机电传动控制总结.docx

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机电传动控制总结

绪论

掌握机电一体化的基本概念，机电一体化系统的基本组成部分

能够给出典型的机电一体化系统实例，并运用所学知识分析各个部分相互关系

第二章总体设计

掌握机电一体化系统设计的步骤和主要内容

掌握总体设计的流程和设计基本方法

第三章传感检测

熟悉且能够列举几种常用的直线位移和角速度传感器

掌握了解上述传感器的基本工作原理

第四章驱动

掌握电动、气动、液压三种驱动的优缺点

掌握三种电机的基本概念及优缺点

第五章控制系统建模与仿真分析

掌握控制系统建模与仿真分析的意义

掌握利用分析法，控制系统建模的一般步骤

第六章控制系统设计

掌握与理解常见的几种控制系统（单片机及嵌入式、plc、工控机）的优缺点

掌握控制系统的选用原则

第七章插补算法与数控编程

掌握数控编程的基本语法，给定一个图形，能够变出相应的G代码，或者根据给定的G代码能够画出图形

掌握逐点比较法画直线和圆弧的基本原理和操作流程

单片机

按键中断，串口中断，计时器中断，波特率计算，按键消抖，定时器周期计算，寄存器编程，IO设置

第一章

机电一体化是在新技术浪潮中，电子技术、信息技术向机械工业渗透并与机械技术相互融合的产物。

机电一体化技术：

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。

机电一体化不是机械与电子简单的叠加，而是在信息论、控制论和系统论的基础上建立起来的应用技术

机电一体化一般包含机电一体化产品（系统）和机电一体化技术两层含义。

机电一体化系统的组成：

控制系统，动力装置，检测装置，执行元件，机械本体。

机械本体：

机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现构造功能。

要求：

可靠、小型、美观

能源：

提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。

要求：

效率高、可靠性好

检测传感装置：

检测产品内部状态和外部环境，实现计测功能。

要求：

体积小、精度高、抗干扰

电子控制单元：

处理、运算、决策，实现控制功能。

要求：

高可靠性、柔性、智能化

驱动执行：

电气、液压、气动三种。

第二章

机电一体化系统设计目的：

综合运用机械技术和电子技术各自的持长，设计最佳的机电一体化系统。

设计方法：

1、机电互补法：

即机械功能电子化，利用电子部件取代机械功能部件，简化机械结构，提高系统的性能和质量，以弥补机械不足。

（变频器取代机床主轴变速箱）

2、结合（融合）法：

将各组成要素有机结合为一体构成专用或通用的功能部件，其要素之间机电参数匹配充分。

（电主轴）

3、组合法：

将结合法制成的功能部件、功能模块，像积木那样组合成各种机电一体化系统，故称组合法。

如模块化机器人、模块化生产线等。

（优点：

缩短研制周期、节约工装设备费用，且有利于生产管理、使用和维修。

）

设计类型分三种：

（1）开发性设计：

是一个从无到有的创造过程，没有任何参照产品，根据功能和性能要求，按照机电一体化设计原理，设计出满足要求的产品。

（2）适应性设计：

是在原有产品总的方案原理基本保持不变的情况下，对产品进行局部更改。

如用微电子技术代替原有的机械结构或为了进行微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，以使产品的性能和质量提高。

（3）变异性设计：

是在设计方案和功能结构不变的情况下，仅改变现有产品的规格尺寸，使之适应于量的方面有所变更的要求。

设计准则：

在保证产品的功能、性能和使用寿命的前提下，尽量降低成本。

即不要盲目追求“高、精、尖”，而是充分分析用户需求，以最新的技术手段、最简单的结构、最低的消耗，提供最满意的产品。

总体设计是机电一体化设计的重要环节。

整体目标、功能—分析产品性能要求—选择合理的单元组成方案—实现机电一体化整体优化设计过程。

总体设计主要内容有：

1.系统原理方案的设计

2.结构方案设计

3.总体布局与环境设计

4.主要参数及技术指标的确定

5.总体方案的评价与决策

机电一体化系统的规划：

1.认真分析操作目的

2.确定功能属性

3.确定系统本体是否固定

4.确定系统的动作机构

5.确定力的大小和方向

6.确定力源和驱动

7.选择并确定控制监测所需要的各种传感器

8.确定控制算法和控制系统

9.对4-8项，在硬件或者软件上进行设计

10.必要时进行模拟仿真，对算法和系统进行检验

11.进行产品制造和订货采购

12.进行精加工、装配和调试

13.利用模拟系统按最佳条件进行设定和调整

总体设计主要内容：

需求分析（目的，功能，指标，成本，时间）

方案选型（总体，电机，传感，控制）

•对于电机的选择，在计算完电机的功率后，还要考虑电机的惯量匹配问题。

•在电机的惯量同负载的惯量一致时，电机的控制性能最好。

传感器选型

传感器的选用原则及注意事项

•根据使用要求，在众多传感器中选择适合自己所需要的

•主要性能参数：

测量范围、精度、分辨力、灵敏度等

•在确保其主要性能指标的情况下，适当放宽对次要性能指标的要求

•切忌盲目追求各种特性参数均高指标，以形成较高的性能价格比

详细设计（分解，结构，计算，仿真，分析，装配）

项目计划书明确了项目目标任务、方案内容、技术途径、关键难点、任务分工、时间进度、成本分析等。

一、项目研究目的

二、项目研发的目标

三、项目研发方案选择

四、项目研发细化分工

五、项目研发进度计划

六、项目研发难点分析

七、项目研发成员分工

第三章

传感器：

能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

对传感器基本要求

1．体积小、重量轻、对整机的适应性好；

2．有较高的灵敏度和较大的信噪比，输入输出信号之间要求一定的函数关系，如单值、直线性的函数关系；

3．稳定性好，抗干扰能力强，传感器经过长期使用后其输出特性不发生变化。

4．便于与计算机连接。

5．不易受被测对象（如电阻、磁导率）的影响，也不影响外部环境；

6．对环境条件适应能力强，环境又包括温度、湿度、尘埃、振动、电场、磁场干扰等因素；

7．现场处理简单、操作性能好；

8．性能/价格比高。

角位移：

旋转电位计，光码盘，旋转变压器，圆光栅，圆磁尺，圆感应同步器，编码器；

直线位移：

直线电位计，直光栅，直磁尺，直感应同步器将机械转动的模拟量（位移）转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。

编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。

编码器的种类很多，主要分为脉冲盘式（增量编码器）和码盘式编码器（绝对编码器）（光电，接触，电磁）

增量编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行加减（正向或反向旋转时）累计计数，一般还需要一个基准数据即零位基准，才能完成角位移测量。

绝对编码器不需要基准数据及计数系统，它在任意位置都可给出与位置相对应的固定数字码输出，能方便地与数字系统（如微机）连接。

测速方法

增量式编码器输出的是连续的脉冲信号，通过得到一秒钟内的脉冲个数，利用已知编码器线数可得到电机转速，或者在直接以每秒的脉冲数作为速度，具体以计算方便为准。

对此有两种较为常见的做法：

测频率和测脉宽法。

测频率法是设定一个固定的采样时间T，比如１秒，采样一次得到的脉冲个数N，那么速度V＝N／T

测脉宽法（测周期法），则是通过测定一个脉冲的周期（对于方波，可以测定脉宽即半周期）来计算速度。

具体的思路是测定两个相邻的上升沿或下降沿的时间间隔，得到脉冲的周期Ｔ，进而得到速度。

绝对式光电编码器利用光电转换原理直接测量出运动部件转角的绝对值，并以编码的形式表示出来，即每一个角度位置均由唯一对应的代码输出。

这种测量方式即使断电后也能读出转动角位移。

优点是无需执行回参考点操作就能直接提供当前的位置值，没有累积误差，电源切除后位置信息不会丢失。

传感器选用原则及注意事项

1.根据使用要求在众多传感器中选择适合自己所需要的；

2.主要性能参数：

测量范围、精度、分辨力、灵敏度等；

3.在确保其主要性能指标的情况下，适当放宽对次要性能指标的要求，切忌盲目追求各种特性参数均高指标，以形成较高的性能价格比

注意事项

•用户在使用前、使用过程中或搁置一段时间后再使用时，必须对其性能参数进行复测或作必要的调整与修正，以保证其测量精度，这个复测过程就是“校准”

•注意不同系列产品的应用环境、使用条件和维护要求。

环境变化（如温度、振动、噪声等）将改变传感器的某些特性（如灵敏度、线性度等指标），且能造成与被测参数无关的输出，如零点漂移

第四章

伺服系统：

以位置和速度作为控制对象的自动控制系统。

伺服系统接受控制系统发来的指令信号，经过信号变换和电压、功率放大由执行元件将其转变为角位移和直线位移，以驱动数控设备各运动部件实现运动。

（1）电液伺服系统

•执行元件：

电液脉冲马达或电液伺服马达。

•驱动元件：

液动机或液压缸。

•优点：

低速高输出力矩，刚性好，时间常数小，反应快，速度平稳。

•缺点：

需要供油系统，体积大，产生噪声和漏油等问题。

应用：

在负载大、运动速度慢的场合。

液压系统主要由高压油泵、伺服阀、液压油缸和其他辅助元件组成。

（2）气压式

•执行元件：

气马达

•驱动元件：

气缸

•优点：

气源方便、成本低、动作快；

•缺点：

输出功率小（介于液压和电动之间），体积大、工作噪声大，其难于伺服控制。

•应用：

由于空气的可压缩性，气压驱动不能在定位精度较高的场合使用，只用在做点到点的简单固定动作（夹紧装置）。

由空气压缩机、二次冷却器、储气罐、干燥机、过滤器、减压阀、管道、控制阀及气动执行装置构成。

（3）电气伺服系统

•执行元件：

伺服电机（步进电机、交流或直流伺服电机）。

•驱动元件：

电力电子器件。

•优点：

体积小，不需中间变速机构，简化了机械传动系统，使用与维护都很方便。

•包括：

步进电动机、DC和AC伺服电动机；

直流和交流伺服电机驱动的特点

（1）输出功率较大，可达几十到上百千瓦，适合于负载大，但比液压伺服低的中型或重型的机电一体化设备。

（2）电机及电源的投资花费少，使用成本低。

（3）从结构和控制方式上来看，直流伺服电机的结构较为复杂，加之有电刷．需要干净无粉尘、无易燃品的环境．还需要直流电源。

但由于其驱动控制的方法比较方便和成熟、类型较多，控制特性很好。

因而过去一直占据着电气伺服驱动装置的统治地位。

（4）从另一方面来看，交流伺服电机由于其结构简单，不需另配直流电源的极大优点。

（5）相对步进电机驱动来说，直流伺服和交流伺服驱动的功率大，输出力矩大，速度快（转速高），控制精度高，价格也高。

在其他相同的条件下，交流伺服电动机的功率最高，直流伺服电动机次之，步进电动机最低。

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伺服系统的组成

•由控制器、功率驱动装置、检测反馈装置和伺服电机组成。

（1）控制器：

由位置调解单元、速度调解单元和电流调解单元组成。

•控制器最多构成三闭环控制：

外环为位置环，中环为速度环，内环为电流环。

（2）功率驱动装置：

由驱动信号产生电路和功率放大器等组成。

•功能：

一方面按控制量大小将电网中的电能作用到电机上，调节电机力矩的大小；另一方面按电机要求将恒压恒频的电网供电转换为电机所需直流电或交流电。

（3）位置检测装置：

闭环和半闭环伺服系统有位置检测装置，其安装位置不同；开环伺服系统无位置检测装置。

（4）伺服电机：

闭环和半闭环伺服系统采用交流或直流伺服电机；开环伺服系统采用步进电机。

第五章

计算机仿真的三要素

（1）系统：

研究的对象

（2）模型：

系统的抽象

（3）计算机：

工具与手段

计算机仿真的基本步骤：

包括三个基本的内容：

建模、仿真实验、结果分析

对控制系统的性能要求一般可归结为:

（1）稳定,并有一定的裕量;

（2）符合要求的瞬态响应,即系统的瞬态质量,也叫系统的过渡过程性能;

（3）符合要求的控制精度,即对系统的稳态误差的要求。

建立数学模型的意义

•控制系统的数学模型是由具体的物理问题、工程问题从定性的认识上升到定量的精确认识的关键！

•研究与分析一个机电控制系统，不仅要定性地了解系统的工作原理及特性，而且还要定量地描述系统的动态性能。

控制系统建模的方法

•一是分析法，从物理或化学规律出发，建立数学模型并试验验证；

•二是实验法，对系统或者元件加入一定形式的输入信号，用求取系统或元件的输出响应的方法，建立数学模型。

建立数学模型的原则

•理论上，没有一个数学表达式能够绝对准确地描述一个系统，因为，理论上任何一个系统都是非线性的、时变的和分布参数的，都存在随机因素，系统越复杂，情况也越复杂。

•而实际工程中，为了简化问题，常常对一些对系统运动过程影响不大的因素忽略，抓住主要问题进行建模，进行定量分析，也就是说建立系统的数学模型应该在模型的准确度和复杂度上进行折中的考虑。

•分析系统时，结果的准确程度完全取决于数学模型对给定实际系统的近似程度。

•如果简化后的数学模型与实际系统的模型出入很大，那么模型也就失去了它应有的作用。

•但这决不意味着数学模型越复杂越好，一个合理的数学模型的建立，应该在模型的准确性和简化性之间进行折中。

既不能过分强调准确性而使系统过于复杂，也不能片面追求简化性而使分析结果与实际出入过大。

时域模型:

包括微分方程、差分方程和状态方程；

优点：

是在时间域中对控制系统进行描述，具有直观、准确的优点，并且可以提供系统时间响应的全部信息。

缺点：

计算复杂;难于找出系统的结构参数对控制系统性能影响的一般规律,无法找出改进方案，不便于对系统的分析和设计。

复数域模型:

包括系统传递函数和结构图。

表示系统本身的特性而与输入信号无关；不仅可以表征系统的动态性能,而且可以研究系统的结构或参数变化对系统性能的影响。

频率域模型:

主要描述系统的频率特性,具有明确的物理意义，可用实验的方法来确定。

三类常用数学模型表示形式：

a.微分方程

b.传递函数

c.频率系统

建立系统模型步骤

1、线性系统微分方程的建立：

①确定系统的输入量和输出量；

②将系统划分为若干环节，从输入端开始，按信号传递的顺序，依据各变量所遵循的物理学定律（牛顿定律、基尔霍夫电流和电压定律、能量守恒定律）等，列出各环节的线性化原始方程；

2、针对前述建立的微分方程，逐个进行拉普拉斯变换，消去中间变量，得到系统的传递函数模型

第六章

单片机：

针对性，体积小，成本低；可靠性低，开发周期长

可编程控制器（PLC）编程灵活、功能齐全、应用面广等优点与继电器系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来，有体积小、重量轻、耗电省等特点，因而在工业生产过程控制中得到了广泛的应用。

PLC特点

1）高可靠性

2）功能齐全

3）应用灵活

4）系统设计、调试周期短

5）操作维修方便

工控机：

加固的增强型个人计算机，可在工业环境下可靠运行。

系统设计的基本要求

1.系统操作性能要好

a.使用方便

b.维修容易

2.通用性好，便于扩充

a.系统设计标准化

b.设计指标留有一定的余量

3.可靠性要高

a.采用双机系统

b.采用分布式控制系统

系统设计的特点

1.在进行微机控制系统设计时，必须把系统要执行的任务和应具备的功能合理地分配给硬件和软件来实现，做到合理权衡硬件、软件的配置，并尽量节省机器时间和内存空间

2.硬件设计主要采用大规模集成电路

3.软件设计借用计算机厂家提供的系统软件，而把主要任务放在应用程序的设计上

计算机控制系统设计的一般步骤

•研究被控对象，确定控制任务

•确定系统整体控制方案

•选择计算机和外围设备

•确定控制算法

•系统总体方案设计

•硬件和软件的具体设计

•系统联调

第七章

已知运动轨迹的起点与终点、轨迹的曲线方程，由系统实时地计算出各个中间点坐标的过程，称为插补。