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02μδAN L =变气隙式（变阻式）： 高频反射涡电流式：2.1.2 差动变压器式传感器dt d E 122φ-= dtd E 133φ-= 结构简单、测量精度高2.1.3 电容式传感器δεA C =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/T 3585.1-96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：t U U ωsin m s = 余弦绕组：t U U ωcos m c = 输出：)sin(sin cos cos sin m m m o θωθωθω-=-=t KU t KU t KU U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t U U ωαsin sin m s = t U U ωαsin cos m c =)sin(sin sin sin cos cos sin sin m m m o θαωθωαθωα-=-=t KU t KU t KU U若电气角α已知，则测出U o 的幅值KU m sin(α-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。

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B2.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θθWW B ≈=2sin23.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 回转编码器的使用编码器A相计数器控制清零输出时钟时钟频率越高、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。