机电系统

机电系统：机电系统是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。

组成机电系统的四大部分：
1、机械部分—本体
2、执行装置—能量转换装置, 将电能
等能量转换为机械能，驱动机械部分运动。

3、检测装置—传感器,对输出端的机械运动进行测量、监控、反馈。

4、控制装置—“大脑”,对控制信息和传感器的反馈信息等进行处理。

机电控制技术主要解决机电系统的控
制问题，研究机电系统工程中控制部分的工程实现方法
（a）原来由机械实现动作的装置, 与
电子技术相结合实现动作的装置
（b）原来由人来判断决定动作的装置,无人操作的装置
（c）按照人编制的程序来实现灵活动
作的装置
机电控制技术根据控制目标分为：逻辑控制运动控制
逻辑控制：将开关控制电路按照一定方式或者次序组合起来，以实现某种控制作用。

以时间为控制条件的时间顺序逻辑控制；以行程为控制条件的行程顺序逻辑控制。

运动控制：以电机及其传动机构为控制对象，通过控制器和驱动装置，对机电系统的速度、加速度（转矩）、位置等
运动量进行控制，以满足功能和性能的要求。

机电控制系统的特点
1、体积小、重量轻
半导体与集成电路（IC）技术、液晶技术…
2、速度快、精度高
大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）
3、可靠性高
激光、电磁技术等的发展带动了传感器、控制技术…
4、柔性好
软件控制---数控机床、机器人…
指令指针IP：IP用于存放下一条将要
执行指令的地址。

它具有自动加1的功能，从而使得计算机可以自动地执行程序。

段寄存器：用来存放段地址的寄存器。

8086CPU有4个段寄存器用来存放段地址，它们是代码段寄存器CS、堆栈段寄存器SS、数据段寄存器DS和附加段寄存器ES。

参加操作的数据在内存中，这时指令中的操作数包含着寻找参加操作的数据
所在内存地址的信息。

寻址方式就是寻找参加操作的数据的
偏移地址的方式。

操作的数据的物理地址(PA)=段
地址×16＋偏移地址。

计机系统的核心是微处理器，它是计算机系统的控制和运算中心，通常称为CPU
总线接口单元(BIU)：负责从存储器或
外部设备中读取指令和读/写数据，即
完成总线操作
执行单元(EU)：负责执行指令
机器指令：它是计算机能识别的一组二进制代码，用于指出计算机所要进行的操作以及操作对象，是在设计CPU时，就已确定的编码。

汇编语句:采用符号代替二进制代码。

一条汇编语言对应一条机器指令。

高级语言：接近于人类自然语言的语法习惯，与计算机硬件无关，易被用户掌
握和使用。

参加操作的数据在内存中，这时指令中
的操作数包含着寻找参加操作的数据
所在内存地址的信息。

寻址方式就是寻找参加操作的数据的
偏移地址的方式。

操作的数据的物理地址(PA)=段
地址×16＋偏移地址。

为什么计算机需要不同类型的存储器
呢？
高速缓存特点：存取速度和CPU相匹配，
容量很小，一般集成在CPU内部，价格
高。

内存特点：存取速度快，容量小，CPU
可直接访问，价格较低。

包括前面我们
讲过的BIOS、内存条。

外存特点：存取速度慢，容量大，存储
的内容需调入内存后CPU才能访问，价
格低。

内存储器有两种基本操作：读和写。

读操作是从内存储器中读出信息，
不改变存储单元中的内容。

写操作是把信息写入内存储器，新
写入的内容将覆盖原有的内容。

RAM的特点是既可读，也可写，断电后
数据就会丢失。

ROM的特点是只能读，不能写，断
电后数据不会丢失。

存储芯片的容量是有限的，为满足计算
机系统对存储容量的需求，往往需要将
多个存储芯片进行组合，这种组合就称
为存储器的扩展。

存储器的扩展包括位扩展、字扩展和字
位扩展三种。

存储器芯片中存储单元的总数称为存
储芯片的存储容量。

存储容量可用“存
储单元个数×每存储单元的位数”来表
示
当存储芯片字长不能满足系统要求时，
就需要进行位扩展，以满足字长的要求。

位扩展的电路连接方法是：
①将每个存储芯片的地址线和控制线
同名端全部接在一起
②将它们的数据线分别引出连接至数
据总线的不同位上。

当单个存储芯片存储单元数目不能满
足要求时，需要进行字扩展，增加存储
单元的数目。

字扩展的电路连接方法是：
①将每个芯片的地址信号、数据信
号和读/写信号等控制信号线同名端全
部接在一起。

②将选片端分别引出到地址译码
器的不同输出端，即用片选信号来区别
各个芯片的地址。

存储器容量的扩展可以分为3步：
第一，选择合适的芯片；
第二，根据要求将芯片“多片并
连”进行位扩展，设计出满足字长要求
的存储模块；
第三，将多组串联，对存储模块
进行字扩展，构成符合容量要求的存储
器系统。

I/O接口电路：介于主机与外设间的之
间，把微处理器有和存储器组成的基本
系统与外部设备连接起来，是微处理器
与外部设备信息交换的桥梁。

数据缓冲：实现高速CPU与慢速外部设
备的速度匹配。

信号转换：数字信号和模拟信号之间的
转换。

中断控制：CPU与外部设备并行工作和
故障自动处理。

定时计数：实现系统定时和外部事件计
数及控制。

DAM传送：实现存储器与I/O设备之间
直接交换信息。

1）I/O端口的统一编址
统一编址方式也称为存储器映象
I/O寻址方式，该寻址方式是将每一个
I/O端口作为存储器的一个单元看待，
即每一个端口占一个存储单元地址，存
储器和I/O共处统一的地址空间。

I/O接口的独立编址
独立编址方式，就是将存储器和
I/O端口建立两个完全独立的地址空间。

CPU使用专门的控制信号来区分是对存
储器访问还是对I/O端口进行访问。

这
些控制信号的产生，是由指令来控制。

CPU与外设之间传输数据的控制方式通
常有3种：
查询方式:通过程序查询相应设备
的状态。

若状态不符合，则CPU不进行
输入/输出操作，需要等待；当状态信
号符合要求时，CPU才进行相应的输入/
输出操作。

中断方式:外设通过接口电路向
CPU发出中断请求。

CPU在满足一定条
件下，暂停执行当前正在执行的主程序，
转入执行相应的能进行输入/输出操作
的子程序(中断服务子程序)。

待输入/
输出操作执行完毕后，CPU即返回继续
执行原来被中断的主程序。

DMA方式 : DMA数据传送，它是
在内存的不同区域之间，或者在内存与
外设端口之间直接进行数据传送，而不
经过CPU中转的、由硬件直接控制一种
数据传送方式，可以大大提高数据的传
送速度。

增加专门的硬件控制电路，称
为DMA控制器。

计算机的串行通信是通过串行接口来
实现的，串行通信是数据一位一位地顺
序传送。

在计算机与外部设备及计算机
与计算机之间的通信一般都是串行方
式。

串行接口是计算机应用系统的通用
接口。

并行数据传递需要多根数据线和控制
线，而串行数据通信只要一根传送线，
将数据逐位顺序传送，这样降低了成本，
当然，数据传送速度也大大降低。

由于串行通信中，信息传输只占用
一根通信线，这根线既作数据线又作联
络线，即这根传输线上既要传输数据信
息，又传递联络信息，这是串行通信的
特点。

在串行通信中引出了一系列的约定和
概念：
①双方约定以何种速率进行数据
的发送和接收；
②约定采用何种数据格式，如果包
含控制信息，其定义是什么；
③接收方如何得知一批数据的开
始和结束；
④接收方如何从位流中正确地采
样到位数据；
⑤接收方如何判断收到数据的正
确性；
⑥收发出错时如何处理。

1、传输模式
在串行通信中，按照同一时刻数据
流的方向可分为3种基本传送模式：
单工传送:单工传送方式：在传输
线路上只允许数据按照一个固定的方
向传送。

A为发送器，B为接收器。

半双工传送:半双工传送方式：只
有1根数据线传送数据信号，要求通讯
双方的发送和接收由电子开关切换。

由
于只有一条信道，所以数据不能同时在
两个方向上传送。

全双工传送:全双工传送方式：数
据的发送和接收分别由两根不同的传
输线传输，通信双方都能在同一时刻进
行发送和接收操作。

同步通信要求发送与接收设备使用同
一时钟。

信息格式：一帧同步信息包括
由固定长度（如200个）的字符组成的一个数据块，在数据块的前面置有1～2个同步字符，最后是错误校验字符。

异步通信是以字符为单位进行传输。

其传输字符格式为帧格式,例如用ASCII 编码，字符为7位加1个奇偶校验位，一个起始位，以及一个停止位，共10位。

传送D字符的ASCII码波形0010001 3、传送速率
传送速率：是指每秒钟传送的二进制位数，也称为波特率。

发送时钟和接收时钟的频率和波
特率之间有如下关系：
发送/接收时钟频率＝M×波持率
M叫做波特率系数或波特率因子。

可根据传送的波特率来确定发送
时钟和接收时钟的频率。

数据接收时钟频率是数据传输频率的16倍正确识别起始位，防止因干扰引起的误识别
波特率发生控制电路
由波特率发生器、分频系数寄存器组成。

8250对1.8432MHz的输入时钟进行分频，产生所要的发送器和接收器时钟信号。

分频系数在初始化时分两次写入
除数寄存器的高8位和低8位，分频系数可由下式算出：
除数=1843200÷（波特率×16）
内部寄存器分为三组：
数据传输：发送保持寄存器和接收缓冲寄存器。

工作方式、参数设置：通信线控制寄存器、除数寄存器、MODEM控制寄存器和中断允许寄存器。

状态寄存器：通信线状态寄存器、MODEM状态寄存器和中断识别寄存器。

并行数据传送是微机系统最基本的信
息交换方式，是以计算机的字长（如8位、16位、32位、64位）为单位，一次传送一个字长的数据。

并行传送速率比串行传送快，适合于微机内部、外设与微机之间近距离、大量和快速的信息交换，但引线多、且线间电容会引起串扰，不适合用于远距离传送。

8255A方式选择有三种基本工作方式：方式0——基本的输入输出方式
方式1——选通的输入输出方式
方式2——双向传输方式
只有端口A能工作在方式2。

归为同一组的两端口可分别工
作在输入和输出方式。

在方式0，两个8位端口(A口和B口)和两个4位端口（C口）的任何一个都可作为输入或输出端口，无需设置专用的应答线。

在这种方式下，输出端口具有锁存功能，输入端口具有缓冲功能。

在方式1，端口A、B为数据传送口，均可设定为数据输入口或输出口。

端口C 的某些位作为控制信号，配合A口和B 口进行数据的输入和输出。

方式1常用于查询或中断方式传送数据。

C口的某些位作为控制和状态时，随A口或B口输入和输出工作状态不同，各位的定义也不同。

方式2只适用于端口A，端口A工作于方式2时，可与CPU进行双向数据传送，即端口A的8位数据线既可输出数据给外设，也可从外设输入数据。

计算机系统的数据传送方式有两种：串行数据传送,,,并行数据传送
D/A转换及其接口技术
D／A转换器：指将数字量转换成模拟量的电路。

数字量输入的位数有8位、12位和16位，输出的模拟量有电流和
电压。

直流电机
右手定则:伸开右手，使拇指与其
余四个手指垂直，并且都与手掌在同一
平面内；让磁感线从手心进入，并使拇
指指向导线运动方向，这时四指所指的
方向就是感应电流的方向。

左手定则：判断安培力,伸开左手，
使拇指与其余四个手指垂直，并且都与
手掌在同一平面内；让磁感线从掌心进
入，并使四指指向电流的方向，这时拇
指所指的方向就是通电导线在磁场中
所受安培力的方向。

右手螺旋定则:用右手握住通电螺
线管，使四指弯曲与电流方向一致，那
么大拇指所指的那一端是通电螺线管
的N极。

直流电动机是指能将直流电能转换成
机械能（直流电动机）的旋转电机。

它
是能实现直流电能和机械能转换的电
机。

硅钢片，英文名称是silicon steel
sheets，它是一种含碳极低的硅铁软
磁合金，一般含硅量为0.5～4.5%。

加
入硅可提高铁的电阻率和最大磁导率，
降低矫顽力、铁芯损耗（铁损）和磁时
效。

电机的定子主要用来产生磁场，
磁场可由线圈绕组或永磁体产生。

电动机旋转部分是转子（俗称
电枢），转子安装在两个磁极之间。

为
增强两磁极间的磁通密度，转子铁芯
（电枢铁芯）由导磁良好的硅钢片叠成，
电机的导线框嵌放在转子铁芯的槽内
直流电动机按定子励磁绕组的励磁方
式不同可分为四类：
1、他励电动机：励磁绕组
由外加电源单独供电，励磁电流的大小
与电枢两端电压或电枢电流的大小无
关。

2、并励电动机：励磁绕组
与电枢绕组并联连接，由外部电源一起
供电。

3.串励电动机：励磁绕组与
电枢绕组串联连接，由外部电源一起供
电。

4.复励电动机：励磁绕组分
为两部分，一部分与电枢绕组并联连接，
另一部分与电枢绕组串联连接。

三相交流电由A、B、C三相组成，按每
个交流周期360度算，每相间距120度，
下面是三相交流电波形图，黄色为A
相波形，绿色为B相波形，红色为C相
波形，我国使用的三相交流电频率是50
赫兹。

交流电动机是指能将交流电能
转换成机械能的旋转电机。

交流电机与
直流电机相比，由于没有换向器，因此
结构简单，制造方便，比较牢固，容易
做成高转速、高电压、大电流、大容量
的电机。

特种电机
1.步进电动机称为脉冲电动机，是机电
系统中的一种执行元件。

其作用是将脉
冲电信号转换为角位移或直线位移
♠控制输入给步进电机的脉冲数目可
以控制步进电机的角位移
♠控制输入给步进电机的脉冲的频率
可以控制步进电机的转速
♠控制步进电机定子绕组的通电顺序
可以控制步进电机的转动
方向
2.超声波电动机是 20世纪末发展起来
的一种新的微型驱动电机，它的基本结
构及工作原理与传统电机完全不同，没
有绕组和磁路，不以电磁相互作用来传
递能量，而是基于压电材料的逆压电效
应（即电致伸缩效应），利用超声波振
动来实现机电能量转换。

由于这种新
型电机的工作频率一般在20kHz以上，
所以称为超声波电机。

工作原理：当给压电陶瓷施加一定方向
的电压时，各部分产生的应变方向相反
（在正电压作用下，+的部分伸长，-的
部分压缩），+、-部分交替相接。

在交
流电压的作用下，压电陶瓷就会沿圆周
方向产生交替的伸缩变形，定子弹性体
的上下运动产生驻波。

此外，由于重叠
在一起的两片压电陶瓷的相位差为
90，所以，在形成驻波的同时也会在
水平方向形成行波。

这样，在驻波和行
波的合成波的作用下，使定子作椭圆运
动轨迹的振动。

这样，装在定子上的转
子在摩擦力的作用下就会产生旋转。

同
样也有直线运动的超声波电机。

电器控制技术
电器就是广义的电气设备。

在工业意义
上，电器是指能根据特定的信号和要求，
自动或手动地接通或断开电路，断续或
连续地改变电路参数，实现对电路或非
电对象的切换、控制、保护、检测、变
换和调节用的电气设备。

第十二讲 PLC控制技术
一、可编程控制器（PLC）结构与基本
原理
第十三讲直流调速系统（1）
晶闸管是一种大功率半导体器件，属于
可控制的硅整流元件，又称为可控硅。

是由四层半导体构成，单晶硅薄片P1，
N1，P2，N2叠成，形成三个PN结。

当晶闸管的阳极与阴
极之间加反向电压，不论控制极的信号
如何，晶闸管不会导通。

当晶闸管的阳
极与阴极之间加正向电压，若控制极与
阴极之间加正向电压，晶闸管导通。

并
且晶闸管一旦导通，只要阳极与阴极之
间维持正向电压，晶闸管就会维持导通。

1、电阻性负载
2、电感性感负载
电感负载的特点：电感具有储能作用，
当电感中流过的电流变化时，电感两端
产生自感电动势阻碍电流变化。

由于电
感对电流变化有抗拒作用，使得流过电
感的电流不发生突变。

当负载增加时，电动机转速n下降，测
速发电机Utg减小，Un按分压关系成比
例减小，由于速度给定电压Un没有改
变，所以Un 增大，放大器输出Uct
增大，它使晶闸管整流器控制角减
小（导通角增大），使晶闸管整流电压
Ud增加，电动机转速回升到接近原来的
设定转速值。

当负载减少时，电动机转速n上升，测
速发电机Utg加大，Un按分压关系成比
例增加，由于速度给定电压Un没有改
变，所以Un 减小，放大器输出Uct
减小，它使晶闸管整流器控制角增
大（导通角减小），使晶闸管整流电压
Ud减少，电动机转速降低到接近原来的
设定转速值。

第十五讲交流调速系统。