所有數(shù)字量輸入均可用TTL或CMOS電路。圖4-46為AD7501的外引腳圖和原理圖。 4.6.2 多通道模擬信號(hào)輸入圖4-46 AD7501的外引腳原理圖。圖

58、4-46 AD7501的外引腳原理圖。AD7501的主要參數(shù)有： (1) 導(dǎo)通電阻Ron的典型值為170（-10 VVS10 V）,導(dǎo)通電阻溫漂為0.5,路間偏差為4。(2) 輸入電容： 3 pF。(3) 開關(guān)時(shí)間： ton =0.8 s, toff =0.8 s。(4) 極限電源電壓： UDD +17 V,USS -17V。2） 單端16通道AD7506為單端16選1多路模擬開關(guān),圖4-47為AD7506的外引腳圖和原理圖。 AD7501的主要參數(shù)有： 圖 4-47AD7506的外引腳圖和原理圖圖 4-47AD7506的外引腳圖和原理圖(1) 導(dǎo)通電阻Ron 300。導(dǎo)通電阻溫漂為0.5,路間偏差為4。(2) 開關(guān)時(shí)間：ton =0.8 s, toff =0.8 s。(3) 極限電源電壓： UDD 17 V,USS -17V。3） 差動(dòng)4通道AD7502是差動(dòng)4通道多路模擬開關(guān),其主要特性與AD7501的基本相同,但在同選通地址情況下有兩路同時(shí)選通。