机电一体化3章第10节.ppt

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1、1.说明图示高低压功率放大电路的工作原理,为脉冲变压器无脉冲输入时，有脉冲输入时，二极管的作用：三级管截止时，使存储在绕组中的能量释放，从而保护三级管为限流电阻，以免线圈发热烧坏。、的作用？,回顾上节课的内容,（2)高低压功率放大电路,采用高压驱动，电流增长快，脉冲电流的前沿变陡，电动机的转矩和运行频率都得到提高,仅在脉冲开始时接通高压，其余时间都由低压供电，电流上升率高，高速运行性能好，所以效率很高。但电机在低速运行时振动大。,2.说明图示斩波恒流驱动（电流驱动）电路的原理,图6是斩波恒流功率接口原理图。图中R是一个用于电流采样的小阻值电阻，称为采样电阻。当电流不大时，VT1和VT2同时受控

2、于走步脉冲，当电流超过恒流给定的数值，VT2被封锁，电源U被切除。由于电机绕组具有较大电感，此时靠二极管VDL续流，维持绕组电流，电机靠消耗电感中的磁场能量产生出力。此时电流将按指数曲线衰减，同样电流采样值将减小。当电流小于恒流给定的数值，VT2导通，电源再次接通。如此反复，电机绕组电流就稳定在由给定电平所决定的数值上，形成小小的锯齿波，,U2-UR0输出高电平1,斩波恒流驱动（电流驱动）,斩波恒流功率驱动接口也有两个输入控制信号，其中u1是数字脉冲，u2是模拟信号。这种功率接口的特点是：高频响应大大提高，接近恒转矩输出特性，共振现象消除，但线路较复杂。目前已有相应的集成功率模块可供采用。,在

3、步进电机步距角不能满足使用条件时，可采用细分驱动器来驱动步进电机,3.说明步进电机细分驱动的原理,以AB为例，若将各相电流看作是向量，则从整步到半步的变换，就是在IA与IB之间插入过渡向量IAB，因为电流向量的合成方向决定了步进电机合成磁势的方向，而合成磁势的转动角度本身就是步进电机的步进角度。显然，I AB的插入改变了合成磁势的转动大小，使得步进电机的步进角度由b变为0.5 b，从而也就实现了2步细分。,IA,IB,3.细分驱动,要再实现4步细分，只需在A与B之间插入3个向量I1、I2、I3，使得合成磁势的转动角度1=2=3=4，就实现了4步细分。但4步细分与2步细分是不同的，由于I1、I2

4、、I3 3个向量的插入是对电流向量A、B的分解，故控制脉冲已变成了阶梯波。细分程度越高，阶梯波越复杂。,A,B,I1,I2,I3,1,2,3,4,第四节 步进电动机及其驱动,3.细分驱动,细分驱动的特点：在不改动电动机结构参数的情况下，能使步距角减小。但细分后的步距角精度不高，功率放大驱动电路也相应复杂；能使步进电动机运行平稳、提高匀速性，并能减弱或消除振荡。细分的方法：（1）采用多路功率开关器件（2）将各开关的控制脉冲信号进行叠加,（1）采用多路功率开关器件,晶体管工作在开关状态，功耗低，但器件多、体积大,（2）叠加细分驱动原理,晶体管工作在放大状态，功耗大，但器件少,用阶梯波供电,阶梯波的

5、供电方法：两种P121,细分驱动器的细分数是否能代表精度?步进电机的细分技术其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45，电机的精度能否达到或接近0.45，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。,两相混合式步进电机细分驱动器 SH-20803N,电源电压在DC24VDC70V,最大输出电流值为3A/相（峰值），根据驱动器侧板开关（4，5，6）的不同组合可以方便的选择8

6、种电流值，从1.5A到3.1A,面板示意图,电流选择,步距角细分选择,8种细分模式用户既可通过侧板开关（1,2,3）方便设定（详见细分模式选择表）也可以使用端子上提供的MS1，MS2，MS3三个接口由系统选择（详见在线细分切换）。细分步数均相对整步而言，如驱动整步为1.8度电机，设定整步运行时，一个脉冲使电机转动1.8度，半步时，一个脉冲使电机转动0.9度，4细分时一个脉冲则使电机转动0.45度,方向信号输入：该端的高电平和低电平被解释为电机运行的两个方向，信号的改变将使电机运行的方向发生变化。该端的悬空被等效认为输入高电平,脱机信号输入：输入低电平时电机相电流被切断，转子处于自由状态。不用此

7、功能时脱机信号端可悬空。,脉冲信号输入：一个脉冲，此时驱动器将按照相应的时序驱动电机运行一步。本驱动器的信号最高响应频率为2MHz，过高的输入频率将可能得不到正确响应。,4.步进电动机的微机控制（串行、并行控制示意）,串行控制：采用串行控制时，单片机与步进电机的功率接口之间必须有两条控制线：一条用于发送走步脉冲传（CP），另一条用于发送控制旋转方向的电平信号。,并行控制：用微型计算机的数个端口直接控制步进电机各项驱动电路,速度控制：通过控制控制系统发出步进脉冲的频 率或换相周期。方法：软件延时 使用定时器控制,加减速控制：,运行频率小于系统的极限启动频率，按要求的速度直接启动，停发脉冲，系统停

8、止。运行频率大于系统的极限启动频率，有加速恒速减速停止过程。,点-位控制的加减速过程,点-位控制的加减速过程,系统在执行升降速的控制过程中，对加减速的控制还需准备下列数据：加减速的斜率；升速过程的总步数；恒速运行总步数；减速运行的总步数。,步进电机控制实例,工业控制计算机特点 丰富的过程通道模板。工业控制计算机和工业生产过程是紧密结合的，需要和各种传感器、检测仪表、显示仪表、调节仪表、执行机构以及连锁保护装置进行接口。因此，除了计算机的基本配置以外，还必须有丰富的过程通道。高可靠性。工业生产过程一般要求生产设备连续运行几个月甚至一年才大修一次，出现故障时能够在短时间内修复。这就要求工业计算机具

9、有高可靠性。环境适应性。工业控制计算机应能适应工业现场的高温、潮湿、腐蚀、振动、粉尘等恶劣环境，应具有极高的电磁兼容性，以抵抗工业现场强大的电磁干扰，适应工业现场较差的供电质量。,工控机+控制卡,PCL-839卡是一款高速三轴智能步进电机控制卡。它用于将上位计算机所下达的控制命令转换成步进电机的控制脉冲，并独立进动控制的智能化板卡。它能将IBM兼容的PC机变为一台3轴运动控制站。该卡使用了3片PCD-4541智能控制芯片，可以执行各种运动控制指令。你既可以直接通过该卡的I/O寄存器对每个轴进行控制；也可以使用研华公司提供的函数库，通过C语言、C+、VC、VB等程序来调用这些函数，从而实现对各轴

10、步进电机的单独或联合控制。,步进电机控制实例,控制卡,步进电机控制实例,PCL-839+卡编程重要函数介绍,函数1：set_speed此函数用于设置各通道低速脉冲频率、高速脉冲频率和加速率。函数原型：int set_speed(int ch,int FL,int FH,int AD)。参数：ch为通道数；FL为低速频率；FH为高速频率；AD为加速度。返回值：1、正常；2、出错,函数2：stop此函数用于通道脉冲输出的停止函数原型：int stop(int ch)。参数：ch为通道数。返回值：1、正常；2、出错。,步进电机控制实例,PLC控制的数控滑台结构,步进电机控制实例,PLC控制,五、步进

11、电机参数设计,1、脉冲当量：步进电机每接受一个脉冲时，工作台走过的位移,单位为 mm/pulse,=,0.0010.0025 精密机床,0.0050.01 数控机床,0.10.15 一般机床,角脉冲当量：就是步距角(/pulse),当通过中间传动装置时，角脉冲当量为：,如下图，步进电机通过丝杠螺母副带动工作台运动时，其脉冲当量为：,Z1,Z2,设计时，先根据运动精度选定，再根据负载确定步进电机的参数，并选定丝杠的导程p,计算出传动比i后，最后设计传动齿轮的各参数等。,2、最大静转矩Tmax与相数、拍数,一般根据 TL（3050%）Tmax选择Tmax其中TL为把负载折合到步进电机轴的负载力矩，

12、若相数、拍数较多，可选0.5，否则选0.3，考虑控制回路的复杂和经济程度，一般取相数较少的。,3、最高运行频率与速度关系,.根据工作台的最高速度vmax选择步进电机最高运行频率fmax,单位为 mm/pulse,1、步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。,步进电机

13、的应用时应注意的问题,2、步进电机的力矩会随转速的升高而下降 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。,步进电机的应用时应注意的问题,3、一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。,步进电机的应用时应注意的问题,4、保持转矩 保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一

14、。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。,5、步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超过1000转间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。,6、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。,7、步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电

15、机外表温度在摄氏80-90度完全正常。,步进电机的应用时应注意的问题,习题与思考题3-1 简述机电一体化系统的执行元件分类及特点。3-2 简述机电一体化系统对执行元件的基本要求是什么？3-3 简述控制用电动机的功率密度及比功率的定义。3-8 简述步进电动机具有哪些特点？3-9 简述步进电动机的种类及其特点。3-10 简述步进电动机的工作原理。3-11 简述步进电动机步距角的计算方法。3-15 简述步进电动机驱动电源的功率放大电路原理。,执行元件系统,控制信息,电子信息处理系统（CNC）,动力系统,传感检测系统,机械系统,参数变化信息,驱动力,能 量,检测参数,构成要素：五大部分,第四章 微机控

16、制系统的选择及接口设计,12.1 概述12.2 线位移检测传感器12.3 角位移检测传感器12.4 速度、加速度传感器12.5 测力传感器12.6 传感器的正确选择和使用,第12节 常用检测传感器及其选择,12.1 概述,一、定义及分类：1、定义：传感器是将力、温度、位移、速度等量转换成电信号的元件。“传感器技术是机电一体化的第一基础”2、分类 按能量变换的功能分：按输出的信号分：,物理传感器,化学传感器,计数型（计数型）,电压，电流型（热电偶）电感，电容型（可变电容）,有接点型(微动开关，接触开关，行程开关),传感器,电阻型（电位器，电阻应变片）,非电量型,二值型,电量,无接点型(光电开关，

17、接近开关),模拟型,数字型,代码型（旋转编码器，磁尺）,二、传感器的基本特性,1.传感器的静特性 传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器静态特性的主要技术指标有：线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。(1).线性度 传感器的线性度是指传感器实际输出输入特性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值之比，即,二、传感器的基本特性,(2).灵敏度 传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，输出量的变化量与输入量的变化量之比，即(3).迟滞 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中，输出输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示,

18、二、传感器的基本特性,(4).重复性 传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全量程连续多次重复测量时，所得输出输入曲线的不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的百分数表示，即近似计算,二、传感器的基本特性,5.分辨力 传感器能检测到的最小输入增量称分辨力。6.零漂 传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。,2.传感器的动态特性 传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动态特性有：幅频特性、相频特性幅频特性：传感器的

19、灵敏度与输入信号变化频率的关系。相频特性：被测输入量作正弦变化时，与输出量之间相位差随频率变化的关系。,二、传感器的基本特性,12.2 线位移检测传感器,光栅位移传感器,光栅位移传感器,1、光栅的构造：,2、工作原理,光栅位移传感器,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：法国丝绸工,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

20、夹角之间关系为3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。,光栅位移传感器,通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。,光栅位移传感器,其电压为：,将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数，则可用数字形式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。,光栅位移传感器,光栅位移传感器,GS-600光栅线位移传感器,栅距：0.01mm(100线对/mm)、0.02mm(50线对/mm)、0.04mm(25线对/mm)精度：0.008mm、0.01mm、0.015mm、(201000mm)量程：50mm-3000

21、mm以内任意选择 分辨率：0.5um、1um、5um、10u工作温度：0-45存储温度：-40-55,按供电电压分有5V、24V、12V型 按输出信号分有TTL方波、TTL方波、HTL方波(5V、12V、15V、24V)、RS422信号、正弦电压信号,12.3 角位移检测传感器,光电编码器,1.增量式编码器结构,光电编码器,2.增量式编码器工作原理 鉴向盘与主码盘平行，并刻有a、b两组透明检测窄缝，它们彼此错开1/4节距，以使A、B两个光电变换器的输出信号在相位上相差90。工作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明

22、窄缝对齐时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换器A、B的输出电压相位差为90。经逻辑电路处理就可以测出被测轴的相对转角和转动方向。,光电编码器,3.绝对式编码器原理 绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。如图所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字码道

23、，在同一个码道上印制黑白等间隔图案，形成一套编码,光电编码器,黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的“0”和“1”。在一个四位光电码盘上，有四圈数字码道，每一个码道表示二进制的一位，里侧是高位，外侧是低位，在360范围内可编数码数为24=16个。,光电编码器,工作时，码盘的一侧放置电源，另一边放置光电接受装置，每个码道都对应有一个光电管及放大、整形电路。码盘转到不同位置，光电元件接受光信号，并转成相应的电信号，经放大整形后，成为相应数码电信号。,光电编码器,光电编码器,脉冲数(Resolution)100P/R-1024P/R,信号方式(Output signal)A,B,Z(-A,-B,-

24、Z),最高转速(Max.rotation speed)3000r/min,工作温度(Operation temp.range)-10-+70C,防护等级(Protection)IP50,第1个数字表示电器离尘、防止外物侵入的等级，第2个数字表示电器防湿气、防水侵入的密闭程度，数字越大表示其防护等级越高,IP50表示可以防尘,12.4 速度、加速度传感器,一、光电式速度传感器二、加速度传感器,光电脉冲测速原理如下图所示。物体以速度V通过光电池的遮挡板时，光电池输出阶跃电压信号，经微分电路形成两个脉冲输出，测出两脉冲之间的时间间隔t，则可测得速度为,一、光电式速度传感器,光电式转速传感器是由装在被

25、测轴（或与被测轴相连接的输入轴）上的带缝圆盘、光源、光电器件和指示缝隙圆盘组成，如下图所示。光源发出的光通过缝隙圆盘和指示缝隙盘照射到光电器件上，当缝隙圆盘随被测轴转动时，圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间t内的脉冲数N，则可测得转速为,一、光电式速度传感器,作为加速度检测元件的加速度传感器有多种形式，它们的工作原理大多是利用惯性质量受加速度所产生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转化成电量，来间接度量被测加速度。最常用的有应变片式和压电式等。,二、加速度传感器,惯性测量元件！,电阻应变式加速度计结构原理如下图所示。它由重块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成。当有

26、加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定的应变片之变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下即可计算出被测加速度。壳体内灌满的粘性液体作为阻尼之用。这一系统的固有频率可以做得很低。,二、加速度传感器,压电加速度传感器结构原理如右图所示。使用时，传感器固定在被测物体上，感受该物体的振动，惯性质量块产生惯性力，使压电元件产生变形。压电元件产生,二、加速度传感器,的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对被测机构的影响就小。压电加速度传感器的频率范围广、动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。,（一）柱式弹性元件 柱式弹性元件有圆柱形、圆筒形等几种。如下图所示。这

27、种弹性元件结构简单、承载能力大，主要用于中等载荷和大载荷（可达数兆牛顿）的拉(压)力传感器。,12.5 测力传感器,2.悬臂梁式弹性元其特点是结构简单、加工方便、应变片粘贴容易、灵敏度较高。主要用于小载荷、高精度的拉、压力传感器中。可测量0.01牛顿到几千牛顿的拉、压力。在同,12.5 测力传感器,一截面正反两面粘贴应变片，并应在该截面中性轴的对称表面上。若梁的自由端有一被测力P，则应变与P力的关系为：,件,12.6 传感器的正确选择和使用,一、传感器的选择二、传感器的正确使用,1.测试要求和条件。测量目的、被测物理量选择、测量范围、输入信号最大值和频带宽度、测量精度要求、测量所需时间要求等。

28、2.传感器特性。精度、稳定性、响应速度、输出量性质、对被测物体产生的负载效应、校正周期、输入端保护等。3.使用条件。安装条件、工作场地的环境条件（温度、湿度、振动等）、测量时间、所需功率容量、与其它设备的连接、备件与维修服务等。,一、传感器的选择,1.线性化处理与补偿 在机电一体化测控系统中，特别是需对被测参量进行显示时，总是希望传感器及检测电路的输出和输入特性呈线性关系，使测量对象在整个刻度范围内灵敏度一致，以便于读数及对系统进行分析处理。2.传感器的标定 传感器的标定，就是利用精度高一级的标准量具对传感器进行定度的过程，从而确定其输出量和输入量之间的对应关系，同时也确定不同使用条件下的误差

29、关系。传感器使用前要进行标定，使用一段时间后还要定期进行校正，检查精度性能是否满足原设计指标。,二、传感器的正确使用,3.抗干扰措施 传感器大多要在现场工作，而现场的条件往往是不可预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度和性能，所以在检测系统中，抗干扰是非常重要的，尤其是在微弱输入信号的系统中。常采用的抗干扰措施有屏蔽、接地、隔离和滤波等。,二、传感器的正确使用,（1）屏蔽 屏蔽就是用低电阻材料或磁性材料把元件、传输导线、电路及组合件包围起来，以隔离内外电磁或电场的相互干扰。屏蔽可分为三种，即电场屏蔽、磁场屏蔽及电磁屏蔽。（2）接地 电路或传感器中的地指的是一个等电位点，它是电

30、路或传感器的基准电位点，与基准电位点相连接，就是接地。,二、传感器的正确使用,（3）隔离 当电路信号在两端接地时，容易形成地环路电流，引起噪声干扰。这时，常采用隔离的方法，把电路的两端从电路上隔开。隔离的方法主要采用变压器隔离和光电耦合器隔离。（4）滤波 虽然采取了上述的一些抗干扰措施，但仍会有一些噪声信号混杂在检测信号中，因此检测电路中还常设置滤波电路，对由外界干扰引入的噪声信号加以滤除。,二、传感器的正确使用,第四章 微机控制系统的选择及接口设计,第一节 专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡第二节 微机控制系统的设计思路第三节 微机控制系统的构成与种类 第七节 Z80CPU的硬件结构特点、存

31、储器及输入输出扩展接口 第八节 单片机的硬件结构特点及其最小应用系统 第九节 数字显示器及键盘的接口电路,不同产品所需要的控制功能、控制形式和动作控制方式也不尽相同。控制系统的设计是综合运用各种知识的过程。由于采用微机作为机电一体化系统或产品的控制器，因此，其控制系统的设计就是选用微机、设计接口、控制形式和动作控制方式的问题。这不仅需要微机控制理论、数字电路、软件设计等方面的知识，也需要一定的生活和生产工艺知识。通常由机电一体化系统设计人员首先提出总的设计要求，然后由各专业人员通力协作。,第一节 专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡,专用控制系统适合于大批量生产的机电一体化产品。专用控制系统的设

32、计:主要是选用适当的通用IC芯片以及设计其外围电路来组成控制系统。对于多品种、中小批量生产的机电一体化产品来说，由于还在不断改进，结构还不十分稳定，特别是对现有设备进行改造时，采用通用控制系统比较合理。通用控制系统的设计：主控制微机机型的合理选择，设计与其执行元件和检测传感器之间的接口，编制应用软件。这实质上就是通过接口设计和软件编制来使通用微机专用化的问题。,1.专用与通用的抉择,2.硬件与软件的权衡 在大多数情况下，对于某种功能来说，既可用硬件来实现，又可用软件来实现。因此，控制系统中硬件和软件的合理组成，通常要根据经济性和可靠性的标准权衡决定。原则：能采用通用的LSI芯片来组成所需的电路

33、的情况下，则最好采用硬件。特点：与采用分立元件组成的电路相比，采用软件不需要焊接，并且易于修改，所以采用软件更为可靠。而在利用LSI芯片组成电路时，不仅价廉，而且 可靠性高，处理速度快，因而采用硬件更为有利。,第二节 微机控制系统的设计思路,1确定系统整体控制方案 首先应了解被控对象的控制要求，通常，先从系统构成上考虑是采用开环控制还是闭环控制，当采用闭环控制时，应考虑采用何种检测传感元件，检测精度要求如何。其次考虑执行元件采用何种方式，是电动、气动还是液动，比较其方案的优缺点，择优而选。第三要考虑是否有特殊控制要求，对于具有高可靠性、高精度和快速性要求的系统应采取哪些措施。第四是考虑微机在整

34、个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理，微机应承担哪些任务，为完成这些任务，微机应具备哪些功能，需要哪些输入输出通道、配备哪些外围设备。最后应初步估算其成本。通过整体方案考虑，最后画出系统组成的初步框图，附以说明，以此作为下一步设计的基础和依据。,2确定控制算法（书P126）,对任何一个具体微机控制系统进行分析、综合或设计，首先应建立该系统的数学模型，确定其控制算法。所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式。它反映了系统输入内部状态和输出之间的数量和逻辑关系。这些关系式为计算机进行运算处理提供了依据，即由数学模型推出控制算法。所谓计算机控制，就是按照规定的控制算法进行控制，因此，

35、控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败。,由于控制系统种类繁多，控制算法也是很多的，随着控制理论和计算机控制技术的不断发展，控制算法更是越来越多。在系统设计时，按所设计的具体控制对象和不同的控制性能指标要求，以及所选用的微机的处理能力选定一种控制算法。选用时应考虑所选定的算法是否能满足控制速度、控制精度和系统稳定性的要求。,当控制系统比较复杂时，控制算法也比较复杂，整个控制系统的实现就比较困难，为设计、调试方便，可将控制算法作某些合理的简化，忽略某些因素的影响(如非线性、小延时、小惯性等)，在取得初步控制成果后，再逐步将控制算法完善，直到获得最好的控制效果。,3选择微

36、型计算机,对于给定的任务，选择微机的方案不是唯一的，从控制的角度出发，微机应能满足以下要求：,（1）较完善的中断系统 微型计算机控制系统必须具有实时控制性能。实时控制包含两个意思：一是系统正常运行时的实时控制能力；二是在发生故障时紧急处理的能力。常采用中断控制功能。,（2）足够的存储容量 由于微型计算机内存容量有限，当内存容量不足以存放程序和数据时，应扩充内存，有时还应配备适当的外存储器，如单板机通常都配盒式磁带机，用于在调试阶段暂存程序和数据。单板机可配备28KB以上的只读存储器，监控程序及调试成功的应用程序都写入只读存储器，实现软件固化。,（3）完备的输入输出通道和实时时钟 输入输出通道是

37、外部过程和主机交换信息的通道。根据控制系统不同，有的要求有开关量输入输出通道，有的要求有模拟量输入输出通道，有的则同时要求有开关量输入输出通道和模拟量输入输出通道。对于需要实现外部设备和内存之间快速、批量交换信息的，还应有直接数据通道。实时时钟在过程控制中给出时间参数，记录发生事件的时刻。,选择微型计算机除应满足上述几点要求外，从不同的被控制对象角度而言，还应考虑几个特殊要求（3个）:,1)字长 微处理器的字长定义为并行数据总线的线数。字长直接影响数据的精度、寻址的能力、指令的数目和执行操作的时间。,2）速度 速度的选择与字长的选择可一并考虑。对于同一算法、同一精度要求，当机器的字长短时，就要

38、采用多字节运算，完成计算和控制的时间就会增长。为保证实时控制，就必须选用执行速度快的机器。同理，当机器的字长足够保证精度要求时，不必用多字节运算，完成计算和控制的时间就短，可选用执行速度较慢的机器。,3)指令 一般说来，指令条数越多，针对特定操作的指令就多，这样会使程序量减少，处理速度加快。对于控制系统来说，尤其要求较丰富的逻辑判断指令和外围设备控制指令，通常8位微处理器都具有足够的指令种类和数量，一般能够满足控制要求。,选择微机时，还应考虑成本高低、程序编制难易以及扩充输入输出接口是否方便等因素，从而确定是选用单片机、单板机，还是选用微型计算机系统。单片机:价格低、体积小,但需要开发系统对其

39、软硬件进行开发。单板机:价格较低、体积较小，但内存容量较小，接口电路少微型计算机系统:微型计算机系统有丰富的系统软件，可用高级语言、汇编语言编程，程序编制和调试都很方便。但成本较高，当用来控制一个小系统时，往往不能充 分利用系统机的全部功能，抗干扰能力差。,4）系统总体设计 系统总体设计主要是对系统控制方案进行具体实施步骤的设计，其主要依据是上述的整体方案初框图、设计要求及所选用的微机类型。通过设计要画出系统的具体构成框图。一个正在运行的完整的微型计算机控制系统，需要在微机、被控制对象和操作者之间适时地、不断地交换数据信息和控制信息。在总体设计时，要综合考虑硬件和软件措施，解决三者之间可靠的、

40、适时进行信息交换的通路和分时控制的时序安排问题，保证系统能正常地运行。设计中主要考虑硬件与软件功能的分配与协调、接口设计、通道设计、操作控制台设计、可靠性设计等问题。,接口设计 接口设计包括两个方面的内容：一是扩展接口；二是安排通过各接口电路输入输出端的输入输出信号，选定各信号输入输出时采用何种控制方式。如果要采用程序中断方式，就要考虑中断申请输入、中断优先级排队等问题。若要采用直接存储器存取方式，则要增加直接存储器存取(DMA)控制器作为辅助电路加到接口上。,通道设计 输入输出通道是计算机与被控对象相互交换信息的部件。每个控制系统都要有输入输出通道。一个系统中可能要有开关量的输入输出通道、数

41、字量的输入输出通道或模拟量的输入输出通道。在总体设计中就应确定本系统应设置什么通道，每个通道由几部分组成，各部分选用什么样元器件等。,开关量、数字量的输入输出比较简单。开关量输入要解决电平转换、去抖动及抗干扰等问题。开关量输出要解决功率驱动问题等。开关量和数字量的输入输出都要通过前面设计的接口电路。模拟量输入输出通道比较复杂。模拟量输入通道主要由信号处理装置(标度变换、滤波、隔离、电平转换、线性化处理等)、采样单元、采样保持器和放大器、AD转换器等组成。模拟量输出通道主要由DA转换器、放大器等组成。,操作控制台设计 微型计算机控制系统必须便于人机联系。通常都要设计一个现场操作人员使用的控制台，

42、这个控制台一般都不能用微机所带的键盘代替，因为现场操作人员不了解计算机的硬件和软件，假若操作失误可能发生事故，所以一般要单独设计一个操作员控制台。,5）软件设计 微机控制系统的软件主要分两大类，即系统软件和应用软件。系统软件包括操作系统、诊断系统、开发系统和信息处理系统，通常这些软件一般不需用户设计，对用户来说，基本上只须了解其大致原理和使用方法就行了。而应用软件都要由用户自行编写，所以软件设计主要是应用软件设计。,应用软件的设计方法有两种，即 模块化程序 结构化程序 程序模块化设计方法 在进行软件设计时，通常把整个程序分成若干部分，每一部分叫做一个模块。所谓“模块”，实质上就是能完成一定功能

43、、相对独立的程序段。这种程序设计方法就叫做模块程序设计法。,程序结构化设计方法 结构化程序设计方法，给程序设计施加了一定的约束，它限定采用规定的结构类型和操作顺序，因此能编写出操作顺序分明、便于查找错误和纠正错误的程序常用的结构有直线顺序结构、条件结构、循环结构和选择结构。其特点是程序本身易于用程序框图描述，易于构成模块，操作顺序易于跟踪，便于查找错误和测试。,系统调试 微机控制系统设计完成以后，要对整个系统进行调试。调试步骤为硬件调试 软件调试 系统调试。硬件调试包括对元器件的筛选及老化、印制电路板制作、元器件的焊接及试验，安装完毕后要经过连续考机运行；软件调试主要是指在微机上把各模块分别进行调试，使其正确无误，然后固化在EPROM中；系统联调主要是指把硬件与软件组合起来，进行模拟实验，正确无误后进行现场试验，直至正常运行为止。,