1、第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化系统的微机控制系统的选择与设计机电一体化系统的微机控制系统的选择与设计 4.1 微机控制系统微机控制系统4.3 CPU的扩展接口及相关芯片的扩展接口及相关芯片4.4 MCS-51的特点、系统构成的特点、系统构成4.5 数字显示器及键盘的接口电路数字显示器及键盘的接口电路4.6 微机应用系统的输入微机应用系统的输入/输出控制的可靠性设计输出控制的可靠性设计4.8常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 4.1 微机控制系统微机控制系统
2、 4.1.1 微机控制系统专用与通用、硬件与软件的抉择和权衡1、主要遇到的问题：A 专用与通用的抉择：专用控制系统适合于大批量生产的机电一体化系统；对于多品种、中小批量生产的机电一体化产品，采用通用控制系统比较合理。B 硬件与软件的权衡 在用分立元件组成硬件的情况下，就可考虑是否采用软件，能采用通用的LSI芯片来组成所需的电路的情况下，则最好采用硬件；这是因为与采用分立元件组成的电路相比，采用软件不需要焊接，且易于修改，所以采用软件更为可靠，而在得用LSI芯片组成电路时，不公价廉，而且可靠性高，处理速度快，因而在此条件下，采用硬件更为有利。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 4.
3、1.2确定控制系统的设计思路 1、确定系统整体控制方案 2、确定控制算法 3、选择微型计算机 a 较为完善的中断系统；b 足够的存储容量；c 完备的输入输出通道和实时时钟；选择微机的其它特殊要求：a、字长 b、速度 c、指令第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 4、系统的总体设计 a 接口设计：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。b通道设计：开关量、模拟量和数字量 c擦作控制台设计 5、软件设计：模块化设计、结构化设计 6、系统调试：第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 4.1.3微型计算机的系统构成和种类
4、1、微型计算机的系统构成：略第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 2、微型计算机的种类：按组装形式分：a 单片机：b单板机：c 微型计算机系统：第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 按处理机位数分：4、8、16、32、64按用途分：控制用和数据处理用4.1.5 微机的应用领域和选用要点应用领域：1、工业控制和机电产品的机电一体化2、交通和能源设备的机电一体化3、家用电器的机电一体化4、商用产品的机电一体化5、仪器、仪表的机电一体化6、办公自动化设备的机电一体化7、信息处理
5、自动化设备8、导航与控制第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 选用要点：4位机常用于较简单、规模较小的系统，16位或32位及64位机主要用于较复杂的大系统，8位机则用于中等规模的系统。另外，对于一般的工业控制设备及机电产品、汽车机电一体化控制、智能仪表、计算机外设控制、磅秤自动化、交通与能源管理等多采用8位机。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 4.3 CPU的扩展接口及相关芯片的扩展接口及相关芯片1、输入输出接口：在机电一体化系统中，微机与外部设备、执行元件和检测传感器之间都需要有I/O通道，以便交换信息。I/O接口应包括I/O接口硬件电路和软件两方面的内容。I/O
6、接口硬件电路主要由地址译码、I/O读写译码接口芯片（如数据缓冲器和数据锁存器）组成。通用I/O扩展接口芯片主要有Intel的PPI8255、8155等。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 a PPI8255芯片使用简介。（Programmable Peripheral Interface）8255芯片可按照程序指定进行数据输入输出的三个独立的端口A、B、C，每个端口都是8位。通常，A或B为输入、输出数据端口，C为控制或状态信息端口，它在状态字控制下，可分为两个4位的端口，每个端口均有锁存器，分别与A或B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。8255芯片的工作方式是通过C
7、PU的控制字来指定的。在其内有控制寄存器，接受来自CPU输出的控制字，端口C是按照控制字来实现每一位的“复位”与“置位”控制的。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 输入输出端口的寻址可通过A1、A0、RD、WR和CS不同组合实现，以实现各种输入输出操作。可见，控制字寄存器只能写不能读，通过A1、A0组合可以指定8255三个端口之一和指定控制字寄存器。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 b I/O寻址方法。选择I/O端口的方法就是I/O寻址方法，I/O地址是输入端口或输
8、出端口的地址总称，这些地址是用十六进制数表示的。使用8255的输入输出端口时，首先要通过初始化程序来规定A、B、C各个端口是输入口还是输出口，这种规定是通过将8位控制字代码写入控制寄存器来选择8255的动作状态的，8255的工作状态有三种，即0、1和2状态。0状态为基本的输入输出方式，可将A、B、C高4位和C低4位分别作为输入或输出使用，如下表所示，通过不同的控制字可选择不同的输入输出端口。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 1状态时为选通控制信号，状态信号的I/O方式，端口A和端口B用于输入或输出，而端口A的动作状态由端口C（高
9、4位）控制，端口B组的动作状态由端口C（低声下气位）控制。2状态时为双向选通输入输出方式，只能使用端口A，就是说端口A由端口C控制。上述最常用的是0工作状态。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 c 实现片选的方法。逻辑电路法：只使用于只有1个或2个8255的场合，如下图译码器法：当同时使用几个8255时，用逻辑电路法选片使电路过于复杂，此时可使用译码器来选片，如图4-20所示。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 2、8
10、155芯片使用简介与8255相比，8155功能更强，它除了能提供并行接口，还能提供RAM存储器的定时/计数器。8155芯片具有三个可编程I/O口，其中A口和B口为8位，C口为6位，此外还有256个单元的RAM和一个14位计数结构的定时器/计数器。单片机与8155的地址、命令、数据和状态信息都通过地址总线口传送。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 引脚介绍 a 22条I/O总线，PA0-PA7为通用I/O线，PB0-PB7为通用I/O线；PC0-PC5为I/O数据/控制线，在通用I/
11、O方式下，用作传送I/O数据，在选通I/O方式下，用作传送命令/状态信息。b 8条控制总线：RESET为总清0线，在RESET上输入一个大于600ns的正脉冲，8155立即处于总清状态，A、B、C三口也定义为输入方式；CE为8155片选线，低电平工作，高电平不工作；IO/M为I/O端口或RAM的选通线，若为0，则CPU选中8155的RAM工作，若为1，则CPU选中8155片内某一寄存器工作。RD/WR是读/写命令输入线；ALE为允许地址输入线，高电平有效时，8155允许地址线上地址锁存到地址锁存器，否则，8155地址处于封锁状态，常与MCS-51同名端相连；T/IN是计数器输入线，其上脉冲用于
12、对8155片内14位计数器减1；T/OUT为计数器输出线，当14位计数器计满回0时其上输出脉冲波形，输出脉冲的形状和计数器工作方式有关。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 8155RAM单元及I/O编址：第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 8155命令字：第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 8155状态字第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 8155工作方式：a 存储器方式：8155的存储器方式用于对片内256字节的RAM单元进行读和写，CPU通过AD7-AD0上的地址选择RAM中的任一单元读写。b I/O方式：8155的I/O方式又可分为
13、通用I/O和选通I/O两种工作方式，如上表所示；通用I/O方式下，A、B、C三口用作输入/输出，由命令字决定；选通I/O方式下，由命令字D3D2状态决定，A和B都可独立工作于这种方式，此时，A和B用作数据口，C用作A和B的联络控制。此方式还可分为选通I/O数据输入和选通I/O数据输出。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 8155内部定时器的使用：减1计数，14位计数 定时器共有4种工作方式，由定时器长度字高字节中的M2和M1两位状态决定，定时器长度字的低14位用于给定时器设置初值。定时器长度字格式如下图所示：注意与MCS-51定时器的不同之处。第第4章章 机电一体化检测系统机电一
14、体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 单片机与8155的连接第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 3、地址锁存器74LS373为地址锁存器，如下图所示，它是一片三态输出8D触发器，当OE=0时，三态门导通，输出线上为8位锁存器的状态，当OE=1时，输出呈高阻态，G为锁存信号输入线，G=1时锁存器输出等于D端输入，G输入端负跳变将输入信息锁存到8位锁存器中。当单片机在访问外部程序存储器时，P2口输出高8位地址，P0分时传送低8位地址和指令字节。在ALE为高电平
15、时，P0口输出的地址有效，并由ALE的下降沿锁存到地址锁存器中，此时外部程序存储器选通信号线PSEN出现低电平，选通相应的外部EPROM，相应的指令字节出现在EPROM的数据线上，输入到P0口，CPU将指令字节读入指令寄存器。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 4.4 MCS-51的特点、系统构成第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 4.5 数字显示器及键盘的接口电路数字显示器及键盘的接口电路1、数字显示器的结构及其工作原理单片机应用系统中，常使用LED、CRT和LCD
16、等作为显示器件。其中LED和LCD成本低，配置灵活、与单片机接口方便，帮应用广泛。8位并行输出口输出不同的字节数据即可获得不同的数字或字符，通常将控制发光二极管的8位字节数据称为段选码，共阳极与共阴极的段选码为补数。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 a 静态显示法 所谓静态显示，相应的发光二极管恒定地导通或截止，这种显示方式每一位都需要一个8位输出口控制，静态显示时，较小的电流能得到较高的亮度，所以由8255的输出口直接驱动，适用于显示器位数很少（1或2位时）。如下图所示第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章
17、章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 b动态显示法：当显示位数较多时，用静态显示所需的I/O口就较多，这时一般采用动态显示方法，所谓动态显示法，就是一位一位地轮流点亮各位显示器，对于每一位来说，每隔一段时间点亮一次，显示器的亮度既与导通电流有关，也和点亮的时间与间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高的较稳定的显示。若显示器的位数不大于8位，则控制显示公共极电位只需一个8位并口（称扫描口）；控制各位显示器所显示的字形也需一个共用的8位口（称数据口）。如下图所示第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一
18、体化检测系统机电一体化检测系统 指令如下：指令如下：第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 2、键盘、显示器接口电路、键盘、显示器接口电路8279芯片为专用键盘显示控制芯片，最大配置为8X8，所描线由SL0-SL2通过3-8译码器提供，接入键盘列线（可设扫描线为列线），查询线由反馈输入线RL0-RL7提供，接入键盘行线（设定查询线为行线）。具体接线如下图所示：a 命令字、状态字口地址为7FFFH；数据输入输出口地址为7FFEH；b B0-B3依次接显示器段选项端a,b,c,d;B4-B7依次接e,f,g,dp第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测
19、系统机电一体化检测系统 3、行列式键盘接口电路、行列式键盘接口电路行列式键盘又叫矩阵键盘，用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。a 键盘工作原理：将列线的所有I/O线均置成低电平，然后将行线电平状态读入累加器A中，如果有键被按下，总会有一根行线电平被拉至低电平，从而使行输入不全为1。方法是依次给列线送低电平，然后查所有行线状态，如果全为1，则所按下的键不在此列，如果不全为1，则所按下的键必在此列。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 b 键盘工作方式编程扫描方式、定时扫描方式和中断扫描方式三种，下面介绍一下编程扫描方式
20、。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 4.7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输出控制的可靠性设计 微机应用系统的输入输出是通过硬件电路和软件共同完成的，对其硬件电路的要求是：a 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；b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到；c应具有较强的阻断干扰信号进入微机控
21、制系统的能力，以提高系统的可靠性。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 1、光电隔离电路设计 光电隔离电路：如下图所示 为了防止强电干扰及其它干扰信号通过I/O控制电路进入计算机，通常的办法是首先采用滤波吸收，抑制干扰信号的产生，然后用光电隔离的办法，使微机与强电部件不共地，阻断干扰信号的传导。其作用有：a 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。b 可进行电平转换。c 提高驱动能力。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 光电耦合隔离电路的应用 采用光
22、电耦合器可以将微机与前向、后向通道及其它相关部分切断与电路的联系，从而有效地防止干扰信号进入微机，基本配置如下图所示。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 2、信息转换电路设计弱电转强电电路微机应用系统中的微机发出的控制信号一般要经过功率放大后，才能驱动各类执行元件，如下图所示第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 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，即使CPU定时地向某一个I/O口的某一二进制位
23、输出高低电平相间的逻辑信号，就可产生一个脉冲序列，具体应用如下图所示。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 D/A、A/D转换 微机应用系统中I/O控制回路中，还常用到D/A、A/D转换，如下图所示。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 电量转非电量如下图所示。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 应用举例应用举例第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 4.8常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口常用检测传感器的性能特点、选用及其微机接口4.8.
24、1检测传感器的分类 传感器是将机电一体化系统中被检测对象的各种物理变化量变为电信号的一种变换器。按作用可分为检测机电一体化系统内部状态的内部信息传感器和检测作业对象和外部环境的外部信息传感器。按输出信号的性质可将传感器分为开关型，模拟型和数字型。按传感器的用途分类一般是按被测物理量分类。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 4.8.3传感器的选用原则及注意事项传感器的选用原则及注意事项因为传感器生产厂家所生产的系列产品已为用户作了许多
25、相当复杂的工作，用户只需根据使用要求按其主要性能参数，如测量范围、精度、分辨力、灵敏度等选用即可。传感器性能参数指标包含的面很宽，对于具体的某种传感器，应根据实际的需要和可能，在确保其主要性能指标的前提下，适当主宽对次要性能的要求，切忌盲目要求各种特性参数均高指标，以形成较高的性能价格比。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 此外，还可采取一些技术来改善传感器的性能，这些技术如下：平均技术：有误差平均效应和数据平均处理。差动技术：抵消共模误差、减小非线性。屏蔽和隔离：稳定性处理第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 4.8.4传感器的测量电路传感器的测量电路传感器的输出信
26、号不同，其测量电路也有模拟型测量电路、数字型测量电路和开关型测量电路之分。模拟型测量电路：数字型测量电路：开关型测量电路：转换电路：a 电桥 b 放大电路 c调制与解调电路 d A/D和D/A转换电路第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 4.8.5传感器的微机接口传感器的微机接口输入到微机的信息必须是微机能够处理的数字量信息，传感器的输出形式可分为模拟量、数字量和开关量，与此相对应的接口与下表：第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 根据模拟量转换、输入的精度、速度和通道等因素，可有下表的四种转换输入方式，每种输入方式的基
27、本组成元件是相同的。输入扩大器（衰减器）抗频混滤波器采样保持电路模拟多路开关第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 模拟多路开关：模拟多路开关：CC4046型四双向模拟开关的引脚如下图，每一个模拟开关都相当于一个可控的单掷开关，对其进行适当组合，可构成各种模拟多路开关。同时，为了用较少的控制信号来选通多路开关，可加一个译码器，集成电路CC4051就是带有译码电路的八选一多路开关。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 信号采样保持电路信号采样保持电路所谓采样，就是把时间连续的
28、信号变成一串不连续的脉冲时间序列的过程。信号采样是通过采样开关来实现的，采样开关又称采样器，实质上是一个模拟开关，每隔T闭合一次，每次闭合时间t，其中T为采样周期，其倒数为采样频率，t为采样时间或采样宽度，采样后的脉冲序列称为采样信号，这是一个离散的模拟信号，它是时间轴上是离散的，在函数轴上是连续的，因而还需要A/D转换器将其转换成数字量。因A/D转换过程需要一定的时间，为防止产生误差，要求在此期间内保持采样信号不变，这就要用到采样/保持电路。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第
29、第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 A/D转换器及其与微机的连接转换器及其与微机的连接A/D转换器是数字信号处理系统的重要器件，实现A/D转换有多种形式，A/D转换芯片也有许多型号，其技术参数主要有：分辨力，相对精度，输入电压，转换时间，输入电阻，供电压等，其中分辨力和转换时间两项最为关键。分辨力是指转换微小输入量变化的敏感程度，用数字量来表示，如8位，12位和16位等。转换时间是指A/D转换的工作时间，它对所能转换的最高信号频率有影响，时间的倒数对应最转换频率。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 4.8.6常用的传感
30、器及其检测系统常用的传感器及其检测系统在机电一体化系统中，控制系统的控制对象主要是伺服驱动单元和执行机构，受控变量通常是机械运动参数，如位移、速度、加速度、运动轨迹，以及机器操作和加工过程参数等，这些运动参数可以用旋转变压器、感应同步器、测速发电机、光栅、磁栅、编码器等到来检测。所获得的信息，在开环控制系统中可用于数字显示或误差补偿，在闭环控制系统中则作为反馈信息，它与指令值进行比较后来实现闭环控制。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 一、旋转变压器检测系统一、旋转变压器检测系统 旋转变压器是一种利用电磁感应原理将转角变换为电压信号的传感器。由于它结构简单、动作灵敏，对环境无特殊
31、要求，输出信号大，抗干扰性好，因此被广泛应用于机电一体化产品中。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 1、旋转变压器的构造和工作原理旋转变压器在结构上与两相绕组式异步电机相似，由定子和转子组成，定子和转子这间的气隙中磁通分布符合正弦规律。在定子上有激磁绕组S1-S2和辅助绕组K1-K2，两个绕组的轴线正交；转子上也有两个互相垂直的绕组A1-A2和B-B2，如下图所示。工作时，在定子绕组施加交流激磁电压，通过电磁耦合，在转子绕组上就感应出与转子转角相对应的电压。转子绕组与滑环相连，再经电刷引到接线板上与检测电路相连。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一
32、体化检测系统机电一体化检测系统 旋转变压器的工作原理与普通变压器相似，定子绕组相当于变压器的原边，转子绕组相当于变压器的副边。所不同的是：普通变压器的输入、输出两个绕组的位置是固定的，其输出电压与输入电压之比是一个常数，而旋转变压器的输入、输出绕组分别固定在定子和转子上，所以输出电压大小与转子位置有关。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 以左图两极旋转变压器为例，设施加在定子绕组中的激励电压是频率、随时间t变化的交流电压Us=Umsin t，则转子绕组中的感应电势为UB=KUssin=KUmsinsin t式中，K-变压比，Um-定子绕组中交变电压的幅值；-转子转角，当转子和定子
33、的磁轴垂直时为0。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 由上式可知，转子绕组中的感应电势UB也是频率为、随时间t变化的交变电压信号，其幅值KUmsin随着转子和定子的相对位置按正弦函数变化。当转子绕组中接以负载时，其绕组中便有正弦感应电流通过，该电流所产生的交变磁通将使定子和转子间气隙中的合成磁通畸变，从而使转子绕组中输出电压也发生畸变。为了克服上述缺点，实际应用中常采用四极绕组式旋转变压器，其定子和转子绕组均由两个匝数相等，且互相垂直的绕组构成，一个转子绕组作为输出信号，另一个转子绕组接高阻抗作为补偿。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 2、测量方式和检测系统、测量
34、方式和检测系统 a、鉴相测量方式这种测量方式是根据旋转变压器转子绕组中感应电势的相位来确定被测转角的大小。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 由上式可知，旋转变压器转子绕组中的感应电势UB与定子绕组中的激磁电压同频率，但相位不同，相位差就是被测角位移的大小。使用鉴相式旋转变压器的转角位置控制系统如下图所示，实际应用中应注意，UB是变量的周期函数，转子每转一转，UB值周期性地变化一次，因此，不但要测出UB的大小，而且要测出UB的周期性变化次数，或者将被测角位移限制在180度之内，即每次测量过程中转子转过的角度小于半周。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机
35、电一体化检测系统机电一体化检测系统 b、鉴幅测量方式鉴幅测量方式是通过检测旋转变压器转子绕组中感应电势的幅值来实现角位移检测的，这时，定子绕组S1-S2和K1-K2分别输入频率和相位相同、幅值不同的交变激磁电压第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 由上式可知，转子绕组中的感应电势UB是以为角频率的交变信号，其幅值为UBm=Umsin(-)。值得注意的是，UBm是变量的周期函数，当大于180度时，将会造成对的跟随错误，例如，当180=360度时，可能出现跟随失步。另外，值较大时，跟随 的线性度不好，跟随误差大，这将使伺服系统的性能受到影响。因此，用于机床伺服系统的鉴幅式旋转变压器的
36、常选得很小，一般不超过3度。但这不影响使用，因为尽管每次被测对象转过的角度很小，但转过N次后，其总的角位移量值可以很大。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 二、感应同步器检测系统二、感应同步器检测系统1、感应同步器的构造感应同步器是一种应用电磁感应原理来测量位移的高精度检测元件，有直线式和圆盘式两类，分别用来检测直线位移和角位移。直线感应同步器由定尺和滑只两部分组成。对于标准的直线感应同步器，定尺一般为250mm长，上面均匀分布节距W为2mm的绕组；滑尺长100mm，表面布有两个绕组，即正弦绕组和余弦绕组，如图36所示。当余弦绕组与定尺绕组相位相同时，正弦绕组与定尺绕组错开14节
37、距。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 圆盘式感应同步器如图37所示，其转子相当于直线感应同步器的定尺，定子相当于滑尺，而且定子绕组中的两个绕组也错开14节距。直线感应同步器的安装应保证定尺与滑尺平行且有一定的间隙，间隙约为0250.05mm。如果测量长度大于250mm，可以采用多块定尺接长，相邻定尺间隔可用块规或激光测长仪进行调整，使拼接后总长度的精度保持(或略低于)单块定尺的精度。尺与尺之间的绕组连接方式是:若定尺少于10块，将各绕组串联连接;若定尺多于10块，先将各绕组分成两组串联，然后将此两组再并联，以不使定尺绕组阻抗过高
38、为原则。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 2、感应同步器的工作原理、感应同步器的工作原理当向滑尺上的绕组通以一定频率的交流电压后，就在感应同步器中产生了一个磁场，该磁场以同步速度移动并切割定尺导片，由于电磁感应，在定尺上将感应出相同频率的感应电压，感应电压的值随滑尺与定尺的相对位置不同而变化，如下图所示。感应同步器就是利用这个感应电压的变化来进行位置检测的。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 3、测量方式和检测系统 a、鉴相测量方式在鉴相测量系统中，供给滑尺的正、余
39、弦绕组的激磁信号是频率和幅值相同、相位差为90度的交流电压，即：Us=Umsint,Uc=Umcost开始时，正弦激磁绕组与定尺绕组重合，=0，即两绕组间的相位角为0。当滑尺移动时，两绕组不再重合，此时在定尺上感应电压为：U2s=KUscos=KUmsintcos同理，由于余弦激磁绕组与定子绕组空间相差1/4节距，在定尺上感应电压为：U2c=KUccos(+90)=-KUmcostsin式中，K为电磁耦合系数，Um为最大瞬时电压；为两尺空间相位角第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 由于感应同步器的磁路系统可视为线性的，根据叠加原理，定尺上感应总电压为：U2=U2s+U2c=KUm
40、sintcos-KUmcostsin=KUmsin(t-)若感应同步器的节距为W，则滑尺直线位移量x和的关系为：=2x/W,从上可知，可通过测量定尺上的感应电压的相位来测得滑尺和定尺间的相对位移。如下图所示：第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 b、鉴幅测量方式：在鉴幅测量系统中，供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率和相位相同而幅值不同的交流电压，根据定尺上感应电压的幅值变化来测量滑尺和定尺之间的相对位移，加在滑尺正、余弦绕组激励电压幅值的大小，应分别与工作台移动的指令x1（对应的位移为1）成正、余弦关系：Us=Umsin 1si
41、nt,Uc=Umcos1sint 当滑尺移动时，定尺上感应电压U2随滑尺移动距离x（对应的位移角为），即：U2=U2s+U2c=KU Umsin 1sintcos-K Umcos1sintsin=KUmsintsin(1-)第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 从上可知，定尺上感应电压的幅KUmsin(1-)按正弦规律随指令位移量x1(1)与工作台实际位移量x()之差变化，因此，可以通过测量U2的幅值来测得定尺和滑尺之间的相对位移。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 三、光栅检测系统三、光栅检测系统目前，在高精度的位置
42、检测系统中，大量使用光栅作为检测反馈元件，光栅与旋转变压器、感应同步器不同，它是一种将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置。常见的光栅从形状上可分为长光栅和圆光栅，前者用于检测直线位移，后者用于检测角位移，光栅的精度比较高，可达1um。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 1、光栅的构造、光栅的构造如右图所示，主要由标尺光栅和光栅读数头组成，标尺光栅和指示光栅应相互平行并保持0.05mm或0.1mm的间隙。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 2、工作原理、工作原理常见光栅都是根据物理学莫尔条纹的形成原理进行工作的。莫尔条纹的形成原因，对于粗光栅主要是挡光积分效应，
43、对于细光栅则是光线通过线纹衍射后，产生干涉的结果。粗光栅形成莫尔条纹的原因如下图所示。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 莫尔条纹的特性：当用平行光束照射光栅时，所形成莫尔条纹的光强近似呈正弦分布。放大作用。平均效应。莫尔条纹的移动与两光栅尺之间的相对移动相对应，即两光栅尺相对移动一个栅距d时，莫尔条纹便相应地移动一个节距W，其方向与光栅尺相对移动的方向垂直。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 3、检测系统、检测系统如下图所示，它是一个数字信号检测系统，由多路采集细分电路、放大环节、整形环节和辨向电路组成。这种利用多
44、个传感器对同一被测量同时采集多路相位不同的信号而实现细分方法称作多路信号采集细分。通常n=4，放大环节常采用差动放大器，整形环节将正弦波转换成相位相同的矩形波，用过零比较器来实现。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 通过对“或”门输出的脉冲进行加、减计数，便可获得相对位移量及位移方向，如果该系统中光栅栅距d=0.02mm,则经过4细分后，每个计数脉冲代表的位移量为d/4=0.005m
45、m，从而使检测系统分辨力提高了4倍。另外，对“或”门输出脉冲进行计数可采用二进制可逆计数器，正向脉冲信号使计数器做加法计数，反向脉冲信号使计数器做减法计数。当计数器的内容为0时，工作台处于坐标原点。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 四、磁栅检测系统四、磁栅检测系统 磁栅是利用电磁特性来进行位置检测的。先在磁性标尺的磁膜上用录磁磁头记录一定波长的矩形或正弦形电信号，作为测量的基准标尺，检测时用拾磁磁头将记录在磁性标尺上的信号读出，通过检测电路得到位移量，供数字显示或控制之用。磁栅可用于直线位移和角位移的测量，具有精度高、复制简单、安装调整方便等优点。第第4章章 机电一体化检测系统
46、机电一体化检测系统 1、磁栅的构造和工作原理、磁栅的构造和工作原理磁栅位置检测装置由磁性标尺、磁头和检测电路组成，如下图所示。磁尺按形状不同可分为直线位移测量用的平面实体型磁尺、带状磁尺和线状磁尺，以及用于角位移测量的圆型磁尺。磁头是进行磁电转换的变换器，它把反映空间位置的磁信号转换为电信号输送到检测电路中去。分速度响应型磁头和磁通响应型磁头。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 输出信号电压为：U=U0sin(2x/)sintU0为感应电压系数，为磁尺上磁化信号节距，x为磁头相对磁尺的位移，/2为激磁电流频率第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 辨向磁头配置辨向磁头配
47、置 这种调制输出信号跟磁头与磁尺的相对速度无关，只要计算出振幅变化的次数，并以写入的波长为单位，就可算出位移量。为了鉴别磁头在磁尺上的移动方向，通常采用间距为（m+1/4）的两组磁头，如下图所示，m为任意整数，从而得两个磁头的输出信号为U1=U0sin(2x/)sintU2=U0 cos(2x/)sintU1和U2是相位差90度的两列脉冲，至于哪个导前，则取决于磁尺的移动方向，根据两磁头输出信号的超前或滞后，可确定其移动方向。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 2、测量方式和检测系统、测量方式和检测系统 a、鉴相测量方式采用相位检测的精度可以大大高于录磁节距，并可以通过提高内插脉
48、冲频率来提高系统的分辨率，系统如下图所示：将图中一组磁头的激磁信号移相90度，则得到输出电压为：U1=U0sin(2x/)cost,U2=U0cos(2x/)sint第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 在求和电路中相加，则得到磁头总输出电压为：U=U0sin(2x/+t）所以，合成输出电压U的幅值恒定，而相位随磁头与磁尺的相对位置x变化而变。该输出信号与旋转变压器、感应同步器的读取绕组中取出的信号相似，所以其检测系统也相同。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 b、鉴幅测量方式（了解）如前所述，磁头有两组信号输出，将高
49、频载波滤掉后，则得到相位差为90度的两组信号：U1=U0sin(2x/）U2=U0cos(2x/）检测系统如下图所示，这种方法的线路比较简单，但分辨率受到录磁节距的限制，若要提高分辨率就必须采用较复杂的倍频电路，故不常采用。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 五、编码器检测系统五、编码器检测系统编码器是一种码盘式角度数字检测元件，它有两种基本类型：一种是增量式编码器，一种是绝对值式编码器。增量式具有结构简单、价格低、精度易于保证等优点，所以目前采用最多；绝对值式编码器能直接给出对应于每个转角的数字信息，便于计算机处理，但当进给转数
50、大于一转时，须作特别处理，而且必须用减速齿轮将两个以上的编码器连接起来，组成多级检测装置，使其结构复杂、成本高。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 1、增量式编码器增量式编码器是指随转轴旋转的码盘给出一系列脉冲，然后根据旋转方向用计数器对这些脉冲进行加减计数，以此来表示转过的角位移量，工作原理如下图。它由主码盘、鉴向盘、光学系统和光电变换器组成，把此正转和反转脉冲信号分别输入到双时钟可逆计数器的正、反向计数端进行计数，则可得到转轴的旋转角度，为了能得到绝对转角（角位移），应在起始位置时对可逆计数器清零。第第4章章 机电一体化检测系统机电一体化检测系统 第第4章章 机电一体化检测系
