机电一体化系统设计第4章：微机控制系统及接口设计

第四章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•微机控制系统的设计主要时选用微机、设计接口、选用控制形式和动作控制方式的问题。一、微机控制系统专用与通用、硬件与软件的权衡与决择1、专用与通用的抉择•专用适合于大批量生产的机电一体化产品；•如果要求具有机械与电子有机结合的紧凑结构，必须选用专用控制系统；•专用控制系统的设计问题，实际就是选用适当的通用IC芯片来组成控制系统，以便与执行元件和检测传感器相匹配，或是重新设计制作专用集成电路，把整个控制系统集成在一块或几块芯片上。•通用控制系统适合于多品种、中小批量生产的机电一体化产品；•通用控制系统的设计主要是合理选择主控制微机机型，设计与其执行元件和检测传感器之间的接口，并在此基础上编制应用软件，•实质上是通过接口设计和软件编制来使通用微机专用化的问题。（2）硬件与软件的权衡•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。•必须使用分立元件组成硬件时，最好采用软件；•能用通用的LSI芯片来组成电路的，则最好采用硬件。•控制系统一般为电子系统，环境适应能力差，存在电噪声干扰问题，因此在设计控制系统时，对于提高包括环境适应性和抗干扰能力在内的可靠性时，必须特别注意采取必要的措施。二、控制系统的设计思路1、确定系统整体控制方案1）从系统构成上考虑是否采用开环控制或闭环控制（闭环控制还考虑采用何种检测元件）；2）执行元件采用何种方式；3）考虑系统是否有特殊控制要求及采取的措施是什么？4）考虑微机在整个控制系统中的作用5）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•建立系统的数学模型，确定其控制算法，按照规定的控制算法进行控制。•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。•在选择控制算法时，应考虑所选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。3、选择微型计算机•从控制的角度出发，微机应能满足（1）较完善的中断系统•控制系统必须具有实时控制能力。•要求的微型机的CPU具有较完善的中断系统，选用的接口芯片也应有中断工作能力，保证控制系统能满足生产中提出的各种控制要求。（2）足够的存储容量（3）完备的输入/输出通道和实时时钟完备的输入输出通道包括：1）开关量输入/输出通道2）模拟量输入/输出通道3）直接数据通道选择微型计算机除应满足上述几点要求外，从不同的控制对象角度而言，还应考虑几个特殊要求：1）字长2）速度3）指令字长•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•一般说：•通常的顺序控制、程序控制可选用一位微处理器•对计算量小、计算精度和速度要求不高的系统可选用4位机•对计算精度要求较高、处理速度较快的系统可选用8位机•对计算精度要求高、处理速度快的系统可选用16位以上的微机速度•对于同一算法、同一精度要求，当机器字长短时，选用执行速度较快的机器，当字长足够保证精度要求时，可选用执行速度较慢的机器•速度的选择可根据被控对象而定指令•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；•通常的8位微处理器都具有足够的指令种类和数量，一般能满足控制要求。选择微机时，还应考虑成本高低、程序编制难易及扩充输入/输出接口是否方便等因素，从而确定是选择单片机、单板机或是微机a.单板机价格低，体积小，便于现场适用和维护管理，但内存小，接口电路小，使用机器语言编程，编程和调试比较困难。b.单片机•价格低，体积小，可满足很多场合的应用，但需要开发系统对其软硬件进行开发。c.微机•具有丰富的系统软件，编程、调试方便，系统内存大，数据输入输出速度快•成本较高，抗干扰能力差4、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。•其主要依据是整体方案初框图、设计要求及所选用的微机类型。•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。遵循的原则是：•硬件与软件功能的分配与协调要根据经济性和可靠性指标进行权衡；•可靠性问题主要是指定可靠性设计方案采取可行的可靠性措施；（1）接口设计•通常选用的微机都配备有相当数量的可编程的输入/输出通用接口，在设计时，首先要合理地使用这些接口，当通用接口不够时应进行接口的扩展；•接口设计要根据控制要求及能够得到何种元件和扩展接口的方便程度来确定.1）选用功能接口板其最大的优点是硬件工作量小，可靠性高，但价格较贵，一般只用来组成较大的系统。2）选用通用接口电路•组成较小的控制系统时可采用标准化的通用接口芯片3）用集成电路自行设计接口电路•可设计任意要求的接口，价格低，但可靠性差，接口的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I/O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。（2）通道设计•在总体设计中应确定设置什么通道，每个通道由几部分组成；简易数控步进电机的控制通道组成8255光电隔离电路A相放大A相放大A相放大步进电机环形分配器进给方向光电隔离电路定时器PA0PA1PA2PB采用软件实现环形分配的步进电机控制通道组成微机I/O光电隔离电路A相功放电路A相功放电路A相功放电路步进电机开关量、数字量的输入要解决电平转换、去抖动及抗干扰等问题；输出则要解决功率驱动问题等；控制计算机与PWM功放的接口方法模拟量输入/输出通道包括D/A转换、放大电路等。（3）操作控制台设计其功能包括：1）有一组或几组数据输入键，用于输入或更新给定值、修改控制器参数或其它必要的数据；2）有一组或几组功能键或转换开关，用于转换工作方式，起停或完成某种指定的功能3）有一个数字显示装置或显示屏，用于显示各种状态参数及故障指示等4）有“急停”按钮，用于在出现事故时停止系统的运行，转入故障处理。对于比较小的控制系统，也可不另外设计操作员控制台，而将原单板机所带的输入键盘改变成方便与操作员输入数据和发出各种操作命令的键盘，但要重新设计一个键盘管理程序。单独设计一台操作员控制台，实用性、可靠性好，操作方便，但成本高，且要占用输入/输出接口，往往缺乏必要的数字显示和状态显示，现场操作人员使用不便。5、软件设计•软件的设计主要是应用软件的设计；•控制系统对应用软件的要求是实时性、针对性、灵活性和通用性；•对于工业控制系统来说，应用软件的最大特点是具有较强的针对性，即每个应用程序都是根据一个具体的系统要求设计的；应用软件的设计方法有两种：1）模块化程序设计2）结构化程序设计6、系统调试•微机控制系统设计完成后，要对整个系统进行调试；•调试的步骤是：硬件调试→软件调试→系统调试三、工业控制计算机•工业控制计算机系统是机电一体化系统的中枢，其主要作用是按编制好的程序完成系统信息采集、加工处理、分析何判断，作出相应的调节何控制决策，发出数字形式或模拟形式的控制信号，控制执行机构的动作，实现机电一体化系统的目的功能。•在机电一体化设备中单机系统是一种最基本何最常见的计算机控制系统测控对象传感器执行机构信号预处理信号转换DIA/DD/ADO总线CPU存储器人-机对话系统系统支持模块基本系统工业控制计算机系统过程I/O子系统1、工业控制计算机系统的基本要求1）具有完善的过程输入/输出功能2）具有实时控制功能3）具有可靠性4）具有较强的环境适应性和抗干扰能力5）具有丰富的软件2、工业控制计算机的分类及其应用特点•在设计机电一体化系统时，必须根据控制方案、体系结构、复杂程度、系统功能等，正确的选用工业控制计算机系统•根据计算机系统软硬件及其应用特点，将工业控制计算机分为：•可编程序控制器（PLC）•总线型工业控制计算机•单片机1）可编程序控制器特点：（1）控制程序可变，具有很好的柔性；（2）可靠性强、适用于工业环境；（3）编程简单，使用方便；（4）功能完善（5）体积小、重量轻、易于装入机器内部2）总线型工业控制计算机特点：（1）提高设计效率，缩短设计和制造周期（2）提高了系统的可靠性；（3）便于调试和维修；（4）能适应技术发展的需要，迅速改进系统的性能3）单片机特点：（1）受集成度限制，片内存储器容量较小；（2）可靠性高；（3）易扩展；（4）控制功能强；（5）有固定的开发软件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对硬件电路的要求是：1、能够可靠地传动控制信息，并能够输入有关运动机构的状态信息；2、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；3、应具有较强的阻断干扰信号进入微机控制系统的能力，以提高系统的可靠性。一、光电隔离电路设计1、光电隔离电路1输入信号（来自微机）输出（去执行系统）VC+5V+12VG光电隔离电路的作用：（1）可将输入与输出两部分电路的地线分开，各自使用一套电源供电；（2）可以进行电平转换；（3）提高驱动能力。光电耦合器的分类：1）普通型输入输出123一般用在100KHz以下的频率信号管脚3主要用于温度补偿及检测等。2）高速型•具有较高的响应速度输入输出12+-3）达林顿输出型可直接驱动频率较低的负载输入输出12+-4）可控硅输出型•常用于大功率的隔离驱动场合输入输出12+-32、光电耦合隔离电路应用•采用光电耦合器可以将微机与前向、后向通道以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。其它I/O设备多通道地址选择光电耦合光电耦合地址选择后向接口光电耦合D/A或执行机构CPU前向接口光电耦合A/D光电耦合的基本配置输出8031P1.3R1+5VR2光电耦合输入接口输出8031P1.3R1+5VR2光电耦合输出接口+12VT8255（8155）PA.3R1+5VR28255、8155与光电耦合器的输出接口+12VTR1R4二、信息转换电路设计1、弱电转强电电路•微机应用系统中的微机发出的控制系统一般要经过功率放大后，才能驱动各类执行元件。G功放电路JG功放电路JG功放电路JG功放电路DTCAC电机AC电机DT弱电转强电的几种电路原理图2、数字脉冲转换•只要CPU定时地向某个I/O端口地某一二进制位输出高低电平相间地逻辑信号，就可产生一个脉冲序列微机I/O光电隔离电路A相功放电路A相功放电路A相功放电路步进电机采用软件实现环形分配的步进电机控制通道组成3、数/模，模/数转换微机D/A功放及速度控制直流伺服电机位置反馈速度反馈直流伺服电机的控制回路4、电量转非电量D/A信号放大器电液伺服阀液压执行元件来自微机的数字量电液转换控制回路三、输入/输出控制电路示例8255光电隔离电路A相放大A相放大A相放大步进电机简易数控步进电机的控制通道组成环形分配器进给方向光电隔离电路定时器PA0PA1PA2PB4.8机电一体化系统中的检测传感器一、检测传感器的分类与基本要求1、分类1）按作用分激光测距机无线电接受机纯工程性传感器听觉传感器等压觉传感器与人体感官对应传感器外部信息传感器温度传感器等力传感器速度传感器内部信息传感器2）按输出信号的性质分）代码型（编码器、磁尺计数器）计数型（二值数字型电感、电阻型电压、电流型电阻型模拟型接近开关）非接触型（光电开关、触开关）接触型（微动开关、接开关型2、机电一体化系统对传感器的基本要求1）体积小、重量轻，对整机的适应性好2）精度和灵敏度高、响应快、稳定性好、信噪比高3）安全可靠、寿命长4）便于与计算机联接5）不易受被测对象性（如电阻、导磁率）的影响，也不影响外部环境；6）对环境条件适应能力强7）现场处理简单、操作性好8）价格便宜二、传感器的特性参数及选用原则1、静态特性1）量程2）线性范围•传感器工作在线性区域是保证测量精度的基本条件，选用时必须考虑使传感器的非线性误差在允许范围内。3）线性度通常选用线性度小的为宜。4）灵敏度在量程范围内，传感器的灵敏度越高越好，但要求注意外界噪声的干扰影响。5）精确度6）分辨率7）迟滞一般迟滞误差越小越好8）