讲义许小庆机电一体化导论.docx

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讲义许小庆机电一体化导论

第1章绪论

1.1机电一体化技术的产生与发展

机电一体化技术的产生：

机械化技术的发展：

工业革命开始……

控制技术发展：

20世纪30年代，开始快速发展，以军工技术为载体……

信息处理技术的发展：

20世纪60年代，开始快速发展，以大规模集成电路为载体…

机电一体化技术的产生：

自从控制技术快速发展，就……

20世纪70年代，60年代提出，70开始快速发展

机电一体化技术的发展：

自动化技术发展的必然产物：

各个学科综合结果，尤其自动化技术+计算机技术。

（日本：

机械制造领域：

为提高生产效率，自动化生产、生产过程信息化控制；

美国：

主动将自动化技术（正像乔布什说的“人们并不清楚自己需要什么，需要你来告诉他们”）、信息化技术推广到工程技术的各个领域；

英国学者：

各个领域发展过程中的自然渗透，涉及大量学科。

中国：

国家9.5开始大力支持；各个高校对机电一体化的理解）

1.2机电一体化的相关技术

图1控制系统的基本组成

图2机电一体化技术体系

传感器技术、自动控制技术、精密机械技术、伺服传动技术、系统总成技术

1.2.1传感器技

传感器：

能检测各种物理量，将测得的各种参量转换为电信号，并输送到信息处理部分的功能器件。

完成对各种信息的检测、收集，这些信息包括：

位移、位置、速度、加速度、力；

压力、流量、温度；

电压、电流

因此传感器首先需要有敏感元件部分。

输出量通常为

模拟电流、电压、数字量，因此传感器通常配有专用的信号处理电路。

1.2.2信息处理技术

完成对信息的输入、输出、计算、分析、存储。

通常为专用控制装置，以及计算机、单片机、A/D、D/A

完成上位机的信息交换功能。

1.2.3自动控制技术

各种控制单元，以自动化过程为控制目的的各种逻辑控制；以某些参数值为控制目的的各种参数控制；以某些综合指标为控制目标的最优化控制。

等等。

高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、示教再现、检索等技术。

各种控制理论、特殊控制策略、专用算法

1.2.4伺服传动技术

电机拖动技术

液压传动及伺服控制技术

气压传动技术

1.2.5精密机械技术

为更好地与控制技术结合，精密机械技术较一般的同类机械精度要求更高，要有更好的可靠性及维护性，同时要有更新颖的结构。

高精度导轨、精密滚珠丝杠、高精度轴承、高精度齿轮，微电机系统、高精度伺服系统

1.2.5系统总体技术

局部最优技术：

就某一指标局部达到最优。

总体最优技术：

系统中的关键元件的指标可能非最有，但系统的各种指标总体评价最有。

1.3机电一体化技术的发展前景

性能方面：

高精度、高效率、高性能、智能化。

如数控机床的精度可达到0.1μm；最新电液伺服阀带宽可大1000Hz以上；

功能方面：

小型化、轻型化、多功能。

如微型电机、特种电机，尤其是近几年出现的新型压电执行器（应用于电液伺服阀、特种加工）、超声电机（高速高精度控制、特种加工）。

层次方面：

复合集成、系统化。

如复合控制系统（电力驱动+液压伺服）、实时仿真与控制系统（DSPACE）、多模式电机控制器（多自由度电机）

1.4液压钢索张拉系统

1.4.1钢索张拉系统要求

张拉系统：

要求：

1.按照给定的张拉力-时间曲线对钢索进行张拉，记录相关数据（画张拉曲线并对张拉过程进行解释）

2.锁紧钢索

3.实现信息化管理

1.4.2张拉系统组成

首先介绍目前的张拉过程特点：

机液液压系统；人工控制；人工监理

缺点：

精度低；张拉过程难以规范化；无法多点张拉同步；无法信息化。

执行机构（伺服传动系统）：

液压缸，也可以包括液压系统

压力传感器（检测传感系统）：

压力——>电压（电流）转换

控制器（控制系统）：

液压系统+PLC+控制算法

信息处理（信息处理系统）：

数据记录、存储，报警、提示。

整体最优设计（系统总成技术）:

伺服系统/比例系统/开关系统

1.5无人机姿态控制系统

本章思考题

什么是机电一体化？

其组成要素是什么？

与机电一体化相关的技术有哪些？

机电一体化是在什么背景下产生和发展起来的？

通过列举生活中的实例来说明机电一体化的组成要素和作用。

机电一体化发展的前景如何？

第2章传感器技术

2.1位移传感器

2.1.1电感式位移传感器

变气隙式（变阻式）：

高频反射涡电流式：

结构简单、精度高、性能稳定、工作可靠，应用广泛。

2.1.2差动变压器式传感器

结构简单、测量精度高

2.1.3电容式传感器

面积变化型、极距变化型、介质变化型

特点：

激励能量小、不受非电磁环境干扰、响应快

通常做位移、角位移传感器

需调频电路调整

2.1.4感应同步器（）相关术语：

JB/T3585.1-96

感应同步器是利用两个平面形绕组的互感随位置不同而变化的原理组成的。

可用来测量直线或转角位移。

测量直线位移的称长感应同步器，测量转角位移的称圆感应同步器。

感应同步器的工作原理与旋转变压器的工作原理相似。

当励磁绕组与感应绕组间发生相对位移时，由于电磁耦合的变化，感应绕组中的感应电压随位移的变化而变化，感应同步器和旋转变压器就是利用这个特点进行测量的。

标准的感应同步器定尺长250mm，尺上是单向、均匀、连续的感应绕组；滑尺长100mm，滑尺上有两组励磁绕组，一组叫正弦励磁绕组，一组叫余弦励磁绕组，定尺和滑尺绕组的节距相同。

当正弦励磁绕组与定尺绕组对齐时，余弦励磁绕组与定尺绕组相差l／4节距。

（定尺由优质碳素钢为机体，导磁性好，表面制有连续平面绕组，在机体上用绝缘的粘合剂贴上铜箔，用光刻或化学腐蚀的方法制成方形开口平面绕组，并在花痴的周围贴有一层铝箔，防止静电干扰，常用于机床上）

应用介绍:

感应同步器广泛应用于高精度伺服转台、雷达天线、火炮和无线电望远镜的定位跟踪、精密数控机床以及高精度位置检测系统中。

一、鉴相方式

将滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以幅值相同、频率相同、相位相差90°的交流电压。

当滑尺上的正弦绕组和余弦绕组分别以1～10kHz的正弦电压激磁时，将产生同频率的交变磁通；该交变磁通与定尺绕组耦合，在定尺绕组上将产生同频率的感应电势。

正弦、余弦绕组是幅值相同、相角差90o的交流信号：

正弦绕组：

余弦绕组：

输出：

在一个节距内，与滑尺移动距离是一一对应的，通过测量定尺感应电势相位，便可测出定尺相对滑尺的位移。

二、鉴幅方式

将滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以频率相同、相位相同，但幅值不同的交流电压

若电气角

已知，则测出Uo的幅值KUmsin（

-θ），便可间接地求出θ。

特点：

精度高,通常在1微米以下

感应同步器的优点：

测量长度不受限制；对环境适应性强；维护简单、寿命长；抗干扰能力强、工艺性好、成本低。

2.1.5回转编码器

回转编码器是一种回转式数字测量元件，通常装在被检测轴上，随被测轴一起转动，可将被测轴的角位移转换为增量脉冲形式或绝对式的代码形式。

增量型和绝对型

增量型回转编码器：

A、B、Z三相

绝对型回转编码器

下图中码盘旋转方向不同，造成观察到的图形不同，（解释）

绝对性：

位置——编码，意义对应

8421码：

基本二进制

雷格码（二位循环码）：

特点：

相邻吗仅有一位变化，数据处理问题。

编码器的性能受到加工技术、电路工作频率的影响。

2.1.7光栅位移传感器

光栅的构造：

工作原理：

把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列，如图所示。

莫尔条纹具有如下特点：

1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。

光栅每移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动过一个条纹间距B

2.莫尔条纹具有位移放大作用。

莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角之间关系为

3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。

（光栅检测装置的关键部分是光栅读数头，它由光源、会聚透镜、指示光栅、光电元件及调整机构等组成。

光栅读数头结构形式很多，根据读数头结构特点和使用场合分为直接接收式读数头（或称硅光电池读数头、镜像式读数头、分光镜式读数头、金属光栅反射式读数头）

为检测运动方向：

2个指示光栅

介绍一下电路原理：

其目的产生对u1、u2的细分脉冲。

（可利用编码器的原理介绍）

为提高分辨率同时检测运动方向：

4个指示光栅

2.2速度检测传感器

2.2.1测速发电机

机械转速——>电信号。

常见类型：

交流异步测速发电机（永磁式）、直流测速发电机

工作原理：

发电机工作原理

交流：

励磁绕组、输出绕组、转子

直流：

永久磁铁、输出绕组（换向机构）、转子

特点：

线性度好，理论上输出电压与转速严格线性关系

增益高

2.2.1回转编码器的使用

时钟频率越高、测速误差越小。

但时钟频率受到计数器容量和工作上限频率的影响。

（解释：

电机转速范围对计数器选择的影响：

）

周祖德教材P23：

有关于关于时钟频率、转速、寄存器位数之间的匹配计算。

需要讲清楚：

（1）一个A相脉冲中，时钟脉冲过多导致计数器溢出。

解决办法：

增加计数器位数；限制被测电机的最小测量转速。

（2）一个A相脉冲中，时钟脉冲太少导致计数器计数相对误差过大。

解决办法：

限制被测电机的最高测量转速

2.3位置传感器

位置传感器与位移传感器

位置传感器应用：

工作台到位检测，行程开关，通常为开关量

2.3.1接触式位置传感器

微动开关，矩阵式位置传感器

2.3.2接近式位置传感器

电磁式：

用于检测电磁材料。

（画图解释涡电流式、霍尔）

电容式：

几乎可以检测所有的固体和液体材料。

（画图）

将电容其作为振荡电路的一部分。

光电式：

对环境有一定要求。

（画图：

透射型、反射性（输出电流小））

气压式、超声波式：

在很多情况下：

位移传感器可以对位置进行测量，如涡电流式传感器；位置传感器也可以作为位移传感器使用，如编码器。

2.4压力传感器（图）

2.4.1压阻式压力传感器

一种半导体材料的电阻率随其所受的压力变化

2.4.2应变式压力传感器

外界压力是半导体电阻或应变片的形状发生变化，导致其电阻变化

2.4.3压电式压力传感器

利用压电效应

简述光电式传感器的类型以及各自的工作原理。

（*）

对位置检测装置的基本要求有哪些？

简述光栅式传感器的工作原理。

简述光电耦合器的工作原理、应用场合。

（*）

最常用的位移传感器有哪几种？

最常用的位置传感器有哪几种？

了解它们的工作原理。

最常用的压力传感器有哪几种？

分别说出它们的工作原理和区别。

试举出你所熟悉的5种机械参量测试传感器，并说明它们的变换原理。

试按接触式与非接触式分类传感器，列出它们的名称，用在何处?

9、如果实验室里有力传感器及放大器，请你设计一个装置实现对一电机驱动的轴承作动态扭矩的测试。

10、欲测量河水的几种状态水位，拟采用接近式位置传感器，请进行方案设计，并说明工作原理?

11、在机电一体化测控系统中，传感器信号放大常采用哪几种放大器?

其特点如何?

12、传感器非线性补偿处理方法常用的有哪几种?

其基本原理为何?

13、一变极距型电容传感器，其圆形极板半径R=6mm，工作初始间隙为0．3mm。

问：

（1）工作时，如果传感器与工件的间隙变化量为±2／um，电容变化量是多少?

（2）如果测量电路的灵敏度S1=1000mV／pF，读数仪表的灵敏度S2=5格／mV，在间隙变化量为±2~um时，读数仪表的指示变化多少格?

第3章电动机驱动机器控制

3.1步进电机驱动及其控制

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。

它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。

目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。

仅仅处于一种盲目的仿制阶段。

这就给用户在产品选型、使用中造成许多麻烦。

签于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。

叙述其基本工作原理。

望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。

3.1.1步进电机工作原理

3.1.1.1．三相六拍反应式步进电动机工作原理

三相六拍反应式步进电动机，定子上有三对磁极，每对磁极上绕有一相控制绕组，转子有四个分布均匀的齿，齿上没有绕组

A相通电B相通电C相通电

左图：

三相均不通电，然后：

A相通电，自锁；B相，逆时针、自锁；C相，顺时针、自锁。

通电方式：

A→B→C→A

A相通电时，磁力线A—1—3—A’—A

齿距角90o，步距角30o

在这里解释几个概念：

（1）齿距角与步距角

步距角：

每给一个脉冲信号，电机转子转过角度的理论值。

二者之间的关系

其中，m为定子相数；z为转子齿数；k为通电系数，m相m拍，k＝1；m相2m拍，k＝2。

α一般很小，如：

3°/1.5°，1.5°/0.75°，0.72°/0.36°等

（2）脉冲频率、电机转速，二者之间的关系

（3）最大工作频率/转速、最大起动频率/转速

（4）同步电机与异步电机的概念

（5）矩角特性

静态转矩Mj：

在电机轴上施加一个负载转矩M，转子会在载荷方向上转过一个角度θ（失调角），转子因而受到一个电磁转矩Mj的作用与负载平衡。

矩角特性：

步进电机单相通电的静态转矩Mj随失调角θ的变化曲线。

（5）矩频特性

连续运行频率：

步进电机启动后，其运行速度能跟踪指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率。

其值远大于启动频率。

矩频特性：

是描述步进电机在连续运行时，输出转矩与连续运行频率之间的关系。

（6）工作方式

单拍工作方式：

双拍工作方式（三相双三拍）：

AB→BC→CA→AB

AB相通电：

磁力线A—1—4—B’—A

齿距角90o，步距角30o

单双拍工作方式（三相单、双六拍）：

A→AB→B→BC→C→CA→A

齿距角90o，步距角15o

3.1.1.2．三相步进电机

齿距角

Nr为转子齿数，Nr=40，θZ=9o

单拍步距角

m为相数，若Nr=40，m=3，则θZ=3o

单双拍步距角

若Nr=40，m=3，则θZ=1.5o

3.1.2步进电机的特性及主要参数

特性：

步进电机的工作电流：

通过绕组的电流，

步进电机的负载：

感性负载

工作电流为脉冲电流，工作电流=启动电流

电机电压：

特点：

属于同步电机范畴；工作时有铜损、铁损、机械损耗

非超载的情况下，转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,与负载无关。

步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得步进电机的控制非常简单。

特性参数：

距角特性和最大静力矩

启动转矩和启动频率

运行距频特性

3.1.3步进电机的驱动电源

3.1.3.1单电源供电

先用一个开关控制用电器的电路说明一下

基本的：

理论情况，VT关闭时出现问题；

VT电子开关；VD续流管；Rc加速电阻

VD、Rc的作用：

对VT进行保护，Rc提高充电转折频率，但Rc具有耗能缺点；

C、R都具有提放电速度的作用，但R损坏低频特性，通常只采用C即可。

以上为单电源情况，为增加相应速度，可采用双电源驱动。

解释工作原理：

3.1.3.2高低压供电方式

先用一组惯性过程曲线介绍一下工作原理

采用单电源时的响应曲线说明，采用双电源是的响应曲线说明

3.1.4步进电机的控制

3.1.4.1采用单片机

利用单片机实现，些编写相应的程序

大概画一下原理（15分钟时间介绍）

3.1.4.2环形分配器

环形分配器的作用

PMM8713.pdf参考文件

补充：

Cu：

输入脉冲，正传CW时钟

CD：

输入脉冲，反转CCW时钟

CK：

输入，在单时钟方式时使用

V/D：

方向转换，0—正传，1—反转

EA、EB：

励磁方式控制，11—单双；00—双；01、10—单

ΦC：

3/4相选择，0—3相，1—4相

Vss：

地

：

复位端子，低电平有效，当

=0,时，Φ1~Φ1为“1”时，步进电机锁定

Φ1、Φ2、Φ3、Φ4：

3相—Φ2、Φ3、Φ4，4相—Φ1、Φ2、Φ3、Φ4

EM：

激励监视，0—单，1—双，脉冲——单双

Co：

输入脉冲控制，输出与时钟同步

VDD：

+4——+18V

例如，可以参考PMM8713.pdf，也可以参考“赵再军书”p154，图5-10

3.1.4.3PLC+环形分配器

软件——硬件

3.1.5步进电机的选择

步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。

一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

步距角的选择:

电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。

电机的步距角应等于或小于此角度。

目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。

静力矩的选择:

步进电机的动态力矩不易确定，往往确定电机的静力矩。

静力矩选择的依据:

电机工作负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。

单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。

直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。

一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）

电流的选择:

静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）

力矩与功率换算:

步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：

P=Ω·MΩ=2π·n/60P=2πnM/60

其P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿·米

P=2πfM/400（半步工作）

其中f为每秒脉冲数（简称PPS）

1、步进电动机在机电一体化系统中起什么作用?

2、一台五相反应式步进电机采用五相十拍运行时，步距角为1。

5度，当控制信号脉冲频率为3kHz时，求该步进电机的转速。

3、步进电机最大静转矩、启动转矩、运行转矩有何区别？

以某型号的步进电机为例说明启动矩频特性和运行矩频特性。

4、试述反应式步进电机的矩频特性、启动矩频特性。

5、如何控制步进电机的输出角位移量及转速。

6、步进电机的连续工作频率与它的负载转矩有何关系？

为什么？

7、什么是环形分配器?

起何作用?

8、单片机、PLC、环形分配器控制步进电机时，各有什么特点？

3.2直流电机驱动及其控制

3.2.1直流电机工作原理及结构

3.2.1.1直流电动机的工作原理

1—磁极；2—电枢；3—换向器；4—电刷

洛伦兹力

=磁密*长度*电流，左手法则确定方向。

换向器与电刷的作用：

电动机与发电机：

一台直流电机原则上既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，只是其输入输出的条件不同而已。

电机学理论中称为电机的可逆原理。

3.2.1.2直流电机的结构

电流电机的结构剖面图

1—换向器；2—电刷装置；3—机座；4—主磁极；5—换向极；6—端盖；7—风扇；8—电枢绕组；9—电枢铁心

定子部分:

主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。

转子部分：

主要由电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成

1—主极铁心；2—励磁绕组；3—机座；4—电枢1—转轴；2—轴承；3—换向器；4—电枢铁心；

5—电枢绕组；6—风扇；7—轴承

直流电机的励磁方式：

他励式：

由与电枢不同的电源产生主磁场

自励式：

由电枢电源产生主磁场，包括串励式、并励式、复励式。

直流电机的特点：

与交流电机相比，直流电机有以下特点：

（1）调速范围广，易于平滑调速；

（2）起动、制动和过载转矩大；

（3）易于控制，可靠性较高

3.2.1.3直流电机的主要性能参数

根据国家标准，直流电机的额定值有：

（1）额定功率PN（kW）；

（2）额定电压UN（V）；

（3）额定电流IN（A）；

（4）额定转速nN（r/min）；

（5）励磁方式和额定励磁电流IfN（A）。

有些物理量虽然不标在铭牌上，但它们也是额定值，例如在额定运行状态的转矩、效率分别称为额定转矩、额定效率等。

关于额定功率，对直流发电机来说，是指电机出线端输出的电功率，其额定容量为PN=UN*IN；对直流电动机而言，则是指它的转轴上输出的机械功率，其额定功率为PN=UN*IN*ηN；。

直流电机的参数简单估算：

3.2.1.4直流伺服电机简介

伺服电动机又称为执行电动机，在自动控制系统中作为执行元件。

它将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出.

直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机，其结构和原理与普通的他励直流电动机相同，只不过直流伺服电动机输出功率较小而已。

直流伺服电机的电枢控制方式：

控制电枢电流，多用。

直流伺服电机的磁场控制方式：

控制励磁绕组电流，使用场合很少。

（因为其调节持性在某一范围不是单值函数，每个转速对应两个控制信号）

励磁绕组：

励磁Uf→励磁If→励磁Φf，

电枢绕组：

控制电压Ue，电枢回路的电压平衡方式为

Ua=Ia*Ra+Ea其中Ea=CeΦ*nCe为电动势常数

电动机的电磁转矩公式为：

T=CT*Φ*IaCT为转矩常数

电磁功率：

PM=T*Ω

直流伺服电机的控制原理图：

直流电机的动态平衡方程：

3.2.1.5直流电机的机械特性、调节特性、控制特性

机械特性：

由上面三式可得到电枢控制的直流伺服电动机的机械特性方程式为

（7.1）

改变控制电压Ua，而机械特性的斜率Ra/（CeΦ）不变，故其机械特性是一组平行的直线

理想空载转速为Ua/（CeΦ）。

机械特性曲线与横轴的交点处的转矩就是n=0时的转矩，即直流伺服电动机的堵转转矩为IaRa/（CeΦ）。

机械特性（负载特性）调节特性（控制特性）

调节特性

调节特性是指在一定的转矩下电机的转速n与控制电压Ua的关系。

由调节特性可以看出，当转矩不变时，增强Ua，直流伺服电动机的转速增加，且呈正比例关系；反之，减弱控制信号减弱到某一数值，直流伺服电动机停止转动，即出现电机堵转,

始动电压：

实际上始动电压就是调节特性与横轴的交点。

（利用以上2图，解释直流电机的优点）

3.2.2直流电机的驱动电源

3.2.2.1交流电源+整流电路

晶闸管整流，晶闸管导通条件：

①阳极正电压、阴极负电压；②触发脉冲上升沿

（图解）

在输入电压为正弦波形的情况下：

控制角：

从开始承受正向电压到开始导通的角度α

导通角：

导通的角度为导通角θ

有：

α→θ→电压波形→平均电压。

单相半波整流，图解

优点：

简单

缺点：

电流脉动大、变压器容量利用率低

单相半波可控整流单相桥式全控整流

单相桥式