機電一體化3章第10節(jié)課件

1.說明圖示高低壓功率放大電路的工作原理ＴＩ為脈沖變壓器無脈沖輸入時，有脈沖輸入時，二極管ＶＤ２的作用：三級管截止時，使存儲在繞組中的能量釋放，從而保護三級管Ｒ為限流電阻，以免線圈Ｗ發(fā)熱燒壞。ＶＤ３、４、５的作用？

回顧上節(jié)課的內(nèi)容（2)高低壓功率放大電路采用高壓驅(qū)動，電流增長快，脈沖電流的前沿變陡，電動機的轉(zhuǎn)矩和運行頻率都得到提高僅在脈沖開始時接通高壓，其余時間都由低壓供電，電流上升率高，高速運行性能好，所以效率很高。但電機在低速運行時振動大。2.說明圖示斬波恒流驅(qū)動（電流驅(qū)動）電路的原理圖6是斬波恒流功率接口原理圖。圖中R是一個用于電流采樣的小阻值電阻，稱為采樣電阻。當電流不大時，VT1和VT2同時受控于走步脈沖，當電流超過恒流給定的數(shù)值，VT2被封鎖，電源U被切除。由于電機繞組具有較大電感，此時靠二極管VDL續(xù)流，維持繞組電流，電機靠消耗電感中的磁場能量產(chǎn)生出力。此時電流將按指數(shù)曲線衰減，同樣電流采樣值將減小。當電流小于恒流給定的數(shù)值，VT2導(dǎo)通，電源再次接通。如此反復(fù)，電機繞組電流就穩(wěn)定在由給定電平所決定的數(shù)值上，形成小小的鋸齒波，

U2-UR>0輸出高電平1在步進電機步距角不能滿足使用條件時，可采用細分驅(qū)動器來驅(qū)動步進電機3.說明步進電機細分驅(qū)動的原理以A→B為例，若將各相電流看作是向量，則從整步到半步的變換，就是在IA與IB之間插入過渡向量IAB，因為電流向量的合成方向決定了步進電機合成磁勢的方向，而合成磁勢的轉(zhuǎn)動角度本身就是步進電機的步進角度。顯然，IAB的插入改變了合成磁勢的轉(zhuǎn)動大小，使得步進電機的步進角度由θb變?yōu)?.5θb，從而也就實現(xiàn)了2步細分。IAIB3.細分驅(qū)動要再實現(xiàn)4步細分，只需在A與B之間插入3個向量I1、I2、I3，使得合成磁勢的轉(zhuǎn)動角度θ1=θ2=θ3=θ4，就實現(xiàn)了4步細分。但4步細分與2步細分是不同的，由于I1、I2、I33個向量的插入是對電流向量A、B的分解，故控制脈沖已變成了階梯波。細分程度越高，階梯波越復(fù)雜。ABI1I2I3θ1θ2θ3θ4第四節(jié)

步進電動機及其驅(qū)動（1）采用多路功率開關(guān)器件晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，功耗低，但器件多、體積大（2）疊加細分驅(qū)動原理晶體管工作在放大狀態(tài)，功耗大，但器件少用階梯波供電階梯波的供電方法：兩種P121細分驅(qū)動器的細分數(shù)是否能代表精度?

步進電機的細分技術(shù)其主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動，提高電機的運轉(zhuǎn)精度只是細分技術(shù)的一個附帶功能。比如對于步進角為1.8°

的兩相混合式步進電機，如果細分驅(qū)動器的細分數(shù)設(shè)置為4，那么電機的運轉(zhuǎn)分辨率為每個脈沖0.45°，電機的精度能否達到或接近0.45°，還取決于細分驅(qū)動器的細分電流控制精度等其它因素。不同廠家的細分驅(qū)動器精度可能差別很大；細分數(shù)越大精度越難控制。面板示意圖

電流選擇步距角細分選擇8種細分模式用戶既可通過側(cè)板開關(guān)（1,2,3）方便設(shè)定（詳見細分模式選擇表）也可以使用端子上提供的MS1，MS2，MS3三個接口由系統(tǒng)選擇（詳見在線細分切換）。細分步數(shù)均相對整步而言，如驅(qū)動整步為1.8度電機，設(shè)定整步運行時，一個脈沖使電機轉(zhuǎn)動1.8度，半步時，一個脈沖使電機轉(zhuǎn)動0.9度，4細分時一個脈沖則使電機轉(zhuǎn)動0.45度4.步進電動機的微機控制

（串行、并行控制示意）串行控制：采用串行控制時，單片機與步進電機的功率接口之間必須有兩條控制線：一條用于發(fā)送走步脈沖傳（CP），另一條用于發(fā)送控制旋轉(zhuǎn)方向的電平信號。并行控制：用微型計算機的數(shù)個端口直接控制步進電機各項驅(qū)動電路速度控制：通過控制控制系統(tǒng)發(fā)出步進脈沖的頻率或換相周期。

方法：軟件延時

使用定時器控制加減速控制：運行頻率小于系統(tǒng)的極限啟動頻率，按要求的速度直接啟動，停發(fā)脈沖，系統(tǒng)停止。運行頻率大于系統(tǒng)的極限啟動頻率，有加速——恒速——減速——停止過程。點-位控制的加減速過程系統(tǒng)在執(zhí)行升降速的控制過程中，對加減速的控制還需準備下列數(shù)據(jù)：①加減速的斜率；②升速過程的總步數(shù)；③恒速運行總步數(shù)；④減速運行的總步數(shù)。

步進電機控制實例工業(yè)控制計算機特點

①豐富的過程通道模板。工業(yè)控制計算機和工業(yè)生產(chǎn)過程是緊密結(jié)合的，需要和各種傳感器、檢測儀表、顯示儀表、調(diào)節(jié)儀表、執(zhí)行機構(gòu)以及連鎖保護裝置進行接口。因此，除了計算機的基本配置以外，還必須有豐富的過程通道。高可靠性。工業(yè)生產(chǎn)過程一般要求生產(chǎn)設(shè)備連續(xù)運行幾個月甚至一年才大修一次，出現(xiàn)故障時能夠在短時間內(nèi)修復(fù)。這就要求工業(yè)計算機具有高可靠性。環(huán)境適應(yīng)性。工業(yè)控制計算機應(yīng)能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的高溫、潮濕、腐蝕、振動、粉塵等惡劣環(huán)境，應(yīng)具有極高的電磁兼容性，以抵抗工業(yè)現(xiàn)場強大的電磁干擾，適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場較差的供電質(zhì)量。工控機+控制卡PCL-839卡是一款高速三軸智能步進電機控制卡。它用于將上位計算機所下達的控制命令轉(zhuǎn)換成步進電機的控制脈沖，并獨立進動控制的智能化板卡。它能將IBM兼容的PC機變?yōu)橐慌_3軸運動控制站。該卡使用了3片PCD-4541智能控制芯片，可以執(zhí)行各種運動控制指令。你既可以直接通過該卡的I/O寄存器對每個軸進行控制；也可以使用研華公司提供的函數(shù)庫，通過C語言、C++、VC、VB等程序來調(diào)用這些函數(shù)，從而實現(xiàn)對各軸步進電機的單獨或聯(lián)合控制。步進電機控制實例控制卡PCL-839+卡編程重要函數(shù)介紹函數(shù)1：set_speed此函數(shù)用于設(shè)置各通道低速脈沖頻率、高速脈沖頻率和加速率。函數(shù)原型：intset_speed(intch,intFL,intFH,intAD)。參數(shù)：ch為通道數(shù)；FL為低速頻率；FH為高速頻率；AD為加速度。返回值：1、正常；2、出錯

函數(shù)2：stop此函數(shù)用于通道脈沖輸出的停止函數(shù)原型：intstop(intch)。參數(shù)：ch為通道數(shù)。返回值：1、正常；2、出錯。步進電機控制實例PLC控制的數(shù)控滑臺結(jié)構(gòu)

步進電機控制實例PLC控制五、步進電機參數(shù)設(shè)計1、脈沖當量δ：步進電機每接受一個脈沖時，工作臺走過的位移單位為mm/pulseδ=0.001～0.0025精密機床0.005～0.01數(shù)控機床0.1～0.15一般機床角脈沖當量δα：就是步距角α(°/pulse)當通過中間傳動裝置時，角脈沖當量δα為：M驅(qū)動器指令脈沖如下圖，步進電機通過絲杠螺母副帶動工作臺運動時，其脈沖當量δ為：Z1Z21、步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲

步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。

步進電機的應(yīng)用時應(yīng)注意的問題2、步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降

當步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。

步進電機的應(yīng)用時應(yīng)注意的問題3、

一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。步進電機的應(yīng)用時應(yīng)注意的問題4、保持轉(zhuǎn)矩

保持轉(zhuǎn)矩是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進電機最重要的參數(shù)之一，通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進電機的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。比如，當人們說2N.m的步進電機，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為2N.m的步進電機。5、步進電機應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時電機工作效率高，噪音低。6、電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。

7、步進電機外表允許的最高溫度。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。

步進電機的應(yīng)用時應(yīng)注意的問題習(xí)題與思考題3-1簡述機電一體化系統(tǒng)的執(zhí)行元件分類及特點。3-2簡述機電一體化系統(tǒng)對執(zhí)行元件的基本要求是什么？3-3簡述控制用電動機的功率密度及比功率的定義。3-8簡述步進電動機具有哪些特點？3-9簡述步進電動機的種類及其特點。3-10簡述步進電動機的工作原理。3-11簡述步進電動機步距角的計算方法。3-15簡述步進電動機驅(qū)動電源的功率放大電路原理。執(zhí)行元件系統(tǒng)控制信息電子信息處理系統(tǒng)（CNC）動力系統(tǒng)傳感檢測系統(tǒng)機械系統(tǒng)參數(shù)變化信息驅(qū)動力能量檢測參數(shù)構(gòu)成要素：五大部分第四章微機控制系統(tǒng)的選擇及接口設(shè)計12.1概述12.2線位移檢測傳感器12.3角位移檢測傳感器12.4速度、加速度傳感器12.5測力傳感器12.6傳感器的正確選擇和使用第12節(jié)常用檢測傳感器及其選擇12.1概述一、定義及分類：1、定義：傳感器是將力、溫度、位移、速度等量轉(zhuǎn)換成電信號的元件?！皞鞲衅骷夹g(shù)是機電一體化的第一基礎(chǔ)”2、分類按能量變換的功能分：按輸出的信號分：物理傳感器化學(xué)傳感器計數(shù)型（計數(shù)型）

電壓，電流型（熱電偶）電感，電容型（可變電容）有接點型(微動開關(guān)，接觸開關(guān)，行程開關(guān))

傳感器電阻型（電位器，電阻應(yīng)變片）非電量型二值型電量無接點型(光電開關(guān)，接近開關(guān))模擬型數(shù)字型代碼型（旋轉(zhuǎn)編碼器，磁尺）二、傳感器的基本特性1.傳感器的靜特性傳感器的靜態(tài)特性是指當被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)下，傳感器的輸入與輸出值之間的關(guān)系。傳感器靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標有：線性度、靈敏度、遲滯和重復(fù)性等。(1).線性度傳感器的線性度是指傳感器實際輸出—輸入特性曲線與理論直線之間的最大偏差與輸出滿度值之比，即二、傳感器的基本特性(2).靈敏度傳感器的靈敏度是指傳感器在穩(wěn)定標準條件下，輸出量的變化量與輸入量的變化量之比，即(3).遲滯傳感器在正（輸入量增大）反（輸入量減小）行程中，輸出——輸入特性曲線不重合的程度稱為遲滯，遲滯誤差一般以滿量程輸出的百分數(shù)表示

二、傳感器的基本特性(4).重復(fù)性傳感器在同一條件下，被測輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次重復(fù)測量時，所得輸出——輸入曲線的不一致程度，稱重復(fù)性。重復(fù)性誤差用滿量程輸出的百分數(shù)表示，即近似計算二、傳感器的基本特性5.分辨力傳感器能檢測到的最小輸入增量稱分辨力。6.零漂傳感器在零輸入狀態(tài)下，輸出值的變化稱為零漂，零漂可用相對誤差表示，也可用絕對誤差表示。2.傳感器的動態(tài)特性傳感器能測量動態(tài)信號的能力用動態(tài)特性表示。動態(tài)特性是指傳感器測量動態(tài)信號時，輸出對輸入的響應(yīng)特性。傳感器動態(tài)特性的性能指標可以通過時域、頻域以及試驗分析的方法確定，其動態(tài)特性有：幅頻特性、相頻特性幅頻特性：傳感器的靈敏度與輸入信號變化頻率的關(guān)系。相頻特性：被測輸入量作正弦變化時，與輸出量之間相位差隨頻率變化的關(guān)系。

二、傳感器的基本特性12.2線位移檢測傳感器光柵位移傳感器光柵位移傳感器1、光柵的構(gòu)造：2、工作原理光柵位移傳感器

把兩塊柵距W相等的光柵平行安裝，且讓它們的刻痕之間有較小的夾角θ時，這時光柵上會出現(xiàn)若干條明暗相間的條紋，這種條紋稱莫爾條紋，它們沿著與光柵條紋幾乎垂直的方向排列，如圖所示。莫爾：法國絲綢工莫爾條紋具有如下特點：1.莫爾條紋的位移與光柵的移動成比例。光柵每移動過一個柵距W，莫爾條紋就移動過一個條紋間距B

2.莫爾條紋具有位移放大作用。莫爾條紋的間距B與兩光柵條紋夾角之間關(guān)系為3.莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用。

光柵位移傳感器通過光電元件，可將莫爾條紋移動時光強的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號，如圖所示。

光柵位移傳感器其電壓為：將此電壓信號放大、整形變換為方波，經(jīng)微分轉(zhuǎn)換為脈沖信號，再經(jīng)辨向電路和可逆計數(shù)器計數(shù)，則可用數(shù)字形式顯示出位移量，位移量等于脈沖與柵距乘積。測量分辨率等于柵距。光柵位移傳感器光柵位移傳感器GS-600光柵線位移傳感器柵距：0.01mm(100線對/mm)、0.02mm(50線對/mm)、0.04mm(25線對/mm)

精度：±0.008mm、±0.01mm、±0.015mm、(20℃

1000mm)

量程：50mm--3000mm以內(nèi)任意選擇

分辨率：0.5um、1um、5um

、10u

工作溫度：0-45℃

存儲溫度：-40℃-55按供電電壓分有5V、24V、12V型

按輸出信號分有TTL方波、TTL方波、HTL方波(5V、12V、15V、24V)、RS422信號、正弦電壓信號12.3角位移檢測傳感器光電編碼器1.增量式編碼器結(jié)構(gòu)光電編碼器2.增量式編碼器工作原理鑒向盤與主碼盤平行，并刻有a、b兩組透明檢測窄縫，它們彼此錯開1/4節(jié)距，以使A、B兩個光電變換器的輸出信號在相位上相差90°。工作時，鑒向盤靜止不動，主碼盤與轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動，光源發(fā)出的光投射到主碼盤與鑒向盤上。當主碼盤上的不透明區(qū)正好與鑒向盤上的透明窄縫對齊時，光線被全部遮住，光電變換器輸出電壓為最??；當主碼盤上的透明區(qū)正好與鑒向盤上的透明窄縫對齊時，光線全部通過，光電變換器輸出電壓為最大。主碼盤每轉(zhuǎn)過一個刻線周期，光電變換器將輸出一個近似的正弦波電壓，且光電變換器A、B的輸出電壓相位差為90°。經(jīng)邏輯電路處理就可以測出被測軸的相對轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)動方向。

光電編碼器3.絕對式編碼器原理絕對式編碼器是把被測轉(zhuǎn)角通過讀取碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的檢測元件。編碼盤有光電式、接觸式和電磁式三種。光電式碼盤是目前應(yīng)用較多的一種，它是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進制編碼。如圖所示為四位二進制的碼盤，碼盤上各圈圓環(huán)分別代表一位二進制的數(shù)字碼道，在同一個碼道上印制黑白等間隔圖案，形成一套編碼

光電編碼器

黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二進制的“0”和“1”。在一個四位光電碼盤上，有四圈數(shù)字碼道，每一個碼道表示二進制的一位，里側(cè)是高位，外側(cè)是低位，在360°范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為24=16個。光電編碼器

工作時，碼盤的一側(cè)放置電源，另一邊放置光電接受裝置，每個碼道都對應(yīng)有一個光電管及放大、整形電路。碼盤轉(zhuǎn)到不同位置，光電元件接受光信號，并轉(zhuǎn)成相應(yīng)的電信號，經(jīng)放大整形后，成為相應(yīng)數(shù)碼電信號。

光電編碼器光電編碼器脈沖數(shù)(Resolution)100P/R-1024P/R信號方式(Outputsignal)A,B,Z(-A,-B,-Z)最高轉(zhuǎn)速(Max.rotationspeed)

3000r/min工作溫度(Operationtemp.range)-10-+70°C

防護等級(Protection)

IP50第1個數(shù)字表示電器離塵、防止外物侵入的等級，第2個數(shù)字表示電器防濕氣、防水侵入的密閉程度，數(shù)字越大表示其防護等級越高IP50表示可以防塵12.4速度、加速度傳感器一、光電式速度傳感器二、加速度傳感器

光電脈沖測速原理如下圖所示。物體以速度V通過光電池的遮擋板時，光電池輸出階躍電壓信號，經(jīng)微分電路形成兩個脈沖輸出，測出兩脈沖之間的時間間隔△t，則可測得速度為一、光電式速度傳感器

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）上的帶縫圓盤、光源、光電器件和指示縫隙圓盤組成，如下圖所示。光源發(fā)出的光通過縫隙圓盤和指示縫隙盤照射到光電器件上，當縫隙圓盤隨被測軸轉(zhuǎn)動時，圓盤每轉(zhuǎn)一周，光電器件輸出與圓盤縫隙數(shù)相等的電脈沖，根據(jù)測量時間t內(nèi)的脈沖數(shù)N，則可測得轉(zhuǎn)速為一、光電式速度傳感器

作為加速度檢測元件的加速度傳感器有多種形式，它們的工作原理大多是利用慣性質(zhì)量受加速度所產(chǎn)生的慣性力而造成的各種物理效應(yīng)，進一步轉(zhuǎn)化成電量，來間接度量被測加速度。最常用的有應(yīng)變片式和壓電式等。

二、加速度傳感器慣性測量元件！電阻應(yīng)變式加速度計結(jié)構(gòu)原理如下圖所示。它由重塊、懸臂梁、應(yīng)變片和阻尼液體等構(gòu)成。當有加速度時，重塊受力，懸臂梁彎曲，按梁上固定的應(yīng)變片之變形便可測出力的大小，在已知質(zhì)量的情況下即可計算出被測加速度。殼體內(nèi)灌滿的粘性液體作為阻尼之用。這一系統(tǒng)的固有頻率可以做得很低。二、加速度傳感器

壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理如右圖所示。使用時，傳感器固定在被測物體上，感受該物體的振動，慣性質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，使壓電元件產(chǎn)生變形。壓電元件產(chǎn)生二、加速度傳感器的變形和由此產(chǎn)生的電荷與加速度成正比。壓電加速度傳感器可以做得很小，重量很輕，故對被測機構(gòu)的影響就小。壓電加速度傳感器的頻率范圍廣、動態(tài)范圍寬、靈敏度高、應(yīng)用較為廣泛。（一）柱式彈性元件柱式彈性元件有圓柱形、圓筒形等幾種。如下圖所示。這種彈性元件結(jié)構(gòu)簡單、承載能力大，主要用于中等載荷和大載荷（可達數(shù)兆牛頓）的拉(壓)力傳感器。12.5測力傳感器2.懸臂梁式彈性元其特點是結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、應(yīng)變片粘貼容易、靈敏度較高。主要用于小載荷、高精度的拉、壓力傳感器中?？蓽y量0.01牛頓到幾千牛頓的拉、壓力。在同12.5測力傳感器一截面正反兩面粘貼應(yīng)變片，并應(yīng)在該截面中性軸的對稱表面上。若梁的自由端有一被測力P，則應(yīng)變與P力的關(guān)系為：件12.6傳感器的正確選擇和使用一、傳感器的選擇二、傳感器的正確使用

1.測試要求和條件。測量目的、被測物理量選擇、測量范圍、輸入信號最大值和頻帶寬度、測量精度要求、測量所需時間要求等。2.傳感器特性。精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、輸出量性質(zhì)、對被測物體產(chǎn)生的負載效應(yīng)、校正周期、輸入端保護等。3.使用條件。安裝條件、工作場地的環(huán)境條件（溫度、濕度、振動等）、測量時間、所需功率容量、與其它設(shè)備的連接、備件與維修服務(wù)等。一、傳感器的選擇1.線性化處理與補償在機電一體化測控系統(tǒng)中，特別是需對被測參量進行顯示時，總是希望傳感器及檢測電路的輸出和輸入特性呈線性關(guān)系，使測量對象在整個刻度范圍內(nèi)靈敏度一致，以便于讀數(shù)及對系統(tǒng)進行分析處理。2.傳感器的標定傳感器的標定，就是利用精度高一級的標準量具對傳感器進行定度的過程，從而確定其輸出量和輸入量之間的對應(yīng)關(guān)系，同時也確定不同使用條件下的誤差關(guān)系。傳感器使用前要進行標定，使用一段時間后還要定期進行校正，檢查精度性能是否滿足原設(shè)計指標。二、傳感器的正確使用3.抗干擾措施傳感器大多要在現(xiàn)場工作，而現(xiàn)場的條件往往是不可預(yù)料的，有時是極其惡劣的。各種外界因素要影響傳感器的精度和性能，所以在檢測系統(tǒng)中，抗干擾是非常重要的，尤其是在微弱輸入信號的系統(tǒng)中。常采用的抗干擾措施有屏蔽、接地、隔離和濾波等。二、傳感器的正確使用（1）屏蔽屏蔽就是用低電阻材料或磁性材料把元件、傳輸導(dǎo)線、電路及組合件包圍起來，以隔離內(nèi)外電磁或電場的相互干擾。屏蔽可分為三種，即電場屏蔽、磁場屏蔽及電磁屏蔽。（2）接地電路或傳感器中的地指的是一個等電位點，它是電路或傳感器的基準電位點，與基準電位點相連接，就是接地。

二、傳感器的正確使用（3）隔離當電路信號在兩端接地時，容易形成地環(huán)路電流，引起噪聲干擾。這時，常采用隔離的方法，把電路的兩端從電路上隔開。隔離的方法主要采用變壓器隔離和光電耦合器隔離。（4）濾波雖然采取了上述的一些抗干擾措施，但仍會有一些噪聲信號混雜在檢測信號中，因此檢測電路中還常設(shè)置濾波電路，對由外界干擾引入的噪聲信號加以濾除。二、傳感器的正確使用第四章微機控制系統(tǒng)的選擇及接口設(shè)計第一節(jié)專用與通用的抉擇、硬件與軟件的權(quán)衡第二節(jié)微機控制系統(tǒng)的設(shè)計思路第三節(jié)微機控制系統(tǒng)的構(gòu)成與種類第七節(jié)Z80CPU的硬件結(jié)構(gòu)特點、存儲器及輸入／輸出擴展接口第八節(jié)單片機的硬件結(jié)構(gòu)特點及其最小應(yīng)用系統(tǒng)第九節(jié)數(shù)字顯示器及鍵盤的接口電路

不同產(chǎn)品所需要的控制功能、控制形式和動作控制方式也不盡相同?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計是綜合運用各種知識的過程。由于采用微機作為機電一體化系統(tǒng)或產(chǎn)品的控制器，因此，其控制系統(tǒng)的設(shè)計就是選用微機、設(shè)計接口、控制形式和動作控制方式的問題。這不僅需要微機控制理論、數(shù)字電路、軟件設(shè)計等方面的知識，也需要一定的生活和生產(chǎn)工藝知識。通常由機電一體化系統(tǒng)設(shè)計人員首先提出總的設(shè)計要求，然后由各專業(yè)人員通力協(xié)作。第一節(jié)專用與通用的抉擇、硬件與軟件的權(quán)衡專用控制系統(tǒng)適合于大批量生產(chǎn)的機電一體化產(chǎn)品。專用控制系統(tǒng)的設(shè)計:主要是選用適當?shù)耐ㄓ肐C芯片以及設(shè)計其外圍電路來組成控制系統(tǒng)。對于多品種、中小批量生產(chǎn)的機電一體化產(chǎn)品來說，由于還在不斷改進，結(jié)構(gòu)還不十分穩(wěn)定，特別是對現(xiàn)有設(shè)備進行改造時，采用通用控制系統(tǒng)比較合理。通用控制系統(tǒng)的設(shè)計：主控制微機機型的合理選擇，設(shè)計與其執(zhí)行元件和檢測傳感器之間的接口，編制應(yīng)用軟件。這實質(zhì)上就是通過接口設(shè)計和軟件編制來使通用微機專用化的問題。1.專用與通用的抉擇

2.硬件與軟件的權(quán)衡在大多數(shù)情況下，對于某種功能來說，既可用硬件來實現(xiàn)，又可用軟件來實現(xiàn)。因此，控制系統(tǒng)中硬件和軟件的合理組成，通常要根據(jù)經(jīng)濟性和可靠性的標準權(quán)衡決定。原則：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。特點：與采用分立元件組成的電路相比，采用軟件不需要焊接，并且易于修改，所以采用軟件更為可靠。而在利用LSI芯片組成電路時，不僅價廉，而且可靠性高，處理速度快，因而采用硬件更為有利。

第二節(jié)微機控制系統(tǒng)的設(shè)計思路

1．確定系統(tǒng)整體控制方案

首先應(yīng)了解被控對象的控制要求，通常，先從系統(tǒng)構(gòu)成上考慮是采用開環(huán)控制還是閉環(huán)控制，當采用閉環(huán)控制時，應(yīng)考慮采用何種檢測傳感元件，檢測精度要求如何。其次考慮執(zhí)行元件采用何種方式，是電動、氣動還是液動，比較其方案的優(yōu)缺點，擇優(yōu)而選。第三要考慮是否有特殊控制要求，對于具有高可靠性、高精度和快速性要求的系統(tǒng)應(yīng)采取哪些措施。第四是考慮微機在整個控制系統(tǒng)中的作用，是設(shè)定計算、直接控制還是數(shù)據(jù)處理，微機應(yīng)承擔(dān)哪些任務(wù)，為完成這些任務(wù)，微機應(yīng)具備哪些功能，需要哪些輸入／輸出通道、配備哪些外圍設(shè)備。最后應(yīng)初步估算其成本。通過整體方案考慮，最后畫出系統(tǒng)組成的初步框圖，附以說明，以此作為下一步設(shè)計的基礎(chǔ)和依據(jù)。2．確定控制算法（書P126）

對任何一個具體微機控制系統(tǒng)進行分析、綜合或設(shè)計，首先應(yīng)建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，確定其控制算法。所謂數(shù)學(xué)模型就是系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達式。它反映了系統(tǒng)輸入內(nèi)部狀態(tài)和輸出之間的數(shù)量和邏輯關(guān)系。這些關(guān)系式為計算機進行運算處理提供了依據(jù)，即由數(shù)學(xué)模型推出控制算法。所謂計算機控制，就是按照規(guī)定的控制算法進行控制，因此，控制算法的正確與否直接影響控制系統(tǒng)的品質(zhì)，甚至決定整個系統(tǒng)的成敗。由于控制系統(tǒng)種類繁多，控制算法也是很多的，隨著控制理論和計算機控制技術(shù)的不斷發(fā)展，控制算法更是越來越多。

在系統(tǒng)設(shè)計時，按所設(shè)計的具體控制對象和不同的控制性能指標要求，以及所選用的微機的處理能力選定一種控制算法。選用時應(yīng)考慮所選定的算法是否‘能滿足控制速度、控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。當控制系統(tǒng)比較復(fù)雜時，控制算法也比較復(fù)雜，整個控制系統(tǒng)的實現(xiàn)就比較困難，為設(shè)計、調(diào)試方便，可將控制算法作某些合理的簡化，忽略某些因素的影響(如非線性、小延時、小慣性等)，在取得初步控制成果后，再逐步將控制算法完善，直到獲得最好的控制效果。3．選擇微型計算機對于給定的任務(wù)，選擇微機的方案不是唯一的，從控制的角度出發(fā)，微機應(yīng)能滿足以下要求：（1）較完善的中斷系統(tǒng)微型計算機控制系統(tǒng)必須具有實時控制性能。實時控制包含兩個意思：一是系統(tǒng)正常運行時的實時控制能力；二是在發(fā)生故障時緊急處理的能力。常采用中斷控制功能。

（2）足夠的存儲容量由于微型計算機內(nèi)存容量有限，當內(nèi)存容量不足以存放程序和數(shù)據(jù)時，應(yīng)擴充內(nèi)存，有時還應(yīng)配備適當?shù)耐獯鎯ζ?，如單板機通常都配盒式磁帶機，用于在調(diào)試階段暫存程序和數(shù)據(jù)。單板機可配備2~8KB以上的只讀存儲器，監(jiān)控程序及調(diào)試成功的應(yīng)用程序都寫入只讀存儲器，實現(xiàn)軟件固化。

（3）完備的輸入／輸出通道和實時時鐘

輸入／輸出通道是外部過程和主機交換信息的通道。根據(jù)控制系統(tǒng)不同，有的要求有開關(guān)量輸入／輸出通道，有的要求有模擬量輸入／輸出通道，有的則同時要求有開關(guān)量輸入／輸出通道和模擬量輸入／輸出通道。對于需要實現(xiàn)外部設(shè)備和內(nèi)存之間快速、批量交換信息的，還應(yīng)有直接數(shù)據(jù)通道。

實時時鐘在過程控制中給出時間參數(shù)，記錄發(fā)生事件的時刻。選擇微型計算機除應(yīng)滿足上述幾點要求外，從不同的被控制對象角度而言，還應(yīng)考慮幾個特殊要求（3個）:1)字長微處理器的字長定義為并行數(shù)據(jù)總線的線數(shù)。字長直接影響數(shù)據(jù)的精度、尋址的能力、指令的數(shù)目和執(zhí)行操作的時間。

2）速度速度的選擇與字長的選擇可一并考慮。對于同一算法、同一精度要求，當機器的字長短時，就要采用多字節(jié)運算，完成計算和控制的時間就會增長。為保證實時控制，就必須選用執(zhí)行速度快的機器。同理，當機器的字長足夠保證精度要求時，不必用多字節(jié)運算，完成計算和控制的時間就短，可選用執(zhí)行速度較慢的機器。

3)指令

一般說來，指令條數(shù)越多，針對特定操作的指令就多，這樣會使程序量減少，處理速度加快。對于控制系統(tǒng)來說，尤其要求較豐富的邏輯判斷指令和外圍設(shè)備控制指令，通常8位微處理器都具有足夠的指令種類和數(shù)量，一般能夠滿足控制要求。選擇微機時，還應(yīng)考慮成本高低、程序編制難易以及擴充輸入／輸出接口是否方便等因素，從而確定是選用單片機、單板機，還是選用微型計算機系統(tǒng)。單片機:價格低、體積小,但需要開發(fā)系統(tǒng)對其軟硬件進行開發(fā)。單板機:價格較低、體積較小，但內(nèi)存容量較小，接口電路少微型計算機系統(tǒng):微型計算機系統(tǒng)有豐富的系統(tǒng)軟件，可用高級語言、匯編語言編程，程序編制和調(diào)試都很方便。但成本較高，當用來控制一個小系統(tǒng)時，往往不能充分利用系統(tǒng)機的全部功能，抗干擾能力差。

4）系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計主要是對系統(tǒng)控制方案進行具體實施步驟的設(shè)計，其主要依據(jù)是上述的整體方案初框圖、設(shè)計要求及所選用的微機類型。通過設(shè)計要畫出系統(tǒng)的具體構(gòu)成框圖。一個正在運行的完整的微型計算機控制系統(tǒng)，需要在微機、被控制對象和操作者之間適時地、不斷地交換數(shù)據(jù)信息和控制信息。在總體設(shè)計時，要綜合考慮硬件和軟件措施，解決三者之間可靠的、適時進行信息交換的通路和分時控制的時序安排問題，保證系統(tǒng)能正常地運行。設(shè)計中主要考慮硬件與軟件功能的分配與協(xié)調(diào)、接口設(shè)計、通道設(shè)計、操作控制臺設(shè)計、可靠性設(shè)計等問題。

①接口設(shè)計