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1、复 习（答案）1 机电一体化系统与机械电气设备的区别。机电一体化不是机械与电子简单的叠加，而是在信息论、控制论和系统论的基础上建立起来的应用技术，包含机电一体化产品(系统) 和机电一体化技术两层含义。2 利用机电一体化技术可以实现的功能。 （两提高三降低）提高机械系统的性能；提高机械系统的自动化程度；降低原材料消耗；降低能耗；降低对环境的污染。3 机电一体化系统的主要功能。变换、传递、储存。4 机电一体化系统的典型组成，核心技术（五个部分）典型组成：1、机械本体：机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现构造功能；2、能源：提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能；3、检测传感装置：检测产品内部
2、状态和外部环境，实现计测功能；4、电子控制单元：处理、运算、决策，实现控制功能；5、执行机构 ：包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成要求的动作，实现主功能。核心技术：1 检测传感技术；2 信息处理技术；3 自动控制技术； 4 伺服驱动技术；5 机械技术；6 系统总体技术5 从系统的观点看，机电一体化系统是多级别、多单元组成的系统工程，应满足整体效应规律系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统各个功能模块有机的结合起来，以实现整体最优。其重要内容为接口技术。接口包括电气接口、机械接口、人机接口。系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构系
3、统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现之二是通信功能的大大加强，一般除 RS232 外，还有 RS485 等等。6 执行元件定义：能够将非机械能转换为机械能动力元件。分类：电磁执行元件、液压执行元件、气动执行元件三大类1. 电磁执行元件通过电磁转换将电能转换成机械能的动力元件，应用最广泛，电磁执行元件包括直流(DC)伺服电机、交流（AC）伺服电机、步进电机以及电磁铁等，是最常用的执行元件。对伺服电机除了要求运转平稳以外，一般还要求动态性能好，适合于频繁使用，便于维修等2液压式执行元件将液压能转换为机械能的动力元件，液压式执行元件主要包括往复运动油缸、回
4、转油缸、液压马达等，其中油缸最为常见。在同等输出功率的情况下，液压元件具有重量轻、快速性好等特点3气压式执行元件将气压能转换为机械能的动力元件，气压式执行元件除了用压缩空气作工作介质外，与液压式执行元件没有区别。气压驱动虽可得到较大的驱动力、行程和速度，但由于空气粘性差，具有可压缩性，故不能在定位精度要求较高的场合使用。伺服系统对执行元件的要求:1.惯性小、动力大为使伺服系统具有良好的快速响应性能和足够的负载能力，希望执行元件具有较小的惯量并输出较大的功率。 2.体积小、质量轻为使执行元件易于安装及与机械系统联接，使伺服系统结构紧凑，常希望执行元件具有较小的体积和较轻的质量。这一要求在工业机器
5、人手臂、手腕伺服系统中显得尤为突出。3.便于计算机控制机电一体化产品多采用计算机控制，因而要求伺服系统及其执行元件也能够采用计算机来统一控制。由于这一要求，使得伺服电动机在机电一体化伺服系统中得到了广泛的应用。4.成本低、可靠性好、便于安装和维修。7 步进电机是机电一体化系统中的执行机构；驱动和控制定义：步进电机(又称脉冲马达 )是将脉冲信号转化为角位移的电磁机械。其转子的转角与输入的脉冲数成正比，其速度与单位时间内输入的脉冲数成正比，电机运动的方向则取决于脉冲的顺序。特点：为开环控制方式，数字控制，无检测器，成本低，但同时也成为不稳定因素，自启动频率受到限制。多用于办公设备中。步进电机驱动电
6、路包括：脉冲信号产生电路、脉冲信号分配电路以及功率驱动电路。主要的驱动方式有: （1）单电压驱动：是最简单的一种步进电机驱动方式，如图所示，其中电机简化为电感Lm 。功率放大管根据脉冲分配器的输出脉冲导通或关闭，从而使步进电机绕组中得到脉动的电流以驱动电机运行。（1） （2） （3） （4）（2）高低压驱动：高低压驱动的基本思路是：在脉冲来到时，在电机绕组的两端先施加较高电压，从而使绕组的电流迅速建立，使电流建立时间大为缩短，在相电流建立起来后改用低电压，以维持相电流的大小。（3）斩波恒流驱动：T1、T2 是高频开关管。当控制脉冲 Ui 为低电平时, T1 和 T2 均截止。当 Ui 为高电平
7、时, T1 和 T2 均导通, 电源向电机供电。由于绕组电感的作用,电流逐渐增大，R 上电压逐渐升高, 当超过给定电压 Uc, 比较器输出低电平 , 与门因此输出低电平, T1 截止, 电源被切断, 绕组电感放电，电流逐渐减小， R 上电压逐渐降低。当取样电阻上的电压小于给定电压时, 比较器又输出高电平 , 与门输出高电平 , T1 又导通, 电源又开始向绕组供电。这样反复循环, 直到 Ui 又为低电平。因此， T2 每导通一次, T1 导通多次,绕组的电流波形为锯齿形,在 T2 导通的时间里电源是脉冲式供电, 所以提高了电源效率, 而且还能有效抑制振荡。（4）调频调压驱动：随着步进电机运行频
8、率的提高，同时提高功率放大电路的电源电压；当步进电机的运行频率降低时，同时降低功率放大电路电源电压。以期补偿因运行频率上升导致的输出转矩下降，使得到的矩频特性是一条水平直线。（5）细分驱动：针对步进电机的分辨率及精度不高，精度与快速性相矛盾，动态中有丢步步 进 脉 冲 mLcRDRDU 步 进 脉 冲 mLcR1DHUL2D2M1MD1U调压信号C P U / M C U步进信号L2主电路及电机步 进 脉 冲mLR1T2T1D2CUiUV及振动、噪声大等缺点而产生的一种比较特殊而有效的驱动控制方式。其实质是步进电机在输入脉冲切换时，只改变相应绕组中电流的一部分，即对相电流实施微量控制。驱动与控
9、制：具有串行控制功能的单片机系统与步进电机驱动电源之间具有较少的连线；驱动电源中必须含有环形分配器速度控制：控制步进电机的运行速度，实际上就是控制系统发出时钟脉冲的频率或换相的周期加、减速控制：实际上就是改变输出时钟脉冲的时间间隔8 伺服电机的驱动和控制，PWM 的基本原理直流伺服电机的驱动与控制：1 电机扩大机控制方式：电机扩大机的换向器上置有互成 90电角度的直轴和交轴两组电刷（顺着控制绕组轴线的是直轴，与其成 90电角度的轴线是交轴） ，利用其交轴的电枢反应磁场，实现两级放大；2 H 型桥式控制方式：H 桥式电机驱动电路包括 4 个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三
10、极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。3 PWM 脉宽调制控制方式： 脉宽调制(Pulse Width Modulation， PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，应用非常广泛。交流伺服电机驱动技术 ：电流滞环跟踪 PWM 控制方式、正弦波脉宽调制（SPWM）方式以及电压空间矢量脉宽调制（SVPWM ）控制技术三种 。交流伺服电机驱动方式：分为无刷直流电动机(简称 BLDCM)和三相永磁交流同步电动机(简称 PMSM)两种，它们的区别在于前者的感应电动势为梯形波，电流为方波，而后者的感应电动势和电流都为
11、正弦波。PWM：脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM 信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满
12、幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM 进行编码。特点：1 开关频率高（通常达到 23KHz） ；2 调速范围宽； 3 电流脉动；4 输出电流接近纯直流。9 信号加工过程中应该完成的工作电平变换和采样/保持10 滤波器的分类，推导(1)按所处理的信号：模拟滤波器、数字滤波器；(2)按所通过信号的频段分：高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器、帯阻滤波器；(3)按所采用的元器件分：无源滤波器、有
13、源滤波器；(4)按滤波器的安放位置分：板上滤波器、面板滤波器。11 信号模拟传输过程中，可采取的抗干扰措施有？数字传输过程，可采取的抗干扰措施有？信号模拟传输过程中，可采取的抗干扰措施有：滤波、屏蔽、浮置数字传输过程，可采取的抗干扰措施有：脉冲干扰隔离门、削波器、光耦合器抗干扰12 要构成单片机最小应用系统，可选用下列部件8751+晶振电路+ 复位电路+电源与外设驱动电路13 开关信号及频率信号的接口设计主要解决电平匹配+信号整形+ 电气隔离14 根据总线规模和用途及应用场合，总线的分类(1) 片总线，又称元件级总线，是把各种不同的芯 片 连接在一起构成特定功能模块(如 CPU模块)的信息传输
14、通路。(2) 内总线，又称系 统 总 线 或板级总线，是微机系统中各插 件 (模块)之间的信息传输通路。例如 CPU 模块和存储器模块或 I/O 接口模块之间的传输通路。(3) 外总线，又称通信总线，是微机系统之间或微机系统与其他系统(仪器、仪表、控制装置等)之间信息传输的通路，如 EIA RS-232C、IEEE-488 等15 可编程序控制器主要由如下几部分组成：（1）电源；（2）中央处理单元(CPU) ；（3）存储器 ；（4）输入输出接口电路；（5）功能模块；（6）通信模块。16 系统设计过程中的接口设计主要解决的问题是：（1）解决主机 CPU 和外围设备之间时序配合和通联络的问题，以保
15、证 CPU 和外围设备之间虽异步却能协调工作；（2）解决 CPU 和外围设备之间数据格式转换和匹配问题；（3）解决 CPU 的负载能力和外围设备端口选址的问题。17 在单片机扩展系统应用中，若要扩展并行输入输出口，区分典型芯片的用途：（1）8255 可编程通用并行接口电路，可扩展 3 个 8 位的并行 I/O 口；（2）8243 可编程通用并行接口电路，可扩展 4 个 4 位的并行 I/O 口；（3）8155 可编程 RAM、I/O 接口电路，可扩展 2 个 8 位的并行 I/O 口、1 个 6 位的 I/O口、256 个字节的静态 RAM，1 个 14 位的定时/计数器；（4） 8755 可
16、编程 EPROM/IO 接口电路，可扩展 2 个 8 位的并行 I/O 口和 2K 字节的EPROM。18 从干扰窜入系统的渠道来看，机电一体化系统易受到的干扰源有：供电干扰、过程通道干扰、场干扰。19 印制板制作中应该注意的问题。地线设计、电源线布置、去耦电容配置、印刷电路板的尺寸与器件布置。20 机电一体化系统设计中，利用软件抗干扰，应该保证：微机硬件部分及相关功能模块应无损毁；干扰对 RAM 区重要数据的破坏应该能够重新建立；软件抗干扰措施属于微机系统自身的防御行为。21 对五相步进电机，其相数分别用 A、B、C、D 和 E 表示。要实现五相十拍正转的工作方式，其各相通电顺序如何？AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA- EAB-AB22 在单片机扩展应用系统中，为什么有时需要加总线驱动器？1、单片机本身的驱动能力有限
