机电一体化系统设计》第4章微机控制系统的选择及接口设计

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1、华北电力大学Thursday,October07,2021机电一体化系统设计本章教学目标及要求重点掌握以下内容：微机的作用及机电一体化系统对其基本要求；微机控制系统的设计问题与设计步骤；微机的系统构成、种类与选用要点；单片机硬件结构特点及系统配置；数字显示器及键盘的接口电路；电气控制与PLC微机应用系统的I/O控制及可靠性设计PROTEL软件应用第四章微机控制系统的选择及接口设计第四章微机控制系统的选择及接口设计第一节　微机控制系统设计的一般知识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四节微机控

2、制系统的软件与程序设计语言第五节微机应用领域及其选用要点第八节单片机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第十节微机应用系统输入输出控制可靠性设计习题与思考题第一节微机控制系统设计的一般知识一、微机部分的作用及机电一体化系统对其基本要求1.作用：将来自传感器的检测信息和外部输入命令进行处理，并按照一定的程序和节奏发出相应的指令控制整个机电一体化系统有目的地运行。它在机电一体化系统中所处的位置见下图。2.基本要求（1）适用性，系统的性能必须满足生产要求；（2）可靠性，系统能够无故障运行的能力，硬

3、件、软件的容错能力；（3）经济性，在满足任务要求前提下，使系统成本尽可能低；（4）可维护性，检测和维修方便；（5）可扩展性，使系统能在不做大的变动条件下很快适应新的情况。第二节微机控制系统的设计思路不同产品所需要的控制功能、控制形式和动作控制方式也不尽相同。控制系统的设计是综合运用各种知识的过程。由于采用微机作为机电一体化系统或产品的控制器，因此，其控制系统的设计就是选用微机、设计接口、控制形式和动作控制方式的问题。这不仅需要微机控制理论、数字电路、软件设计等方面的知识，也需要一定的生活和生产工艺知识。通常由机电一

4、体化系统设计人员首先提出总的设计要求，然后由各专业人员通力协作。二、微机控制系统设计随着机电一体化系统所需的控制功能、控制形式、控制方式的不同和多控制过程日趋复杂，对控制系统的要求越来越高。微机控制系统的引用，在许多方面能满足机电一体化控制系统的要求。微机控制系统：是将微型计算机作为机电一体化产品的控制器，结合微型计算机的工作原理、接口电路（数字和模拟）的设计、相应的控制硬件和软件，以及它们之间的匹配，实现对控制对象的有效控制。常用的微机控制系统：专用微机控制系统——核心部件为单片机和单板机。通用微机控制系统——核

5、心部件为可编程控制器和工业计算机。4.2.1微机控制系统硬件与软件抉择和权衡在确定微机控制系统时，应重点考虑几方面的问题。（1）专用/通用微型计算机的选择1）专用控制系统的构成与特点用于大批量生产的机电一体化产品。具有机械电子有机结合紧凑，由专用IC芯片、接口电路、执行元件、传感器等相互合理匹配成专用控制器，软件采用专用机器代码或语言，可靠性强，成本低，但适应能力较差。2）通用控制系统的构成与特点构成：控制系统以通用微型计算机为核心，设计专用或选用通用的集成IC芯片、接口电路、执行元件、传感器，以及相互合理匹配元件

6、，组成具有较好通用能力的控制器。软件采用通用平台软件系统。特点：具有可靠性高，适应性强，但成本高，应采取一定的抗干扰措施等特点。应用：适用于多品种、中小批量生产的机电一体化产品。实质上就是通过接口设计和软件编制来使通用微机专用化的问题。（2）硬件与软件的权衡/匹配任何微机控制系统的控制功能，可以由硬件实现，也可以由软件实现，两者的合理匹配是确定或选用微机控制系统研究内容之一。主要依据经济性、可靠性、适用性等要求来决定。★主要用通用分离元件组成的控制系统——最好采用软件来实现对机电一体化产品的主要控制功能，接口少，易

7、于调整，适应能力强，但成本较高。★主要用专用集成元件组成的控制系统——最好选用硬件实现对机电一体化产品的主要控制功能，具有廉价、可靠、处理速度快等特点。如三相步进电机的硬环分使用CH250集成芯片要好于触发器搭接的环形分配器。由于工作环境比较恶劣（存在电噪声干扰等），易产生故障。为提高控制系统的环境适应能力和抗干扰能力，以及可靠性，必须采取相应的抗干扰措施。（3）应有必要的抗干扰措施4.2.2微机控制系统的设计思路（1）确定系统总体控制方案总体控制方案确定技术路线从系统构成上考虑控制方式（开环控制、半闭环控制、闭环

8、控制）——传感元件选用（含精度）——选用/设计执行元件——考虑被控制对象特殊控制要求（高可靠性、高精度、快速响应特性）—微机在整个控制系统中的作用（计算、数据处理、直接/间接控制方式、控制功能、I/O接口、外围设备等）—控制系统成本核算。确定微机控制系统总体控制的初步方案总体方案可行性论证——总体方案技术/经济评价——总体方案鉴定。最终确定微机控制系统总体控