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1、1 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 第七章 机电一体化系统设计第七章 机电一体化系统设计 7.17.1 机电一体化系统设计概述机电一体化系统设计概述 7.27.2 机电一体化系统抗干扰设计机电一体化系统抗干扰设计 7.37.3 机电一体化系统实例机电一体化系统实例 2 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 7.1 机电一体化系统设计概述机电一体化系统设计概述 一、 机电一体化系统总体设计的流程一、 机电一体化系统总体设计的流程 （1）明确设计思想）明确设计思想 （2）分析综合要求）分析综合要求 （3）划分功能模块）划分功能模块 （4）决定性能参数）决定性能参数 （5）调研类似产品）调研类
2、似产品 （6）拟定总体方案）拟定总体方案 （7）方案对比定型）方案对比定型 （8）编写总体设计论证书）编写总体设计论证书 3 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 7.1 机电一体化系统设计概述机电一体化系统设计概述 二、系统总体设计应注意的问题二、系统总体设计应注意的问题 （1）以机电互补原则进行功能划分，即明确哪些功能）以机电互补原则进行功能划分，即明确哪些功能 由机械结构实现，哪些功能由电子技术的硬软件实现，发由机械结构实现，哪些功能由电子技术的硬软件实现，发 挥机电所长，简化结构、充分体现机电一体化综合效果。挥机电所长，简化结构、充分体现机电一体化综合效果。 （2）用图表说明功能要求与
3、动作顺序要求。）用图表说明功能要求与动作顺序要求。 （3）分析产品专用性与批量。）分析产品专用性与批量。 （4）重点明确产品的简要特性。）重点明确产品的简要特性。 （5）分析产品的）分析产品的自自动化动化程度及其适程度及其适用性。用性。 （6）环境条环境条件要求。件要求。 4 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 7.1 机电一体化系统设计概述机电一体化系统设计概述 二、系统总体设计应注意的问题二、系统总体设计应注意的问题 （7）动）动力源力源特性分析。特性分析。 （8）机、电、）机、电、液传液传动的动的最佳匹配最佳匹配。 （9）可靠可靠性分析。性分析。 （10）结构）结构尺寸及空间布置尺寸及
4、空间布置分析。分析。 （11）特）特殊殊功能分析、功能分析、低速稳低速稳定性、定性、抖抖动要求、动要求、快速快速 响应响应性与定性与定位精度位精度要求要求等等。 （12）在保在保证证目目的功能要求与的功能要求与适当寿命适当寿命的的前提下不断前提下不断 降低成本降低成本，降低成本降低成本一方一方面是从面是从用用户需户需求求出出发发降低成本降低成本， 二是从制造厂二是从制造厂的的立场出立场出发发降低成本降低成本。 5 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 7.1 机电一体化系统设计概述机电一体化系统设计概述 三、控制系统的设计步骤三、控制系统的设计步骤 （1）控制系统控制系统方案的确定方案的确定；
5、 （2）硬件设计）硬件设计； （3）软件设计）软件设计； （4）控制系统控制系统的的联联调。调。 6 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 三、控制系统的设计步骤三、控制系统的设计步骤 （1）控制系统控制系统方案的确定方案的确定 根据系统的功能要求确定：开环或闭环，选择对应的检测元件和根据系统的功能要求确定：开环或闭环，选择对应的检测元件和 执行元件类型及工作参数。执行元件类型及工作参数。 根据执行机构的要求，选择执行元件（电动、气动及液动）。根据执行机构的要求，选择执行元件（电动、气动及液动）。 根据机电一体化系统或产品所提出的稳定性、快速性、准确性及根据机电一体化系统或产品所提出的稳定性、
6、快速性、准确性及 可靠性等要求，选择控制器的实现方式（模拟控制器、数字控制器），可靠性等要求，选择控制器的实现方式（模拟控制器、数字控制器）， 并且确定相应的控制算法。并且确定相应的控制算法。 根据微型计算机在控制系统中的作用来选择是采用单片机、单板根据微型计算机在控制系统中的作用来选择是采用单片机、单板 机或者微型计算机，机或者微型计算机，同时同时确定计算机的型确定计算机的型号号及相应的及相应的外围外围设设备备、人人机机界界 面面。 绘绘制机电一体化控制系统的制机电一体化控制系统的初步初步方方框图框图。 7 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 三、控制系统的设计步骤三、控制系统的设计步骤
7、（2）硬件设计）硬件设计 执行元件的执行元件的驱驱动电动电路路及及传传动动部分部分的的驱驱动电动电路路设计。设计。 控制器（控制系统控制器（控制系统核心核心单元）的单元）的具具体设计。体设计。 接口接口电电路路的设计。的设计。接口接口电电路包括路包括：A/D、D/A通道接口；通道接口；DI、DO通通 道接口；总线接口；传感道接口；总线接口；传感器器信号接口；输入与显示信号接口；输入与显示、报警人报警人机机接口接口等。等。 信号放大信号放大电电路路和和抗干扰抗干扰电电路路设计。设计。 印印制电制电路路板设计。板设计。 8 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 三、控制系统的设计步骤三、控制系统的
8、设计步骤 （3）软件设计）软件设计 控制控制软软件设计，件设计，指指根据控制系统的控制要求及所选的控制算法根据控制系统的控制要求及所选的控制算法进进 行控制行控制软软件设计（件设计（例如例如PID调节调节器器软软件设计等）。件设计等）。 接口软接口软件设计，件设计，指各输入指各输入和和输输出出接口接口电电路路工作的工作的软软件（件（比如键盘比如键盘 扫描扫描、LED显示软显示软件等）。件等）。 信号信号采采集与处理软集与处理软件设计，件设计，包括按程序依次包括按程序依次采采集各通道集各通道数据或数据或状状 态态，进进行数字行数字滤波滤波、线线性化性化处理处理等等前置处理前置处理。 9 机电一体
9、化系统设计机电一体化系统设计 7.1 机电一体化系统设计概述机电一体化系统设计概述 四、机电一体化系统的接口设计四、机电一体化系统的接口设计 （1）机械）机械接口：各元部接口：各元部件的件的安装和安装和定定位位方方式式。 （2）电）电气接口：传感器气接口：传感器、驱驱动动器器的电的电气连接气连接，功，功率接率接 口等口等（考虑信号可靠传输和抗干扰问题考虑信号可靠传输和抗干扰问题）。）。 （3）人人机机接口：键盘接口：键盘、显示显示器等人器等人机机界界面面，报警报警器器 等等。 10 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 7.2 机电一体化系统的抗干扰设计机电一体化系统的抗干扰设计 一、干扰产生
10、的因素一、干扰产生的因素 干扰干扰是是指指对系统的对系统的正常正常工作产工作产生不良影响生不良影响的的内部内部或或外部因素外部因素。 从广义上讲从广义上讲，机电一体化系统的，机电一体化系统的干扰因素包括干扰因素包括电电磁干扰磁干扰、温度干扰温度干扰、 湿度干扰湿度干扰、声波干扰声波干扰和和振振动动干扰干扰等等。等等。 11 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 7.2 机电一体化系统的抗干扰设计机电一体化系统的抗干扰设计 一、干扰产生的因素一、干扰产生的因素 形形成干扰成干扰的的三个三个要要素素： （1）干扰源；干扰源； （2）传传播途径播途径； （3）对）对干扰干扰敏敏感感的的接接收收电电路
11、路。 12 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 13 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 14 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 串模干扰示意图串模干扰示意图 A/D 转 换 器 Us Ug 信 号 源 A/D 转 换 器 Us Ug 理想被测信 号 Us O Ug O t 串模干扰信 号 Uc O t t 实测 信号 (a) (b)(c) 15 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 干扰的传播途径干扰的传播途径 16 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 二、提高系统抗干扰能力的一般原则二、提高系统抗干扰能力的一般原则 17 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 三、常用抗干扰措施三
12、、常用抗干扰措施 1.电电源干扰源干扰的拟的拟制制 （1）交流交流电电源源侧加交流侧加交流电电源源滤波滤波器器 （2）交流交流电电源源侧加压敏侧加压敏电电阻阻 （3）交流交流电电源源侧加隔离变压侧加隔离变压器器 （4）整流整流电电源源加高频滤波加高频滤波 （5）直流直流电电源源电电路加退耦路加退耦电电路路 18 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 交流电源的干扰抑制交流电源的干扰抑制 19 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 直流电源的干扰抑制直流电源的干扰抑制 20 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 三、常用抗干扰措施三、常用抗干扰措施 2.感感性性负载负载干扰干扰的拟的拟制制 （1
13、）并并联联吸收网络吸收网络 （2）注意线路注意线路的的隔离隔离 21 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 感性负感性负 载的干载的干 扰抑制扰抑制 22 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 三、常用抗干扰措施三、常用抗干扰措施 3.机械机械振振动动干扰干扰的拟的拟制制 （1）触触点点两端并两端并联联RC滤波滤波电电路路 （2）输输入入信号接信号接触触发发器器电电路路 （3）注意注意信号信号线线的的屏蔽屏蔽和和隔离隔离，避免避免与动与动力力线平线平行行走线走线 23 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 感性负载的干扰抑制感性负载的干扰抑制 24 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 三、常
14、用抗干扰措施三、常用抗干扰措施 4.隔离隔离、屏蔽屏蔽和接和接地地技术技术 （1）确）确保保正正确的确的接接地地方方法法； （2）采采用用正正确的电确的电磁磁场场屏蔽屏蔽方方法法； （3）输输入入和输出信号应和输出信号应采取必采取必要的电要的电气气隔离隔离方方式式，选择选择 合合适适的的传输传输线线类型，类型，注意走线注意走线的的隔离隔离和和屏蔽屏蔽。 25 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 三、常用抗干扰措施三、常用抗干扰措施 *接接地地技术技术 （1）接接地地方方式：低式：低频频一点一点接接地地，高频多高频多点点接接地地。 （2）模拟）模拟地地与数与数字地字地分分开开，在在电电源源处处
15、连接连接。 （3）交流地交流地与与直流地直流地分分开开。 （4）注意注意机机箱外壳箱外壳接接地地。 26 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 接地方式接地方式 27 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 三、常用抗干扰措施三、常用抗干扰措施 *屏蔽屏蔽 （1）电电场场屏蔽屏蔽：采采用用封闭封闭的的金属金属机机壳良好壳良好接接地地，抑抑制制分分 布布电电容容产产生生的电的电场干扰场干扰。 （2）磁磁场场屏蔽屏蔽：采采用用高导磁高导磁率率的的材料做材料做成成封闭封闭的机的机箱箱， 抑抑制制磁磁场场的的干扰干扰。 （3）电电磁屏蔽磁屏蔽：采采用用导磁导磁性性材料做材料做成成封闭封闭的机的机箱并良箱
16、并良 好好接接地地，抑抑制制高频高频电电磁磁场场的的感应和感应和辐射辐射干扰干扰。 28 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 屏蔽方式屏蔽方式 29 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 三、常用抗干扰措施三、常用抗干扰措施 *隔离隔离 30 机电一体化系统设计机电一体化系统设计 三、常用抗干扰措施三、常用抗干扰措施 *线线间间串串扰扰的的抑抑制制 （1）避免避免长的长的平平行行导线导线传输传输，必须依据必须依据干扰干扰的性的性质选择质选择 信号传输信号传输线线：电电场干扰场干扰抑抑制制用用屏蔽线屏蔽线，电，电磁磁感应感应抑抑制制用用双绞双绞 线线。 （2）屏蔽层必须屏蔽层必须接接地地：高频两端高频两端接接地地，低低频单端频单端接接地地。 （3）平
