了解机电一体化系统中的关键技术以及机电一体化系统的构成要素及其功能

一、了解机电一体化系统中的关键技术以及机电一体化系统的构成要素及其功能。（1）１．精密机械技术２．检测传感技术３．信息处理技术４．自动控制技术５．伺服传动技术６．系统集成技术(2)1.机械本体:作用：用于支撑和连接其他要素，并把这些要素合理地结合起来，形成有机整体。包括机械传动装置和机械结构装置。2.动力部分:其功能是按照机电一体化系统的要求为系统提供能量和动力使系统正常运行。用尽可能小的动力输入获得尽可能大的输出，是机电一体化系统的显著特征3.检测部分:其功能是将机电一体化产品在运行过程中所需要的自身和外界环境的各种参数及状态转换成可以测定的物理量，同时利用检测系统的功能对这些物理量进行测定，为机电系统提供运行控制所需的各种信息。4.执行机构:功能：执行机构是运动部件，它：将输入的各种形式的能量转换为机械能。根据控制信息和指令完成所要求的动作。5.控制器:控制器是机电一体化系统的核心部分。它根据系统的状态信息和系统的目标，进行信息处理，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出接口送往执行机构，控制整个系统有目的地运行，并达到预期的性能。6.接口:1).交换：需要进行信息交换和传输的环节之间,若信号的模式不同(如数字量与模拟量、串行码与并行码、连续脉冲与序列脉冲等），就无法直接实现信息或能量的交流。需要通过接口来完成信号或能量的统一。2).放大：在两个信号强度相差悬殊的环节间，经接口放大，达到能量的匹配。3).传递：变换和放大后的信号在环节间能可靠、快速、准确地交换，必须遵循协调一致的时序、信号格式和逻辑规范。二、掌握传感器的静、动态特性参数及其含义。掌握机电一体化系统中传感器的选择原则。（在3第三章传感检测技术(09)）（1）静态特性：1.测量范围：线性范围或动态线性范围是指机械输入量与传感器输出量之间维持线性比例关系的测量范围2.量程(满量程输出)：测量范围的上限与下限之代数差3.线性范围：线性范围或动态线性范围是指机械输入量与传感器输出量之间维持线性比例关系的测量范围。4.非线性度δL：被测值处于稳定状态时，传感器输出与输入之间的关系曲线(称校准或标定曲线)对拟合直线的接近程度：式中：δL—非线性度；ΔLmax—标定曲线对拟合曲线的最大偏差；Y－－满量程输出值5.灵敏度K0：传感器的输出变化量ΔY与引起此变化的输入量的变化量ΔX之比，K0=ΔY/ΔX（不恒定）灵敏度误差：rs=(ΔK/K0)×100％6.精确度：简称精度，它表示传感器的输出量与被测量的实际值之间的符合程度，包括传感器的测量值精度和重复精度。7.分辨力：传感器能检测到的最小的输入增量8.迟滞：传感器在正(输入量增大)、反(输入量减小)行程中，输出/输入特性曲线的不重合程度。迟滞误差：YH＝(ΔHmax/YFS)×100％式中：ΔHmax—Y向的最大不重合量；YFS—满量程输出9.稳定性：传感器在相同条件下，在相当长时间内，其输出/输入特性不发生变化的性能。（2）动态特性：测量交变信号时，在其所测频率范围内，保持信号不失真的测量特性，主要包括传感器的响应时延、幅频特性和相频特性等。幅频特性：传感器的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，输入输出量之间相位差随频率的变化关系。（3）传感器的选用原则1.灵敏度适当。一般情况下，传感器的灵敏度越高越好。因为灵敏度高，意味着传感器所能测试的信号的变化量可以很小。既使测量微小的变化，传感器都有较大的输出量。2.量程合适3.响应特性满足动态测试的要求4.线性度要好，工作在线性段5.稳定性好6.精确度合适三、掌握机电一体化系统中机械传动的设计特点。精密机械的传动设计可以认为是面向机电伺服系统的伺服机械传动系统设计。按机电有机结合的原则，机电系统常采用调速范围大、可无级调速的控制电机，从而节省了大量用于变速和换向的齿轮、轴承和轴类零件，减少了产生误差的环节，提高了传动效率，因此使得机械传动设计也得到简化，其机械传动方式也由传统的串联或串并联方式演变为并联的传动方式，即每一个机械运动都由单独的控制电机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成，各运动间的传动关系则由计算机来统一协调和控制，如并联机器人、并联机床等，极大地简化了机械结构，提高了产品的刚度重量比以及精度等级。因此，机电一体化机械传动系统具有传动链短，转动惯量小，线性传递，无间隙传递等设计特点。四、掌握常用的采用硬件方法的抗干扰抑制技术。1、屏蔽技术：电场屏蔽、磁场屏蔽（低频磁场屏蔽、高频磁场屏蔽）、电磁场屏蔽（低频磁场屏蔽、高频磁场屏蔽）2、接地技术3、滤波技术（反射式滤波器、吸收式滤波器）4、隔离技术5、浪涌吸收器（氧化锌压敏电阻、直流浪涌吸收电路、放电管、新型半导体雪崩二极管）五、掌握光电耦合隔离原理及其适用范围。六、掌握程序运行失常的软件抗干扰设计方法。(1)软件陷阱从软件的运行来看，瞬时电磁干扰可能会使CPU偏离预定的程序指针，进入未使用的RAM区和ROM区，引起一些莫名其妙的现象，常见的是死循环和程序“飞跑”。为有效地排除这种干扰故障，常用软件陷阱法。（2）WTD技术Watchdog即监控定时器，俗称“看门狗”，是专门为防止程序进入死循环而设计的。七、掌握步进电机的特性和特点。掌握反应式三相步进电机单三拍、六拍、双三拍工作方式的工作原理。掌握步进电机的基本运行参数。（1）、特性：静态矩角特性工作电流和工作电压是电动机工作的两个重要参数，步进电动机的这些参数有以下主要特点。1)步进电动机的工作电流是脉冲电流，周期性地接通和切断。接通的时间随控制脉冲的频率而变化。频率越高，则每次接通的时间越短。2)步进电机的工作电流就是启动电流。与一般电动机不同，一般电动机总是设法减小启动电流，以免造成电源故障，而对步进电机来说，则应想方设法增大启动电流，以提高电机的工作能力(突跳频率和连续运行频率)，这是因为注入步进电机绕组里的工作电流是瞬时的脉冲电流。工作电流以指数函数形式变化（i＝IHeL/Tj)，且由于步进电机是电感性负载，所以它的工作电流不是固定值，即:在其他条件均不变的情况下，注入绕组的电流值将随频率变化而变化。(3)步进电机铭牌上所提供的参考电流、电压与一般电机不同，并非绝对不能变的。这有两方面含义：一是指电流、电压值可以按照使用要求予以适当的增减；二是指在使用中，即使其他条件均不变，加在电路上的电压的脉宽和注入绕组的电流最大值，均可随频率的提高而减小。(4)步进电机的电压或线路电压并不是指加在电机绕组两端的额定电压，而是指施加在电动机的一相绕组、大功率管和外接电阻Rc上的总电压，如图所示。实际加在电动机绕组上的电压要比铭牌值小得多，而且这个电压是以矩形脉冲的形式加在整个线路上的，而不是一般的正弦波形。(5)由于步进电机是一种属于同步电动机范畴的电动机，其转子速度需要与定子磁场断续移动同步。磁场移动速度是无惯性的，而转子受力后的运转是有惯性的，两者速度很难一致，因此必然引起振动并带来噪声。这是别的电动机里很少出现或根本没有的现象。(6)步进电动机在工作时有铜损和铁损，运转时还有机械损耗，所以步进电动机也发热。但这些损耗都随频率而变化，发热也随频率而变化，这与一般电动机不同。一般，步进电动机本身不带散热装置（日本EPM310型电动机带有风扇），有的则采用油冷以解决散热问题。（2）、特点：1)全数字化控制2)步距角误差较大，但无积累误差3)控制系统简单，成本低4)调速方便5)分辨率固定6)效率低7)不适合带动大惯量负载8)低速时易产生震荡，需要附加阻尼（3）步进电机的工作原理步进电机同样是由定子和转子构成的，如图所示。定子上每个凸极均绕制有控制绕组，定子有六个均匀分布的磁极，每两个相对磁极组成一相，即A-A、B-B、C-C，因此这是一台三相步进电机，一般步进电机定子相数为2～6。步进电机工作原理如下：开始时，A相通电，其他两相断电，在电磁力作用下，转子1、3两齿被磁极A吸住并与之对齐，转子遂在此位置停住；然后，A相断电，同时B相通电，由于电磁力作用，磁极B把离它最近的2、4两齿吸引过去，于是转子逆时针转过30º(称为一个步距角)；接着B相断开，C相再通电，磁极C将1、3两齿吸住，转子又逆时针回转30º；每通断电一次，步进电动机转过30º，周而复始，不断改变A、B、C三相的通电顺序，步进电机将逆时针连续回转。（4）基本运行参数：步距角是指步进电机每次换相时转过的角度。其计算公式如下m为步进电机的相数；z为步进电机转子的齿数；K为步进电机通电方式系数。单相或双相励磁，k=1；单双相轮流励磁，k=2。