机电系统控制.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,机电系统控制,开课系,机械、精仪、电子、电机、自动化。,开课原因,学习、科研、工作中，大量接触、使用、甚至设计机电一体化系统；物理中的工程问题,往往面对的便是一机电系统,协调领导团队工作的需要，有利于协调各专业学科人才共同完成一个较复杂的系统,跨学科的团队领导,对从事其他领域的工作有帮助,机电系统控制,是否需要了解其他学科的基本知识,学习,“,吾生也有涯,”,类比,“,其理一也,”；系统思想（协作中如何提问题、提需求）,例,机电系统控制,联系方式,zhangkai,010-62795716,机电系统控制,参考书,高森 年 编著,.,机电一体化,.,北京：科学出版社，,2001,吴麒 主编,.,自动控制原理,（上册）,.,清华大学出版社（,1990,年,3,月第一版）,网络学堂,补充材料、课程作业,本节内容,机电一体化介绍,机电一体化的基本概念,机电一体化发展概况及趋势,机电一体化系统的组成,典型机电一体化系统介绍,机电一体化系统设计的基本步骤,机电一体化,Mechatronics,机械（,Mechanics,）和电子（,electronics,）；,定义：利用计算机的信息处理功能对机械进行各种控制的技术,不是机械与电子简单的叠加，而是从系统的观点出发，将机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学技术,机械的电子化,机电一体化,多学科交叉,应用领域宽广,机电一体化,机电一体化技术的应用,1,、由机械机构实现的装置，通过与电子技术结合，成为性能更为优越的新装置,2,、由人判断、操作的设备，变为功能由机器自动实现,3,、程控设备,机电一体化,手表,相机,机电一体化,自动柜员机,Life,s too short for the wrong job!,机电一体化,五轴机器人（装配）,机电一体化,汽车生产线,未来工厂,无人化,机电一体化,五轴数控加工中心,机电一体化,机电一体化,大型强子对撞机,主要由一个,27,公里长的超导磁体环和许多促使粒子能沿着特定方向传播的加速结构组成,将强子加速到接近光速，然后引导它们撞到一起,机电一体化的发展,20,世纪,60,年代前,“,萌芽阶段,”,自觉不自觉地将机械产品与电子技术结合，以提高产品性能,70,年代到,80,年代,“,蓬勃发展阶段,”,mechatronics,广为接受，技术和产品极大发展，世界各国的重视和支持,90,年代后期,“,智能化阶段,”,光学、通讯技术的引入；微加工技术的发展；光机电一体化和微机电一体化出现；神经网络、遗传算法等人工智能技术的发展及与机电系统的融合,机电一体化的发展,机电一体化技术的迅速发展的动力,1,、半导体、集成电路技术,2,、计算机、网络等信息技术,3,、控制与仿真技术,4,、小型化、功能强的传感器和执行装置的进步,机电一体化的发展,发展趋势,1,、智能化,2,、模块化,3,、网络化,4,、微型化,机电一体化的发展,智能化,在机电系统控制中，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，,模拟人类智能,，使系统具有,判断推理,、,逻辑思维,、,自主决策,等能力，以达到更高的控制目标,机电一体化的发展,模块化,机电一体化产品种类和生产厂家繁多，至今没有完善的标准。研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。有待这方面的领导企业的出现，相关产品规模化生产的实现。,机电一体化的发展,网络化,由于网络技术的发展，基于网络的各种远程控制和监视技术获得蓬勃发展，机电一体化产品无疑朝着网络化方向不断发展。,Eg,：现场总线技术、无人工厂、智能楼宇。,未来：机电一体化产品将与网络技术实现完美的融合。,IPV6,也许每个机电一体化产品均具有联网功能。,机电一体化的发展,汽车电控网络,汽车驱动系统,采用高速,CAN,，主要连接对象：发动机、自动变速器、,ABS/ASR,、安全气囊、主动悬架、巡航系统、电动转向系统及组合仪表信号的采集系统等。,低速,CAN,，连接对象：照明管理、中央门锁与防盗控制开关、空调管理、仪表管理等非实时系统。,机电一体化的发展,微型化,自,20,世纪,80,年代末，机电一体化开始向微型机器和微观领域发展，诞生了微电子机械系统（,MEMS,），其几何尺寸不超过,1,立方厘米，并向微米、纳米级发展,微电机,MEMS,机器人,微机床,机电一体化的发展,微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有独特的优势,微型飞行器,钻入血管清理阻塞的动脉,机电一体化的发展,激光制导子弹,长4英寸（约10.16厘米）,无动力曲线飞行,飞行中自动调整方向，像微导弹一样击中1英里（约1.6公里）外的目标,机电一体化的发展,未来，老龄化挑战,高度智能化和自动化的机电一体化产品,机电一体化的发展,机器战士波士顿动力（）,机电一体化产品的特点,体积小、重量轻,速度快，精度高,可靠性高,柔性好,例子,调速器,离心式调速器,电机驱动执行器输出轴，调节连杆，拉动喷油泵齿杆，进行供油量的调节,电子调速器,机电一体化系统的组成,机械部分,执行装置,传感器,控制装置,接口,机电一体化系统的组成,各组成部分功能,计算机,(,大脑,),传感器,(,眼、耳、鼻、口、皮肤,),机械装置（骨骼）,执行装置（手、足）,能源（内脏）,血管、神经（接口）,机电一体化系统的组成,核心,控制器,控制器质量,控制理论,机电系统,控制,机电一体化系统举例,位置,速度检测单元,电机,机械,部件,位置,速度反馈,CNC,数控机床伺服系统组成,（电动平移台）,机电一体化系统举例,执行装置,控制,信息,电子控制单元,动力源,传感器,机械部分,参数变,化信息,驱动力,能 量,待检测量,机电一体化系统举例,烟支重量控制系统,传感器,核扫描单元，包含放射源和电离室，烟支径向截面经过放射源时，,粒子射线部分被烟条吸收，其余进入电离室产生电流信号，此信号经处理可得反映烟丝密度的电压信号,机电一体化系统举例,核反应堆控制,机电一体化系统举例,电磁轴承,机电一体化系统举例,电磁轴承系统,机电一体化系统举例,高温气冷堆,HTR-10GT,机电一体化系统设计,机电一体化系统设计步骤,一、市场调研,二、总体方案设计,三、详细设计,四、样机试制与试验,五、小批量生产,六、大批量生产,机电一体化系统设计,规划和设计方法,1,、分析操作目的，确定实现的功能,2,、根据承载与运动的要求确定动力源与驱动装置,3,、选取传感器,4,、硬件结构设计、动力学分析,5,、接口设计,6,、控制器设计,7,、软件模拟,8,、制作,机电一体化系统设计,磁轴承电主轴,电主轴,机电一体化系统设计,功能,：机床电主轴，装上刀具，进行机加工（磨、铣）,承载,：进刀阻力、磨,/,铣阻力矩,动力源与驱动装置,：电机、磁轴承,传感器,：位移传感器（电感式、涡流式）、转速传感器（红外、霍尔）、温度传感器,机电一体化系统设计,硬件结构,各部分参数的设计依据,工况、转速、承载、动力学、电磁、传热、,强度,。,磁轴承,电机,保护装置,冷却系统,刀具安装方式,。,动力学分析,转子振动模态,能控能观性分析,机电一体化系统设计,机电一体化系统设计,电磁场分析,泄漏、最大电磁力,损耗。,机电一体化系统设计,热分析,机电一体化系统设计,强度分析,机电一体化系统设计,参数设计的重要依据,数值分析,数值分析,动力学、电磁、传热、强度,借助门类众多，功能强大的计算软件,动力学分析,Ansys,、,Nastran,、,MADYN,、,MARC,、,Samcef,等,电磁场分析,Maxwell 2D/3D,等,强度分析,ABAQUS,等,热分析,Ansys.CFX,、,CFDesign,。,Electronics Cooling,多学科,仿真,分析,Advanced Thermal,Space Systems Thermal,Response Simulation,NX Advanced Flow,ANSYS,ABAQUS,LS-Dyna Environments,NX Flow,PCB Thermal Analysis,FE Model Correlation,Motion and Controls,Optimization,Laminate Composites,NX Flow/NX Thermal,NX Advanced Simulation,FE Model Update,Flexible Body,Durability,NX Nastran,Access multiple CAE solutions within,one,system,one,user interfaceNX,集成多学科分析,带控制与弹性体系统的运动仿真,机电一体化系统设计,控制器,的硬件,电机、磁轴承,电机控制：变频器,磁轴承控制,DSP,机电一体化系统设计,电子,机电一体化系统设计,硬件组件方案,接口,电气、水冷、机械,控制器（控制理论）,模型获取 控制器设计 软件仿真,制作：机加工、采购、安装、调试。,机电一体化系统设计,目标,方案,接口,控制,小结,机电一体化,机械的电子化,机械技术、微电子技术、信息技术、控制技术等新进技术的系统性综合,智能化、模块化、网络化、微型化,机电一体化系统的组成,机械部分、执行装置、传感器、控制装置、接口,机电一体化系统设计,对需求的把握、合理的方案设计、匹配良好的接口、能充分发挥系统潜力的控制器设计,作业,举出,3,个机电一体化系统的例子，并分别分析其四个组成部分（机械部分、执行器、传感器、控制装置）,机电系统控制,传感器介绍,工程物理系,张剀,传感器介绍,传感器（,sensor,）,能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置,基本功能,检测信号和信号转换,“,征服了传感器就等于征服了科学技术,”,传感器介绍,射电望远镜,超级神冈探测器,特大黑洞正喷射超动,力粒子,3000,英尺,(,近,1km),的地下，内部填充了,5,万加仑,(,近,20,万升,),纯净水，安装数千个感光元件,传感器介绍,希格斯,-,玻色子的发现,产生后一瞬衰变成两个光子,4,条红线可能是,子,传感器介绍,轿车,几十到近百只传感器（豪车多达二百余只），种类少则,30,余种，多则达百种,阿波罗,10,号飞船检测,5295,个参数,现代钢厂有,20000,多只传感器,传感器介绍,全景摄像机（,Mastcam,）,化学和成像设备（,ChemCam,）,周边环境监测台（,REMS,）,火星样品分析装置（,SAM,）,化学和矿物学设备（,CheMin,）,降落阶段照相机（,MARDI,）,粒子,-X,射线光谱仪（,APXS,）,机械臂末端透镜成像仪（,MAHLI,）,辐射强度评估装置（,RAD,）,中子反照率测量仪（,DAN,）,。,69,太阳能电池,数字红外线测距,罗盘,接触开关,压力开关,限位开关,磁簧开关,磁性传感器,微型偏光传感器,偏光传感器板,压电超声换能器,热电探测器,可控硅,气体传感器,Gieger-Muller,Radiation Sensor,压电弯曲传感器,电阻式弯曲传感器,机械式倾斜传感器,摆锤式,倾角传感器,光敏电阻光传感器,霍尔效应磁场传感器,罗盘,红外收发器,带放大的红外传感器,红外调制,解调,Lite-On,红外,遥控接收器,声压遥控接收器,带透镜的红外传感器,陀螺仪,加速度计,红外反射传感器,光电二极管,紫外探测器,金属探测器,传感器介绍,传感器的组成,敏感元件、转换元件、电子线路,敏感元件,感受被测量，输出与被测量成确定关系的其他量,转换元件,可将待测量转换为电参量,被测量,非电量,电参量,电信号,敏感元件,转换元件,信号调理,传感器介绍,水压传感器,帕斯卡定律,胡克定律,传感器介绍,传感器的种类,按原理分,电阻,电感,电容,压电,光电,磁敏,激光,超声波等等，基于物理、化学和生物等各种效应和定律,按被测量分,机械量：位移、力、力矩、扭矩、速度、加速度。,热工量：温度、热量、流量、压差、液位。,物性参数：浓度、粘度、比重、酸碱度。,状态参量：裂纹、磨损、表面质量。,。,其他分类,传感器介绍,有测量需求，寻找相应的传感器,位移测量？,经常作为转换元件,电感、电涡流、电容、霍尔、超声、光学。,传感器介绍,电感位移传感器,传感器介绍,电涡流传感器：通电检测线圈电磁场与被测体内产生的涡流电磁场间相互作用，会引起线圈等效电感和等效电阻变化，可把被测量转换为电参量，达到检测目的,传感器介绍,电容传感器,传感器介绍,霍尔传感器,传感器介绍,声纳,发射脉冲波，通过回声测距离,多普勒效应测速,传感器介绍,雷达,类似,传感器介绍,光学传感器,干涉,传感器介绍,光学传感器,反射,传感器介绍,CCD,激光位移传感器,目标物体反射的光线穿过接收器透镜，聚焦在,CCD,上,传感器介绍,传感器介绍,光学传感器,阻塞,传感器介绍,性能？,静态特性、动态特性,可靠性,抗干扰能力,通用性,尺寸,成本,能耗,。,传感器介绍,静态特性,精度、分辨率、线性度、灵敏度、测量范围、稳定性、迟滞、重复性。,动态特性,输出对随时间变化的输入量的响应特性。,带宽、阶跃响应。,传感器介绍,精度,(,准确,/,精密,),传感器介绍,分辨率,传感器介绍,线性度,输出与输入之间数量关系的线性程度,灵敏度,传感器的输出量增量,y,与引起输出量增量,y,的输入量增量,x,的比值，,s=y,/,x,测量范围,y,=,a,0,+,a,1,x,+,a,2,x,2,+,+,a,n,x,n,a,0,输入量,x,为零时的输出量,;,a,1,a,2,a,n,非线性项系数,传感器介绍,电感传感器,电感与位移的关系,传感器介绍,采用差动方式？,对灵敏度与线性度均有改善,作业：论证差动方式对灵敏度及线性度的改善效果,（提示：电感公式作台劳展开）,传感器介绍,差动变压器电感位移传感器,传感器介绍,输入,输出,期望,传感器介绍,稳定性,长时间稳定性,温度稳定性,辐射,。,（材料老化、辐射翻转、半衰期。）,传感器介绍,迟滞,正、反行程期间其输出,-,输入特性曲线不重合的现象。敏感元件材料物理性质和机械零部件缺陷所造成,Hmax,正反行程输出值最大偏差,传感器介绍,重复性,传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时,所得特性曲线不一致的程度,可用正反行程中的最大偏差表示,传感器介绍,精度,分辨率,线性度,灵敏度,测量范围,稳定性,迟滞,重复性,传感器介绍,传感器的动态特性,输出对随时间变化的输入量的响应特性。,一般采用,正弦,、,阶跃,两种输入来考察传感器的动态特性,输出量随时间的变化曲线与被测参数随同一时间变化的曲线一致或比较接近,阶跃响应：传感器在输入阶跃信号时，输出信号跟随输入信号变化的能力,传感器介绍,一阶传感器,二阶传感器,n,传感器的固有频率,传感器的阻尼比,传感器介绍,一阶系统阶跃响应,传感器介绍,二阶系统阶跃响应,传感器介绍,一阶系统频率响应特性,传感器介绍,二阶系统频率响应特性,传感器介绍,压电式加速度传感器,q,=,dF,=,dma,传感器介绍,传感器的选择,传感器介绍,应用于磁轴承的位移传感器,电感传感器,电涡流传感器,电容传感器,霍尔传感器,光学传感器,传感器介绍,电感传感器特点：线性好、抗干扰能力强、抗干扰能力强，灵敏度较高、带宽高（可大于,2KHz,）、应用温度范围宽、成本较低、结构简单安装方便,传感器介绍,电涡流传感的特点：灵敏度和分辨率高、频率响应好、体积小、可靠性高、安装方便、性能价格比高；非线性和温漂较高,传感器介绍,电容传感器的特点：体积小、温漂小、灵敏度高；抗污染能力和高频响应特性差（,2500Hz,时的典型相移为,50,）,传感器介绍,霍尔传感器的特点：与电容传感器相似，,2500Hz,时的相移为,50,左右；体积可以很小；成本低；温度稳定性差,传感器介绍,光学传感器的特点：线性度高、测量范围宽、带宽高（,10KHz,）、对电磁噪声不敏感；体积大、对灰尘非常敏感、分辩率受衍射效应限制,传感器介绍,磁悬浮小球,传感器介绍,温度传感器,电阻,热电,辐射,。,传感器介绍,压力传感器,弹簧,压阻,压磁,压电,霍尔,(?),。,+,+,+,+,x,F,1,F,1,传感器介绍,智能传感器,:,intelligent sensor,具有采集、处理、交换信息的能力,微传感器,:,MEMS,技术制造出微米量级特征尺度的传感器,集成化应变计式面阵触觉传感器，在,8 mm8 mm,的硅片上制作了,1 024,个,(3232),敏感触点,(,桥,),丰田,传感器介绍,依据各种传感器的性能参数，正确选择与使用传感器,需要检测什么量,需要什么类型的输出信号,静态指标、动态指标,。,机电系统控制,执行装置介绍,工程物理系,技术物理所,张剀,执行装置介绍,执行装置,按照电信号指令，将来自电、液压和气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的装置,驱动物体运动,按能源分：电动、液压、气动,执行装置介绍,电、液、气执行装置比较,液压与气动执行装置介绍,电动执行装置介绍,机械传动机构简介,新型执行装置,电动执行装置,电动执行装置,直流（,DC,）电机,交流（,AC,）电机,步进电机,直驱电机,直线电机,电磁铁等,电机,电机基本原理,F=BLi,T=BLir,安培力,电动执行装置,电动装置的优点,电源获取方便,易控制,可靠性、稳定性和环境适应性好,接口简单,缺点,经常需齿轮等进行运动变换,易受载荷影响,获得大功率较困难,液压与气动执行装置,液压执行装置,液压油缸,液压马达,气动执行装置,汽缸,气动马达,液压与气动执行装置,液压装置优点,易获得大功率,比功率大,刚度高，可实现高速、高精度位置控制,可通过控制流量实现,无级变速,力矩,-,惯量比 比较大，,加速能力强,缺点,需控制油温、有污染，稳定性较差,漏油火灾风险,附属设备占用空间大,液压与气动执行装置,CVT变速箱,液压与气动执行装置,气动执行装置优点,利用汽缸可实现高速直线运动,利用气体可压缩性易实现力控制和缓冲控制,无火灾和环境污染,结构简单，价格低,缺点,由于气体的可压缩性，不易实现高精度位置速度控制,定位动作速度慢,能效低,液压与气动执行装置,液压和气动执行装置的基本工作原理,用油压或空气压力推动活塞或叶片产生直线运动的力或旋转运动的力矩,液体在受到压力之后，其内部的压强可以向各个方向传递,液压与气动执行装置,油缸,液压力,活塞速度,液压功率,执行装置性能比较,电动,液压,气动,比功率,小,大,中,响应特性,(,伺服系统,),20Hz,100Hz,10Hz,控制特性,好,一般,差,占用空间,小,大,大,可靠性,高,(,电子技术进步,),差,中等,价格,一般,贵,便宜,典型应用,极为广泛,扎制、成型、建筑用重型机械,工件夹紧、输送等生产线自动化,液压与气动执行装置,液压系统,液压泵、减压阀、管路、控制阀、执行装置等,液压与气动执行装置,驱动装置,执行装置正常工作，需控制工作油的压力、流量、流动方向,泵控制方式,通过液压泵改变出口流量；结构简单，能效高,阀控制方式,液压泵出口流量一定，通过液压阀调节油路面积；响应速度快，控制精度高，成本低,液压与气动执行装置,电液伺服阀,将输入的微小电气信号转换为大功率的液压信号,(,流量与压力,),输出,S,S,N,N,p,S,p,S,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,p,L,Q,L,1,信号线,;2,永磁体,;3,线圈,;4,衔铁,;5,弹簧管,;6,喷嘴,;7,挡板,;8,反馈弹簧杆,;9,阀芯,;10,固定阻尼孔,;11,过滤器,;12,阀体,液压与气动执行装置,液压马达,输出转矩,马达功率,角速度,V,叶片旋转一周排出工作油的体积,液压马达,叶片马达、齿轮马达、活塞式马达,齿轮马达,液压马达,叶片马达,:,转矩平稳,噪音低,转矩,/,重量比高,齿轮马达,:,结构简单,重量轻,便宜,抗振动,活塞马达,:,结构复杂,效率高,液压与气动执行装置,气动元件,汽缸,马达,阀门,。,伺服电机,伺服电机,伺服系统：精确跟随或复现某个过程的反馈控制系统，又称随动系统。常专指被控制量是机械位移、速度、加速度的反馈控制系统，作用是使输出机械位移（或转角）准确跟踪输入位移（或转角）,为了忠实地执行频繁变化的位置或速度指令而设计的电动机,要求电动机既要转矩大，同时还要转动惯量小,直流、交流、步进,直流伺服电机,直流伺服电机,优点：接上直流电就能运转；启动转矩大、体积小、重量轻、转矩、转速易控制,缺点：带电刷，寿命短、噪声大,特性曲线,直流伺服电机,速度与电压成正比，转矩与电流成正比，功率等于速度与转矩的乘积,直流伺服电机,直流无刷电机,两级三相,转子惯量小，稳定、可靠效率高、响应快,交流伺服电机,交流异步电机,一次绕组产生旋转磁场，二次绕组产生感应电流,转子惯性矩可做得很小，响应速度快，主要应用于中等功率以上的伺服系统,鼠笼型异步电动机,绕线型异步电动机,交流伺服电机,交流电机转矩转速特性,交流伺服电机,交流同步电机,转子为永磁体,定子绕组产生旋转磁场（与异步电机类）,不需要磁化电流控制，只要检测磁铁转子位置即可进行控制。转距产生机理与直流伺服电机相同,步进电机,步进电机,将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电执行元件,脉冲频率高，电机运行速度快；反之则运行速度慢。改变励磁脉冲的相序，则电机反转。励磁电流不切换，电机就停止，且具有较大保持力矩,步进电机,三相反应式步进电动机,B,C,I,A,I,B,I,C,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,C,A,B,B,C,A,3,4,1,2,1,C,3,4,2,C,A,B,B,A,三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，称为三相单三拍工作方式,步进电机,仅用于小容量、低速、精度要不高的场合,驱动程序,步进电机,工作台,指令,直线电机,直线电机,将电信号直接转换成为直线位移；把旋转电机沿半径的方向剖开，并且展平,直线电机,特点：,结构简单,定位精度高，直接传动消除中间环节所带来的各种定位误差,反应速度快、灵敏度高，随动性好,如与磁悬浮技术结合，可进一步提升系统灵敏度、快速性和随动性；,工作安全可靠、寿命长。,直线电机,种类：直流直线电机、交流直线电机以及直线步进电机,典型应用,传送系统、磁悬浮列车（长定子短转子）,直线电机,电磁铁,电磁铁：利用通有电流的线圈使其像磁铁一样具有磁性的装置,磁性有无可用通、断电流控制；磁性大小可以用电流的强弱或线圈的匝数来控制,典型应用：电磁继电器、电磁起重机、磁悬浮列车等,机械传动机构,机械传动机构,齿轮,皮带,丝杠,其他执行装置,磁致伸缩执行装置,压电执行装置,超声波执行装置,橡胶执行装置,。,其他执行装置,磁致伸缩,磁性体外部加上磁场，则磁体外形尺寸会发生变化，这被称为焦耳效应，也称磁致伸缩效应,在磁化方向上的长度增大，则称为正磁致伸缩，否则称为负磁致伸缩,其他执行装置,Kiesewetter,马达,诞生于,20,世纪,80,年代，,10mm120mm,最大驱动力达,1000N,，分辨率,2um,，速度达,20mm/s,，驱动重载无反冲,已商用,压电执行装置,压电陶瓷驱动器,小于,1nm,的理论分辨率，行程大于,100m,其他执行装置,超声波驱动器,利用超声波作为驱动力的一种驱动器：由振动部分和移动部分组成，依靠振动部分与移动部分的摩擦力进行驱动,无铁心，结构简单，体积小，重量轻，响应快，无需配减速装置就可低速运转。适合照相机、摄像机，以及机器人、汽车电器等,其他执行装置,逆压电效应，将电能转换为弹性体的超声振动，并将摩擦传动转换成运动体的回转或直线运动,通过超声产生行进波,其他执行装置,橡胶驱动器,又称人工肌肉，是一种利用压缩空气伸缩橡胶的驱动部件,柔软性好，输出力,-,自重比大（,与同直径气缸相比，输出力比气缸大,3-9,倍,），外形尺寸小，常被应用于机械手、自动化驱动装置中,其他执行装置,工作机制,用作蜘蛛形机器人的所有驱动装置,橡胶驱动器被用作机械手的手指驱动,形状记忆合金,形状记忆效应某些合金在发生永久变形后，加热到某一温度，会自动恢复到变形前的形状，即能“记忆”变形前的形状,Eg:Ni-Ti合金、Cu-Zn-Al合金,磁控形状记忆合金,半球天线（登月）,以热水或热风为热源，伸缩温度为,6585,，自由状态为,45mm,，伸长状态为,200mm,MEMS,微驱动器,微电机,MEMS,微电机,静电马达（库仑力）,MEMS,梳子驱动器,大量叉指式的“手指”组成，加一定电压时会产生相对移动,执行装置介绍,各种执行装置，依托不同的物理原理，实现能量的转换，生成各种形式的运动,理解各自的特点，正确选择执行装置,x,s,f,m,f,m,i,m,机电系统控制,接口技术,工程物理系,张剀,本节内容,接口的基本概念,数字接口,模拟接口,数模转换、模数转换接口,接口,机电一体化系统机械和微电子系统的连接须具备一定条件，机械和微电子系统内各部分的连接，也须具备一定条件，这个,联系条件通常称为接口,接口技术的作用：,实现机械、电子、信息等各异技术在机电一体化系统中的物质、能源、信息的传递与转换，达到系统所需的目的,接口技术的核心,接口技术,匹配,接口技术,电机（工频,50Hz,），用于驱动实际设备时，转速的调整？,接口技术,皮带传动,转速、力矩,接口技术,齿轮箱,接口技术,达林顿连接,微型计算机与,TTL IC I/O,引脚驱动能力为,mA,级,无法直接驱动传动装置,达林顿连接,可将驱动信号传达给电磁线圈、汽缸电磁阀门等的驱动电路,配备达林顿管后，,TTL IC,可获得,几个,A,量级的驱动能力,计算机,I/O,PB,0,电流放大倍数,h,FE,=,h,FE1,.,h,FE2,h,FE1,h,FE2,接地,变阻器,T,r1,2SC1815,2SD880,晶体管,2,(,功率晶体管,),624V,达林顿,连接部位,电磁线圈驱动部位（操作机构）,电磁线圈驱动部位（操作机构）,接地,？,接口技术,接口技术的功能：,系统输入,/,输出接口信息的匹配,系统信息的转换、调整，能源信息匹配,eg,：,速度、运动方向、电平、驱动电流、传输标准。,核心思想,匹配,接口技术,数字接口,模拟接口,模数转换与数模转化电路,数字接口的匹配,数字接口匹配,?,电平匹配,驱动能力匹配,复杂接口芯片（协议匹配）,速度匹配,隔离,数字接口的,电平匹配,5V(TTL),、,3.3V(CMOS),数字电路的连接？,采用双电压（一边是,.,，另一边是）供电的双向驱动器来实现电平转换,数字接口驱动能力匹配,驱动能力匹配（电流匹配）,驱动其他数字芯片：每个芯片的扇出值是固定的，在电路设计中要求芯片的输出信号驱动的芯片数必须小于允许的扇出值,扇出（,fan-out,）,单个逻辑门能够驱动的最大的数字信号输入的数量。大多数,TTL,逻辑门能够为,10,个其他数字门或驱动器提供信号,数字接口驱动能力匹配,反向电流（,sink current,）与源电流（,source current,）,数字接口驱动能力匹配,CMOS,芯片驱动,TTL,（晶体管,-,晶体管逻辑电平）芯片,CMOS,门电路,4000,系列最大允许灌电流,(IOL),为,0.4mA,，,TTL,门电路的,IIS1.4 mA(,输入短路电流,),，,CMOS4000,系列驱动电流不足,解决办法,1,、选用,CMOS,缓冲器，,eg,：,CC4009,的驱动电流,可达,4 mA,2,、,CMOS,的,54HC/74HC,系列产品可以直接驱动,TTL,电路,数字接口数字芯片选择,芯片选择依据,数据手册,复杂的匹配,标准的匹配,ISA,、,PCI,、,USB,、,CAN,、,1394,。,标准匹配,PCI,接口标准,标准匹配,PCI,接口芯片,PLX9052,标准匹配,专用接口芯片,PCI,接口芯片,plx9054,、,plx9052,等,USB,接口芯片,CH371,Internet,网络接口芯片,iChip S7600A,、,webchip PS2000,CAN,接口芯片,Philip PCA82C250,、,TI SN75LBC031,数字接口的速度匹配,传输速度匹配,导通延迟时间,截止延迟时间,传输延迟时间,数字接口的缓冲,缓冲（提高驱动能力、锁存、总线传输速度匹配）,eg,：实时数据采集,实时操作系统（采集与反馈控制,最坏延迟）,总线缓冲（,FIFO,、双端口,RAM,等）,仅作采集,好奇号的“恐怖,7,分钟”,以近,17,倍音速进入火星大气层的一刻开始，借助急速煞车于,7,分钟内降为静止状态，最后软着陆于火星表面（风河,VXWorks,）,数字接口的缓冲,FIFO,Din0:n,/RD,/WR,CLK,Dout,0:n,FULL,EMPTY,接口信号：,数据输入,Din,，数据输出,Dout,，读控制线,RD,，写控制线,WR,，,CLK,时钟信号，,状态信号：,存储器满,FULL,，存储器空,EMPTY,WP,RP,(First In First Out),先入先出,如何用以实现速度匹配,?,数字接口的缓冲,双端口,RAM,地址寄存器,地址寄存器,译码,译码,存储体,数据,A,数据,B,地址,A,地址,B,双端口存储器示意图,常规存储器是单端口存储器，每次只接收一个地址，访问一个存储单元，从中读取一个字节或一个字。,双端口存储器具有两个彼此独立的读,/,写口，每个读,/,写口都有一套独立的地址寄存器和译码电路，可以并行地独立工作。,数字接口的隔离,电噪声隔离，强弱噪声信号匹配,光电隔离,eg,：,6N137,模拟电路,核心部件,运算放大器,运放,供电电压,带宽、增益带宽积,输入阻抗,驱动能力（功率）,供电电压,、封装、压摆率、偏置电压（及其温漂）、偏置电流、功耗、噪声。,运放,理想运放与实际运放,电压增益无穷大,带宽无限大,输入阻抗无穷大,输出阻抗为,0,电压增益很大（,50,000,到,200,000,）,带宽有限,输入阻抗很高（大于,10,兆欧）,输出阻抗很低（几百欧姆之内）,运放,由各制造商提供的所有数百种型号的运放，都是以略微不同的方式进行优化的，所以，设计者的任务是在这数百种器件中找出少数几个适合具体应用的运放。,运算放大器权威指南：第,3,版,模拟电路,模拟电路的匹配问题,带宽,匹配（运放的速度选择，增益的合理分配）,电压匹配,驱动能力,匹配（功率匹配,功率运放）,信噪比,滤波、隔离、屏蔽,保护（过压保护、过流保护、温度保护）,运放,带宽,f,O,|,A,u,|,1,0.707,O,45,90,f,H,f,幅频特性,相频特性,G,BW,=,A,u,s0,f,H,=,CONST,增益带宽积,=,常数,运放,单位增益带宽,：运放闭环增益为,1,时，将一恒幅正弦小信号输入到运放的输入端，从运放的输出端测得闭环电压增益下降,3db,（即运放输入信号的,0.707,）所对应的信号频率,BW,G,=,f,T,f,T,为开环增益下降至,0 dB(,即,A,ud,=1),时的频率,GWB=50MHZ,，要放大一个,100KHZ,的信号，最大放大倍数,?,增益分配,增益分配,增益分配,增益分配,1,）,R2=50K,，,R4=40K,2,）,R2=200K,，,R4,10K,PSPICE,仿真,增益分配,频响曲线,3dB,带宽,195KHz,（,P1=20;P2=1 blue,）,3dB,带宽,510KHz,（,P1=5;P2=4 red,）,运放,多级放大器,模拟接口的电压匹配,小信号的放大,对微弱信号进行调理，以提高抗干扰能力，并利于后续的信号处理,大信号的调整,前后级电路的电压匹配与信噪比的提高，,eg,：,A/D,转换芯片输入电压匹配,运放驱动能力匹配,驱动能力匹配,测试电路,R3=500,、,1000,？,运放驱动能力匹配,输出波形,R3=1000 red,R3=500 blue,信噪比,信噪比,（,Signal to Noise Ratio,）是有用信号与噪声之比的简称,信号滤波（高通、低通、带通、带阻）,屏蔽,连线尽量短，采用屏蔽线,隔离,隔离放大器,屏蔽,采用双绞线、同轴电缆或屏蔽线进行传输,电磁场封闭在内外导体之间，故辐射损耗小，受外界干,扰影响小,两根绝缘导线按一定密度互相绞在一起，可降低信号干扰程度，每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消,隔离,电信号的隔离？,光电、变压器,隔离放大器,变压器耦合式,采用调制解调技术，可以放大变化缓慢的直流信号和频率很低的交流信号,Eg,：,AD210,变压器耦,合式隔离放大器,额定隔离电压达,2500V,Nonlinearity:,0.012%max,Wide Bandwidth:20 kHz,数模转化与模数转换电路,数字模拟转换,D/A,模拟数字转化,A/D,抗混叠滤波器,模拟接口电路的任务,模拟电路的任务,00101101,10101100,工,业,生,产,过,程,传感器,放大,滤波,多路转换,&,采样保持,A/D,转换,放大,驱动,D/A,转换,输出,接口,微,型,计,算,机,执行机构,输入,接口,物理量,变换,信号,处理,信号,变换,I/O,接口,输入通道,输出通道,数模转化与模数转换电路,数模转换（,D/A,）,D/A,转换器,把微型机输出的数字量转换成模拟量，可输出各种波形的信号,基本工作原理,?,数码缓冲寄存器,n,位数控模拟开关,解码网络,n,位数字量输入,模拟量输出,求和电路,参考电压,n,位,D/A,转换器方框图,数模转换（,D/A,）,Eg,：权电阻网络型,D/A,转换器,数模转换（,D/A,）,输出波形,2,次数据输出的时间间隔,0,2LSB,1LSB,255LSB,254LSB,低通滤波（平滑波形）,数模转换（,D/A,）,主要性能指标：,分辨率（,38,位,/912,位,/13,位以上）,D/A,转换时间和路数,输入,/,输出特性和范围,芯片选型,性能、价格,模数转换（,A/D,）,模拟电信号（非电物理量通过合适的传感器转换成电信号）只有转换成数字量才能被计算机采集、分析和计算处理,A/D,转换器,将模拟量转换成数字量的器件,模数转换（,A/D,）,基本工作原理,采样,保持,量化,编码,V,I,D,O,模拟量输入,数字量输出,模数转换（,A/D,）,采样保持,模拟信号,U,i,K,驱动信号,A,C,H,模拟地,U,O,采样保持器的一般结构形式,模数转换（,A/D,）,量化、编码,如何实现？,并联比较型,其他：,逐次逼近型,双积分型,计数斜波型,。,模数转换（,A/D,）,主要性能指标：,分辨率,A/D,转换时间,输入,/,输出特性和范围,选型,与,D/A,芯片选型相似,模数转换（,A/D,）,分辨率,A/D,转换器对输入模拟信号的分辨能力,从理论上讲，一个,n,位二进制数输出的,A/D,转换器应能区分输入模拟电压的,2,n,个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为 （满量程输入的,1/2,n,）,-,如何选择,n?,分辨率,=,例如，,A/D,转换器的输出为,12,位二进制数，最大输入模拟信号为,10V,，则其分辨率为,模数转换（,A/D,）,2.,转换时间,转换时间是指,A/D,转换器从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。,转换速度与信号采样率及,CPU,时间分配相匹配,Eg,：传感器输入信号最高频率,1KHz,为保证采集信号质量，采样率取,10KHz,，则,A/D,转换频率,10KHz,；另外，两个采样周期之间，,CPU,需要花费,80,时间用于采集数据的处理，则实际允许的转换时间为,(1/10K)s20%=20 us,（对应转换速度为,