第4章-控制系统

第四章控制系统1、机电一体化控制系统的组成及其作用4.2控制系统的设计要求机电一体化控制系统的设计要求1、功能实用性2、系统的可靠性3、运行的稳定性4、操作性5、人机安全性6、性价比7、规范性衡量一个控制系统好坏的指标有哪些？机电一体化控制系统中的输入装置1、请说出输入装置的作用？2、举例说出你所熟悉的输入装置有哪些？4.3控制系统中的输入装置常用的输入装置键盘、开关电路、触摸屏、接口电路等键盘的相关知识1、键盘的分类a、按结构原理分：触电式开关按键；例如机械式、导电橡胶式无触点式开关按键；例如电容式b、按接口原理分：编码式键盘；例如计算机的通用键盘非编码式键盘；例如矩阵式键盘、独立键盘等2、键盘的接口大家考虑一下键盘与系统的常用接口方式有哪些？计算机常用PS2口、USB口单片机8279或者8155的并行口输入；3、键盘的工作方式4.3控制系统中的输入装置键盘的工作方式键盘的工作方式取决键盘的接口类型：即采用什么样的键盘编码式键盘：主要是有硬件完成对键的识别；非编码式键盘：主要是由软件程序完成对键盘的定义和识别。非编码式键盘的工作方式a、程序控制扫描方式b、定时扫描方式c、中断扫描方式非编码式键盘的程序设计时注意主要通过键处理语句JMP指令；同时需要考虑触点键盘的“去抖”问题4.3控制系统中的输入装置通用键盘的信息处理键盘使用中我们会按下不同的按键来输入指令，而键盘是把按键的信息以ASCALL码传入到系统中。这样就要求我们调取系统中的ASCALL码对键盘信息进行处理。4.3控制系统中的输入装置BIOSINT16H的功能调用可以用来检查是否有按键按下并接收键入的字符；1.功能调用00H（该功能是读下一个键盘字符）调用格式：MOVAH,0；调用前将AH置0INT16H；中断调用CMPAL,3CL；读取字符，检查是否为F2键按下3.1位置检测环节的构成和接口机电一体化系统执行机构的运动有直线和回转两种，所以其检测元件也分为直线型和回转型两种。在闭环系统中，检测元件安装在执行机构上，直接检测运动部件的实际位置；而在半闭环控制系统中，一般将检测元件安装在执行元件的驱动轴或传动轴上，间接检测运动部件的直线位移或回转位移。3.1位置检测环节的构成和接口3.1.1感应同步器感应同步器：电磁式位置检测元件；按其结构特点可分为旋转式和直线式两种。前者用于直线位移的测量，后者用于角位移的测量。感应同步器广泛用于高精度的数控机床上。1.感应同步器的结构直线感应同步器由作相对平行移动的定尺和滑尺组成，定尺和滑尺之间有均匀气隙，在全程上保持0.25±0.05mm。标准型感应同步器的定尺长250mm，表面制有连续绕组，绕组节距为2mm。节距是衡量感应同步器精度的主要参数，工艺上要保证其节距的精度。滑尺上制有两组分段绕组，即正弦绕组(S)和余弦绕组(C)，两者相对于定尺绕组在空间错开1/4节距(见图3-1)。3.1位置检测环节的构成和接口定尺和滑尺的基板通常采用与机床床身材料热膨胀系数相近的钢板，用绝缘粘接剂把铜箔粘在钢板上，经精密照相腐蚀工艺制成印刷绕组，再在尺子表面涂上一层保护层。滑尺表面有时还帖上一层带绝缘的铝箔，以防静电感应。在使用感应同步器时，一般将定尺固定在机床的固定部件(如床身、立柱、横梁)上，滑尺固定在移动部件(如床鞍、主轴箱、工作台或刀架)上。当工作台移动时，滑尺和定尺产生相对移动。由于感应同步器的精度很高，故安装精度也要求很高。要求安装、运动时定尺和滑尺之间的间隙均匀。3.1位置检测环节的构成和接口直线式感应同步器的结构正弦绕组余弦绕组滑尺定尺ττUdUsUc2/2直线式感应同步器利用两个平面形印刷绕组，其间保持均匀气隙作相对平行移动，根据交变磁场和互感原理而工作的。若滑尺绕组加励磁电压，则由于电磁感应而在定尺绕组上产生感应电压，其大小取决于滑尺与定尺的相对位置。直线式感应同步器的工作原理2ττ/2E定尺正弦绕组滑尺余弦绕组VsVci1i2（当正弦绕组与定尺绕组对齐时，余弦绕组与定尺绕组相差1/4节距。）当滑尺处于A位置，即滑尺绕组与定尺绕组完全对应重合，定尺绕组线圈中穿入的磁通最多，则定尺上的感应电压最大。随着滑尺相对定尺做平行移动，穿入定尺的磁通逐渐减少，感应电压逐渐减小。当滑尺移到图中B点位置，与定尺绕组刚好错开1/4节距时，感应电压为零。当只给滑尺上正弦绕组加励磁电压时，定尺感应电压与定、滑尺的相对位置关系如图所示再移动至1/2节距处，即图中C点位置时，定尺线圈中穿出的磁通最多，感应电压最大，但极性相反。再移至3/4节距，即图中D点位置时，感应电压又变为零，当移动一个节距位置如图中E点，又恢复到初始状态，与A点相同。在定尺移动一个节距的过程中，感应电压近似于余弦函数变化了一个周期，如图中ABCDE。距离U若励磁电压u＝Umsinωt则定尺绕组产生的感应电势ee＝kUmcosθcosωt式中Um—励磁电压幅值(V)ω—励磁电压角频率(rad/s)k—电磁耦合系数，与绕组间最大互感系数有关；θ—滑尺绕组相对定尺绕组在空间的电气相位角；kUm—为感应电压的幅值。直线式感应同步器的信号处理原理滑尺正弦绕组上加激磁电压Us后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：Uos=KUScosθ1滑尺余弦绕组上加激磁电压Uc后，与之相耦合的定尺绕组上的感应电压为：Uoc=KUccos（θ1+π/2）=－KUcsinθ1滑尺正、余旋绕组上同时加激磁电压Us、Uc时，根据叠加原理，则与之相耦合的定尺绕组上的总感应电压为：Uo=Uos+Uos=KUScosθ1－KUcsinθ1K—电磁感应系数θ1—定尺绕组上的感应电压的相位角感应同步器就是利用感应电势的变化，来检测在一个节距W内的位移量，为绝对式测量。设滑尺绕组的节距为2τ，它对应的感应电势按余弦函数规律将变化2π。若滑尺的移动距离为x，则对应于感应电势以余弦函数将变化θ：()22xxpqptt==根据滑尺正、余旋绕组上激磁电压Us、Uc供电方式的不同可构成不同检测系统——-鉴相型系统和鉴幅型系统。直线式感应同步器的应用方式1）鉴相工作方式根据感应输出电压的相位来检测位移量误差信号控制机床的伺服驱动机构，消除误差方向移动，构成位置反馈，指令信号Ur经脉冲相位变换变成相位信号a1.机床工作定尺滑尺产生相对位移，定尺a2变化，当a1与a2不相等，工作台移动，若相等，工作台停止移动脉冲相位变换器同时还产生基准激励信号供给滑尺正、余弦绕组。直线式感应同步器的应用方式1）鉴相工作方式根据感应输出电压的相位来检测位移量供给滑尺的正、余弦绕组的激磁信号是频率、幅值相同，相位相差90°的交流励磁电压Us＝UmsinωtUc=Um（sinωt+π/2）=Umcosωt当滑尺移动x距离时，则定尺上的感应电压为Ud1＝kUscosθ＝kUmsinωtcosθUd2＝kUccos（θ＋π/2）＝－kUmcosωtsinθ应用叠加原理得出定尺绕组中的感应电压为Ud=Ud1＋Ud2＝kUmsin（ωt－θ）通过鉴别定尺感应输出电压的相位，即可测量定尺和滑尺之间的相对位移。Um—励磁电压幅值(V)ω—励磁电压角频率(rad/s)k—电磁耦合系数，与绕组间最大互感系数有关；θ—滑尺绕组相对定尺绕组在空间的电气相位角；kUm—为感应电压的幅值。例：感应电势与励磁电压相位差θ=1.8°，节距W=2mm，由θ=2πx/Wx=0.01mm直线式感应同步器的应用方式2）鉴幅工作方式工作台位移值X未达到指令要求值X1时，即X≠X1，定尺电压u2≠0.该电压一方面经检波放大控制伺服驱动机构带动机床工作台；另一方面，当该电压超过门槛值时，产生输出脉冲，经D/A转换后自动改变励磁电压幅值aE。当工作台移至X=X1，定尺上电压u2=0,误差消失，工作台停止移动。u2同时输至相敏放大器与来自补偿器、信号比较，来控制工作台运动的方向。根据定尺输出的感应电势的振幅变化来检测位移量。给滑尺的正弦绕组和余弦绕组分别通以为同频率、同相位，但不同幅值，即Us＝UmsinαsinωtUc＝Umcosαsinωt式中α—励磁电压的给定为电气角.分别励磁时，在定尺绕组上产生的输出感应电势分别为：Uds＝kUmsinαcosωtcosθUdc＝kUmcosαcos(θ＋π/2)cosωt＝－kUmcosαcosωtsinθ根据叠加原理，定尺绕组上总输出感应电势Ud为Ud＝Uds＋Udc＝kUmsinαcosθcosωt－kUmcosαsinθcosωt＝kUmsin（α－θ）sinωt定尺绕组中的感应电压Ud的幅值为Umsin（α－θ）若电气角α已知，则只要测量出Ud的幅值，便可间接地求出θ值，从而求出被测位移x的大小。当定尺绕组中的感应电压Ud＝0时，α＝θ，只要逐渐改变α值，使Ud＝0，便可求出θ值，从而求出被测位移x。令，当很小，，式（6-10）可近似表示为Ud≈Umsinωt将式代入上式得当位移量Δx很小时，感应电压Ud的幅值与Δx成正比，因此可以通过测量Ud的幅值来测定位移量Δx的大小。从而实现精确测量。sin)sin(txUUmdsin4.圆感应同步器工作原理同直线感应同步器，差别在于定子、转子及绕组形状不同；分为圆形和扇形，圆形测量范围达360°，扇形测量范围小于360°；特点：精度高、工作可靠抗干扰性强、维护简单寿命长、测量距离长、滑尺要全部覆盖在定尺上。用途：检测机械设备的角度和角位移，常用安装形式有两种（将单个圆盘安装于设备上和定子转子组装成整体通过联轴器与机械旋转轴连接）。4.圆感应同步器3.1.2旋转变压器旋转变压器用于运动伺服控制系统中，作为角度位置的传感和测量用。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，对环境无特殊要求，输出信号大，抗干扰好，因此被广泛应用于机电一体化产品中。3.1.2旋转变压器旋转变压器的结构旋转变压器的结构：由定子和转子两部分组成，而且结构上保证定子和转子之间的气隙磁场呈正（余）弦规律。3.1.2旋转变压器1.旋转变压器的工作原理给定子绕组加交变励磁电压，则转子上产生励磁电压，其大小取决于定子和转子两个绕组在空间的相对位置。其中Um为定子励磁电压峰值m=sin=KUsinwtsinUKUaa定子转子旋转变压器的工作原理3.1.2旋转变压器旋转变压器的应用（1）鉴相式在此状态下，旋转变压器定子两相正交绕组（正弦绕组S和余弦绕组C）分别加上幅值相等、频率相同，而相位相差90°的正弦交变电压：根据叠加定理，在转子工作绕组中电压为：wtUmUssinwtUmUccos)sincoscos(sinsincos2wtwtKuKuKuUmss3.1.2旋转变压器（2）鉴幅式在这种工作方式中，定子两相绕组加的是频率相同、相位相同，而幅值分别按照正弦和余弦变化的交变电压：定子励磁电压在转子中的电压不但与转子和定子的相对位置aM有关，还与励磁的幅值有关，则有：注：a为定子正弦绕组轴线与转子工作绕组轴线间的夹角；其中w为励磁角频率，aE为电角度，a为定子正弦绕组轴线与转子工作绕组轴线间的夹角。wtaUmUsEsinsinwtaUmUcEcossinwtaaKuaKuaKuUMEmMCMssin)sin(sincos23.1.3光栅光栅种类很多，其中有物理光栅和计量光栅之分。物理光栅刻线细而密，栅距(两刻线间的距离)在0.002-0.005mm之间，通常用于光谱分析和光波波长的测定。计量光栅刻线较粗，栅距在0.004-0.25mm之间，通常用于数字检测系统，用来检测高精度直线位移和角位移，是数控机床上应用较多的一种检测装置。3.1.3光栅1.光栅的构成与种类：光栅通常是由在表面上按一定间隔制成透光和不透光的条纹的玻璃构成，称为透射光栅，或在金属光洁的表面上按一定间隔制成全反射和漫反射的条纹，称为反射光栅。利用光栅的一些特点可进行线位移和