机电一体化复习提纲(完全版)

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1、1 机电一体化复习提纲机电一体化复习提纲机电一体化复习提纲机电一体化复习提纲 1 1 1 1 机电一体化系统的构成要素及其功能，机电一体化系统中的关键技术。机电一体化系统的构成要素及其功能，机电一体化系统中的关键技术。 1.1 功能构成 1.1.1 目的功能 1.1.2 内部功能 1.2 基本结构要素 2 1.3 基本功能要素 一个较完善的机电一体化系统，应包括以下几个基本功能要素：机械本体、动力系统、 检测传感系统、执行部件、信息处理及控制系统，各要素和环节之间通过接口相联系。 在机械本体的支持下， 由传感器检测产品的运行状态 及环境变化， 将信息反馈给控制及信息处理装置， 控制及 信息处理

2、装置对各种信息进行处理， 并按要求控制动力源 驱动执行机构进行工作。 1.4 关键技术 精密机械技术、检测传感技术、信息处理技术、自动 控制技术、伺服传动技术、系统集成技术 2 2 2 2 机电一体化系统中机械传动、机械结构的设计特点。机电一体化系统中机械传动、机械结构的设计特点。 传统机械系统一般是由动力件、传动件、执行件三部分加上电器、液压和机械控制等部 分组成，而机电一体化中的机械系统由计算机协调与控制，用于完成包括机械力、运动和能 量流等动力学任务的机械或机电部件相互联系的系统组成。 其核心是由计算机控制的， 包括 机、电、液、光、磁等技术的伺服系统。 机电一体化中的机械系统需使伺服马

3、达和负载之间的转速与转矩得到匹配。 也就是在满 3 足伺服系统高精度、高响应速度、良好稳定性的前提下，还应该具有较大的刚度、较高的可 靠性和重量轻、体积小、寿命长等特点。 2.1 传动设计的特点 精密机械的传动设计可以认为是面向机电伺服系统的伺服机械传动系统设计。 按机电有机结合的原则，机电系统常采用调速范围大、可无级调速的控制电机，从而节 省了大量用于变速和换向的齿轮、轴承和轴类零件，减少了产生误差的环节，提高了传动效 率， 因此使得机械传动设计也得到简化， 其机械传动方式也由传统的串联或串并联方式演变 为并联的传动方式， 即每一个机械运动都由单独的控制电机、 传动机构和执行机构组成的子 系

4、统来完成，各运动间的传动关系则由计算机来统一协调和控制，如并联机器人、并联机床 等，极大地简化了机械结构，提高了产品的刚度重量比以及精度等级。因此，机电一体化机 械传动系统具有传动链短，转动惯量小，线性传递，无间隙传递等设计特点。 2.2 结构设计的特点 机电一体化的机械结构仍属于传统机械技术的范畴，在满足伺服系统对其稳、准、快要 求的前提下，从整体上说是逐步向精密化、高速化、小型化和轻量化方向发展。 因此在进行结构设计时应综合考虑各个零部件的制造精度、安装精度，结构刚度，稳定 性以及动作的灵敏性和易控性。对具体零部件的设计提出了更高、更严的要求。 3 3 3 3 传感器的主要静、动态特性参数

5、及其含义。传感器的选用原则。传感器的主要静、动态特性参数及其含义。传感器的选用原则。 3.1 静态特性 3.1.1 测量范围：在允许误差内传感器的适应测量范围 3.1.2 量程(满量程输出)：测量范围的上限与下限之代数差 3.1.3 线性范围：机械输入量与传感器输出量之间维持线性比例关系的测量范围。 选择原则：线性范围宽，表明其工作量程大。传感器在线性区域工作是保证测量精度的 基本条件。但，任何传感器都不容易保持绝对的线性，因此，选用时必须考虑使传感器的非 线性误差在允许范围内。 3.1.4 非线性度L：被测值处于稳定状态时，传感器输出与输入之间的关系曲线(称校 准或标定曲线)对拟合直线的接近

6、程度。 选择原则：选取的拟合直线不同，所得到的非线性度也不同，通常选用非线性度小的为 宜。 3.1.5 灵敏度 K0 ：传感器的输出变化量Y 与引起此变化的输入量的变化量X 之比， K0=Y/X（不恒定） 选择原则： 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。 4 3.1.6 精确度 ：简称精度，它表示传感器的输出量与被测量的实际值之间的符合程度， 包括传感器的测量值精度和重复精度。 选择原则：对于定性分析的测试，只要求其重复精度即可。对于定量分析的测试，要求 传感器具有足够的测量值精度和重复精确度。 3.1.7 分辨力：传感器能检测到的最小的输入增量 。 选择原

7、则：一般讲，分辨力越高越好。 3.1.8 迟滞 ：传感器在正(输入量增大)、反(输入量减小)行程中，输出/输入特性曲线 的不重合程度。 选择原则：一般讲，迟滞误差越小越好 3.1.9 稳定性 ： 传感器在相同条件下，在相当长时间内，其输出/输入特性不发生变化的 性能 。 选择原则：对于长时间工作或处于恶劣环境下工作的传感器，在选用时必须优先考虑其 稳定性因素。 3.2 动态特性 测量交变信号时，在其所测频率范围内，保持信号不失真的测量特性，主要包括传感器 的响应时延、幅频特性和相频特性等。 3.2.1 幅频特性：传感器的灵敏度与输入信号变化频率的关系。 3.2.2 相频特性：被测输入量作正弦变

8、化时，输入输出量之间相位差随频率的变化关系。 动态特性选择原则：传感器的响应延迟时间一般越短越好。在信号的所测频率范围内， 要求传感器的幅频特性是平直的 （即灵敏度不随频率变化而变化） ，要求相频特性是不变的或 是线性的。在测量振动的基本参数时，要求其幅频特性要好；在测量系统的振动特性参数时， 对其幅频和相频特性应有适当的要求。 幅频特性一般是用灵敏度变动不超过 3DB 的频率范围 来衡量的。 3.3 传感器的选用原则 3.3.1.灵敏度适当：一般情况下，传感器的灵敏度越高越好。但，灵敏度越高时，与测 量信号无关的外界噪声也容易混入，并会同时以相同倍数放大。 3.3.2.量程合适：一般选择使测

9、量物理量的最大值为满量程的 80为好。 3.3.3.响应特性满足动态测试的要求：希望迟延时间越短越好 3.3.4.线性度要好，工作在线性段：任何传感器都不容易保证其绝对的线性，在某些情 况下，在许可限度内，也可以在其近似线性区域内应用。 3.3.5.稳定性好：要求传感器能长期使用而不需经常更换或校准。 5 3.3.6.精确度合适 4 4 4 4 反应式步进电机的工作原理及基本运行反应式步进电机的工作原理及基本运行 参数。参数。 变磁阻式步进电机(VR)特点： 转子为齿轮状 的铁心， 周围的定子上缠有绕组，绕组产生的反 应电磁力吸引用软磁钢制的转子作步进运动， 故 又称作反应式步进电机(BF)。

10、 结构如图， 定子与转子由铁芯构成，没有永 久磁铁，定子上均匀分布六个大磁极(极靴)，极 靴及中间转子上都分布着众多小齿。 在定子的磁场中， 转子总是朝着磁阻最小的 位置转动， 适当选择定子和转子的齿数差可以减 小步距角，使转子旋转更加平稳。 5 5 5 5 A/DA/DA/DA/D、D/AD/AD/AD/A转换器的性能指标及其含义。转换器的性能指标及其含义。 5.1A/D 转换器的性能指标及其含义 (1)分辨率和量化误差：表示 DAC 对模拟量的分辨能力，它是最低有效位（LSB）所对 应模拟量的值。 量化误差与分辨率是统一的， 量化误差是由于有限数字对模拟信号进行量化 时引起的误差，提高分辨

11、率可减小量化误差。 (2)转换精度：模拟信号的实际量化值与理想量化值之差。 (3)转换时间与转换速率：A/D 转换器的时间定义为完成一次 A/D 转换所需的时间。转 换速率转换时间的倒数。 (4)失调温度系数：当环境温度变化 1引起量化过程产生的相对误差。 A/D 转换器的品种很多，A/D 转换器的性能指标是选用 ADC 芯片的基本依据，也是衡 量 ADC 芯片质量的关键问题，因此，在选用前，应了解它的各种性能指标。 5.2D/A 转换器的性能指标及其含义 D/A转换器的性能指标是选用 DAC 芯片型号的依据， 也是衡量其芯片质量的重要参数。 D/A 转换器的主要性能指标有以下几种。 (1)分

12、辨率： 基准电压与最大输入数字 2n 之比值， 即 D/A 转换器能分辨的最小模拟增量。 6 其中 n 为转换器的数据位数。 (2)转换精度：指满量程时，DAC 转换器实际输出电流或电压与理论值之间的接近值。 (3)线性度：DAC 的实际转换特性曲线和理想直线之间的最大误差。 (4)稳定时间：输入二进制数字信号从最小变化到最大时，其输出电压或电流达到终值 (0.5LSB)对应的电压或电流所需的时间。它是 D/A 转换器的动态指标。 6 6 6 6 中断请求及接口反向技术键输入方式的原理及对按键的判断过程。中断请求及接口反向技术键输入方式的原理及对按键的判断过程。 键盘是一组按健集合，键盘接口向

13、计算机提供被按键的代码。常用的键盘有两种：一种 是编码键盘，自动提供被按键的编码(比如 ASCII 码或二进制码)；另一种是非编码键盘， 仅 仅简单地提供按健的通或断(“0”或“1”电位)，而按健的扫描和识别，则由设计的键盘程 序来实现。前者使用方便，但结构复杂，成本高；后者电路简单，便于自行设计。 利用中断请求和接口反向技术，可以简化键识别的过程，从而简化键码输入程序。CPU 判别有无闭合键，是利用中断请求的方法，而识别按键的字符，需判明按键的位置，采用所 谓“接口反向”技术。这种方法硬件接口电路如图所示。 输入字符的操作过程如下。见图 (a)，复位后，把行线作为输出，而列线作为输入。将 “

14、0000”通过 PC4PC7 送给行线。当有键被按下时，该键所在的列接地，一方面由列输出 线给与非门，产生正跳沿的中断请求信号，通知 CPU 来读取数据；另一方面使该列输入线 为“0” ，其他无键按下的列输入线仍为“1” 。四列的状态送入 PC0PC3 ，随即送入数据 寄存器 D0D3 位。随后，读取闭合键所在行的位置。 见图 B，改变 I/O 控制字，令两个四位接口都反向，列线 PC0PC3 做输出口，而行线 7 PC4PC7 做输入口， CPU 把先前得到的列状态再输出到列线，此时闭合键所在的行与列接 通，该行就被迫为“0” ，其他无键按下的行输入仍为“1” ，这样就把四行状态读到数据寄存

15、 器 D4D7 位。反向之后，行、列状态均已存于数据寄存器中。图中“A”键被按下，数据 寄存器内为 BDH(1011 1101)。 当行、列状态均装入数据寄存器后，CPU 就确切地知道按键所在行、列的位置，用查 对照表的方法， 取出该按键的代码送入累加器。 如果在前半个字节或在后半个字节中不止出 现一个“0” ，表示有重键，认为是无效键。消除按键接触抖动的方法，仍可采用待抖动消失 后，再稳定地多次检查到同一闭合键，就可以认为该键是真正的有效键。 由于不用 CPU 行扫描方式遍查键盘，节省了 CPU 时间。这种键盘接口技术还可以扩展 至较大的键盘，如 8 行 8 列的 64 键矩阵键盘，可以用

16、8255 的两个端口，将 A 口 8 位接行 线输出方式，B 口 8 位接列线输入方式，然后再反向。但如果键数较多，又要求“移位” 键 和“控制”等更多的功能键，键盘的管理就变得较复杂。此时宜于采用全编码键盘，以减少 CPU 执行读取键盘程序的工作。 还可使用专门为键盘和显示器接口而研制出来的专用接口芯片，如 8279 即是键盘显 示器控制器，使用它便于接口的设计。 7 7 7 7 逐次逼近式逐次逼近式 A/DA/DA/DA/D 转换器原理。转换器原理。 逐次逼近式A/D 转换是逐次把设定在SAR中的数字量所对应的D/A转换网络输出的电 压与要被转换的模拟电压进行比较，比较时从 SAR 中的最高位开始，逐位确定各数码位是 “1”还是“0” ，其工作过程如下： 8 当微处理器发出转换命令并清除 SAR 寄存器后，控制电路先设定 SAR 中的最高位为 “1” ，其余位为“0” ，作为试探数据被送至 D/A 转换器，转换成电压 Vf，然后将 Vf 与输 入模拟电压 Vx 在比较器中进行比较。 如果 VxVf，说明此位置“1”是对的，比较器输出逻辑 1，并保留