机电一体化系统设计.pdf

机电一体化糸统设计第四章机电一体化系统 微机控制系统选择与设计张建民 编著高等教育出版社讲授:何庆中机电工程系出第4/1节微机控制系统随着机电一体化系统所需的控制功能、控制形 式、控制方式的不同和多控制过程日趋复杂,对控 制系统的要求越来越高。微机控制系统的引用,在 许多方面能满足机电一体化控制系统的要求。微机套制炎统:是将微型计算机作为机电一体化 产品的控制器,结合微型计算机的工作原理、接口 电路（数字和模拟）的设计、相应的控制硬件和软 件,以及它们之间的匹配,实现对控制对象的有效 控制。常用的微机控制系统:专用微机控制系统 机。通用微机控制系统 业计算机。核心部件为单片机和单板核心部件为可编程控制器和4.1.1微机控制系统硬件与软件抉择和权衡在确定微机控制系统时,应重点考虑几 方面的问题。(1)专用/通用微型计算机的选择1)专用控制系统的构成与特点用于大批量生产的机电一体化产品。具 有机械电子有机结合紧凑,由专用IC芯 片、接口电路、执行元件、传感器等相互 合理匹配成专用控制器,软件采用专用机 器代码或语言,可靠性强,成本低,但适 应能力较差。2）通用控制系统的构成与特点构成:控制系统以通用微型计算机为核 心,设计专用或选用通用的集成IC芯片、接口电路、执行元件、传感器,以及相互 合理匹配元件,组成具有较好通用能力的 控制器。软件采用通用平台软件系统。特点:具有可靠性高,适应性强,但成 本高,应采取一定的抗干扰措施等特点。应用：适用于多品种、中小批量生产的 机电一体化产品。(2)硬件与软件的权衡/匹配任何微机控制系统的控制功能,即可以由 硬件实现,也可以由软件实现,两者的合理 匹配是确定或选用微机控制系统研究内容之主要依据复淤性、可靠性、适用性等要求 来决定。主要用通用分离元件组成的控制系统 一最好采用软件来实现对机电一体化产品的 主要控制功能,接口少,易于调整,适应能 力强,但成本较高。主要用专用集成元件组成的控制系 统最好选用硬件实现对机电一体化产 品的主要控制功能,具有廉价、可靠、处 理速度就等特点。(3)应有、要的抗干扰措施!由于工作环境比较恶劣(存在电噪声干 扰等),易产生故障。为提高控制系统的 环境适应能力和抗干扰能力,以及可靠 性,必须采取相应的抗干扰措施。4.1.2微机控制系统的设计思路（1）确定系统总体控制方案总体控制方案确定技术路线系统构成上考虑控制方式（开环控制、半闭 环控制、闭环控制）传感元件选用（含精 度）选用/设计执行元件考虑被控制对 象特殊控制要求（高可靠性、高精度、快速响应 特性）微机在整个控制系统中的作用（计 算、数据处理、直接/间接控制方式、控制功 能、I/O接口、外围设备等）控制系统成本 核算。确定微机控制系统总体控制的初步方案总体方案可行性论证-总体方案技术/经济评价总体方案鉴定。最终确定微机控制系统总体控制方案(2)确定控制算法目的在于确定微机控制系统输入/输出之间的 数字和逻辑数学模型的数学表达方式,为控制系 统输出的控制信号,实现被控制对象的各控制功 能、精度、稳定性、可靠性等要求提高可靠的理 论依据。常用的控制算法:逐点比较法、發与积分法、PID调节控制法、最小拍控制法、最优控制法、随机控制法、自适 用控制法、遗传控制烝、模糊续法、鲁棒控制 法、神经网络控制法、当家系统等。丁选用何种控制算法,应依据被控制对象的具体 要求而定,主要包括控制功能、精度、稳定性、可靠性等。（3）微型计算机选择1965-任何微机控制系统中的微型计算机,无论被控制对象 的要求如何,对微型计算机都有一定最基本要求。1）较完善的适时中断系统实时控制能力、紧急处理能力。2）足够的存储容量（ROM、RAM、EPROM）有效地保证微机系统软件、应用软件、数据处理工作 的正常运行。3）完善的输入Z输出通道逻辑、数字、模拟通道,以及输入/输出通道接口数。4）实时时钟控制 作为控制系统实现控制功能的基准。除此之外,还有一些特殊要求字长、运行速度、指令、成本、编程难易、输入/输出接口扩展能力等。微型计算机的最终确定:可选用微型计算机主要有三种类型:单片机-主要包括数字计算机四个基本组成部分（CPU、EPROM.RAM、I/O）,双列直插式集成电路。具有结构简单、实用范围广,但需用专用的开发系统 对其软件和硬件进行开发才能满足使用要求。单板初一将单片机、编程器、外部存储器、专用通 用接口电路等板卡式微型计算机。具有成本低、体积小 特点,主要用于生产现场的控制系统;但内存容量少,接口电路少,采用机器语言编程、程序编写、调试困 难。微型计算机一具有丰富的软件和硬件支持,具有可 视化界面的系统软件、可应用高级语言、汇编语言等编 写应用程序,程序编写、调试方便快捷,有多样化数据 信号输入/输出接口（COM、USB）或插槽（PCI、ISA）;但价格比较昂贵、抗干扰能力较差。（4）控制系统总体设计（技术设计）一旦被控制对象的具体要求、微型计算机、控制软 件平台确定,便可进行控制系统的总体设计。主要解决系统硬件、软件和操作人员三者之间的匹 配,数据信息和控制信息交换的通讯接口设计（硬件 接口）,能分时时序控制设计（应用软件设计）等方 面问题。控制系统总体设计的主要内容:1）软件与硬件功能合理分配与协调（主要依据经济 性、可靠性指标进行软件硬件的分配、协调与权 衡）。2）接口设计（输入Z输出信号匹配与协调）。3）通道设计（信号通讯方式与1/O类型）。4）操作控制台设计（人机交换方式）。5）可靠性设计（可靠性设计方案与措施）。(5)软件设计系统软件:主要有操作系统、故障诊断系统、开发系统、信息处理系统等。、妾机电一体化产品的控制系统软件设计中、般不设计系统软件,只是合理选用并了解基本的 工作原理和熟练使用方法的问题。应用软件:由操作者依据被控制系统的控制要 求和特点,用户自行编写完成的。对于操作者或编程员来讲,所指的软件设计均 为应用软件设计。除此之外,在应用软件设计时,还应考虑些 基本要求。实时性、针对性、灵活性和通用性等方面要 求。出(6)系统调试一旦微机控制系统设计完成后,需对整个系 统进行调试,以便达到设计要求。调试步骤包 括硬件调试、软件调试、系统调试三大步骤。第4.2节8086/8088微机的硬件结构特点 第4.3节Z80CPU的结构特点及储存 器、输入输出扩展接口第4.4节单片机的结构特点与最小应用 第4.5节数字显示器及键盘的接口电路以上四节在微型计算机原理与应用和计算 机控制系统课程中,已作为重点加以学习过,在此不做详细讲解,请同学们复习以下,如果在 下面的章节中设计到相关知识要点,再加以说 明。第4,6节可编程逻辑控制器（PLC）(1)PLC构成作原理:使用可编程存储器存储用户设计 的应用程序指令,由指令实现逻辑运算、顺序 操作、定时、计数、算术运算和I/O接通讯来 控制机电一体化系统（产品）。基本构成:主要由微处理器（CPU）、存储 器（RAM、ROM、EPROM）I/O接口（数 字、模拟）、编程接口、编程器（含显示）等 组甲。I编程器k=n编I 新力理器丨 I 丨捽丨业不希编 程 接 微处理器（CPU）存储器（RAM ROM）I/O 接 控制对象(2)PLC的编程特点PLC可编程逻辑控 制器的设计者向用户 提供简明、易学、易 记的汇编语言,也可 借助于逻辑梯形图作 为编程的首选编程语 言,将一组含义明 确、功能性强、为数 不多的指令用指令助 记符表示的一种直观 易懂的编程方法。H七：与 CHUN.(3)PLC的应用举例励志勤冷却油控制阀动作钻头快进延时1 0 s夹紧装置动作钻头慢进上到序结束为本工序启动信号夹紧控制继电器K 1吸合夹紧控制接触器KM1吸合定时器T 1延时1 0 S后动作吸油控制继电器K2吸合 喷油驱动电磁阀YV吸合快进控制接触器KM2吸合判断:钻头是否快接近到件钻头快退至 毕帝缶:达宀元控控 断深削退退 判孔钻快快开控控 进进进 继电器K3吸合 接触器KM3吸合否?继电器K4吸合接触器KM4吸合判断:钻头退到原位否?本工序结束第4节微机控制系统输入/输出的可靠性设计微机控制系统以及各主要功能元件（部件）的输入/输出信号控制功能主要由硬件和软件设计来保证。在硬件设计中,如何提高控制系统的工作可靠性,是微机控制系统设计的重要环节之一。主要包括:1）能可靠地传递各类控制信息有效保证输入/输出控制信号转换的运动状态。2）能够进行有效的信息转换满足微机对输入/输出信息类型的转换要求。如:A/D、D/A转换;平行数字信号与串行数字信号的转 换;电平信号的转换与匹配;电量与非电量的转换;强电与弱点转换。3）具有阻断干扰信号进入微机控制系统的能力主要采用滤波技术、光电隔离技术、屏蔽技术等。本节重点学习微机控制系统的输入/输出电 路和信息接口设计的可靠性方法,即光电隔 离电路设计、信息转换电路设计。送电隔离电路设计（1）光电隔离电路的基本工作原理与组成Vc+5v Q Q Vc+12v Vc+5v QRI74LS04R2去微机R1输入信号（来自微机）R2输出（去执行系统）Gb)来自机械系统(2)光电隔离电路的特点光电隔离电路通过光敏转换实现信号的单向传 递,可有效地阻断各类干扰信号,实现信号的 电平转换(功率放大)和电平极性转换(+/-)。(S5usuodsea(X)OO5O20105 2 110 50Load resistance R：ikQ)0.01 0.1光电隔离时域检测电路 时域响应特性输出阻抗/时间响应特性RDVccfRL Output+oVcE 777VCE=5V Ic=2mA Ta=25yiooQ g光电隔离频域 检测电路 时域响应特性输出阻抗/频率响应特性(3)光电隔离电路的作用1)可将输入/输出两部分的供电电源和电路 的地线分离。光电耦合输入、输出端之间绝缘 电阻很大(10U1013Q),寄生的电容很小(0.52pF),因而干扰信号很难从输入端反 馈到输出端。2)可进行电平转换,实现要求的电平输出,从而具有初级功率放大作用。3)提高对负载的驱动能力。可直接驱动光控 晶闸管工作。、如果光电隔离电路与滤波电路、屏蔽电路有 效的结合起来,将会进步提高微机控制系统 而抗干扰能力。励志勤光电耦合光电耦合通幽选 多道址择其他/Q接口耦合后向接口前向接口耦合D通(4)光电耦合隔离电路的应用光电隔离电路在机电控制系统中的基本配置址择 地选Tifl在微机控制系统中,由于可采用的高功能集 成元件端口（输入/输出接口）的性质常有所 不同,因而所采用或设计的光电隔离电路也有 所不同。在系统设计中,应依据实际情况而1）8031芯片匹配的输入输出光电隔离接口电路特点:P3口作为准 双向接口,当P3输入 被拉成低电平时,可直接由TTL或MOS 电路驱动;当外部信 号为低电平时,P3可 被拉成高电平直接与 光电耦合器连接。Vc+5v RIP38031GR2r-I 10I I来自机械系统o2）8031.8215、8255芯片匹配光电隔离接口电路特点:当接口作为输入 时,端口为高阻抗输 入,与8031的P1接口与光 电耦合器的输入连接相 同;当P1和P3作为输出接（准双向接口）时,高 电平输出时对外泄漏的电 流很小（零点几mA）;低 电平输出时对外泄漏的电 流很大,P1和P3作为输出 接口。3）8155、8255芯片匹配光电隔离接口电路特点:由于 8155、8255输出口 可释放和吸收的电 流较大,故可直接 用高点平推动晶体 管驱动光电二极 管。在8155、8255上 电复位（高阻抗状 态）时,不使开机 输出额外的信息,将晶体管硬拉成低 电平。Vc+5v Vc+12v.TL 曲言号（来自微机）81558255R1R3GTVTR4号（去现孫窕特点:采用 达林顿型庭就 电路,可输出 更大的电流驱 动输出设备。4）输出较大电流驱动的光电隔离接口输出电路Vc+5v 81558255入信号（来自微机）5）提高普通光电耦合器光耦合速度的光电 隔离接口输出（响应）电路特点:可进 步提高普通光 电耦合器光耦 合速度。R2 R36)V/F转换器(LM331)频率输出光电隔禺 接口输出电路_ _ _10I*I r-r I*I r-ra)R特点:可提高在恶劣环境中前向型通道和电评 的抗干扰能力。微机开关量摩德达理 励志勤4.7.2信息转换电路设计 1）弱点/强电转换电路/GG功放电路G 功放电路GAC电动机K功放电路YAT与 CHUN.Z(2)数字/脉冲信号转换并行转换为串行步进电机A相功放电路(3)数/模(D/A)转换、模数(A/D)转换D/A0微功放电路 速度控制直流伺服 电动机机速度反馈A/D位置反馈第4,8节常用检测传感器的性能特 点、选用与微机接口48.1检测传感器的分类与基本要求(1)传感器将被检测j対象的各种变化物理量转换成 电信号的种变换器。(2)传感器的作用被用于检测机电一体化系统自身和作业 对象、作业环境的状态,为有效地控制机 电一体化系统动作提供信息。（3）传感器的分类1）传感器的作用主要分为:内部信息传感器和外部 信息传感器。部信息传感器检测机电一体化系统内部状 态。主要包括:检测位置、速度、/矩、温度以 及异常变化等的传感器。外部信息传臓器检测作业对象的状态和外部 环境状态。主要包括:接触式和非接触式传感器,如:温度/湿度传感器、气压传感器、电涡流传感 器、无线电接收机、红外测温仪,激光测距机等。2）按输出信号的性质可分为:开关型、模拟型和数 字型传感器（计数型和代码型）。3）按传感器的用途分为:位移、位置、速度、加速 度、/矩、温度、湿度、压力等传感器。4）按传感器的用途分为:电阻式、电感式、电磁 式、电容式、光电式。(4)传感器的基本要求体积小、重量轻、适应性好。精度和灵敏性高、响应快、稳定性 好、信噪比高。安全可靠、寿命长。便于与计算机对接。不易受被检测对象和外部环境的影响。X环境适应能力强。现场安装处理简单、操作方便,价格 便宜。482各类传感器的工作原理、主要 性能及优缺点各类传感器的工作原理、主要性能及 优缺点,在数控技术、传感器技 术、传感器及其应用等课程已进 行了较全面的学习,在此不做详细的讲 解。注意:掌握好各类传感器的工作原理、主要性能及优缺点,是正确选用传感器 的重要依据之一。4.8.3传感器的选择原则及注意事项(1)传感器的选用原则壁要是依据传感器的使用要求和被控制 对象的控制精度要求选择适用的传感器。(2)传感器选用的注意事项在确保主要性能参数和指标的条件下,适当可放宽次要的性能和指标要求,以便 获得较高的性能价格比。注意i不能盲目 的追求传感器各种性能指标均高的传感器 选择方法或原则。（3）提高传感器性能的主要技术措施1）平均技术缩小检测误差2）差动技术减少非线性误差3）稳定性处理提高传感器可靠性 和寿命4）屏蔽和隔离提高抗外界干扰的 能力 X484传感器的测量处理电路由于传感器检测到的原始信号比较微弱,需 中间转换处理电路将信号放大成易于检测或处 理的电压或电流信号,在经调制解调、A/D转 换、D/A转换等输出能满足计算机处理的要求 和匹配的检测信号。注意:传感器的检测处理电路通常与所选用 的传感器密切相关,一般由传感器生产厂家提 供选择。控制系统设计时,选择设计是非常重 要的。主要包括检测测量电路和信号放大转换电路 两部分。(1)传感器的检测测量电路模拟型测量电路调制、放大、解调、滤波、A/D转换处理。数字型测量电路光电转换、放大整 形、检测量编码。开关型测量电路对检测信号的放大或 降压/分流等。(2)传感器信号%大转换电路传感器信号放大转换电路主要包括:电桥电路测量阻抗、感抗、电容量等 电参量的电量(电压、电流等)转换。放大电路由运算放大器、晶体管等组 成。将检测到的微弱电信号进行放大处理（电压放大、电流放大、功率放大等）。采 用屏蔽、隔离、滤波电路等提高放大信号的 质量或品质。调制与解调电路对传感器输出的微 弱、缓慢变化信号,由一般直流放大和信号 传输电路,将产生零点漂移等干扰信号。采 用调制、放大、解调设计电路,可得到几乎 无干扰信号的放大测量信号。A/D、D/A转换电路实现检测输入、计 算机处理、输出执行信号之间的匹配转换。出485传感器的微机接口微型计算机需要输入数字信号,而传感器输出 的信号有模拟、数字、开关型信号,为了与计算 机匹配,需要相应的接口电路。模拟量接口电路、数字量接口电路、开关量接 电路。本章小结重点掌握微机控制系统的定义;常用控制计算 机的类型、抉择和权衡方法;微机控制系统的设 计思路和微机系统构成与种类;PLC的基本工作原 理与基本构成;PLC的编程特点与执行过鹫 输入/输出接口控制信号的可靠性设计基本要求和提高 输入/输出电路与接口可靠性的主要方法。第四章课外作业1、从控制角度出发,所选择微机应满足 哪些条件。2、试说明CPU、MC、MCS之间的关 系。3、控制系统输入输出控制可靠性设计的 主要包括哪些内容?4、试说明光电耦合器的光电隔离原理。光电隔离电路的特点和作用?5、试说明机电一体化系统常用传感器的 种类及其基本特性参数。