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1、1.1.说明图示高低压功率放大电路的工作原理说明图示高低压功率放大电路的工作原理为脉冲变压器为脉冲变压器无脉冲输入时，无脉冲输入时，有脉冲输入时，有脉冲输入时，二极管的作用：三级管截止时，二极管的作用：三级管截止时，使存储在绕组中的能量释放，从而保使存储在绕组中的能量释放，从而保护三级管护三级管为限流电阻，以免线圈发热烧坏。为限流电阻，以免线圈发热烧坏。、的作用？、的作用？回顾上节课的内容（2)高低压功率放大电路采用高压驱动，电流增长快，采用高压驱动，电流增长快，脉冲电流的前沿变陡，电动脉冲电流的前沿变陡，电动机的转矩和运行频率都得到机的转矩和运行频率都得到提高提高仅在脉冲开始时接通高压，仅在
2、脉冲开始时接通高压，其余时间都由低压供电，电其余时间都由低压供电，电流上升率高，高速运行性能流上升率高，高速运行性能好，所以效率很高。但电机好，所以效率很高。但电机在低速运行时振动大。在低速运行时振动大。2.2.2.2.说明图示斩波恒流驱动（电流驱动）电路的原理说明图示斩波恒流驱动（电流驱动）电路的原理说明图示斩波恒流驱动（电流驱动）电路的原理说明图示斩波恒流驱动（电流驱动）电路的原理图6是斩波恒流功率接口原理图。图中R是一个用于电流采样的小阻值电阻，称为采样电阻。当电流不大时，VT1和VT2同时受控于走步脉冲，当电流超过恒流给定的数值，VT2被封锁，电源U被切除。由于电机绕组具有较大电感，此
3、时靠二极管VDL续流，维持绕组电流，电机靠消耗电感中的磁场能量产生出力。此时电流将按指数曲线衰减，同样电流采样值将减小。当电流小于恒流给定的数值，VT2导通，电源再次接通。如此反复，电机绕组电流就稳定在由给定电平所决定的数值上，形成小小的锯齿波，U2-UR0输出高输出高电平电平1 斩波恒流驱动（电流驱动）斩波恒流驱动（电流驱动）斩波恒流功率驱动接口也有两个输入控制信号，其中斩波恒流功率驱动接口也有两个输入控制信号，其中u1是数字脉冲，是数字脉冲，u2是是模拟信号。这种功率接口的特点是：高频响应大大提高，接近恒转矩输出特模拟信号。这种功率接口的特点是：高频响应大大提高，接近恒转矩输出特性，共振现
4、象消除，但线路较复杂。目前已有相应的集成功率模块可供采用。性，共振现象消除，但线路较复杂。目前已有相应的集成功率模块可供采用。在步进电机步距角不能满足使用条件时，在步进电机步距角不能满足使用条件时，可采用细分驱动器来驱动步进电机可采用细分驱动器来驱动步进电机 3.3.说明步进电机细分驱动的原理说明步进电机细分驱动的原理以AB为例，若将各相电流看作是向量，则从整步到半步的变换，就是在IA与IB之间插入过渡向量IAB，因为电流向量的合成方向决定了步进电机合成磁势的方向，而合成磁势的转动角度本身就是步进电机的步进角度。显然，IAB的插入改变了合成磁势的转动大小，使得步进电机的步进角度由b变为0.5b
5、，从而也就实现了2步细分。IAIB3.3.细分驱动细分驱动要再实现4步细分，只需在A与B之间插入3个向量I1、I2、I3，使得合成磁势的转动角度1=2=3=4，就实现了4步细分。但4步细分与2步细分是不同的，由于I1、I2、I33个向量的插入是对电流向量A、B的分解，故控制脉冲已变成了阶梯波。细分程度越高，阶梯波越复杂。ABI1I2I31234第四节第四节 步进电动机及其驱动步进电动机及其驱动3.3.细分驱动细分驱动细分驱动的特点：细分驱动的特点：在不改动电动机结构参数的情况下，能使步距角减小。但细分后的步距角精度不高，功率放大驱动电路也相应复杂；能使步进电动机运行平稳、提高匀速性，并能减弱或
6、消除振荡。细分的方法：细分的方法：（1）采用多路功率开关器件（2）将各开关的控制脉冲信号进行叠加（1）采用多路功率开关器件晶体管工作在开关状态，功耗低，但器件多、体积大（2）叠加细分驱动原理叠加细分驱动原理晶体管工作在放大状态，功耗大，但器件少用阶梯波供电阶梯波的供电方法：两种P121细分驱动器的细分数是否能代表精度细分驱动器的细分数是否能代表精度?步进电机的细分技术其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45，电机的精度能否达到或接近0
7、.45，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。两相混合式步进电机细分驱动器SH-20803N电源电压在DC24VDC70V最大输出电流值为3A/相（峰值），根据驱动器侧板开关（4，5，6）的不同组合可以方便的选择8种电流值，从到面板示意图面板示意图电流选择步距角细分选择8种细分模式用户既可通过侧板开关（1,2,3）方便设定（详见细分模式选择表）也可以使用端子上提供的MS1，MS2，MS3三个接口由系统选择（详见在线细分切换）。细分步数均相对整步而言，如驱动整步为度电机，设定整步运行时，一个脉冲使电机转动度，半步时，一个脉冲
8、使电机转动度，4细分时一个脉冲则使电机转动度方向信号输入：该端的高电平方向信号输入：该端的高电平和低电平被解释为电机运行的和低电平被解释为电机运行的两个方向，信号的改变将使电两个方向，信号的改变将使电机运行的方向发生变化。该端机运行的方向发生变化。该端的悬空被等效认为输入高电平的悬空被等效认为输入高电平脱机信号输入：输入低电平脱机信号输入：输入低电平时电机相电流被切断，转子时电机相电流被切断，转子处于自由状态。不用此功能处于自由状态。不用此功能时脱机信号端可悬空。时脱机信号端可悬空。脉冲信号输入：一个脉冲，此脉冲信号输入：一个脉冲，此时驱动器将按照相应的时序驱时驱动器将按照相应的时序驱动电机运
9、行一步。本驱动器的动电机运行一步。本驱动器的信号最高响应频率为信号最高响应频率为2MHz，过高的输入频率将可能得不到过高的输入频率将可能得不到正确响应。正确响应。4.步进电动机的微机控制步进电动机的微机控制（串行、并行控制示意）（串行、并行控制示意）串行控制：串行控制：采用串行控制时，单片机与步进电机的功率接口之间必须有两条控制线：一条用于发送走步脉冲传（CP），另一条用于发送控制旋转方向的电平信号。并行控制：并行控制：用微型计算机的数个端口直接控制步进电机各项驱动电路速度控制：速度控制：通过控制控制系统发出步进脉冲的频 率或换相周期。方法：软件延时 使用定时器控制加减速控制：加减速控制：运行
10、频率小于系统的极限启动频率，按要求的速度直接启动，停发脉冲，系统停止。运行频率大于系统的极限启动频率，有加速恒速减速停止过程。点-位控制的加减速过程点-位控制的加减速过程系统在执行升降速的控制过程中，对加减速的控制还需准备下列数据：加减速的斜率；升速过程的总步数；恒速运行总步数；减速运行的总步数。步进电机控制实例步进电机控制实例工业控制计算机特点工业控制计算机特点丰富的过程通道模板。工业控制计算机和工业生产过程是紧密结合的，需要和各种传感器、检测仪表、显示仪表、调节仪表、执行机构以及连锁保护装置进行接口。因此，除了计算机的基本配置以外，还必须有丰富的过程通道。高可靠性。工业生产过程一般要求生产
11、设备连续运行几个月甚至一年才大修一次，出现故障时能够在短时间内修复。这就要求工业计算机具有高可靠性。环境适应性。工业控制计算机应能适应工业现场的高温、潮湿、腐蚀、振动、粉尘等恶劣环境，应具有极高的电磁兼容性，以抵抗工业现场强大的电磁干扰，适应工业现场较差的供电质量。1.工控机+控制卡PCL-839卡是一款高速三轴智能步进电机控制卡。它用于将上位计算机所下达的控制命令转换成步进电机的控制脉冲，并独立进动控制的智能化板卡。它能将IBM兼容的PC机变为一台3轴运动控制站。该卡使用了3片PCD-4541智能控制芯片，可以执行各种运动控制指令。你既可以直接通过该卡的I/O寄存器对每个轴进行控制；也可以使
12、用研华公司提供的函数库，通过C语言、C+、VC、VB等程序来调用这些函数，从而实现对各轴步进电机的单独或联合控制。步进电机控制实例步进电机控制实例控制卡步进电机驱动器脉冲方向地线COMDIR/-dirPULSE/+dirETC.VCC+5VGND步进电机控制实例步进电机控制实例PCL-839+卡编程重要函数介绍函数1：set_speed此函数用于设置各通道低速脉冲频率、高速脉冲频率和加速率。函数原型：intset_speed(intch,intFL,intFH,intAD)。参数：ch为通道数；FL为低速频率；FH为高速频率；AD为加速度。返回值：1、正常；2、出错函数2：stop此函数用于通
13、道脉冲输出的停止函数原型：intstop(intch)。参数：ch为通道数。返回值：1、正常；2、出错。步进电机控制实例步进电机控制实例PLC控制的数控滑台结构步进电机控制实例步进电机控制实例2.PLC控制五、步进电机参数设计五、步进电机参数设计1 1、脉冲当量、脉冲当量：步进电机每接受一个脉冲时，工作台走过的位移：步进电机每接受一个脉冲时，工作台走过的位移单位为单位为 mm/pulse mm/pulse=0.0025 0.0025 精密机床精密机床0.01 0.01 数控机床数控机床 0.15 0.15 一般机床一般机床角脉冲当量角脉冲当量：就是步距角：就是步距角(/pulse)(/puls
14、e)当通过中间传动装置时，角脉冲当量当通过中间传动装置时，角脉冲当量为：为：M驱动器驱动器指令脉冲指令脉冲如下图，步进电机通过丝杠螺母副带动工作台运动时，其脉冲当量如下图，步进电机通过丝杠螺母副带动工作台运动时，其脉冲当量为：为：Z1Z2设计时，先根据运动精度选定设计时，先根据运动精度选定，再根据负载确定步进电机的参数，再根据负载确定步进电机的参数，并，并选定丝杠的导程选定丝杠的导程p,p,计算出传动比计算出传动比i i后，最后设计传动齿轮的各参数等。后，最后设计传动齿轮的各参数等。2 2、最大静转矩、最大静转矩T Tmaxmax与相数、拍数与相数、拍数一般根据一般根据 T TL L（3030
15、50%50%）T Tmaxmax选择选择T Tmaxmax其中其中T TL L为把负载折合到步进电机轴的负载力矩，若相数、拍数较多，可选为把负载折合到步进电机轴的负载力矩，若相数、拍数较多，可选，否则选，考虑控制回路的复杂和经济程度，一般取相数较少的。，否则选，考虑控制回路的复杂和经济程度，一般取相数较少的。3 3、最高运行频率与速度关系、最高运行频率与速度关系.根据工作台的最高速度根据工作台的最高速度v vmaxmax选择步进电机最高运行频率选择步进电机最高运行频率f fmaxmax单位为单位为 mm/pulse mm/pulse1、步进电机低速时可以正常运转、步进电机低速时可以正常运转,但
16、若高于一定速但若高于一定速度就无法启动度就无法启动,并伴有啸叫声并伴有啸叫声步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。步进电机的应用时应注意的问题步进电机的应用时应注意的问题2、步进电机的力矩会随转速的升高而下降、步进电机的力矩会随转速的升高而下降当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的
17、作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。步进电机的应用时应注意的问题步进电机的应用时应注意的问题3、一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。步进电机的应用时应注意的问题步进电机的应用时应注意的问题4、保持转矩、保持转矩保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为的步进电机。5、步进电机应用于低
18、速场合、步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超过1000转间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。6、电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。7、步进电机外表允许的最高温度、步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。步进电机的应用时应注意的问题
19、步进电机的应用时应注意的问题习题与思考题习题与思考题3-1 简述机电一体化系统的执行元件分类及特点。3-2 简述机电一体化系统对执行元件的基本要求是什么？3-3 简述控制用电动机的功率密度及比功率的定义。3-8 简述步进电动机具有哪些特点？3-9 简述步进电动机的种类及其特点。3-10 简述步进电动机的工作原理。3-11 简述步进电动机步距角的计算方法。3-15 简述步进电动机驱动电源的功率放大电路原理。执行元执行元执行元执行元件系统件系统件系统件系统控制控制控制控制信息信息信息信息电子信息处理电子信息处理电子信息处理电子信息处理系统（系统（系统（系统（CNCCNC）动力系统动力系统动力系统动
20、力系统传感检测系统传感检测系统传感检测系统传感检测系统机械系统机械系统机械系统机械系统参数变参数变参数变参数变化信息化信息化信息化信息驱驱驱驱动动动动力力力力能能能能 量量量量检测检测检测检测参数参数参数参数构成要素：构成要素：五大部分五大部分第四章第四章 微机控制系统的选择及接口设计微机控制系统的选择及接口设计12.1 概述概述12.2 线位移检测传感器线位移检测传感器12.3 角位移检测传感器角位移检测传感器12.4 速度、加速度传感器速度、加速度传感器12.5 测力传感器测力传感器12.6 传感器的正确选择和使用传感器的正确选择和使用第第12节节 常用检测传感器及其选择常用检测传感器及其
21、选择12.1 概述概述一、定义及分类：一、定义及分类：1、定义：传感器是将力、温度、位移、速、定义：传感器是将力、温度、位移、速度等量转换成电信号的元件。度等量转换成电信号的元件。“传感器技传感器技术是机电一体化的第一基础术是机电一体化的第一基础”2、分类、分类 按能量变换的功能分：按能量变换的功能分：按输出的信号分：按输出的信号分：物理传感器物理传感器物理传感器物理传感器化学传感器化学传感器化学传感器化学传感器 计数型（计数型）计数型（计数型）计数型（计数型）计数型（计数型）电压，电流型（热电偶）电压，电流型（热电偶）电压，电流型（热电偶）电压，电流型（热电偶）电感，电容型（可变电容）电感，
22、电容型（可变电容）电感，电容型（可变电容）电感，电容型（可变电容）有接点型有接点型有接点型有接点型(微动开关，接触开关，微动开关，接触开关，微动开关，接触开关，微动开关，接触开关，行程开关行程开关行程开关行程开关)传感器传感器传感器传感器 电阻型（电位器，电阻应变片）电阻型（电位器，电阻应变片）电阻型（电位器，电阻应变片）电阻型（电位器，电阻应变片）非电量型非电量型非电量型非电量型二值型二值型二值型二值型电量电量电量电量无接点型无接点型无接点型无接点型(光电开关，接近开关光电开关，接近开关光电开关，接近开关光电开关，接近开关)模拟型模拟型模拟型模拟型数字型数字型数字型数字型代码型（旋转编码器，
23、磁尺）代码型（旋转编码器，磁尺）代码型（旋转编码器，磁尺）代码型（旋转编码器，磁尺）二、传感器的基本特性二、传感器的基本特性1.传感器的静特性传感器的静特性 传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器静态特性的主要技术指标有：静态特性的主要技术指标有：线性度线性度、灵敏度灵敏度、迟滞迟滞和和重复性重复性等。等。(1).线性度线性度 传感器的线性度是指传感器实际输出传感器的线性度是指传感器实际输出输入特输入特性曲线与理论直线之间的最大偏差与输出满度值性曲线与理论直线之间的最大
24、偏差与输出满度值之比，即之比，即二、传感器的基本特性二、传感器的基本特性(2).(2).灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，输出量的变化量与输入量的变化量之比，即输出量的变化量与输入量的变化量之比，即输出量的变化量与输入量的变化量之比，即输出量的变化量与输入量的变化量之比，即(3).(3).迟滞迟滞迟滞迟滞传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行传感器在正
25、（输入量增大）反（输入量减小）行程中，输出程中，输出程中，输出程中，输出输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示迟滞误差一般以满量程输出的百分数表示二、二、传感器的基本特性传感器的基本特性(4).(4).重复性重复性重复性重复性传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全传感器在同一条件下，被测输入量按同一
26、方向作全量程连续多次重复测量时，所得输出量程连续多次重复测量时，所得输出量程连续多次重复测量时，所得输出量程连续多次重复测量时，所得输出输入曲线的输入曲线的输入曲线的输入曲线的不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的不一致程度，称重复性。重复性误差用满量程输出的百分数表示，即百分数表示，即百分数表示，即百分数表示，即近似计算近似计算近似计算近似计算二、二、传感器的基本特性传感器的基本特性5.5.分辨力分辨力分辨力分辨力传感器能检测到的最小输入增量称分辨力。传感器能检测到的最小输入增量称分辨力。传感
27、器能检测到的最小输入增量称分辨力。传感器能检测到的最小输入增量称分辨力。6.6.零漂零漂零漂零漂传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。2.传感器的动态特性传感器的动态特性 传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出
28、对输动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动态特性有：幅频以及试验分析的方法确定，其动态特性有：幅频特性、相频特性特性、相频特性幅频特性：传感器的灵敏度与输入信号变化频率幅频特性：传感器的灵敏度与输入信号变化频率的关系。的关系。相频特性：被测输入量作正弦变化时，与输出量相频特性：被测输入量作正弦变化时，与输出量之间相位差随频率变化的关系。之间相位差随频率变化的关系。二、二、传感器的基本特性传感器的基本特性12.2 线位移检测传感器线位移检测传感器光栅位移
29、传感器光栅位移传感器光栅位移传感器光栅位移传感器1 1、光栅的构造：、光栅的构造：、光栅的构造：、光栅的构造：2、工作原理、工作原理光栅位移传感器光栅位移传感器把两块栅距把两块栅距把两块栅距把两块栅距WW相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角有较小的夹角有较小的夹角有较小的夹角 时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹，它们沿
30、着与光栅条纹几乎垂直的方向这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列，如图所示。排列，如图所示。排列，如图所示。排列，如图所示。莫尔：法国丝绸工莫尔：法国丝绸工莫尔条纹具有如下特点：莫尔条纹具有如下特点：1.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例。光栅每移动过一个栅距移动过一个栅距W，莫尔条纹就移动过一个条纹，莫尔条纹就移动过一个条纹间距间距B2.莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距莫尔条纹具有位移放大作用。莫尔条纹的间距B与两光栅条纹夹角
31、之间关系为与两光栅条纹夹角之间关系为3.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。莫尔条纹具有平均光栅误差的作用。光栅位移传感器光栅位移传感器 通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。所示。光栅位移传感器光栅位移传感器其电压为：其电压为：其电压为：其电压为：将此电压信号放大、整形变换为方波，将此电压信号放大、整形变换为方波，经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和经微分转换为脉冲信号，再经辨向电路和可逆计数器计数，则可用数字形式显示出可逆计数器计数，则可用数字形式显示出位移量，位移量等于脉冲与栅
32、距乘积。测位移量，位移量等于脉冲与栅距乘积。测量分辨率等于栅距。量分辨率等于栅距。光栅位移传感器光栅位移传感器光栅位移传感器光栅位移传感器GS-600光栅线位移传感器光栅线位移传感器栅距：0.01mm(100线对/mm)、0.02mm(50线对/mm)、0.04mm(25线对/mm)精度：、(201000mm)量程：50mm-3000mm以内任意选择分辨率：、1um、5um、10u工作温度：0-45存储温度：-40-55按供电电压分有5V、24V、12V型按输出信号分有TTL方波、TTL方波、HTL方波(5V、12V、15V、24V)、RS422信号、正弦电压信号12.3 角位移检测传感器角位
33、移检测传感器光电编码器光电编码器1.增量式增量式编码器结构编码器结构光电编码器光电编码器2.增量式编码器工作原理增量式编码器工作原理 鉴向盘与主码盘平行，并刻有鉴向盘与主码盘平行，并刻有a、b两组透明检两组透明检测窄缝，它们彼此错开测窄缝，它们彼此错开1/4节距，以使节距，以使A、B两个两个光电变换器的输出信号在相位上相差光电变换器的输出信号在相位上相差90。工作时，。工作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，光源鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码盘上发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，的不透明区
34、正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最小；光线被全部遮住，光电变换器输出电压为最小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝当主码盘上的透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电压为对齐时，光线全部通过，光电变换器输出电压为最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变换器最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换器将输出一个近似的正弦波电压，且光电变换器A、B的输出电压相位差为的输出电压相位差为90。经逻辑电路处理就可。经逻辑电路处理就可以测出被测轴的相对转角和转动方向。以测出被测轴的相对转角和转动方向
35、。光电编码器光电编码器3.绝对式编码器原理绝对式编码器原理 绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的绝对式编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。编码图案信息直接转换成相应代码的检测元件。编码盘有光电式、接触式和电磁式三种。盘有光电式、接触式和电磁式三种。光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在透光电式码盘是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。如图明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。如图所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分别所示为四位二进制的码盘，码盘上各圈圆环分别代表一位二进制的数字码道，在同一个码道上印代表一位二进制的数字码
36、道，在同一个码道上印制黑白等间隔图案，形成一套编码制黑白等间隔图案，形成一套编码光电编码器光电编码器 黑色不透光区和白黑色不透光区和白色透光区分别代表二色透光区分别代表二进制的进制的“0”和和“1”。在一个四位光电码盘在一个四位光电码盘上，有四圈数字码道，上，有四圈数字码道，每一个码道表示二进每一个码道表示二进制的一位，里侧是高制的一位，里侧是高位，外侧是低位，在位，外侧是低位，在360范围内可编数码范围内可编数码数为数为24=16个。个。光电编码器光电编码器 工作时，码盘的一工作时，码盘的一侧放置电源，另一边侧放置电源，另一边放置光电接受装置，放置光电接受装置，每个码道都对应有一每个码道都对
37、应有一个光电管及放大、整个光电管及放大、整形电路。码盘转到不形电路。码盘转到不同位置，光电元件接同位置，光电元件接受光信号，并转成相受光信号，并转成相应的电信号，经放大应的电信号，经放大整形后，成为相应数整形后，成为相应数码电信号。码电信号。光电编码器光电编码器光电编码器光电编码器脉冲数(Resolution)100P/R-1024P/R信号方式(Outputsignal)A,B,Z(-A,-B,-Z)最高转速(speed)3000r/min工作温度(Operation)-10-+70C防护等级(Protection)IP50第1个数字表示电器离尘、防止外物侵入的等级，第2个数字表示电器防湿气
38、、防水侵入的密闭程度，数字越大表示其防护等级越高IP50表示可以防尘12.4 速度、加速度传感器速度、加速度传感器一、光电式速度传感器一、光电式速度传感器二、加速度传感器二、加速度传感器光电脉冲测速原理如下图所示。物体以速度光电脉冲测速原理如下图所示。物体以速度V通通过光电池的遮挡板时，光电池输出阶跃电压信号，过光电池的遮挡板时，光电池输出阶跃电压信号，经微分电路形成两个脉冲输出，测出两脉冲之间经微分电路形成两个脉冲输出，测出两脉冲之间的时间间隔的时间间隔t，则可测得速度为，则可测得速度为一、光电式速度传感器一、光电式速度传感器 光电式转速传感器是由装在被测轴（或与被测轴相连接光电式转速传感器
39、是由装在被测轴（或与被测轴相连接的输入轴）上的带缝圆盘、光源、光电器件和指示缝隙圆的输入轴）上的带缝圆盘、光源、光电器件和指示缝隙圆盘组成，如下图所示。光源发出的光通过缝隙圆盘和指示盘组成，如下图所示。光源发出的光通过缝隙圆盘和指示缝隙盘照射到光电器件上，当缝隙圆盘随被测轴转动时，缝隙盘照射到光电器件上，当缝隙圆盘随被测轴转动时，圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，圆盘每转一周，光电器件输出与圆盘缝隙数相等的电脉冲，根据测量时间根据测量时间t内的脉冲数内的脉冲数N，则可测得转速为，则可测得转速为一、光电式速度传感器一、光电式速度传感器作为加速度检测元件的加速度传感器有多种形式，
40、作为加速度检测元件的加速度传感器有多种形式，它们的工作原理大多是利用惯性质量受加速度所产它们的工作原理大多是利用惯性质量受加速度所产生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转化成生的惯性力而造成的各种物理效应，进一步转化成电量，来间接度量被测加速度。最常用的有应变片电量，来间接度量被测加速度。最常用的有应变片式和压电式等。式和压电式等。二、加速度传感器二、加速度传感器惯性测量元件！惯性测量元件！电阻应变式加速度计结构原理如下图所示。它由重电阻应变式加速度计结构原理如下图所示。它由重块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成。当有加速度块、悬臂梁、应变片和阻尼液体等构成。当有加速度时，重块受力，悬臂梁弯曲
41、，按梁上固定的应变片之时，重块受力，悬臂梁弯曲，按梁上固定的应变片之变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下即可计变形便可测出力的大小，在已知质量的情况下即可计算出被测加速度。壳体内灌满的粘性液体作为阻尼之算出被测加速度。壳体内灌满的粘性液体作为阻尼之用。这一系统的固有频率可以做得很低。用。这一系统的固有频率可以做得很低。二、加速度传感器二、加速度传感器压电加速度传感压电加速度传感器结构原理如右图器结构原理如右图所示。使用时，传所示。使用时，传感器固定在被测物感器固定在被测物体上，感受该物体体上，感受该物体的振动，惯性质量的振动，惯性质量块产生惯性力，使块产生惯性力，使压电元件压电元件产生变形
42、。产生变形。压电元件产生压电元件产生二、加速度传感器二、加速度传感器n n的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。n n压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对被测机构的影响就小。压电加速度传感器的频率范围广、被测机构的影响就小。压电加速度传感器的频率范围广、被测机构的影响就小。压电加速度传感器的频率范围广、被测机构的影响就小。压电加速度传感器的频率
43、范围广、动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。（一）柱式弹性元件（一）柱式弹性元件 柱式弹性元件有圆柱形、圆筒形等几种。如下图柱式弹性元件有圆柱形、圆筒形等几种。如下图所示。这种弹性元件结构简单、承载能力大，主要所示。这种弹性元件结构简单、承载能力大，主要用于中等载荷和大载荷（可达数兆牛顿）的拉用于中等载荷和大载荷（可达数兆牛顿）的拉(压压)力传感器。力传感器。12.5 测力传感器测力传感器2.悬臂梁式弹性元悬臂梁式弹性元其特点是结构简单、其特点是结构简单、加工方便、应变片粘加工方便、应变
44、片粘贴容易、灵敏度较高。贴容易、灵敏度较高。主要用于小载荷、高主要用于小载荷、高精度的拉、压力传感精度的拉、压力传感器中。可测量牛顿到器中。可测量牛顿到几千牛顿的拉、压力。几千牛顿的拉、压力。在同在同12.5 测力传感器测力传感器n n一截面正反两面粘贴应变片，并应在该截面中性轴一截面正反两面粘贴应变片，并应在该截面中性轴一截面正反两面粘贴应变片，并应在该截面中性轴一截面正反两面粘贴应变片，并应在该截面中性轴的对称表面上。若梁的自由端有一被测力的对称表面上。若梁的自由端有一被测力的对称表面上。若梁的自由端有一被测力的对称表面上。若梁的自由端有一被测力P P，则应变，则应变，则应变，则应变与与与
45、与P P力的关系为：力的关系为：力的关系为：力的关系为：件件件件12.6 传感器的正确选择和使用传感器的正确选择和使用一、传感器的选择一、传感器的选择二、传感器的正确使用二、传感器的正确使用1.测试要求和条件。测试要求和条件。测量目的、被测物理量选择、测量范围、输入信号最大值和频带宽度、测量精度要求、测量所需时间要求等。2.传感器特性。传感器特性。精度、稳定性、响应速度、输出量性质、对被测物体产生的负载效应、校正周期、输入端保护等。3.使用条件。使用条件。安装条件、工作场地的环境条件（温度、湿度、振动等）、测量时间、所需功率容量、与其它设备的连接、备件与维修服务等。一、传感器的选择一、传感器的
46、选择1.线性化处理与补偿线性化处理与补偿 在机电一体化测控系统中，特别是需对被测参在机电一体化测控系统中，特别是需对被测参量进行显示时，总是希望传感器及检测电路的输量进行显示时，总是希望传感器及检测电路的输出和输入特性呈线性关系，使测量对象在整个刻出和输入特性呈线性关系，使测量对象在整个刻度范围内灵敏度一致，以便于读数及对系统进行度范围内灵敏度一致，以便于读数及对系统进行分析处理。分析处理。2.传感器的标定传感器的标定 传感器的标定，就是利用精度高一级的标准量传感器的标定，就是利用精度高一级的标准量具对传感器进行定度的过程，从而确定其输出量具对传感器进行定度的过程，从而确定其输出量和输入量之间
47、的对应关系，同时也确定不同使用和输入量之间的对应关系，同时也确定不同使用条件下的误差关系。传感器使用前要进行标定，条件下的误差关系。传感器使用前要进行标定，使用一段时间后还要定期进行校正，检查精度性使用一段时间后还要定期进行校正，检查精度性能是否满足原设计指标。能是否满足原设计指标。二、传感器的正确使用二、传感器的正确使用3.抗干扰措施抗干扰措施 传感器大多要在现场工作，而现场的条件往往传感器大多要在现场工作，而现场的条件往往是不可预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因是不可预料的，有时是极其恶劣的。各种外界因素要影响传感器的精度和性能，所以在检测系统素要影响传感器的精度和性能，所以在检测系统中
48、，抗干扰是非常重要的，尤其是在微弱输入信中，抗干扰是非常重要的，尤其是在微弱输入信号的系统中。常采用的抗干扰措施有号的系统中。常采用的抗干扰措施有屏蔽屏蔽、接地接地、隔离隔离和和滤波滤波等。等。二、传感器的正确使用二、传感器的正确使用（1）屏蔽）屏蔽 屏蔽就是用低电阻材料或磁性材料把元件、传屏蔽就是用低电阻材料或磁性材料把元件、传输导线、电路及组合件包围起来，以隔离内外电输导线、电路及组合件包围起来，以隔离内外电磁或电场的相互干扰。屏蔽可分为三种，即电场磁或电场的相互干扰。屏蔽可分为三种，即电场屏蔽、磁场屏蔽及电磁屏蔽。屏蔽、磁场屏蔽及电磁屏蔽。（2）接地）接地 电路或传感器中的地指的是一个等
49、电位点，它电路或传感器中的地指的是一个等电位点，它是电路或传感器的基准电位点，与基准电位点相是电路或传感器的基准电位点，与基准电位点相连接，就是接地。连接，就是接地。二、传感器的正确使用二、传感器的正确使用（3）隔离）隔离 当电路信号在两端接地时，容易形成地环路电当电路信号在两端接地时，容易形成地环路电流，引起噪声干扰。这时，常采用隔离的方法，流，引起噪声干扰。这时，常采用隔离的方法，把电路的两端从电路上隔开。隔离的方法主要采把电路的两端从电路上隔开。隔离的方法主要采用变压器隔离和光电耦合器隔离。用变压器隔离和光电耦合器隔离。（4）滤波）滤波 虽然采取了上述的一些抗干扰措施，但仍会有虽然采取了
50、上述的一些抗干扰措施，但仍会有一些噪声信号混杂在检测信号中，因此检测电路一些噪声信号混杂在检测信号中，因此检测电路中还常设置滤波电路，对由外界干扰引入的噪声中还常设置滤波电路，对由外界干扰引入的噪声信号加以滤除。信号加以滤除。二、传感器的正确使用二、传感器的正确使用第四章第四章 微机控制系统的选择及接口设计微机控制系统的选择及接口设计第一节 专用与通用的抉择、硬件与软件的权衡第二节 微机控制系统的设计思路第三节 微机控制系统的构成与种类 第七节 Z80CPU的硬件结构特点、存储器及输入输出扩展接口 第八节 单片机的硬件结构特点及其最小应用系统 第九节 数字显示器及键盘的接口电路 不同产品所需要