机电一体化系统的设计都有哪些内容方法，机电一体化系统的常用设计方法有哪

机电一体化系统的设计：

一、机电一体化系统开发的设计思想

机电一体化的优势，在于它吸收了各有关学科之长并加以综合运用而获取整体优化效果，因为这个原因在机电一体化系统开发的途中，要非常强调技术融合，学科交叉的作用。机电一体化系统开发是一项多级别、多单元组成的系统工程。把系统的各单元有机的结合成系统后，各单元的功能不仅相互叠加，而且，相互辅助、相互促进、相互提升，使整体的功能大于各单元功能的简单的和，即“整体大于部分的和”。 假设设计不当，因为各单元的差异性，在组成系统后可能会造成单元间的矛盾和摩擦，产生内耗，内耗过大，则可能产生整体小于部分之和的情况，以此失去了一体化的优势。因为这个原因，在开发的途中，一个方面要求设计机械系统时，应选择与控制系统的电气参数相匹配的机械系统参数；同时也要求设计控制系统时，应按照机械系统的固有结构参数来选择和确定电气参数。综合应用机械技术和微电子技术，使二者密切结合、相互协调、相互补充，充分反映机电一体化的优越性。

二、机电一体化系统设计方式

拟定机电一体化系统设计方案的方式有取代法、整体设计法和组合法。

1、取代法

这样的方式是用电气控制取代原传统中机械控制机构。这样的方式是改造传统机械产品和开发新型产品经常会用到的方式。如用电气调速控制系统取代机械式变速机构，用可编程序控制器或微型计算机来取代机械凸轮控制机构、插销板、步进开关、继电器等，以补上来机械技术的不够，这样的方式不但能大大简化机械结构，而且，还可以提升系统的性能和质量。这样的方式的缺点是跳不出原系统的框架，不利于开拓思路，特别在开发全新的产品时具有更多的有局限性。

2、整体设计法

这样的方式主要用于全新产品和系统的开发。在设计时完全从系统的整体目标考虑各子系统的设计，故此，接口简单，甚至可能互融一体。比如，某些激光打印机的激光扫描镜，其转轴就是电动机的转子轴，这是执行元件与运动机构结合的一个例子。在大规模集成电路和微机持续性普及的今天，随着精密机械技术的发展，完全可以设计出将执行元件、运动机构、检测传感器、控制与机体等要素有机地融为一体的机电一体化新产品。

3、组合法

这样的方式就是选用各自不同的标准模块，像积木那样组合成各自不同的机电一体化系统。比如，设计数控机床时可以从系统整体的的视角选择工业系列产品，诸如数控单元、伺服驱动单元、位置传感检测单元、主轴调速单元还有各自不同的机械标准件或单元等，然后进行接口设计，将各单元有机的结合起来融为一体。在开发机电一体化系统时，利用此方式可以缩短设计与研制周期、节约工装设备费用，促进生产管理、使用和维修。

三、机电一体化系统设计的主要内容

在机电一体化系统(产品)中控制系统设计的主要内容可归结为：确定系统整体控制方案、确定控制算法、选择微型计算机、进行系统的硬件和软件设计，还有系统统调。

1、确定系统整体控制方案

(1)确定控制任务

在设计系统之前，一定要对控制对象的工作过程进行深入的调查、分析和熟悉，并明确实质上应用中的详细要求，按机械与电子功能划分方案确定系统想完成的任务，然后用控制流程图或其他一定程度上形式描述控制过程和任务，写成设计任务说明书，作为整个控制系统设计的依据。

(2)构思控制系统的整体方案

1)确定系统的控制结构形式是开环还是闭环控制。

2)采取闭环控制时应考虑检测传感器的选择和想求精度级别，并考虑机构安装、使用环境等问题。

3)选择执行元件是电动、气动还是液压或其他，按照控制对象详细要求，比较方案的优缺点，择优而用。

4)明确微机在系统中的作用：是设定值计算、直接控制还是数据处理和应具备的功能，需什么输入／输出入口通道和配置什么外围设备等。后，画出系统组成的原理框图和附加说明，作为进一步设计的基础，并初步估算成本。

2、建立数学模型确定控制方式

建立系统的数学模型是个复杂过程，也是一个试探的过程，需反复权衡。

1)按照已初步确定的控制系统的物理结构，采取适合的控制理论方式建立和组成任何一个环节还有整个系统的数学模型表达形式。通过静、动特性计算，为计算机进行运算处理提供依据。

2)按照不一样的控制对象和不一样的控制性能指标要求，选择不一样的控制算法。对过程控制设备的直接数字控制系统经常会用到PID调节的控制算法；在位置数字随动系统中经常会用到达到少拍控制的控制算法；机床数字控制中常使用逐点比较法、数字积分法和数据采样法的控制算法。此外还有各种优控制的控制算法、随机控制和自适应控制的控制算法等供选择。

3)当控制系统较复杂时，控制算法也比较复杂，为设计、调试方便，可忽视小的非线性、小延时等原因的影响，将控制算法作某些合理的简化。利用计算机系统仿真技术，一步一步将控制算法完善，直到取得好的控制效果。

总而言之，控制算法的确定是一个反复修正与试验的渐进过程。

3、选择微型计算机

针对微机所担负的任务给定以后，完成同一任务的微机方案有各种。大多数情况下以既能完成给定任务(应涵盖处理确定的控制算法)、又能充分发挥选用微机的功能、再留有一定功能余量为原则来选择。

从控制生产机械或生产过程要得出发，微型机应满足以下要求：

(1)有较完善的中断系统

针对控制用计算机，实时控制功能是一大特点。它包含系统正常运行时的实时控制能力和出现故障时紧急处理的能力。这样的处理和控制大多数情况下都采取中断控制方法，即CPU及时接收终端请求、暂停原来执行程序，转而执行对应的中断服务程序，待中断处理结束，再返回继续执行原程序。

在选用与CPU对应的接口芯片时也应有中断工作方法，以保证控制系统能满足生产中提出的各自不同的要求。针对比较复杂的控制，要考虑采取实时操作系统。

(2)足够的存储容量

因为微型机内存容量有限，当内存容量没办法存放程序和数据时，应扩充内存，或配备一定程度上的外存储器(如硬磁盘等)。

(3)完备的输入／输出入口通道

输入输出入口通道是系统外部过程和微机交换信息的入口通道。按照实质上需有开关量输入／输出入口通道、模拟量输入／输出入口通道、数字量输入／输出入口通道和达到迅速、批量交换信息的直接数据入口通道。入口通道的操作方法有串行、并行还有随机选择与按某种预订顺序进行工作等。

(4)微处理器芯片的选择

这一选择的本质就是确定能满足控制功能要求的微处理器的字长、速度和指令系统。这三者是相互依存的。大多数情况下选择：

1)对一般的顺序控制、程序控制可选用1位微处理器；

2)对计算量小、计算精度和速度要求不高的系统可选用4位微处理器，如计算器、家用电器控制及简易控制等；

3)对计算精度要求非常高、处理速度较快的系统可选用8位微处理器，如经济型的线切割机床、普通机床的控制和温度控制等；

4)对要求计算精度高、处理速度快的系统统可选用16位或32位微处理器，甚至采取精简指令集运算的芯片RIRC或多CPU，如控制算法复杂的生产过程控制，要求高速运行的机床控制，非常是非常多的数据处理等。

(5)系统总线的选择

微型计算机主要由若干块印制电路板(按功能模块设计、制造)构成。各块板当中的连接，当然是通过印制板的插座当中的连线来达到的。一般，为了给使用和维护带来方便，期望插座当中的连线具有通用性-一个系统中的各块印制板可插在任一插座上。同时，也是为了各厂家生产的电路板具有通用性、互换性，就要对插座及连线订个标准。那就是系统总线选择的由来。

现在支持微型计算机系统机构的总线有：STD Bus支持8位和16位字长；Multi Bus工型可支持16位字长，Ⅱ型可支持32位字长；S-100 Bus可支持16位字长；VERSA Bus可支持32位字长，还有VME bus可支持32位字长等。生产厂家为这种类型总线提供各自不同的型号规格的OEM(初始设备制造)产品，涵盖主模块和从模块，由用户任意选配。

4、系统整体设计

系统设计主要是依据上面说的控制方案、设计想求和选用的微机类型，对系统进行详细的设计。其设计可分为硬件的接口设计和软件设计两大类型。

在对系统整体设计时，一个重要，要优先集中精力的问题是如何处理微机、被控对象和操作者这三者当中可靠地适时进行信息交换的入口通道和分时控制的时候序具体安排。其实就是常说的综合多方面因素慎重考虑清楚用硬件配置和软件措施处理系统运行的次序具体安排，以保证系统有条不紊地运行。

(1)接口设计

针对一种产品(或系统)，其各部件当中，各子系统当中时常需传递动力、运动、命令或信息，这都是通过各自不同的接口来达到的。机械本体各部件当中、执行元件与执行机构当中、检测传感元件与执行机构当中一般是机械接口；电子电路模块相互当中的信号传送接口、控制器与检测传感元件之问的转换接口、控制器与执行元件当中的转换接口一般是电气接口。

机电一体化产品的内外接口其实就是一种进行物质、能量和信息交换的界面，它具有存储、转换和服务功能。按功能可以将接口划分为以下3种：

1)零接口。不需进行任何转换，把具有结合关系的2个部分直接连接起来称为零接口，如连接管、电缆、接线柱和刚性联轴节等。

2)普通转换接口。在具有结合关系的2个部分当中存在能量或信息的转换，但不含微处理器的接口为普通转换接口。如减速器、变压器、电磁离合器、放大器、光电耦合器、A／D转换器、D／A转换器等。

3)智能转换接口。它是一种含有微处理器的转换接口，具有可编程的特点，因而可以自动改变接口条件，如由微处理器编程的8255A，8279，PIO等。

现在，大多数硬件接口和软件接口都已标准化或已经在一步一步标准化。针对硬件接口，在设计时可以按照需选择一定程度上的接口，再配合接口编写对应的程序。

(2)操作控制台设计

微机控制系统一定要方便人机联系，一般都要设计一个现场操作人员使用的控制台。这个控制台大多数情况下不可以用微机所带的键盘代替。因素是现场操作人员需的是简单、明了、安全的操作面板，以达到对机器的操作。故此要求操作控制台应有以下功能：

1)有一组或几组数据输入键(数字键或拨码开关等)，用于输入或更新给定值、更改控制器参数或其他必要的数据。

2)有一组或几组功能键或转换开关，用于转换工作方法，开始、停止系统或完成某种指定功能。

3)有一个显示装置或显示屏，用于显示各自不同的运行状态、参数及故障指示等。控制台上应该有一个“紧急停止”功能按钮，用于有紧急事故时停止系统运行，转入故障处理。

需要明确指出，控制台上每一种信号都与系统的运行状态密切有关。设计时，一定要明确这些转换开关、功能按钮、键盘、显示器和故障指示灯的作用和意义，认真设计控制台的硬件及其对应的管理程序，使设计的操作控制台既能方便操作又保证安全可靠，就算操作失误也不会导致严重后果。

(3)微型计算机控制系统的电源设计

微机控制系统中的电源，按照需可以有不一样的类型(直流和交流)和规格(电压和功率)。根据使用情况，对性能的要求也有很多不一样的地方，在设计途中应按实质上要求合理选用调试，并控制电压变化。电源本身要具有过压、短路、过载保护和热保护，不然将会导致不可补上来的损失。

(4)整机的安装、联接设计

这是一种整体结构设计。微机控制系统安装既涵盖了与被控对象的联接具体安排，也考虑了主机本身的安装联接问题。其设计原则肯定是安装、联接的可靠性和使用、装配、维护的方便性。

1)安装、联接结构具有防震性，即印制电路板、接插件和元器件涵盖电缆等应牢固地安装在同一个机壳上，不因振动而松动。

2)采取标准或专用、制造质量好的防松接插件，以保证接触可靠而又使用、维护方便。

3)布线结构要合理，能防止相互间的电磁耦合干扰。一定要使信号线和功率线进行隔离，分别走线。对模拟信号更要注意走线的长短和屏蔽，如走线太长，需考虑进行信号提高等多项措施。

4)正确安装安全地线、信号地线、屏蔽地线还有功率地线和强电地线，后要进行地线连接。地线要采取一点接地型，即把信号地线、功率地线、被控对象地线(安全地)等连接到公共接地址位置。而总的公共接地址位置一定要与大地接触良好，大多数情况下接地电阻要小于(4～7)Ω。

(5)软件设计

针对选定的微机控制系统，其微机本身已有一定的软件支持，大多数情况下这些软件要求用户了解其使用方式和基本原理。假设把微型计算机针对为某一控制领域而设计成专用的控制计算机，用户还要利用计算机的指令系统和对应的开发系统来设计系统软件，即控制软件、管理软件、诊断软件等。这些系统软件的设计要求更有专用性和针对性。

在微机控制中，其软件任务大体可以分为数据处理和过程控制两大基本类型。数据处理主要涵盖数据的采集、数字滤波、标度变换，还有数值计算等等。过程控制主要是为了让微机根据一定控制算法进行计算，然后进行输出去控制生产。

5、系统联调

微机控制系统设计成功后，硬件电路要进行制作、安装及试验，并进行连续烤机运行。软件各模块需要在微机上分别进行调试，使其正确正确，然后存盘。上面说的工作成功后，就可将硬件与软件组合起来进行系统联调的模拟试验，正确正确后，在现场实验，直到正式运行。在目前这个时候，重要，要优先集中精力的是认真设计模拟调试的方式与步骤，还有所用的测试手段。

除开这点在现场试验前，要认真检查接线，正确后才可以在现场调试。现场调试的步骤按照不一样对象要认真考虑。第一要把涉及的自动保护项目进行实验，确认有效后才可进入功能、参数等项目标试验。