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机电一体化概论
机电一体化技术
第1章 机电一体化概述
第2章 机电一体化相关技术
第3章 机电一体化实例
第1章
机电一体化概述
返回
1.1
机电一体化的基本概念
1.2
机电一体化系统的组成与实例
1.3
机电一体化相关技术及特点
1.4
机电一体化的发展
第1章
机电一体化概述
1.1 机电一体化的基本概念
返回
机电一体化Mechatronics是由机械学Mechanics的前半部分与电子学
Electronics的后半部分组合而成的。
通常来说，机电一体化是指在机械的主功能、动力功能、信息处理功
能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设备及软件结合起来
所构成的系统的总称。
机电一体化和非机电
一体化的核心区别是计算
机控制系统和伺服控制系
统。随着各种技术的进一
步交叉和渗透，机电一体
化的概念会逐步完善。
机电一体化技术
第1章
机电一体化概述
1.2 机电一体化系统的组成与实例
1.2.1
机电一体
化系统
机电一体化系统的组成
机械本体
包括机架、机械连接元件、机械传动部件和运动支
承部件等。起着支承、传递运动和动力的作用。
动力单元
作用是提供能量和动力，使系统正常运行。动力单
元有电源、液压源和气压源等，以电源为主。
控制与信息
处理单元
机电一体化系统的核心，收集各种传感器信息和命
令，根据信息处理结果，控制整个系统协调工作。
传感器
检测单元
将系统工作过程中自身和外界环境有关参量变化的
各种信息，经过检测和适当处理后传递给控制器。
执行单元
及其驱动
通常是各种伺服电动机、液压传动机构和气压传动
机构。作用是根据控制与信息处理单元的指令驱动
机械部件的运动，
返回
第1章
机电一体化概述
1.2 机电一体化系统的组成与实例
1.2.2
机电一体化系统的实例
1. 数控机床
数控机床的组成
1)控制器：(1)输入和显示装置；(2)计算机控制装置；(3)可编程控制器。
2)伺服驱动系统：分为主轴伺服驱动系统和进给伺服驱动系统两部分。
3)辅助控制装置：包括对刀库的转位换刀、液压泵、冷却泵等的控制。
4)检测装置：主要检测运动机构（如主轴和工作台）的速度和位移。
5)机床本体：指机械部分，包括主轴运动执行部件和进给运动执行部件，此外
还有冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。
第1章
机电一体化概述
1.2 机电一体化系统的组成与实例
1.2.2
机电一体化系统的实例
2. 指针式石英钟
指针式石英钟的组成框图
指针式石英钟步进电动机原理图
第1章
机电一体化概述
1.3 机电一体化相关技术及特点
1.3.1
返回
机电一体化相关技术
1. 机械技术
与一般的机械装置相比,要求质量小、
转动惯量小、摩擦小、误差小、效率高、
精度高，同时要能提高刚度及改善性能。
2. 传感器技术
传感器检测的精度和分辨力直接决定
系统所能达到的最高精度,其检测的信息全
面与否决定着系统的自动化程度，而检测
信息的准确度和灵敏度直接影响系统的精
度。
3. 计算机控制技术
计算机控制技术主要是根据各种理论
和算法，通过计算机对信息进行运算、判
断与决策。
4. 接口技术
接口技术是系统中非常重要的
部分，它实现了各种相互关联的若
干功能单元之间的有机连接，因此，
也有人将机电一体化技术称为接口
技术。
5. 执行与伺服驱动技术
必须能快速准确地实现信号的
跟踪、误差的调整等，同时须具有
一定的抗干扰能力，并且能够稳定
地工作。伺服驱动对象包括各种电
动机、气动装置、液压装置和机械
传动装置等。
第1章
机电一体化概述
1.3 机电一体化相关技术及特点
1.3.2
机电一体化的特点
机电一体化系统与传统机械系统或机
械电气化系统相比，主要有以下特点：
4)高速度，高精度
高精度设计和制造，先进控制技术
、高精度检测技术和高速计算机控制等
1)综合性与系统性
，使系统具有了自行诊断、校正和补偿
机电一体化是机械、电子、伺服控制、 等功能。
信息和检测等多种技术相互交叉融合而成
5)高可靠性，高稳定性
的新兴技术。
非接触传感器检测、无刷电动机驱
2)层次多，覆盖面广
动、简化的机械系统以及计算机在线监
覆盖了包括机械、电子、信息、计算
测、误差补偿和校正等技术提高了系统
机、控制和检测技术等多门学科。
的可靠性和稳定性。
3)体小量轻，结构简化，方便操作
智能技术的引入使系统具备了容错性
，甚至可实现操作全自动化机械操作变得
更为简单、可靠、人性化。
6)柔性化和智能化
采用软件代替硬件的方式，有很强
的柔性；同时软件使系统具有自动监测
、故障判断、误差补偿等智能化特性。
第1章
机电一体化概述
1.4 机电一体化的发展
1.4.1
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机电一体化的发展状况
机电一体化的发展大体分为3个阶段。
电子技术的发展有限，机
械技术与电子技术的结合
并不完善，控制部分也是
一些相对简单的固定控制
20世纪70年代以前
1.4.2
大规模、超大规模集成电
路的出现和计算机技术的
高速发展，为机电一体化
提供了充分的物质基础
单片机、工业PC和PLC
快速发展，信息处理和
计算速度提高，机电一
体化向智能化方向发展
20世纪70~80年代
20世纪90年代后期
机电一体化的发展趋势
1)微型化
微机械和微机电的发展使机电一体
化产品朝着微型化的方向发展。
2)模块化
随着技术的发展，标准化和模块化
的发展是必然的趋势。
3)智能化
产品将更多地应用各种先进的控
制理论，使产品智能程度更高。
3)网络化
网络化是机电一体化系统发展的
一个趋势。
第2章
机电一体化相关技术
2.1
机械技术
2.2
传感器技术
2.3
计算机控制技术
2.4
接口技术
2.5
执行与伺服驱动技术
返回
第2章
机电一体化相关技术
数控机床是机电一体化的典型例子，主要由机械部分和电子部分
返回
组成，如图所示
机电一体化示例
第2章
机电一体化相关技术
2.1 机械技术
2.1.1
机电一体化中的机械系统
机电一体化系统中的机械系统应具有较高的定位精度，体积小、质量
轻、刚度大、动态性能好等特点。
机电一体化系统中的机械系统主要包括传动机构、导向机构、轴系和
执行机构等。
传动机构的主要功能是传递转矩和转速，是一种转矩、转速变换器。
机械传动部件的类型、方式、刚性以及可靠性对系统的精度、稳定性和快
速响应性有重大影响。
导向机构的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运
动方向运动。该机构应能保证系统安全、准确地工作。
轴系的主要作用是传递转矩、支承轴上回转零件和对轴上零件进行精
确定位。
执行机构根据操作指令的要求，在动力源的带动下完成预定的操作。
一般要求它具有较高的灵敏度、精确度，良好的重复性和可靠性等。
第2章
机电一体化相关技术
2.1 机械技术
2.1.2
机械传动机构
机电一体化系统中所用的传动机构主要有滑动丝杠机构、滚珠丝杠机
构、齿轮传动机构、同步带传动机构、间歇机构、挠性传动机构等。
1. 滚珠丝杠螺母机构
滚珠丝杠螺母机构是以滚珠
为中间传动件，使丝杠和螺母之
间的摩擦由滑动摩擦变为滚动摩
擦的一种装置。
滚珠丝杠螺母机构
1—丝杠； 2—螺母； 3—滚珠； 4—滚珠循环返回装置
第2章
机电一体化相关技术
2.1 机械技术
2.1.2
机械传动机构
1. 滚珠丝杠螺母机构
1）滚珠丝杠螺母机构的类型和工作原理
滚珠丝杠螺母机构的结构有内循环和外
循环两种方式。
外循环滚珠丝杠螺母机构
1—丝杠； 2—滚珠； 3—回珠管； 4—螺母
内循环滚珠丝杠螺母机构
第2章
机电一体化相关技术
2.1 机械技术
2.1.2
机械传动机构
1. 滚珠丝杠螺母机构
2）滚珠丝杠螺母机构传动的特点
（1）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠螺母机构传动的效率
η=0.92~0.96，其功率损耗只相当于常规丝杠螺母机构的1/4~1/3。
（2）给定适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向传动时就可
以消除空程死区，定位精度高，刚性好。
（3）启动力矩小，运动平稳，无爬行现象，传动精度高，同步性好。
（4）有可逆性，可以将旋转运动转换为直线运动，也可以将直线运动
转换为旋转运动。
（5）磨损小，使用寿命长，精度保持好。
（6）制造工艺复杂。滚珠、丝杠和螺母等元件的加工精度要求高，表
面粗糙度值特别小，故制造成本高。
（7）不能自锁。垂直丝杠下降时，由于重力作用不能立即停止运动。
第2章
机电一体化相关技术
2.1 机械技术
2.1.2
机械传动机构
2. 齿轮传动机构
齿轮传动机构的优点是结构紧凑，工作可靠，效率高，寿命长，能保
证恒定的传动比，传递的功率与使用的速度范围大。但其制造安装费用较
高，低精度齿轮传动的振动和噪声较大。
1）齿轮传动机构的类型
定传动比的圆形齿轮根据两传动轴线的相对位置可分为3类。
（1）平行轴齿轮传动机构
直齿圆柱齿轮传动
斜齿圆柱齿轮传动
外啮合
人字齿轮传动
第2章
机电一体化相关技术
直齿圆柱齿轮传动
斜齿圆柱齿轮传动
内啮合
直齿圆柱齿轮传动
直齿圆柱齿轮传动
齿轮齿条啮合
第2章
机电一体化相关技术
（2）相交轴齿轮传动机构
直齿圆锥齿轮传动
斜齿圆锥齿轮传动
曲线齿圆锥齿轮传动
（2）交错轴齿轮传动机构
交错轴斜齿轮传动
蜗杆蜗轮传动
准双曲线齿轮传动
第2章
机电一体化相关技术
2.1 机械技术
2.1.2
机械传动机构
2. 齿轮传动机构
2）齿轮传动机构在机电一体化设备中的应用
齿轮传动主要用于各种类型数控机床，如数控机床的伺服电动机或步
进电动机通常要通过齿轮传动装置传递转矩和转速，并使电动机和螺旋传
动机构及负载（即工作台）之间的转矩与转速得到匹配。
3）机电一体化系统对齿轮传动机构的要求
（1）传动精度。传动精度由传动件的制造误差、装配误差、传动间隙
和弹性变形等决定。
（2）稳定性。对于闭环控制齿轮传动机构的性能参数将直接影响整个
系统的稳定性。应考虑提高传动系统的固有频率和提高系统的阻尼能力，
以便增加传动系统的抗振性能。
（3）响应速度。齿轮传动机构都将影响整个系统的响应速度。可以采
取减少传动装置摩擦、减小转动惯量、提高传动效率等措施。
第2章
机电一体化相关技术
2.1 机械技术
2.1.2
机械传动机构
3. 同步带传动机构
同步带传动是一种新型的带传动，它利用齿形传动带与带轮的轮齿依
次相啮合来传递运动或动力，在数控机床上得到了广泛的应用。
同步带传动有如下特点：
同步带传动
（1）能方便地实现较远中心距的
传动，传动比准确，传动效率高。
（2）工作平稳，能吸收振动。
（3）不需要润滑，耐高温，耐油
、水腐蚀，维护保养方便。
（4）强度高，厚度小，质量轻。
（5）中心距要求严格，安装精度
要求高。
（6）制造工艺复杂，成本高。
第2章
机电一体化相关技术
2.1 机械技术
2.1.2
机械传动机构
4. 其他传动机构
1）谐波齿轮传动机构
谐波齿轮传动机构依靠柔性齿轮引
起齿间的相对位移来传递动力和运动。
柔轮的变形是一个基本对称的谐波，因
此称为谐波传动。
谐波齿轮传动机构
H—波发生器1—柔轮； 2—钢轮
2）滚珠花键传动机构
滚珠花键传动主要用于高速场合，
其运动速度可达60 m/min。
滚珠花键传动机构的结构
第2章
机电一体化相关技术
2.1 机械技术
2.1.3
机械导向机构
机电一体化机械系统中，机械导向机构简称导轨，作用是支承和限制
运动部件，使其能按给定的运动要求和运动方向运动。目前，数控机床上
的导轨主要有滑动导轨、滚动导轨和液体静压导轨等。
机电一体化系统对导轨的要求如下：
（1）导向精度高。导向精度是指机床的运动部件沿导轨移动时的直线
性和与有关基面之间的相互位置的准确性。
（2）耐磨性好。导轨的耐磨性好是指导轨在长期使用过程中能保持一
定的导向精度。
（3）足够的刚度。导轨受力变形会影响部件之间的导向精度和相对位
置。数控机床常采用加大导轨面尺寸的方法来提高刚度。
（4）低速运动平稳性好。应使导轨的摩擦阻力小，运动轻便，低速运
动时无爬行现象。
（5）结构简单、工艺性好。设计导轨时应考虑制造和维修方便，便于
使用过程中调整和维护。
第2章
机电一体化相关技术
2.1 机械技术
2.1.4
轴系
轴系是由轴、轴上回转零部件（带轮、齿轮）和支承、固定轴上回转
零部件的零件（轴承、键、套筒等）组成的传动系统。
1. 轴
轴用来支承旋转的机械零件，传递运动和动力。
（1）心轴。只承受弯矩、不承受转矩的轴称为心轴。
（2）转轴。工作时既承受弯矩又承受转矩的轴称为转轴。
（3）传动轴。工作时主要承受转矩作用的轴称为传动轴。
根据几何轴线的形状，又可将轴分为直轴与曲轴。曲轴常用于往复式
机械中，是内燃机、空气压缩机及活塞泵等机器的专用零件。
2. 轴承
按照相对于回转轴颈工作表面的摩擦性质可分为滚动摩擦轴承和滑动
摩擦轴承。轴承是精密机械中关键零部件之一，其质量好坏，结构形式选
择是否合理，对产品的工作精度、灵敏度、传动效率、成本、可靠性、可
维修性等都有很大的影响。
第2章
机电一体化相关技术
2.1 机械技术
2.1.5
机械执行机构
执行机构要能够保证按时、准确地完成预期的动作，主要有机械式、电
子式、激光和电动的执行机构等。下面对常用的3种执行机构进行简单介绍。
1. 热变形式执行机构
热变形式执行机构属于微动机构，该类机构利用电热元件作为动力源，
通过电热元件通电后产生的热变形实现微小位移。
2. 磁致伸缩式执行机构
利用某些材料在磁场作用下具有改变尺寸的磁致伸缩效应来实现微量
位移。其特征为重复精度高，刚度好，转动惯量小，结构简单、紧凑。
3. 工业机器人末端执行器
工业机器人是一种自动控制，可重复编程，多功能、多自由度操作，
能搬运物料、工件或操作工具以及完成其他各种作业的设备。
工业机器人末端执行器装在操作机手腕的前端，是直接实现操作功能
的机构。
第2章
机电一体化相关技术
2.1 机械技术
2.1.5
机械执行机构
3. 工业机器人末端执行器
1）机械夹持器
直线平行开合型夹持器
圆弧平行开合型夹持器
圆弧开合型夹持器
第2章
机电一体化相关技术
2.1 机械技术
2.1.5
机械执行机构
3. 工业机器人末端执行器
2）特种末端执行器
特种末端执行器
第2章
机电一体化相关技术
2.2 传感器技术
2.2.1
返回
传感器概述
现在的传感器特指将被测物理、化学、生物等非电量转换为电信号的装置。
传
感
器
组
成
传感器包括敏感元件、转换元件和处理电路。敏感元件能够将被测量转化为
另一种物理量；转换元件将其转换为电量输出；处理电路将转换元件输出的信息转
换为便于测量的电量，并进行放大、传输等处理。
传感器及其信号处理电路在系统中的作用
第2章
机电一体化相关技术
2.2 传感器技术
2.2.1
传感器概述
传感器可以按照被测物理量、工作原理、传感器输出信号的性质、被
测对象与传感器之间的能量关系和构成原理等进行分类。
（1）按被测物理量不同，传感器分为位移传感器、力传感器、速度传
感器、温度传感器、流量传感器、气体成分传感器、生物传感器等。
（2）按工作原理不同，传感器分为电阻式传感器、电感式传感器、电
容式传感器、压电式传感器和光电式传感器等。
（3）按传感器输出信号的性质不同，传感器可分为模拟式传感器和数
字式传感器两种。
（4）按被测对象与传感器之间的能量关系不同，传感器分为能量转换
型传感器和能量控制型传感器两种。
（5）按构成原理不同，传感器分为物性型传感器和结构型传感器两种。
第2章
机电一体化相关技术
2.2 传感器技术
2.2.2
传感器的特性
1. 静态特性
传感器的静态特性是指被测对象不变化或变化极为缓慢时，输出量与输入量
之间的关系。主要参数有灵敏度、线性度、分辨力和迟滞等。
1）灵敏度
在稳态工作情况下，当输入量变化
Δx时，传感器的输出量变化Δy，则把
Δy与Δx之比称为灵敏度，用符号S表示
。灵敏度高，则可得到较高的测量精度。
但灵敏度与测量范围成反比，灵敏度越
高，测量范围就越窄，同时稳定性也越差。
2）线性度
通常情况下，传感器的实际静态特
传感器的静态特性
性输出的是曲线而非直线。线性度（非
线性误差）就是描述拟合直线与实际特性曲线近似程度的性能指标。
第2章
机电一体化相关技术
2.2 传感器技术
2.2.2
传感器的特性
1. 静态特性
3）分辨力
分辨力是指传感器能感受到的被测
量的最小变化的能力。常用满量程中能
使输出量产生阶跃变化的输入量的最小
变化值作为衡量分辨力的指标。上述指
标若用满量程的百分比表示，则称为分
辨率。
2. 动态特性
动态特性是指传感器在输入量连
续快速变化时，其输出量对于输入量
的跟随特性。
传感器的动态特性也常用阶跃响
应和频率响应来表示。
4）线性度
迟滞也称为滞后。实际上传感器的
输出总是滞后于输入，在波形和表达式
中反映为相位差。迟滞对于测试系统影
响不大，但对控制系统来说影响较大。
阶跃输入传感器的动态特性
第2章
机电一体化相关技术
2.2 传感器技术
2.2.3
接近开关
接近开关是由传感器进行无接触探测，作用于机械式开关相同。
1. 电容式接近开关
2. 电感式接近开关
第2章
机电一体化相关技术
2.2 传感器技术
2.2.3
接近开关
3. 光电式接近开关
可分为：1）漫反射式光电开关；2）对射式光电开关；3）槽式光电开关
4. 霍尔开关
霍尔开关利用的是霍尔效应，属于有
源磁电转换器件。
右图为霍尔开关测转速，霍尔开关具
有无触点、低功耗、使用寿命长、响应频
率高等特点。
第2章
机电一体化相关技术
2.2 传感器技术
2.2.4
传感器信号处理电路
又称信号调理，就是将现场输入的状态信号经过放大、保护、滤波、
隔离和A/D转换等处理后转换成为计算机可以接收的逻辑信号。
1. 放大电路
通常使用运算放大器，作用是将输入信号线性放大为输出信号。
（1）反向： u0  
Rf
R1
ui
（2）同向： u0  (1 
运算放大器组成的放大电路
Rf
R1
)ui
第2章
机电一体化相关技术
2.2 传感器技术
2.2.4
传感器信号处理电路
2. 滤波电路
1）无源滤波电路
无源一阶滤波器
滤波器幅频特性
第2章
机电一体化相关技术
2.2 传感器技术
2.2.4
传感器信号处理电路
2. 滤波电路
2）有源滤波电路
一阶有源低通滤波器
3. A/D转换电路
模拟量到数字量的转换电路有两种:一种是用模拟电压值来控制频率
发生器的频率，通过计数就可以知道电压值，这种电路称为V/F电路；另
外一种为A/D转换电路。
第2章
机电一体化相关技术
2.2 传感器技术
2.2.5
传感器的选用
1. 灵敏度与量程范围
传感器的灵敏度高，被测量产生微小的变化，传感器就有很大的输出
值，也可以说分辨力高。但灵敏度高时量程就小。
2. 响应特性
通常，光电传感器、压电传感器等物性型传感器响应快、工作频率范
围大。结构型传感器由于受到质量等因素的影响，其频率范围较小，动态
响应差。
3. 精确度
传感器的精确度表示传感器输出与被测量的对应程度。
数字式传感器的
精确度要优于模
拟式传感器。
4. 测量方式
测量方式是指传感器在实际条件下的工作方式，通常按传感器与被测
件接触与否分为接触式测量和非接触式测量，按测量结果的得到方式分为
直接测量和间接测量。
第2章
机电一体化相关技术
2.3 计算机控制技术
返回
机电一体化与机械电气化系统的区别是机电一体化系统用计算机作为
控制器。数字控制器有单片机、工业计算机和可编程控制器等控制系统。
2.3.1
单片机
单片机实际上就是将计算机主机的各种部件和它们之间的信号线等集
成在一个芯片上的一种单芯片计算机，简称为单片机。
AT89C51单片机内部结构框图
第2章
机电一体化相关技术
2.3 计算机控制技术
2.3.1
单片机
单片机构成的控制系统可以分为输入通道、输出通道、人机接口和单
片机系统等几部分。
单片机构成的控制系统原理框图
第2章
机电一体化相关技术
2.3 计算机控制技术
2.3.2
可编程控制器
可编程控制器（programmable logic controller，简称为PLC）是一种
“专为在工业环境下应用而设计”的工业计算机，它可以通过修改程序来
改变控制功能，还有与其他计算机通信联网的功能。
1. PLC工作原理和组成
1）PLC的工作原理
PLC的工作原理是建立在计算机工作原理的基础上的，CPU只能以分
时操作方式来处理各项任务，也就是说在每一时刻只能处理一件事情，程
序的执行是按照顺序依次执行。
可编程控制器的工作过程
第2章
机电一体化相关技术
2.3 计算机控制技术
2.3.2
可编程控制器
1. PLC工作原理和组成
2）PLC的组成
3）PLC的软件系统
PLC除了硬件系统外，还
需要软件系统的支持，两者缺
一不可。可编程控制器的软件
系统由系统程序和用户程序两
部分组成。
（1）系统程序由PLC制造
商 编 制 ， 固 化 在 EPROM 或
PROM中。
（2）用户程序即应用程序，
是可编程控制器用户针对具体
的控制对象编制的程序。
可编程控制器系统结构
第2章
机电一体化相关技术
2.3 计算机控制技术
2.3.2
可编程控制器
2. S7-300系列PLC简介
1）S7-300系列PLC的结构
一台S7-300系列PLC是由一个主机架和一个或者多个扩展机架组成。
S7-300系统硬件
2）S7
300系列PLC的模块性能
第2章
机电一体化相关技术
2.3 计算机控制技术
2.3.3
工业计算机
因为工业计算机
主要应用于工业控制
和测试等领域，其典
型应用是通过各种接
口或者数据采集卡获
得外部的数据，所以
它通常有很多I/O接口
和模块。
它改用无源母板，
各种功能的模块通过
母板接口实现相互通
信，改善了大母板抗
振动能力差的缺点。
工业计算机组成的控制系统框图
第2章
机电一体化相关技术
2.4 接口技术
2.4.1
返回
接口的基础知识
接口是指计算机与外围设备连接时，用于稳定与调整两者之间信号所
必需的装置。
1. 接口的功能
（1）放大；
（2）变换；
（3）传递；
2. 接口的分类
根据所联系子系统的不
同，以控制微型计算机（微
电子系统）为出发点，可以
将接口分为人机接口和机电
接口两大类，如右图所示。
人机接口与机电接口
第2章
机电一体化相关技术
2.4 接口技术
2.4.2
人机接口
计算机系统的人机接口仍存在很多问
题，因此，未来的发展方向应该是建
立多种模式和因人而异的人机接口。
人机接口作为人机之间进行信息传输的通道，具有以下特点：
（1）专用性； （2）低速性； （3）高性价比。
计算机系统的人机接口是最典型的，也是发展最迅速的，主要包括键
盘接口技术、显示接口技术、打印接口技术和软磁盘接口技术等。
2.4.3
机电接口
机电接口是指机电一体化产品中机械装置与微型计算机之间的接口。
1. 并行输入/输出接口
并行接口传输的是数字量
和开关量。数字量一般指以8
位二进制形式所表示的数字信
号；开关量只有两个状态的信
号，如开关的合与断。
微型计算机与机械装置的连接
第2章
机电一体化相关技术
2.4 接口技术
2.4.3
机电接口
2. D/A转换接口
4位倒T形
电阻网络
D/A转换
器的内部
电路图
D/A转换是指将数字量转换
成模拟量。在D/A转换器中，使用
最多的是倒T形电阻网络D/A转换
器。
3. A/D转换接口
A/D转换是指将模拟量转换成
数字量。逐次逼近型A/D在工业控
制中的应用比较广泛。
4位逐次逼近型A/D
转换器的逻辑电路
第2章
机电一体化相关技术
2.4 接口技术
2.4.4
工业标准总线
所谓总线，简单地说就是按照规定的协议，实现计算机的各个部件、
元件或者组件之间的互相连接和信息传输的一组信号线，包括控制信号线、
数据信号线和地址信号线等。
1. STD总线
STD总线具有高可靠性，小板结构，高度模块化等特点，在工业领域
应用广泛、发展迅速。STD总线共有56个引脚，按功能可分为4个功能组：
1）电源总线：电源总线分为逻辑电源总线和辅助电源总线两组，其中
逻辑地和辅助地各自独立。
2）数据总线：数据总线是双向三态8位工作总线。
3）地址总线：地址总线是三态16位工作总线。经复用可扩展到24位。
4）控制总线：控制总线的信号线分为5组，分别是存储器及I/O控制、
外围设备定时、中断及总线控制、时钟定时及复位、串行优先链中断。这
些控制总线是使用STD总线的关键。
第2章
机电一体化相关技术
2.4 接口技术
2.4.4
工业标准总线
2.RS-232C
RS-232C是美国电子工业协会（Electronic Industry Association，简称为
EIA）为了用电话网络进行数据通信而制定的一种串行物理接口标准，通常
通过调制器将表示逻辑1和0的高低电压转换成高低不同的频率，在电话网
络中传递，在接收端用解调器把频率转换成不同的电压来表示1和0。RS232C接口目前已经成为个人计算机上的标准通信接口之一，在近距离时可
直接连接来实现各种计算机之间或者计算机与外部设备之间的串行二进制
数据通信。
RS-232C属单端信号传送，存在共地噪声和共模干扰等，一般用于20m
以内的通信。当要求传输距离更远时，可选用RS-422总线和RS-485总线。
RS-485和RS-422采用平衡发送和差分接收，不需要地线，具有抑制共
模干扰的能力。总线收发器具有高灵敏度，传输信号的距离在千米以上。
RS-422通过两对双绞线可以全双工工作，收发互不影响。而RS-485只
能半双工工作，发收不能同时进行。
第2章
机电一体化相关技术
2.5 执行与伺服驱动技术
返回
执行装置是一种功率器件，它接收控制器发出的各种电信号命令，并
将这些信号进行功率放大产生驱动信号，驱动工作对象按照一定的速度和
位移运动。
伺服是指在控制指令的指挥下控制驱动元件，使机械系统的运动部件
按照指令要求进行运动。伺服系统主要用于机械位置和速度的动态控制。
2.5.1
伺服系统的结构组成及分类
1）控制器；2）功率放大器；
3）执行机构；4）检测装置
伺服系统的组成
开环伺服系统和闭环伺服系统
第2章
机电一体化相关技术
2.5 执行与伺服驱动技术
2.5.2
步进电动机及其驱动
开环控制系统中只能使用步进电动机作为执行装置。步进电动机也叫
脉冲电动机，它是一种将电脉冲信号转变为角位移或线位移的执行电动机。
步进电动机分为旋转式步进电动机和直线式步进电动机两种。每输入一个
脉冲能量信号，步进电动机就会转动一个固定的角度（旋转式步进电动机）
或者移动一个固定的位移（直线式步进电动机）。可以通过控制脉冲个数
来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；通过控制脉冲频率来控制电
动机的转动速度，从而达到调速的目的。
步进电动机控制简便，体积小巧。在不超载的情况下，步进电动机的
转速、停止的位置等仅取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化
的影响。而且，步进电动机具有只有周期性误差而无累积误差的特点，使
其在速度、位置等控制领域应用广泛，如火炮的方位控制、打印机中的运
动控制等。在数控机床中，使用步进电动机可以组成低成本的经济型开环
数控机床。
第2章
机电一体化相关技术
2.5 执行与伺服驱动技术
2.5.2
步进电动机及其驱动
1. 步进电动机的分类和原理
1）步进电动机的分类
步进电动机由带有绕组的定子和转子构成。根据其产生转矩的方式分
为永磁式、反应式（也称可变磁阻式）和混合式3种基本类型。
步进电动机的种类
第2章
机电一体化相关技术
2.5 执行与伺服驱动技术
2.5.2
步进电动机及其驱动
1. 步进电动机的分类和原理
2）步进电动机的工作原理
步进电动机可以使用双拍即AB—BC—
CA通电方式，定位角度在两相的中间。
还可以使用单双拍即A—AB—B—BC—
C—CA—A的通电方式，该方式需要6拍才能
转过一个转子齿的角度，控制更为精细，称
为混合拍。
当给A、C、B三相轮流通电后，转子转过了一个转子齿的角度，这种单相通电
方式，称为单拍方式。假定按照A—C—B—A顺序通电，转子正向转动，当通电顺
序改变为A—B—C—A时，转子反向转动，但转动角度不变。
第2章
机电一体化相关技术
2.5 执行与伺服驱动技术
2.5.2
步进电动机及其驱动
2. 步进电动机的驱动
典型的步进电动机驱动有两种方式，一种是用一个脉冲发生器产生不同频
率的脉冲，然后通过脉冲分配器将脉冲分给步进电动机的各个相，再经过功率
放大器放大后驱动步进电动机运行；另一种是由计算机产生多路脉冲，由功率
放大器放大后驱动步进电动机。
1）脉冲分配器
也称环形分配器，主要功能是将脉冲串按一定的规律轮流分配给功率放大器，
然后放大器放大脉冲信号驱动步进电动机运行，控制分配顺序就可以控制转速。
环形分配器工作原理
第2章
机电一体化相关技术
2.5 执行与伺服驱动技术
2.5.2
步进电动机及其驱动
2. 步进电动机的驱动
2）功率放大器
功率放大器有很多形式，要根据
步进电动机的运行要求和激励电流大
小来进行选择和设计。
驱动电路的输出极结构对步进电
动机的性能影响很大，根据输出极的
结构，步进电动机的驱动电路可分为
单电压驱动电路、双电压驱动电路、
恒流斩波驱动电路、调频调压驱动电
路和细分驱动电路5种类型。
步进电动机细分驱动电路
第2章
机电一体化相关技术
2.5 执行与伺服驱动技术
2.5.3
直流伺服电动机及其驱动
直流伺服电动机是应用最为广泛的执行电动机，具有速度高、体积小、
质量轻、效率高和转矩大等优良特性。其速度可以通过调节输入电压来控
制，且调节范围很宽，适用于各种控制系统。直流伺服电动机原理与普通
直流电动机相同。
1. 直流伺服电动机的分类和工作原理
1）直流伺服电动机的分类
常用的有小惯量直流伺服电动机和大惯量
宽调速电动机等。
2）直流伺服电动机的工作原理
电流通过电刷、换向器流入永磁体磁场
中的电枢绕组时，会在左手定则确定的方向
产生电磁力，驱动转子转动。电刷和换向器
的作用是使转子得到连续的旋转方向。
直流伺服电动机的结构
第2章
机电一体化相关技术
2.5 执行与伺服驱动技术
2.5.2
直流伺服电动机及其驱动
2. 直流伺服电动机的驱动
直流伺服电动机主要通过调节电枢的输
入电压来实现速度控制，而转向的改变是通
过改变电压的极性来实现的。改变电压常
用的为线性调整和脉冲宽度调制（pulse width
modulation，简称为PWM）。
1）脉冲宽度调制原理及
产生电路
脉冲宽度调制产生一系列
幅值相等而宽度不相等的脉冲，
通过晶体管的开关功能来实现
电压的调节。它与能量相同的
直流电压在电动机上的作用是
一样的。
直流电压线性调整原理
PWM波形
第2章
机电一体化相关技术
2. 直流伺服电动机的驱动
1）脉冲宽度调制原理及产生电路
当三角波小于控制电
压时，输出为1；当
三角波大于控制电压
时，输出为0。
2）常用驱动电路
PWM信号经过放大后推动功率
晶体管，再由功率晶体管驱动直流伺
服电动机运行，因为直流伺服电动机
经常需要正反转切换，所以通常使用
两对晶体管来驱动。因为两对晶体管
的电路形状类似于字母“H”，所以称
为H桥驱动电路。
PWM波形产生原理图
直流伺服电动机驱动电路
第2章
2.5
2.5.4
机电一体化相关技术
执行与伺服驱动技术
交流伺服电动机及其驱动
交流伺服电动机无电刷和换向器等装置，结构简单，坚固耐用，使用
寿命长，特别适合于高速、大功率、高电压及工作环境恶劣的场合。
1. 交流伺服电动机的分类和工作原理
1）交流伺服电动机的分类
简单地分为永磁同步交流伺服电动机和感应异步交流伺服电动机。
2）交流伺服电动机的工作原理
交流电动机的结构
第2章
机电一体化相关技术
2.5 执行与伺服驱动技术
2.5.4
交流伺服电动机及其驱动
2. 交流伺服电动机的控制电路
由霍尔元件和晶体管构成
了逆变器电路，转子旋转
时，由霍尔元件控制晶体
管导通，按顺序反复给线
圈励磁，使电动机旋转
无刷直流电动机的控制电路
第2章
机电一体化相关技术
2.5 执行与伺服驱动技术
2.5.5
液压执行装置
利用液压缸的直线运动和液压马达的旋转运动来驱动工作对象，采用
不可压缩的液体（液压油）传递动力，具有更好的准确度和频率响应等优
点。可实现精确的直线运动，通过控制流量就可实现无级调速。
1. 液压缸
液压缸将液压能转变成直线往复式的机械能，分为活塞式、柱塞式和
摆动式3种。在液压伺服系统中通常使用控制性能良好的双杆式活塞缸。
双杆式活塞缸的结构
第2章
机电一体化相关技术
2.5 执行与伺服驱动技术
2.5.5
液压执行装置
2. 液压马达
液压马达是把液体的压力能转换为具有旋转运动的机械能的装置。
1）齿轮式液压马达 2）叶片式液压马达
3）柱塞式液压马达
液压马达原理
第2章
机电一体化相关技术
2.5 执行与伺服驱动技术
2.5.5
液压执行装置
3. 伺服阀
4. 液压执行装置实例
液压起重机可在有冲击和振动、
温差变化大的恶劣环境下工作，要
求液压系统具有很高的安全可靠性。
液压装置中的流量调节控制装置，
用来控制压力、流量和流体的方向。
汽车起重机
力反馈式电液伺服阀的结构
1—汽车； 2—转台； 3—支腿； 4—吊臂变幅液
压缸； 5—基本臂； 6—伸缩臂； 7—起升机构
第2章
机电一体化相关技术
2.5 执行与伺服驱动技术
2.5.6
气动执行装置
1. 气动系统的基本构成
气动系统由空气压
缩机、二次冷却器、储
气罐、干燥机、过滤器、
减压阀、管道、控制阀
及气动装置构成。
气动系统的基本构成
2. 气动执行装置实例
机械手是能模仿人手和手臂
的某些动作功能，用以按固定程
序抓取、搬运物件或操作工具的
自动操作装置。右图为双杆气缸
和气动夹具构成的气动机械手。
气动机械手
第3章
机电一体化实例
返回
3.1
数控机床
3.2
工业机器人
3.3
针式打印机
3.4
全自动洗衣机
3.5
视频播放机VCD
第3章
机电一体化实例
3.1 数控机床
3.1.1
数控机床的产生与发展
数字控制（numerical control）技术，简
称数控（NC）技术。用控制软件来实现
数控功能的系统，称为计算机数控系统
(computer numerical control)，简称CNC
1. 数控机床概念
用数字化信息进行控制的自动控制技术称为数字控制技术。装备了数
控系统或采用数控技术来控制的机床，称为数控机床。
第五代
2. 数控机床的产生与发展过程
第一代
（电子管）
第二代
（晶体管）
第三代
（集成电路）
（MNC）
第四代
（CNC）
3. 我国数控机床的发展
90年代后期
（PC+CNC）
1958年开始研究，到60年代中期处于研制、开发阶段；
20世纪80年代，从国外引进部分数控装置和伺服系统技术，
并于1981年开始批量生产；现在，我国已有大批量的数控机床远销海外。
4. 数控机床的发展趋势
1）高速、高效；2）多功能；3）智能化；4）高精度；
5）高可靠性6）柔性化。
返回
第3章
机电一体化实例
3.1 数控机床
3.1.2
数控机床的主要组成与工作过程
1. 数控机床的组成
1）程序的存储介质
2）输入/输出（I/O）
装置
3）数控装置
4）伺服系统
5）检测反馈系统
6）机床本体
7）辅助装置
CNC系统图
第3章
机电一体化实例
3.1 数控机床
3.1.2
数控机床的主要组成与工作过程
2. 数控机床的工作过程
（1）确定加工方案、工艺参数、夹具选用和刀具类型选择等。
（2）用规定的程序代码和格式编写零件加工程序单；或用自动编程软
件直接生成零件的加工程序文件。
（3）程序的输入或传输。
（4）输入到数控单元的加工程序，进行试运行、刀具路径模拟等。
（5）通过对机床的正确操作，运行调试程序。
（6）完成零件的加工。
数控加工过程
第3章
机电一体化实例
3.1 数控机床
3.1.3
数控机床的分类与特点
1. 数控机床的分类
1）按机床运动的控制功能分类
（1）点位控制数控机床
这类机床仅能实现刀具相对于工件
从一点到另一点的精确定位运动，对点
与点之间的运动轨迹不作控制要求。
点位控制加工
（2）直线控制数控机床
这类机床除了要求控制点与点之间
的准确位置外，还需控制两相关点之间
的移动速度和移动轨迹，
直线控制加工
第3章
机电一体化实例
3.1 数控机床
3.1.3
数控机床的分类与特点
1. 数控机床的分类
（3）连续控制数控机床
二轴半联动加工
二轴联动加工
三轴联动
四轴联动
五轴联动
第3章
机电一体化实例
1. 数控机床的分类
2）按伺服控制的类型分类
（1）开环控制数控机床
（2）全闭环控制数控机床
（3）半闭环控制数控机床
第3章
机电一体化实例
3.1 数控机床
1. 数控机床的分类
3）按数控系统的功能水平分类
数控系统不同档次的功能及指标
功能
低档
中档
高档
分辨率/μm
10
1
0.1
进给速度/（m/min）
8~15
15~24
15~100
驱动进给类型
开环
联动轴数/（轴）
2~3
2~4
3~5以上
通信功能
一般无
RS-232或DNC接口
可有MAP通信接口，
有联网能力
显示功能
LED或简单的CRT
较齐全的CRT显示
还有三维图形显示
内装PLC
无
有
有强功能的PLC
主CPU
8位、16位
半闭环或闭环的直流或交流伺服系统
32位或32位以上的多CPU
第3章
机电一体化实例
3.1 数控机床
1. 数控机床的分类
4）按加工工艺及机床用途的类型分类
（1）切削加工类。采用车、铣、镗、磨、刨、齿轮加工等各种切削工
艺的数控机床。它又可分为以下两类：
①普通型数控机床。如数控镗铣床、数控车床、数控磨床、数控齿轮
加工机床等。
②加工中心。加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。如镗/
铣类加工中心、车削中心、钻削中心等。
（2）成形加工类。采用挤、冲、压、拉等成形工艺的数控机床。常用
的有数控压力机、数控折弯机、数控弯管机、数控旋压机等。
（3）特种加工类。主要有数控线切割机、数控电火花加工机、数控火
焰切割机、数控激光加工机等。
（4）其他类型。主要有三坐标测量仪、数控装配机、数控测量机、数
控绘图仪、机器人等。
第3章
机电一体化实例
2. 数控机床的特点
1）具有高柔性
数控机床适用于零件频繁更换的场合。也就是适合单件、小批生产及
新产品的开发，缩短了生产准备周期，节省了大量工艺设备的费用。
2）加工精度高
数控机床的加工精度，一般可达到0.005～0.1 mm，定位精度比较高。
3）加工质量稳定、可靠
同一批零件在同一机床和相同加工条件下，使用相同刀具和加工程序，
刀具的走刀轨迹完全相同，零件的一致性好，质量稳定。
4）生产率高
数控机床移动部件的快速移动和定位及高速切削加工，减少了半成品
的工序间周转时间，提高了生产效率。
5）改善劳动条件
数控机床一般是封闭式加工，既清洁，又安全。
6）利于生产管理现代化
数控机床的加工，可预先精确估计加工时间，所使用的刀具、夹具可
进行规范化、现代化管理。
第3章
机电一体化实例
3.2 工业机器人
3.2.1
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工业机器人的概念和发展
1. 工业机器人的定义
国际标准化组织：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、
工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专
门系统。”
我国国家标准：“一种能自动定位控制，可重复编程的，多功能的、
多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。”
2. 工业机器人的发展
（1）第一代工业机器人通常是指“可编程工业机器人”，又称“示教
再现工业机器人”。
（2）第二代工业机器人通常是指具有某种智能（如触觉、力觉、视觉
等）功能的“智能机器人”，即由传感器得到的触觉、力觉和视觉等信息
经计算机处理后，控制工业机器人的操作机完成相应的适应性操作。
（3）第三代工业机器人即所谓的“自治式工业机器人”。它不仅具有
感知功能，还具有一定的决策及规划能力。
第3章
机电一体化实例
3.2 工业机器人
3.2.2
工业机器人的组成和结构
1. 工业机器人的分类
1）按坐标系分类
多关节机器人
圆柱坐标机器人
（1）圆柱坐标机器人
（2）极坐标机器人
（3）直角坐标机器人
（4）多关节机器人
2）按执行机构运动的控制机能分类
极坐标机器人
工业机器人按执行机构运动的控制机能，
又可分点位型和连续轨迹型。
3）按驱动方式分类
工业机器人按驱动方式可分为电力驱动、
液压驱动和气压驱动。
直角坐标机器人
第3章
机电一体化实例
3.2 工业机器人
3.2.2
工业机器人的组成和结构
2. 工业机器人的组成
（1）操作机也称
执行机构，由末端执
行器、手腕、手臂和
机座组成。
（2）驱动装置为
操作机工作提供动力，
由驱动器、减速器和
检测元件等组成。
（3）控制系统分为开环控制系统
和闭环控制系统，其功能是控制工业
机器人按照要求动作。
（4）人工智能系统主要由感觉系统
（硬件）和决策、规划系统（软件）组成。
工业机器人的组成
第3章
3.2.3
机电一体化实例
工业机器人在生产中的应用
压铸机器人可用于汽车零件的生产；焊接是最大的工业机器人应用领域，占工
业机器人总数的25％左右；喷漆机器人在汽车、家用电器和仪表壳体制造中已发挥
了重要作用；装配是工业机器人的另一重要应用领域。
弧焊工业机器人系统示意图
喷漆工业机器人系统示意图
1—总机座； 2—6轴旋转换位器（胎具）；
3—机器人本体控制装置；4—旋转胎具控制装
置； 5—工件夹具； 6—工件； 7—焊接电源
1—操作机； 2—识别装置； 3—外起动； 4—工件； 5—示
教手把； 6—喷枪； 7—漆罐；8—外同步控制； 9—生产线
停线控制； 10—控制系统；11—遥控急停按钮； 12—油源
第3章
机电一体化实例
3.3 针式打印机
3.3.1
返回
针式打印机简介
针式打印机（撞击式打印机）是一种办公用机电一体化产品，工作原理
类似于复写纸复写，打印头（内部有多支金属打印针，常见的为24针和9针）
在纸张和色带上运动，当指定的打印针到达指定的位置时，在电磁铁吸合的
作用下击打色带，色带上的色素印在纸上形成一个色点。
针式打印机击打原理图
第3章
机电一体化实例
3.3 针式打印机
3.3.1
针式打印机简介
当计算机将需要打印
的数据传输给打印机时，
打印机根据数据从字库中
提取字形码，根据字形码
来控制打印头中每一根针
的动作逻辑。每打印一列
，字车电动机驱动打印头
向右移动一列的位移，接
着打印下一列，如此重复，
直到遇到每一行的回车符
（不可见）时，停止打印
并迅速回到初始位置。
点阵式字符的形成和列数据
第3章
机电一体化实例
3.3 针式打印机
3.3.2
针式打印机的结构
针式打印机的控制系统属于开环控制系统，主要由机械部分和电路
部分组成。
针式打印机组成框图
第3章
机电一体化实例
3.3 针式打印机
3.3.2
针式打印机的结构
1. 机械部分
1）字车传动机构
步进电动机通过齿轮减速后驱
动同步带，同步带上固定有装着打
印头的字车。
2）走纸传动机构
为了防止误差导致打印质量下
降，采用双齿轮错齿法消除误差。
3）色带传动机构
色带传动机构一般由换向齿轮
组和色带盒组成。
4）打印头
常用打印头为9针和24针，都
是通过薄膜电缆与控制电路连接。
针式打印机字车传动机构
针式打印机摩擦式走纸传动机构
第3章
机电一体化实例
3.3 针式打印机
3.3.2
针式打印机的结构
2. 电路部分
针式打印机组成原理图
第3章
机电一体化实例
3.3 针式打印机
3.3.2
针式打印机的结构
2. 电路部分
1）接口电路
接口电路是打印机与主控计
算机之间进行状态、命令和数据
通信的通路。
针式打印机和计算机之间的通信接口
第3章
机电一体化实例
3.3 针式打印机
3.3.2
针式打印机的结构
2. 电路部分
2）状态检测电路
（1）打印头初始位置检测电路
（2）纸尽及纸张检测电路
（3）打印头温度检测电路
LQ-1600K的打印头初始位置检测电路
LQ-1600K打印机的纸尽及纸张检测电路
LQ-1600K打印机打印头温度检测电路
第3章
机电一体化实例
3.3 针式打印机
3.3.2
针式打印机的结构
2. 电路部分
3）主控计算机
打印机的主控计算机通常用单片机组成，其本身就是一台完整的计
算机，因此，除打印头、字车和走纸控制外，也有CPU、数据存储器
RAM、程序存储器ROM、I/O电路等。
微处理器控制着打印机的所有动作和功能，还要根据选择面板的功
能对工作状态进行检测及显示。
打印机的存储器按功能分为输入数据缓冲存储器、中间数据缓冲存
储器、监控程序存储器、西文和汉字字符点阵存储器(字库)等。
I/O电路用来实现微处理器和各种状态传感器、控制电动机以及计算
机之间的信息交换，是微处理器和外部进行通信的接口。
另外，微处理器还要执行打印机的状态检测。在打印过程中，每打
印一行的任务之前，先进行打印机的状态检测，包括打印头初始位置检
测、纸尽和纸张检测、打印头温度检测等。
第3章
机电一体化实例
3.3 针式打印机
3.3.2
针式打印机的结构
2. 电路部分
5）步进电动机驱动电路
（1）走纸电动机驱动电路
（2）字车电动机驱动电路
走纸电动机驱动电路
字车电动机驱动电路
第3章
机电一体化实例
3.3 针式打印机
3.3.2
针式打印机的结构
2. 电路部分
6）操作面板与状态指示电路
用户可以通过状态指示灯了解打
印机的状态，通过按键进行一定的控
制。联机按钮用来和上位机进行通信
连接；换行按钮通过人为操作可使纸
张前进一行；换页按钮在脱机状态下
有效，可实现空走纸一页。
7)电源
针式打印机由于功耗较大，故均
采用开关电源，将220 V交流电压转变
成打印机各部件使用的直流电压，如
＋5 V、＋12 V、＋24 V等。
打印机键盘操作和状态显示电路
第3章
机电一体化实例
3.4 全自动洗衣机
返回
全自动洗衣机按照控制方法的不同分为一般控制的全自动洗衣机和
模糊控制的全自动洗衣机。
3.4.1 全自动洗衣机简介
全自动洗衣机在机械
机构上有搅拌式、波轮式
和滚筒式3种结构，我国
通常使用后两种，特别是
波轮式应用十分广泛。
滚筒式有前开门式和
上开门式两种，我国使用
的都是前开门式，虽然取
放衣物不太方便，但可以
从玻璃门中观察洗涤情况，
且外形美观。
洗衣机的结构
1—内筒； 2—波轮； 3—电动机； 4—滚筒； 5—提升凸筋
第3章
机电一体化实例
3.4 全自动洗衣机
3.4.1
全自动洗衣机的电气部分及控制系统
全自动洗衣机可分为简单程序控制洗衣机、模糊控制洗衣机、神经
网络控制洗衣机3种，其中模糊控制洗衣机应用最为广泛。
模糊控制洗衣机用模糊推理方法模拟人的操作技能、控制经验和知
识等来实现控制。它根据各类传感器检测的洗涤物状态和运行的各种参
数进行模糊推理，自动调整操作程序。
1. 控制器：进行过程控制及状态显示。
2. 传感器检测电路
1）水位检测电路：水位检测采用了机械式电阻传感器进行检测。
2）电源电压检测电路：当电压过高或者过低时停止工作。
3）电源电压过零检测：控制输出电压，实现电动机的启动、停止和
调速等功能。
4）水温检测：水温检测通过传感器来实现。
5）衣物脏污程度及水质浑浊度检测：水质浑浊度及衣物脏污程度检
测采用了光电式传感器。
第3章
机电一体化实例
3.4 全自动洗衣机
3.4.1
全自动洗衣机的电气部分及控制系统
3. 驱动控制电路
1）主电动机驱动控制电路
波轮驱动电动机需要进行正反转
等控制，采用了单相交流电动机。
2）洗涤剂加入驱动电路
3）进水和排水驱动控制电路
4. 传感器检测电路
单相交流电动机正反转原理
1）蜂鸣器电路
PA1和PA0口线分
别驱动不同频率的两个
蜂鸣器N1和N2。
2）LED驱动电路
5. 电源电路
电源电路
第3章
机电一体化实例
3.5 视频播放机VCD
3.5.1
返回
VCD影碟机的基本结构
VCD影碟机的基本结构视频播放机（vidio CD，简称为VCD）是一
种典型的机电一体化产品，它将光盘上存放的MPEG-1标准编码的运动图
像及伴音数据解码并重放。它包括机械部分和电路部分。
VCD结构框图
第3章
机电一体化实例
3.5.1VCD影碟机的基本结构
激光头将激光聚焦后照射到光盘
上，根据光盘上是否有凹坑来决定反
射，反射回的光束分3束，其中主光束
中为各种数据信息，而两束辅助光束
则用于聚焦伺服和进给伺服等伺服系
统中。
激光头结构原理
光敏二极管拾取光盘数据时误差的反映
第3章
机电一体化实例
3.5 视频播放机VCD
3.5.2
VCD影碟机的机械部分
1. 光盘装卸机构
盘装卸包括装载光盘的
托盘进出和机芯的升降两部
分动作，需要用一个电动机
驱动两个分段动作，所以必
须使用间歇机构来实现。
在装卸机构中采用不完
全齿轮来实现托盘的进出，
采用一个圆柱凸轮来实现机
芯的升降。
光盘装卸机构原理图
第3章
机电一体化实例
3.5 视频播放机VCD
3.5.2
VCD影碟机的机械部分
2. 进给驱动机构与光盘旋转机构
主轴电动机的转子轴上
安装有一转盘，当光盘转入
后，整个机构开始上升，光
盘的中心孔落入转盘中。
进给驱动由进给
电动机驱动齿条，齿
条和激光头固定，实
现了激光头的径向进
给。为了减小进给中
机械传动部分的误差
，固定在激光头侧面
的齿条采用双齿条错
齿消除误差。
VCD机芯图
第3章
机电一体化实例
3.5 视频播放机VCD
3.5.2
VCD影碟机的机械部分
3. 聚焦和寻迹伺服驱动机构
聚焦伺服和寻迹伺服采用直线
电动机驱动。在激光头基座上固定
有两组磁铁，而在聚焦透镜上固定
有两组相互垂直的线圈，一组为聚
焦线圈，另一组为寻迹线圈，当线
圈通入一定的电流时，在电磁力的
作用下，聚焦线圈使得透镜上下运
动，而寻迹线圈可以使线圈实现横
向运动，由此实现了聚焦和寻迹运
动
VCD聚焦驱动线圈机构
第3章
机电一体化实例
3.5 视频播放机VCD
3.5.2
VCD影碟机的电路部分
1. 电源电路
VCD影碟机的
总机功耗约在15 W
左右，其供电方式
有线性电源和开关
电源两种。
由于线性电源
较为简单，在此主
要介绍开关电源。
此处采用了负
反馈稳压过程。
VCD开关电源原理图
第3章
机电一体化实例
3.5 视频播放机VCD
3.5.2
VCD影碟机的电路部分
2. 控制电路
VCD影碟机是在控制电路的指挥下工作的。控制电路是以微处理器为
核心的自动控制电路，它在工作时接收人工操作指令(包括遥控指令)，然
后对VCD机的机芯和电路进行控制。
VCD机工作时，先要装光盘。操作装卸光盘键，信息送入微处理器后，
微处理器则输出驱动信号送到装载电动机驱动电路上，使电动机旋转，将
光盘托架送出机仓，进行光盘识别。当控制器认为有光盘时，根据程序分
别输出各种控制信号，使VCD机进入播放状态。搜索到光盘后开始读取光
盘信息，读取到目录信号以后将目录信息送回微处理器，微处理器输出目
录信号并显示在多功能显示屏上。同时将字符信号送到视频信号中去，显
示在电视机的屏幕上，或将光盘的规格内容显示出来，VCD机便进入了播
放准备状态。
在机芯和装载机构中设有几个开关和传感器，为微处理器提供各种工
作状态的信息，如装载到位、出盘状态和进入播放状态等。
第3章
机电一体化实例
3.5 视频播放机VCD
3.5.2
VCD影碟机的电路部分
3. 伺服电路
VCD影碟机在播放
时由激光头拾取光盘上
的信息，为了能使激光
头准确地读取信号，必
须使激光束准确地聚焦
并投射到尺寸微小的凹
坑和凸起中，激光束只
能在被读信号的轨道中
，并且要保持恒定线速
度运行。完成这些功能
的分别为聚焦伺服、寻
迹伺服、进给伺服和主
轴伺服4部分伺服系统。
伺服误差信号处理电路
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3.5 视频播放机VCD
3.5.2
VCD影碟机的电路部分
2）寻迹伺服
3. 伺服电路
1）聚焦伺服
误差使伺服电路产生控制电流，
从而构成了一个动态的自动控制系统
聚焦误差放大器原理
寻迹误差放大器原理
第3章
3.5
3.5.2
机电一体化实例
视频播放机VCD
VCD影碟机的电路部分
3. 伺服电路
3）进给伺服
主轴电动机驱动光盘旋转时，要求光盘与激光头之间的相对运动有
一个恒定的线速度，需要主轴电动机伺服和进给电动机伺服同时工作。
4）主轴伺服
主轴电动机的伺服驱动通过激光头读取光盘输出信息中的同步信号，
经过计算可得到误差信号，误差信号可转换成驱动控制信号，实现电动
机转速和转矩控制。
4. 音、视频信号处理电路
光盘上的音、视频压缩信号经过激光头检测提取，送到数字信号处
理（DSP）电路中进行解压缩处理，还原出音频和视频的数字信号。
5. 操作显示电路
操作显示电路的功能是通过按键操作或遥控方式接收人工指令、实
现显示功能以及通过传感器输入端来检测传感器或开关信号。
结 束 语