13机电一体化技术讲稿

如要输出较大电流以驱动输出设 备，如继电器、电磁离合器等， 则应接成达林领型，如图52所 示。
为了进一步提高普通型光 电耦合器的光耦合速度， 可采用上图所示电路。
在较恶劣环境中的前向通道，为了减少通道及电源的干扰，v／F转 换器(LM331)的频率输出可采用光耦合器隔离方法，使v／F转换器 与微机无电路联系，如图4．54所示。


按输出信号的性质可将传感器分为开关型(二值型)、模拟型和数字型
按输出信号的性质分是：
开关型传感器的二值就是“1”和“0”或 开(ON)和关(OFF)。其工作原理如图所示

模拟型传感器的输出是与输入物理量变 化相对应的连续变化的电量。如图所示。

数字型传感器有计数型和代码型两大类。 其中计数型又称脉冲数字型，其工作原 理如图(a)所示。代码型传感器又称编码 器，其工作原理如图(b)所示。

2．开关量／数字量输入控制
当检测传感元件距离控制机较远时，由检测传感元件送来的数字或脉冲信号可 采用图示电路。来自检测传感元件的信号经过放大器A放大后，输入到光电耦合 器G。这里运算放大器A接成一个跟随器即放大器的输出端与反相输入端短接。

如果检测传感元件的输出信号幅值过大，波形又较差就可采用此电路，将输入 放大器前接入一个稳压二极管DW和一个电阻来限幅整形：如果检测传感元件输 出信号波形较好，幅值又可调整时，就可省去这两个元件。另外，为了使光电耦 合器G的输出信号波形的上升沿和下降沿整齐，信号输出端在接入微机接口电路 之前，采用了一个TTL门电路来整形。

二值型传感器工作原理
模拟型传感器工作原理 数字型传感器工作原理
对检测传感器的基本要求：



①体积小、重量轻、对整机的适应性好； ②精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高； ③安全可靠、寿命长； ④便于与计算机连接； ⑤不易受被测对象性能(如电阻、导磁率)的影响，也不 影响外部环境； ⑥对环境条件适应能力强； ⑦现场处理简单、操作性能好； ⑧价格便宜。

光栅尺构成原理如图。它由衍射主 尺和检测扫描副尺组成，主尺安装在 执行机构运动部件上，光源可透过主 尺上的透光窄缝。检测扫描副尺(固 定)相对于衍射主尺倾斜一很小角度， 用以产生莫尔条纹，将主尺的位移量 扩大成莫尔条纹的移动后，再进行检 测，并变成二进制代码输出.

光栅式传感器的特点：
① 精 度 高 。 测 长 度 ， 精 度 可 高 达 0.5 ～ 3μm(3000mm范围内)，分辨力可达0.1μm；测角 度，精度可达0.15”，分辨力可达0.1”，甚至更高；
复习

可编程逻辑控制器(PLC) 定义 分类 特点 基本组成 内部器件 工作方式与运行框图 工作的全过程 工作原理 输入／输出响应滞后问题 PLC的语言 实例：
本次课的内容


Hale Waihona Puke 微机应用系统的输入／输出控制的可靠性设计 对硬件电路的要求。 光电隔离电路设计——光电耦合器 光电耦合隔离电路应用 信息转换电路设计 弱电转强电电路 数字脉冲转换 数／模、模／数转换 电量转非电量 输人／输出控制电路示例 开关量输出控制 开关量／数字量输入控制 步进电机控制接口电路 常用传感器工作原理
4.5微机应用系统的输入／输出控制的可靠性设计
微机应用系统 的输入与输出
软件


硬件电路
对其硬件电路的要求是：
①能够可靠地传递控制信息，并能够输入有关运动机构的状态信息； ②能够进行相应的信息转换，以满足微机对输入／输出信息的转换 要求，如D／A、A／D转换、并行数字量转换成串行电脉冲、电平 的转换与匹配、电量与非电量之间的转换、弱电与强电的转换以及 功率的匹配等； ③应具有较强的阻断干扰信号进入微机控制系统的能力，以提高系 统的可靠性。
微 机
数字量
D/A
信 号 放 大 器
电 液 伺 服 阀
液 压 执 行 元 件
电液转换控制回路
三、输人／输出控制电路示例

1．开关量输出控制
图所示为一个电磁阀的控制电路。J代表电 磁阀的电磁线圈。它的通断由计算机输出的 开关量控制。功率放大由晶体管T1和T2完成。 并联在J两端的二极管D用来释放当线圈断 电时产生的反电压。这种冲击电压对线路的 干扰由光电耦合器G隔离，使干扰信号不至 于进入微机而影响其正常工作。 系统工作时，微型计算机通过接口输出高 低电平控制J的接通与断开。当微机输出为 高电平时，光电耦合器G输出为低，晶体管 T1不导通、则T2导通，J中有电流通过；当 计算机输出为低电平时，光耦C输出为高电 平，T1导通，T2截止，J被关断。在关断J的 瞬间，存储在线圈中的能量由J和二级管D 构成回路变成热能消耗掉。
二、位移检测传感器
分为直线型和回转型。 在闭环控制系统中， 将传感器安装在执行 机构上，直接检测目 标运动(直线或回转)位 置。 在半闭环控制系统中， 常将传感器安装在传 动机构上，或直接安 装在执行元件的驱动 轴上，可间接检测目 标运动的直线位移。

1．光栅式传感器
利用光栅的莫尔条纹现象进行精密 测量的光栅称为计量光栅。计量光栅 可分为长光栅(即光栅尺)和圆光栅两 种，前者用于检测长度，后者用于检 测角度。

3．步进电机控制接口电路
步进电机的控制主要涉及两个问题。 一个是位置控制，即把程序编制的长度尺寸转化为步进电机相应转角所需的步数，再经机械传动(如丝杠) 转变为直线位移。
另一个是速度控制，可以采用一个CTC定时／计数器，使其每隔一定时间发出一次中断申请，CPU响应一 次中断，插补一次，从8255的A口送出方向信号和一个进给脉冲信号。输出的进给脉冲信号经过光电隔离 电路，进入环形分配器。每输入一个进给脉冲信号，环形分配器改变一次输出状态，从而依次接通步进电 机的各相绕组，使电机运转。电路采用硬件逻辑电路实现环形分配，图示电机的控制回路中，进给脉冲信 号在进入光电隔离电路之前，还接到一个8位二进制数加法计数器的输入端，进行位置累加计数，每一个脉 冲信号到达之后，计数器累加1，其结果可通过8255的B口输入，用于位置监控和步进电机的加减速控制。

②可用于大量程测量兼有高分辨力；
③可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的 自动化；
④具有较强的抗干扰能力，主要适用实验室和环 境较好的车间使用，

⑤高精度光栅制作成本高，目前制作超过lm大量 程光栅尚有困难：

(2)工作原理
在玻璃尺或玻璃盘上类似于刻线尺或刻度 盘那样，进行长刻线(一般8—12mm)的密 集刻划，得到如上图所示的黑白相间间隔 细小的条纹，就是光栅。光栅上栅线的宽 度为a，线间宽度为b，一般取a=b，而 W=a+b，W称为光栅栅距。两块栅距相等 的光栅，刻线面相对(中间有很小间隙)， 且两光栅栅线之间有很小夹角θ，将两光 栅放置在下图(a)所示的光路中，则在近似 垂直于栅线方向上显现出比栅距宽得多的 明暗相间的条纹6，这就是莫尔条纹。相 邻两莫尔条纹的间距为B≈W／θ，当两光 栅在栅线垂直方向相对移动一个栅距W， 莫尔条纹则在平行栅线方向移动一个莫尔 条纹间距B，即光通量分布曲线7变化一个 周期，如图(b)所示，光电元件5输出的电 信号变化一个周期。图(a)中3称为标尺光 栅，类似刻线尺，也称主光栅。4为指示 光栅，只取一小块。3、4称为光栅副。
二、信息转换电路设计


1．弱电转强电电路
图(a)表示微机输出的开关量信号通过功率放大后，能够驱动有关小功率的直流电磁铁DT， 如果是交流电磁铁，或大功率的直流电磁铁，就需使用继电器J作进一步的功率放大，见图 (b)。利用继电器J也可以驱动小功率的交流电动机，见图(c)。对于大功率的交流电机，还需 增加交流接触器C才能驱动，见图(d)所示。
继电器 接触器
隔离 电路
2．数字脉冲转换
在控制系统中，应用微机很容易实现数字脉冲的转换工作。事实上只要CPU 定时地向某个I／O端口的某一二进制位输出高低电平相间的逻辑信号，就可 产生一个脉冲序列。步进电机控制经常用到数字脉冲转换，例如图所示的三 相步进电机驱动接口电路。该电路中电机的每相驱动电路都单独有光电隔离 和放大电路，并联接到微机并行输出端口的一个二进制位上。驱动步进电机 时，微机把步进电机要转动的步数转换成按照一定相序分配的脉冲序列，并 依次输出到电机控制端口。脉冲信号经光电隔离电路耦合、各相放大电路放 大后，控制步进电机按照一定方向转动。

内部信息传感器包括检测位置、速度、力、力矩、温度以及异常变化的传感器。 外部信息传感器有与人体五感相对应的，也有纯工程性的。
与五感相对应的有接触式的和非接触式的。如接触式的压觉传感器、滑动觉传感器等，非 接触式的视觉、听觉传感器等。

纯工程性的是人体感官所不及的，例如电涡流传感器、无线电接收机、超声波测距仪、 激光测距机等。
2．光电耦合隔离电路应用
P3口是准双向口，输入 时，应该拉成低电平。
P1、P3口作为输出时高电平时对外电路 泻放的电流很小；低电平时可以流入较 大的电流。如图。
但是8031在复位时，P1口被强迫置成低 电平，PNP截至，输出高电平；
如果用软件使P1口置为高电平，则输出 为低电平。
8155、8255输出口的放出及吸入电 流均较大，故可直接用高电平来推动 晶体管，驱动发光二极管。由于8155、 8255在上电复位时，端口初置为输入 状态，即高阻抗状态，为不使开机输 出额外的信息，晶体管基极应拉成低 电平，如图。

一、光电隔离电路设计

1．光电隔离电路 光电隔离电路主要由光电耦合器的光电转换元件组成，见图 控制输出时，如图(a)所示
信息输入时，如图(b)所示。
光电隔离电路的作用主要有以下几个方面。 ①可将输入与输出端两部分电路的地线分开，各自使用一套电源供电。 ②可以进行电平转换。如图(a)所示电路，通过光电耦合器可以很方便地把微机的输出信号变为12V。 ③提高驱动能力。

微 I/O 机
光 电 隔 离 电 路
A相功率放大电路 B相功率放大电路 C相功率放大电路
A
B C 步进 电机
采用软件实现环形分配的步进电机控制通道组成
3．数／模、模／数转换
微机应用系统I／O控制回路中，还常用到D／A、A／D转换。如图所示的采用 直流伺服电机的控制回路中，就增加了D／A转换环节。控制输出时，微机每次 都将运算后得到的以数字形式的控制参数输出到数／模转换电路中进行转换，转 换后的模拟电压信号仍为弱电信号，还需经过线性功率放大电路放大，然后控制 电机运行。机械系统的位置反馈信号可以是数字量信号，也可能是模拟量信号， 视测量传感元件不同而异。若位置反馈量是模拟量，则在位置反馈回路中应设置 模／数转换装置。在位置信号进入微机前，完成模／数转换工作。

I/O D/A 微 机 隔离 电路 隔离 电路
功率放大及 速度控制
直流伺 服电机
速度反馈 位置反馈
4．电量转非电量

I／O控制回路中还有一种电量到非电量的转换。例如，开关量的电液 转换元件是电磁阀，这种电量到非电量的转换可以采用弱电转强电电 路(a)和(b)所示的办法实现。另外一种电液转换元件是电液伺服阀，在 电液伺服控制回路中，需要数／模转换后的模拟信号，而且，也要经 过适当放大后，才能驱动电液伺服阀中的电磁元件。这种控制回路的 主要部分见图。
光电耦合器
图(a)为普通型信号隔离用光电耦合器件。以 发光二极管为输入端；光敏三极管为输出端。 这种器件一般用在100KHz以下的频率信号。如 果光敏三极管的基极有引出线则可用于温度补 偿、检测等；

图(b)为高速型光电耦合器的结构形式，与普 通型的不同处在于其输出部分采用光敏二极管 和高速开关管组成复合结构，具有较高的响应 速度；
进给方向
PA0 PA1 PA2 PB0 8255A ~ PB7
光电隔离电路 光电隔离电路 清零
环 形 分 配 器
A相放大
步进
B相放大 A相放大 C相放大
电机
CP CTC 定时／计数器 简易数控系统步进电 机的控制通道示意图
4.6机电一体化系统中的检测传感器

一、检测传感器的分类与基本要求 按作用可分：内部信息传感器；外部信息传感器。

图(c)为达林顿输出光电耦合器件。其输出部分 以光敏三极管和放大三极管构成达林顿输出。 具有达林顿输出的一切特性，可直接用于驱动 较低频率的负载；

图(d)为可控硅输出型光电耦合器件。输出部 分为光控晶闸管，光控晶闸管有单向、双向两 种形式。这种光电耦合器常用在大功率的隔离 驱动场合。

达林顿管的特型