1、机电一体化系统设计,第四章 机电一体化系统 微机控制系统选择与设计 张建民 编著 高等教育出版社讲授：何庆中 机 电 工 程 系,厚德达理励志勤工,第4.1节 微机控制系统,随着机电一体化系统所需的控制功能、控制形式、控制方式的不同和多控制过程日趋复杂，对控制系统的要求越来越高。微机控制系统的引用，在许多方面能满足机电一体化控制系统的要求。微机控制系统：是将微型计算机作为机电一体化产品的控制器，结合微型计算机的工作原理、接口电路（数字和模拟）的设计、相应的控制硬件和软件，以及它们之间的匹配，实现对控制对象的有效控制。常用的微机控制系统： 专用微机控制系统 核心部件为单片机和单板机。通用微机控制
2、系统 核心部件为可编程控制器和工业计算机。,厚德达理励志勤工,4.1.1 微机控制系统硬件与软件抉择和权衡,在确定微机控制系统时，应重点考虑几方面的问题。 （1）专用/通用微型计算机的选择1）专用控制系统的构成与特点 用于大批量生产的机电一体化产品。具有机械电子有机结合紧凑，由专用IC芯片、接口电路、执行元件、传感器等相互合理匹配成专用控制器，软件采用专用机器代码或语言，可靠性强，成本低，但适应能力较差。,厚德达理励志勤工,2）通用控制系统的构成与特点,构成：控制系统以通用微型计算机为核心，设计专用或选用通用的集成IC芯片、接口电路、执行元件、传感器，以及相互合理匹配元件，组成具有较好通用能力
3、的控制器。软件采用通用平台软件系统。特点：具有可靠性高，适应性强，但成本高，应采取一定的抗干扰措施等特点。应用：适用于多品种、中小批量生产的机电一体化产品。,厚德达理励志勤工,（2）硬件与软件的权衡 /匹配,任何微机控制系统的控制功能，即可以由硬件实现，也可以由软件实现，两者的合理匹配是确定或选用微机控制系统研究内容之一。主要依据经济性、可靠性、适用性等要求来决定。 主要用通用分离元件组成的控制系统最好采用软件来实现对机电一体化产品的主要控制功能，接口少，易于调整，适应能力强，但成本较高。,厚德达理励志勤工, 主要用专用集成元件组成的控制系统最好选用硬件实现对机电一体化产品的主要控制功能，具有
4、廉价、可靠、处理速度快等特点。 （3）应有必要的抗干扰措施由于工作环境比较恶劣（存在电噪声干扰等），易产生故障。为提高控制系统的环境适应能力和抗干扰能力，以及可靠性，必须采取相应的抗干扰措施。,厚德达理励志勤工,4.1.2 微机控制系统的设计思路,（1）确定系统总体控制方案总体控制方案确定技术路线从系统构成上考虑控制方式（开环控制、半闭环控制、闭环控制）传感元件选用（含精度） 选用/设计执行元件考虑被控制对象特殊控制要求（高可靠性、高精度、快速响应特性）微机在整个控制系统中的作用（计算、数据处理、直接/间接控制方式、控制功能、I/O接口、外围设备等）控制系统成本核算。确定微机控制系统总体控制的
5、初步方案总体方案可行性论证总体方案技术/经济评价总体方案鉴定。最终确定微机控制系统总体控制方案,厚德达理励志勤工,（2）确定控制算法,目的在于确定微机控制系统输入/输出之间的数字和逻辑数学模型的数学表达方式，为控制系统输出的控制信号，实现被控制对象的各控制功能、精度、稳定性、可靠性等要求提高可靠的理论依据。常用的控制算法：逐点比较法、数字积分法、PID调节控制法、最小拍控制法、最优控制法、随机控制法、自适用控制法、遗传控制法、模糊控制法、鲁棒控制法、神经网络控制法、专家系统等。选用何种控制算法，应依据被控制对象的具体要求而定，主要包括控制功能、精度、稳定性、可靠性等。,厚德达理励志勤工,（3）
6、微型计算机选择,任何微机控制系统中的微型计算机，无论被控制对象的要求如何，对微型计算机都有一定最基本要求。1）较完善的适时中断系统实时控制能力、紧急处理能力。2）足够的存储容量（ROM、RAM、EPROM ）有效地保证微机系统软件、应用软件、数据处理工作的正常运行。3）完善的输入/输出通道逻辑、数字、模拟通道，以及输入/输出通道接口数。4）实时时钟控制作为控制系统实现控制功能的基准。除此之外，还有一些特殊要求字长、运行速度、指令、成本、编程难易、输入/输出接口扩展能力等。,厚德达理励志勤工,微型计算机的最终确定：,可选用微型计算机主要有三种类型：单片机 主要包括数字计算机四个基本组成部分(CP
7、U、EPROM、RAM、I/O)，双列直插式集成电路。具有结构简单、实用范围广，但需用专用的开发系统对其软件和硬件进行开发才能满足使用要求。单板机 将单片机、编程器、外部存储器、专用/通用接口电路等板卡式微型计算机。具有成本低、体积小特点，主要用于生产现场的控制系统；但内存容量少，接口电路少，采用机器语言编程、程序编写、调试困难。 微型计算机 具有丰富的软件和硬件支持，具有可视化界面的系统软件、可应用高级语言、汇编语言等编写应用程序，程序编写、调试方便快捷，有多样化数据信号输入/输出接口（COM、USB）或插槽（PCI、ISA）；但价格比较昂贵、抗干扰能力较差。,厚德达理励志勤工,（4）控制系
8、统总体设计 （技术设计）,一旦被控制对象的具体要求、微型计算机、控制软件平台确定，便可进行控制系统的总体设计。主要解决系统硬件、软件和操作人员三者之间的匹配，数据信息和控制信息交换的通讯接口设计（硬件接口），能分时时序控制设计（应用软件设计）等方面问题。控制系统总体设计的主要内容：1）软件与硬件功能合理分配与协调(主要依据经济性、可靠性指标进行软件/硬件的分配、协调与权衡)。2）接口设计（输入/输出信号匹配与协调）。3）通道设计（信号通讯方式与I/O类型）。4）操作控制台设计（人机交换方式）。5）可靠性设计（可靠性设计方案与措施）。,厚德达理励志勤工,（5）软件设计,系统软件：主要有操作系统、
9、故障诊断系统、开发系统、信息处理系统等。在机电一体化产品的控制系统软件设计中、一般不设计系统软件，只是合理选用并了解基本的工作原理和熟练使用方法的问题。应用软件：由操作者依据被控制系统的控制要求和特点，用户自行编写完成的。对于操作者或编程员来讲，所指的软件设计均为应用软件设计。除此之外，在应用软件设计时，还应考虑一些基本要求。实时性、针对性、灵活性和通用性等方面要求。,厚德达理励志勤工,（6）系统调试 一旦微机控制系统设计完成后，需对整个系统进行调试，以便达到设计要求。调试步骤包括硬件调试、软件调试、系统调试三大步骤。,第4.2节 8086/8088微机的硬件结构特点 第4.3节 Z80CPU
10、的结构特点及储存器、输入/输出扩展接口 第4.4节 单片机的结构特点与最小应用 第4.5节 数字显示器及键盘的接口电路以上四节在微型计算机原理与应用和计算机控制系统课程中，已作为重点加以学习过，在此不做详细讲解，请同学们复习以下，如果在下面的章节中设计到相关知识要点，再加以说明。,厚德达理励志勤工,第4.6节 可编程逻辑控制器(PLC) 构成及应用举例,（1）PLC的基本工作原理与构成工作原理：使用可编程存储器存储用户设计的应用程序指令，由指令实现逻辑运算、顺序操作、定时、计数、算术运算和I/O接口通讯来控制机电一体化系统（产品）。基本构成：主要由微处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM、E
11、PROM）、I/O接口（数字、模拟）、编程接口、编程器（含显示）等组成。,厚德达理励志勤工,（2）PLC的编程特点,PLC可编程逻辑控制器的设计者向用户提供简明、易学、易记的汇编语言，也可借助于逻辑梯形图作为编程的首选编程语言，将一组含义明确、功能性强、为数不多的指令用指令助记符表示的一种直观易懂的编程方法。,厚德达理励志勤工,（3）PLC的应用举例,厚德达理励志勤工,第4.7节 微机控制系统输入/输出的可靠性设计,微机控制系统以及各主要功能元件（部件）的输入/输出信号控制功能主要由硬件和软件设计来保证。在硬件设计中，如何提高控制系统的工作可靠性，是微机控制系统设计的重要环节之一。主要包括：1
12、）能可靠地传递各类控制信息有效保证输入/输出控制信号转换的运动状态。2）能够进行有效的信息转换满足微机对输入/输出信息类型的转换要求。如：A/D、D/A转换；平行数字信号与串行数字信号的转换；电平信号的转换与匹配；电量与非电量的转换；强电与弱点转换。3）具有阻断干扰信号进入微机控制系统的能力主要采用滤波技术、光电隔离技术、屏蔽技术等。,厚德达理励志勤工,本节重点学习微机控制系统的输入/输出电路和信息接口设计的可靠性方法，即光电隔离电路设计、信息转换电路设计。,4.7.1 光电隔离电路设计 （1）光电隔离电路的基本工作原理与组成,厚德达理励志勤工,（2）光电隔离电路的特点,光电隔离电路通过光敏转
13、换实现信号的单向传递，可有效地阻断各类干扰信号，实现信号的电平转换（功率放大）和电平极性转换(+/-)。,厚德达理励志勤工,光电隔离时域检测电路 时域响应特性,输出阻抗/ 时间响应特性,厚德达理励志勤工,光电隔离频域 检测电路 时域响应特性,输出阻抗/ 频率响应特性,（3）光电隔离电路的作用,1）可将输入/输出两部分的供电电源和电路的地线分离。光电耦合输入、输出端之间绝缘电阻很大（10111013），寄生的电容很小（0.52pF），因而干扰信号很难从输入端反馈到输出端。 2）可进行电平转换，实现要求的电平输出，从而具有初级功率放大作用。3）提高对负载的驱动能力。可直接驱动光控晶闸管工作。如果光
14、电隔离电路与滤波电路、屏蔽电路有效的结合起来，将会进一步提高微机控制系统的抗干扰能力。,厚德达理励志勤工,（4）光电耦合隔离电路的应用,光电隔离电路在机电控制系统中的基本配置,厚德达理励志勤工,请同学们注意： 在微机控制系统中，由于可采用的高功能集成元件端口（输入/输出接口）的性质常有所不同，因而所采用或设计的光电隔离电路也有所不同。在系统设计中，应依据实际情况而定。,1）8031芯片匹配的输入输出光电隔离接口电路,特点：P3口作为准双向接口，当P3输入口被拉成低电平时，可直接由TTL或MOS电路驱动；当外部信号为低电平时，P3可被拉成高电平直接与光电耦合器连接。,厚德达理励志勤工,2）803
15、1、8215、8255芯片匹配光电隔离接口电路,特点：当接口作为输入口时，端口为高阻抗输入，与8031的P1接口与光电耦合器的输入连接相同；当P1和P3作为输出接口（准双向接口）时，高电平输出时对外泄漏的电流很小（零点几mA）；低电平输出时对外泄漏的电流很大，P1和P3作为输出接口。,厚德达理励志勤工,3）8155、8255芯片匹配光电隔离接口电路,特点：由于8155、8255输出口可释放和吸收的电流较大，故可直接用高点平推动晶体管驱动光电二极管。在8155、8255上电复位（高阻抗状态）时，不使开机输出额外的信息，将晶体管硬拉成低电平。,厚德达理励志勤工,4）输出较大电流驱动的光电隔离接口输
16、出电路,特点：采用达林顿型驱动电路，可输出更大的电流驱动输出设备。,厚德达理励志勤工,5）提高普通光电耦合器光耦合速度的光电隔离接口输出（响应）电路,特点：可进一步提高普通光电耦合器光耦合速度。,厚德达理励志勤工,6）V/F转换器（LM331）频率输出光电隔离接口输出电路,特点：可提高在恶劣环境中前向型通道和电源的抗干扰能力。,厚德达理励志勤工,4.7.2 信息转换电路设计 1）弱点/强电转换电路,厚德达理励志勤工,（2）数字/脉冲信号转换并行转换为串行,（3）数/模(D/A)转换、模数(A/D)转换,厚德达理励志勤工,第4.8节 常用检测传感器的性能特点、选用与微机接口,4.8.1 检测传感
17、器的分类与基本要求（1）传感器将被检测对象的各种变化物理量转换成电信号的一种变换器。 （2）传感器的作用被用于检测机电一体化系统自身和作业对象、作业环境的状态，为有效地控制机电一体化系统动作提供信息。,厚德达理励志勤工,（3）传感器的分类,1）传感器的作用主要分为：内部信息传感器和外部信息传感器。内部信息传感器 检测机电一体化系统内部状态。主要包括：检测位置、速度、力/力矩、温度以及异常变化等的传感器。外部信息传感器 检测作业对象的状态和外部环境状态。主要包括：接触式和非接触式传感器，如：温度/湿度传感器、气压传感器、电涡流传感器、无线电接收机、红外测温仪，激光测距机等。 2）按输出信号的性质
18、可分为：开关型、模拟型和数字型传感器（计数型和代码型）。 3）按传感器的用途分为：位移、位置、速度、加速度、力/力矩、温度、湿度、压力等传感器。 4）按传感器的用途分为：电阻式、电感式、电磁式、电容式、光电式。,厚德达理励志勤工,（4）传感器的基本要求,体积小、重量轻、适应性好。 精度和灵敏性高、响应快、稳定性好、信噪比高。 安全可靠、寿命长。 便于与计算机对接。 不易受被检测对象和外部环境的影响。 环境适应能力强。 现场安装处理简单、操作方便，价格便宜。,厚德达理励志勤工,4.8.2 各类传感器的工作原理、主要性能及优缺点,各类传感器的工作原理、主要性能及优缺点，在数控技术、传感器技术、传感
19、器及其应用等课程已进行了较全面的学习，在此不做详细的讲解。 注意：掌握好各类传感器的工作原理、主要性能及优缺点，是正确选用传感器的重要依据之一。,厚德达理励志勤工,4.8.3 传感器的选择原则及注意事项,（1）传感器的选用原则主要是依据传感器的使用要求和被控制对象的控制精度要求选择适用的传感器。 （2）传感器选用的注意事项在确保主要性能参数和指标的条件下，适当可放宽次要的性能和指标要求，以便获得较高的性能价格比。注意：不能盲目的追求传感器各种性能指标均高的传感器选择方法或原则。,厚德达理励志勤工,（3）提高传感器性能的主要技术措施,1）平均技术缩小检测误差2）差动技术减少非线性误差3）稳定性处
20、理提高传感器可靠性和寿命 4）屏蔽和隔离提高抗外界干扰的能力,厚德达理励志勤工,4.8.4 传感器的测量处理电路,由于传感器检测到的原始信号比较微弱，需中间转换处理电路将信号放大成易于检测或处理的电压或电流信号，在经调制解调、A/D转换、D/A转换等输出能满足计算机处理的要求和匹配的检测信号。注意：传感器的检测处理电路通常与所选用的传感器密切相关，一般由传感器生产厂家提供选择。控制系统设计时，选择设计是非常重要的。主要包括检测测量电路和信号放大转换电路两部分。,厚德达理励志勤工,（1）传感器的检测测量电路,模拟型测量电路调制、放大、解调、滤波、A/D转换处理。数字型测量电路光电转换、放大整形、
21、检测量编码。 开关型测量电路对检测信号的放大或降压/分流等。（2）传感器信号放大转换电路传感器信号放大转换电路主要包括：电桥电路测量阻抗、感抗、电容量等电参量的电量（电压、电流等）转换。,厚德达理励志勤工,放大电路由运算放大器、晶体管等组成。将检测到的微弱电信号进行放大处理（电压放大、电流放大、功率放大等）。采用屏蔽、隔离、滤波电路等提高放大信号的质量或品质。调制与解调电路对传感器输出的微弱、缓慢变化信号，由一般直流放大和信号传输电路，将产生零点漂移等干扰信号。采用调制、放大、解调设计电路，可得到几乎无干扰信号的放大测量信号。A/D、D/A转换电路实现检测输入、计算机处理、输出执行信号之间的匹
22、配转换。,厚德达理励志勤工,4.8.5 传感器的微机接口,微型计算机需要输入数字信号，而传感器输出的信号有模拟、数字、开关型信号，为了与计算机匹配，需要相应的接口电路。模拟量接口电路、数字量接口电路、开关量接口电路。本章小结重点掌握微机控制系统的定义；常用控制计算机的类型、抉择和权衡方法；微机控制系统的设计思路和微机系统构成与种类；PLC的基本工作原理与基本构成；PLC的编程特点与执行过程；输入/输出接口控制信号的可靠性设计基本要求和提高输入/输出电路与接口可靠性的主要方法。,厚德达理励志勤工,第四章 课外作业,1 、从控制角度出发，所选择微机应满足哪些条件。2 、试说明CPU、MC、MCS之间的关系。3、控制系统输入/输出控制可靠性设计的主要包括哪些内容？4 、试说明光电耦合器的光电隔离原理。光电隔离电路的特点和作用？5、试说明机电一体化系统常用传感器的种类及其基本特性参数。,厚德达理励志勤工,
