机电一体化第五章1.2节

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1、整理ppt1 第五章第五章 工业控制机与接口技术工业控制机与接口技术 工业控制计算机系统是机电一体化系统的中枢，其工业控制计算机系统是机电一体化系统的中枢，其主要作用是主要作用是按编制好的程序完成系统信息采集、按编制好的程序完成系统信息采集、加工加工处理、分析和判断，并作出相应的调节和控制决策处理、分析和判断，并作出相应的调节和控制决策，发出数字形式或模拟形式的控制信号发出数字形式或模拟形式的控制信号，控制执行机构，控制执行机构(各种电机、伺服阀、继电器开关等各种电机、伺服阀、继电器开关等)的动作，实现机的动作，实现机电一体化系统的目的功能。电一体化系统的目的功能。整理ppt2本章主要内容本章

2、主要内容n第一节第一节 工业控制计算机工业控制计算机n第二节第二节 计算机控制接口技术计算机控制接口技术n第三节第三节 可编程控制器可编程控制器n第四节第四节 数字控制器技术数字控制器技术整理ppt3第一节第一节 工业控制计算机工业控制计算机一、工业控制计算机系统组成一、工业控制计算机系统组成 工业控制计算机系统的硬件由计算机基工业控制计算机系统的硬件由计算机基本系统、人本系统、人机对话系统、系统支持模块、机对话系统、系统支持模块、过程输入过程输入/输出输出(I/O)(I/O)子系统等组成。子系统等组成。整理ppt4图图5-1 5-1 工业计算机系统硬件组成示意图工业计算机系统硬件组成示意图过

3、程输入通道过程输入通道过程输出通道过程输出通道状态状态控制信号控制信号整理ppt5 在过程在过程I/OI/O子系统中，过程输入子系统中，过程输入设备把系统测控对象的工作状况和被设备把系统测控对象的工作状况和被控对象的物理、工位接点状态转换为控对象的物理、工位接点状态转换为计算机能接受的数字信号；过程输出计算机能接受的数字信号；过程输出设备把计算机输出的设备把计算机输出的数字信息转换为数字信息转换为能驱动各种执行机构的功率信号能驱动各种执行机构的功率信号。整理ppt6 人一机对话系统用于操作者与计算机系统之间的人一机对话系统用于操作者与计算机系统之间的信息交换，主要包括信息交换，主要包括键盘、图

4、形或数码显示器、声键盘、图形或数码显示器、声光指示器、语音提示器等光指示器、语音提示器等。系统支持模块包括软盘、硬盘、光盘驱动器，串系统支持模块包括软盘、硬盘、光盘驱动器，串行通讯接口，打印机并行接口（调制解调器）等。行通讯接口，打印机并行接口（调制解调器）等。工业控制计算机系统的软件包括工业控制计算机系统的软件包括适应工业控制的适应工业控制的实时实时系统软件、通用软件和工业控制软件等系统软件、通用软件和工业控制软件等。整理ppt7二、工业控制计算机系统的基本要求二、工业控制计算机系统的基本要求 由于工业控制计算机由于工业控制计算机面向机电一体化系统的工面向机电一体化系统的工业控制现场业控制现

5、场，因此它的结构组成、工作性能与用科学，因此它的结构组成、工作性能与用科学计算、数据处理及办公自动化的普通计算机有所不同。计算、数据处理及办公自动化的普通计算机有所不同。工业控制计算机具有以下特点：工业控制计算机具有以下特点：1 1具有完善的过程输入具有完善的过程输入/输出功能输出功能 2 2具有实时控制功能具有实时控制功能 3 3具有可靠性具有可靠性 4 4具有较强的环境适应性和抗干扰能力具有较强的环境适应性和抗干扰能力 5 5具有丰富的软件具有丰富的软件整理ppt8三、工业控制计算机的分类及其应用特点三、工业控制计算机的分类及其应用特点 根据计算机系统软硬件及其应用特点，常用工业根据计算机

6、系统软硬件及其应用特点，常用工业控制计算机有控制计算机有可编程序控制器可编程序控制器PLC、总线型工业控制、总线型工业控制计算机以及单片机三类。计算机以及单片机三类。其他的包括其他的包括：数字信号处理：数字信号处理器、器、ARM等。等。在设计机电一体化系统时，必须根据控制方案、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，正确地选用工业体系结构、复杂程度、系统功能等，正确地选用工业控制计算机系统。控制计算机系统。整理ppt91 1可编程序控制器可编程序控制器可编程序控制器简称可编程序控制器简称PLC,PLC,是是继电器逻辑控制技术与计算继电器逻辑控制技术与计算机技术

7、相结合机技术相结合而发展起来的一种工业控制计算机系统。而发展起来的一种工业控制计算机系统。它的它的低端为继电器逻辑的代用品低端为继电器逻辑的代用品，而其，而其高端实际上是一高端实际上是一种高性能的计算机实时控制系统种高性能的计算机实时控制系统。它以它以顺序控制为主顺序控制为主，能完成各种逻辑运算、定时、计数、记忆和算术运算等能完成各种逻辑运算、定时、计数、记忆和算术运算等功能，既能控制开关量，又能控制模拟量。功能，既能控制开关量，又能控制模拟量。整理ppt10PLC功能强大功能强大提供编程软件和组态软件，方便提供编程软件和组态软件，方便PLCPLC编程和上位机开发编程和上位机开发整理ppt11

8、 采用了存储器技术采用了存储器技术，将控制过程用简单的，将控制过程用简单的“用户用户编程语言编程语言”编成程序，存入存储器中。运行时，计算编成程序，存入存储器中。运行时，计算机从存储器中一条一条地取出程序指令，依次控制各机从存储器中一条一条地取出程序指令，依次控制各输入输出点。输入输出点。PLCPLC把计算机的功能完善、通用、灵活、智能等特把计算机的功能完善、通用、灵活、智能等特点与继电器控制的简单、直观、价格便宜等点与继电器控制的简单、直观、价格便宜等优点结合优点结合起来，可以取代传统的继电接触器顺序控制起来，可以取代传统的继电接触器顺序控制，而且具，而且具备继电接触控制所不具备的优点。备继

9、电接触控制所不具备的优点。PLC的最大特点：的最大特点：整理ppt12主要特点如下：主要特点如下：(1)(1)控制程序可变，具有很好的柔性。控制程序可变，具有很好的柔性。(2)(2)可靠性强，选用于工业环境。可靠性强，选用于工业环境。(3)(3)编程简单，使用方便。编程简单，使用方便。(4)(4)功能完善。功能完善。(5)(5)体积小、重量轻、易于装入机器内体积小、重量轻、易于装入机器内部部。整理ppt132 2总线型工业控制计算机总线型工业控制计算机 总线结构型的工业控制计算机，根据功总线结构型的工业控制计算机，根据功能要求把能要求把控制系统划分成具有一种或几种独控制系统划分成具有一种或几种

10、独立功能的硬件模块立功能的硬件模块，从内总线入手把各功能，从内总线入手把各功能模块设计制造成模块设计制造成“标准标准”的印刷电路板插件的印刷电路板插件(即模块即模块)，像搭积木一样将硬件插件插入一，像搭积木一样将硬件插件插入一块公共的称为块公共的称为“底板底板”的电路板插槽上组成的电路板插槽上组成一个模块系统。一个模块系统。整理ppt14 每块插件之间的信息都通过底板每块插件之间的信息都通过底板进行交换，从而达到控制系统的整体进行交换，从而达到控制系统的整体功能，这就是功能，这就是所谓的模块化设计所谓的模块化设计。由于总线结构的控制计算机系统由于总线结构的控制计算机系统将一个较复杂的系统分解成

11、具有独立将一个较复杂的系统分解成具有独立功能的模块，再把所需的功能模板插功能的模块，再把所需的功能模板插到底板上构成一个计算机控制系统。到底板上构成一个计算机控制系统。整理ppt15 (1)(1)提高设计效率，缩短设计提高设计效率，缩短设计 和制造周期和制造周期 ;(2)(2)提高了系统的可靠性提高了系统的可靠性 ;(3)(3)便于调试和维修便于调试和维修;(4)(4)能适应技术发展的需要，迅能适应技术发展的需要，迅速改进系统的性能速改进系统的性能 .总线型工业控制计算机具有如下的优总线型工业控制计算机具有如下的优点：点：整理ppt163单单 片片 机机单片机是把计算机系统硬件的单片机是把计算

12、机系统硬件的主要部分如主要部分如CPUCPU、存储器（、存储器（ROM/RAMROM/RAM）、）、I/OI/O口、定时口、定时/计计数器及中断控制器数器及中断控制器等都集成在一个芯片上的等都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。单芯片微型计算机。单片机可视为一个不带单片机可视为一个不带外部设备的计算机外部设备的计算机，相当于一个没有显示器、，相当于一个没有显示器、键盘，不带监控程序的单板机。键盘，不带监控程序的单板机。整理ppt17用单片控制系统具有以下特点：用单片控制系统具有以下特点：(1)(1)受集成度限制，片内存储器容量小受集成度限制，片内存储器容量小;(2)(2)可靠性高可靠性高 ;(

13、3)(3)易扩展易扩展 ;(4)(4)控制功能强控制功能强 ;(5)(5)一般的单片机内无监控程序或系统通一般的单片机内无监控程序或系统通用管理软件，软件开发工作量用管理软件，软件开发工作量大大.整理ppt18单片机和PLC的区别与选择n区别：区别：1 1，PLCPLC是建立在单片机之上的产品；单片机是是建立在单片机之上的产品；单片机是一种集成电路。一种集成电路。2 2，单片机可以构成各种各样的应用系单片机可以构成各种各样的应用系统，从微型、小型到中型、大型都可；统，从微型、小型到中型、大型都可；PLCPLC是单片机应用是单片机应用系统的一个特例。系统的一个特例。3 3，不同厂家的不同厂家的P

14、LCPLC有相同的工作原有相同的工作原理，类似的功能和指标，有一定的互换性；而单片机则理，类似的功能和指标，有一定的互换性；而单片机则不然。不然。nPLCPLC与单片机系统的选用；与单片机系统的选用；1 1，对单项工程或重复数极对单项工程或重复数极少的项目，采用少的项目，采用PLCPLC方案是方便、快捷的途径，成功率高，方案是方便、快捷的途径，成功率高，可靠性好，但成本较高。可靠性好，但成本较高。2 2，对于量大的配套项目，采，对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低、效益高的优点，但这要有相用单片机系统具有成本低、效益高的优点，但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。

15、当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。整理ppt19专用于机电控制的DSP处理器整理ppt20嵌入式系统n嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。n包括嵌入式硬件和嵌入式软件，ARM+WINCE(WIN Mobile)整理ppt21整理ppt22分布网络式测控整理ppt23第二节第二节 计算机控制接口技术计算机控制接口技术 在在机电一体化系统中，由于机电一体

16、化系统中，由于机械系统与计算机控机械系统与计算机控制系统在性质上有很大差别制系统在性质上有很大差别，要在二者之间建立信息，要在二者之间建立信息采集和控制就必须通过计算机控接口对信息进行变换、采集和控制就必须通过计算机控接口对信息进行变换、调整、匹配、缓冲，因此调整、匹配、缓冲，因此计算机控制接口计算机控制接口有着重要的有着重要的作用。作用。另外，尽管微机系统的引入使机械系统具有了另外，尽管微机系统的引入使机械系统具有了“智能智能”，达到了更高的自动化程度，但是机电一体，达到了更高的自动化程度，但是机电一体化系统的运行仍离不开人的干预，必须在操作者的监化系统的运行仍离不开人的干预，必须在操作者的

17、监控下进行，因此，控下进行，因此，人机接口人机接口也是必不可少的。也是必不可少的。计算机控制接口包括信息采集接口和控制输出接计算机控制接口包括信息采集接口和控制输出接口；人机接口包括输入接口和输出接口。口；人机接口包括输入接口和输出接口。整理ppt24一、一、模拟模拟信息采集接口信息采集接口 在模拟量信息采集通道中，先利用传感器将在模拟量信息采集通道中，先利用传感器将从信号源检测的非电量转换为电量，并从信号源检测的非电量转换为电量，并进行信号进行信号处理（主要是放大），处理（主要是放大），再经再经采样采样保持器保持器，将模，将模拟信号变换成时间上离散的采样保持信号后，拟信号变换成时间上离散的采

18、样保持信号后，送送A/DA/D转换器将模拟保持信号转换成数字信号，送转换器将模拟保持信号转换成数字信号，送入计算机。入计算机。图5-2 数据采集通道的一般组成 整理ppt25 在实际中，生产过程涉及的信号源往往不止一个，在实际中，生产过程涉及的信号源往往不止一个，对多个信号源的数据采集通道有下面几种结构形式：对多个信号源的数据采集通道有下面几种结构形式：（1 1）多路）多路A/DA/D通道通道 从每个信号源检测的信号都有从每个信号源检测的信号都有各自独立的各自独立的采集通道采集通道，即每个通道都有独自的采样，即每个通道都有独自的采样保持保持器和器和A/DA/D转换器。转换器。常用于需要同步高速

19、采集、同步转换的计算机系统常用于需要同步高速采集、同步转换的计算机系统整理ppt26（2 2）多路同时采样、分时转换采集通道）多路同时采样、分时转换采集通道 从多路信号源来的数据经各自的采样从多路信号源来的数据经各自的采样-保保持器后，经模拟多路开关，共用一个持器后，经模拟多路开关，共用一个A/DA/D转换器，转换器，此结构使用模拟多路开关进行多路选择，使多此结构使用模拟多路开关进行多路选择，使多路信号按一定的顺序切换到共用路信号按一定的顺序切换到共用A/DA/D转换器上进转换器上进行模数转换。行模数转换。整理ppt27（3 3）多路信号源共享采样）多路信号源共享采样-保持器和保持器和A/DA

20、/D转换器转换器 从多路信号源来的数据先经多路开关按某从多路信号源来的数据先经多路开关按某种顺序切换到具有采样种顺序切换到具有采样保持器和保持器和A/DA/D转换器转换器的通道上。如图的通道上。如图5-3c5-3c，此结构共用一套采样，此结构共用一套采样保持器和保持器和A/DA/D转换器，节省硬件成本，但转换转换器，节省硬件成本，但转换速度更慢，常用于速度更慢，常用于分时采样，分时转换的控制分时采样，分时转换的控制系统。系统。整理ppt28图图5-3 5-3 几种采集通道的结构形式几种采集通道的结构形式整理ppt29 2.2.常用常用A/DA/D转换器转换器nA/D转换过程整理ppt308位逐

21、次逼近式A/D转换器的原理图整理ppt31整理ppt32n1 1、8 8位位A/DA/D转换器转换器ADC0808/0809ADC0808/0809n（1 1）电路组成及转换原理）电路组成及转换原理n ADC0808/0809ADC0808/0809都是含都是含8 8位位A/DA/D转换器、转换器、8 8路多路开关，以及与微型计算机兼容的控制路多路开关，以及与微型计算机兼容的控制逻辑的逻辑的CMOSCMOS组件，其转换方法为组件，其转换方法为逐次逼近型逐次逼近型。整理ppt33 图图5-4 ADC0808/0809原理图原理图A/DA/D转换器转换器整理ppt34 在在A/DA/D转换器内部有

22、一个转换器内部有一个高阻抗斩波稳定比较高阻抗斩波稳定比较器，器，一个带模拟一个带模拟开关树组开关树组的的256256电阻分压器组成的电阻分压器组成的D/AD/A转换器，转换器，以及一个以及一个逐次逼近型寄存器。逐次逼近型寄存器。8 8路的模拟开关的通路的模拟开关的通/断由地址锁存器和译码器断由地址锁存器和译码器控制，可以在控制，可以在8 8个通道中任意访问一个单边的模拟个通道中任意访问一个单边的模拟信号。信号。8R8R梯形电阻（梯形电阻（3 3位位D/AD/A转转器）转转器）0 01 1参考电压非常重要，类似秤杆子参考电压非常重要，类似秤杆子整理ppt35（2 2）ADC0808/0809AD

23、C0808/0809的引脚功能的引脚功能nCLOCKCLOCK：实时时钟：实时时钟，可通，可通过外接过外接RCRC电路改变时钟频电路改变时钟频率。率。nV VREFREF（+），V VREFREF（-）：参考电：参考电压端子压端子。用以提供。用以提供D/AD/A转转换器权电阻的标准电平。换器权电阻的标准电平。对于一般对于一般单极性模拟量单极性模拟量输输入信号，入信号，V VREFREF（+）5.00V5.00V，V VREFREF（-）0.00V0.00V。nV VCCCC：电源端子。接：电源端子。接+5V+5V。nGNDGND：接地端。：接地端。整理ppt36nSTARTSTART：启动信号

24、：启动信号。nC C，B B，A A：通道号选择端子：通道号选择端子。C C为为最高位，最高位，A A为最低位：为最低位：nALEALE：地址锁存允许：地址锁存允许，高电平有效高电平有效。当当ALEALE为高电平时，允许为高电平时，允许C C，B B，A A所示的通道被选中，并把该通道所示的通道被选中，并把该通道的模拟量接入的模拟量接入A/DA/D转换器转换器nININ7 7ININ0 0：8 8个模拟量输入端。个模拟量输入端。整理ppt37EOCEOC：转换结束信号：转换结束信号。当。当A/DA/D转换结转换结束后，发出一个正脉冲，表示束后，发出一个正脉冲，表示A/DA/D转换完毕。此信号可

25、作为转换完毕。此信号可作为A/DA/D转换转换是否结束的是否结束的检测信号或中断申请信检测信号或中断申请信号号D D7 7D D0 0：数字量输出端。：数字量输出端。OE:OE:输出允许信号输出允许信号。高电平有效，。高电平有效，当此信号有效时，允许从所存器中当此信号有效时，允许从所存器中读 取 数 字 量；此 信 号 可 作 为读 取 数 字 量；此 信 号 可 作 为ADC0808/0809ADC0808/0809的片选信号。的片选信号。整理ppt38图图5-5 ADC0808/08095-5 ADC0808/0809时序图时序图整理ppt39（3 3）时序图）时序图n 选通道：选通道：从

26、图从图5-55-5可以看出，启动脉冲可以看出，启动脉冲STARTSTART和地址锁存允许脉冲和地址锁存允许脉冲ALEALE的上升沿将的上升沿将地址送给地址总线，模拟量经地址送给地址总线，模拟量经C C，B B，A A选择选择开关所指定的通道送至开关所指定的通道送至A/DA/D转换器。转换器。n转换过程：转换过程：在在STARTSTART信号下降沿的作用下信号下降沿的作用下，逐次逼近过程开始，在时钟的控制下，一逐次逼近过程开始，在时钟的控制下，一位一位地逼近位一位地逼近，此时，转换结束信号，此时，转换结束信号EOCEOC呈呈低电平低电平状态。状态。n读取数据：读取数据：由于逐次逼近需要一定的过程

27、，由于逐次逼近需要一定的过程，所以，在此期间内模拟输入值维持不变。所以，在此期间内模拟输入值维持不变。比较器需一次一次进行比较，直到转换结比较器需一次一次进行比较，直到转换结束束（EOCEOC呈高电平）呈高电平）。此时，若计算机发出。此时，若计算机发出一个允许命令（一个允许命令（OEOE呈高电平呈高电平），则可），则可读出读出数据数据。整理ppt40单一电源，单一电源，+5V+5V供电，模拟输入供电，模拟输入范围为范围为0 05V5V，分辨率为分辨率为8 8位位。最大不可调误差：最大不可调误差：ADC0808ADC08081/2LSB1/2LSB。ADC0809ADC0809 V V h h的

28、脉冲宽度。的脉冲宽度。整理ppt155整理ppt156 在实际应用中，在实际应用中，V V h h是由是由V V 1 1来来产生的，即把产生的，即把V V 1 1通过一个微分通过一个微分电路之后再整形得到电路之后再整形得到V V h h；也可；也可以把以把V V 1 1通过一个单稳态电路产通过一个单稳态电路产生生V V h h，当然单稳态的延时时间，当然单稳态的延时时间必须小于必须小于V V 1 1的脉冲宽度。的脉冲宽度。整理ppt157斩波恒流功放斩波恒流功放图图5-43 斩波恒流功放电路斩波恒流功放电路 n是利用斩波方法使电流恒定在额定值附近。是利用斩波方法使电流恒定在额定值附近。U=iU

29、=iL LR R1212整理ppt158从提高高频工作性能及电源效率的角从提高高频工作性能及电源效率的角度看，斩波恒流功放电路可以用较高的电度看，斩波恒流功放电路可以用较高的电源电压，同时无需外接电阻来限定额定电源电压，同时无需外接电阻来限定额定电流和减小时间常数，但是流和减小时间常数，但是由于电流波形呈由于电流波形呈锯齿状，驱动时会有较大的电磁噪声。锯齿状，驱动时会有较大的电磁噪声。要要消除电磁噪声，有两种措施：消除电磁噪声，有两种措施：一是使斩波一是使斩波频率提高至超声波频率，另一种是使步进频率提高至超声波频率，另一种是使步进电动机各相采用同一个频率的斩波信号。电动机各相采用同一个频率的斩

30、波信号。整理ppt159恒频脉宽调制功放电路恒频脉宽调制功放电路就是就是按上述两个措施设计的一种常按上述两个措施设计的一种常用的功放电路，如图用的功放电路，如图5-435-43所示。所示。n恒频脉宽调制功放电路恒频脉宽调制功放电路整理ppt1605-44 恒频脉宽调制功放电路ni iL L=V=Vrefref/Re/Re整理ppt161恒频脉宽调制功率放大电路不但有恒频脉宽调制功率放大电路不但有较好的高频较好的高频特性特性，而且有效地，而且有效地减少了步进电动机的电磁噪减少了步进电动机的电磁噪声声，同时还，同时还降低了功耗降低了功耗。但由于斩波频率较高，。但由于斩波频率较高，对功放管及续流二极管的频率响应要求也比较对功放管及续流二极管的频率响应要求也比较高。另外，这种电路的高。另外，这种电路的低频振荡较高。低频振荡较高。整理ppt162本节完