《機械電子工程實驗教程》是在機械電子工程系列課程實驗教學體系與內容改革研究和實踐的基礎上編寫的，以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力為目標，按實驗課程自身的體系引導學生掌握機械基礎實驗的基本原理、基本技能和方法。《機械電子工程實驗教程》闡述了機械電子工程實驗的意義和要求，構建了機械電子工程實驗的體系，介紹了機械電子工程實驗的基礎知識。書中分別以單片機、DSP、PLC等為核心設計了綜合性、設計性、創(chuàng)新性實驗。此外還設計了虛擬實驗，包括經(jīng)典控制理論虛擬實驗、現(xiàn)代控制理論虛擬實驗、s7-200仿真軟件認識及模塊擴展地址分配虛擬實驗、TD200學習虛擬實驗等。作為課內實驗的拓展，《機械電子工程實驗教程》還給出了運動控制器的調整實驗、移動機器人的串口通信控制、“樂高”創(chuàng)意設計與制作等課外科技實踐內容�！稒C械電子工程實驗教程》可作為高等工科學校機械基礎課程的實驗教材，也可供有關教師、工程技術人員和科研人員參考。
機械電子工程實驗課程著重培養(yǎng)學生的基本機電系統(tǒng)實驗技能和創(chuàng)新設計能力，是高等工科教學中不可缺少的實踐性教學環(huán)節(jié)。為了培養(yǎng)適應我國社會主義現(xiàn)代化建設需要的高級工程技術人才，機械基礎實驗課程必須不斷深化改革，這是一項責任重大的歷史任務。東北大學在國家工科基礎課程機械基礎教學基地建設中，立項對機械電子工程實驗課程進行改革實踐，并在總結改革實踐經(jīng)驗和多年教學經(jīng)驗的基礎上，編寫了本書。
“機械電子工程實驗教程”是教學改革的產(chǎn)物，也是為了滿足現(xiàn)代社會對機械電子工程技術人才的需求所采取的一項教學內容。它以培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和綜合設計能力為目標，以機械電子工程實驗自身教學規(guī)律為主線，合理構建實驗教學體系。在教學組織上，加大實踐教學的改革力度，增加實驗教學的學時，培養(yǎng)學生的動手能力，由此構建獨立的機械電子工程實驗教學體系，單獨設立機械電子工程實驗課程，單獨計算學生實驗課成績。在實驗教學管理方面，實現(xiàn)實驗教學的開放管理、電子信息化管理。學生按照教學基本要求，結合自身特點自主選擇實驗項目，實現(xiàn)實驗教學內容和選題的柔性與開放性，體現(xiàn)個性化培養(yǎng)，為學生提供更多的實踐學習機會。
本書在明確機械電子工程實驗的意義基礎上，結合東北大學實驗教學的具體條件構建了機械電子工程的實驗課程體系，并與“機械工程控制基礎”、“機電一體化技術基礎”、“機器人技術基礎”等機械電子工程專業(yè)的主干課程銜接。在實驗項目的開發(fā)和配置方面，改革原有的驗證性實驗項目，開發(fā)先進的設計性、綜合性、研究性實驗項目，實現(xiàn)實驗內容由單一型、局部型向綜合型、整體型的轉變；在實驗方法方面，實現(xiàn)由演示型、驗證型向參與型、開發(fā)型和研究型轉變；實驗測試手段向計算機輔助測試的方向拓展，設置多個虛擬實驗和課外科技實踐項目。
本書由宋偉剛、羅忠主編，參加編寫工作的人員有李東升、李允公、劉宇、戴麗、于清文、顏世玉、喻春陽、趙海濱、劉沖、宮照民、鄂曉宇等。東北大學的劉杰教授、柳洪義教授審閱了書稿。
本書是在東北大學國家工科機械基礎課程教學基地實驗教學體系與內容改革研究和實踐的基礎上編寫的，其中的實驗項目、實驗內容和實驗方法是以東北大學機械電子工程研究所現(xiàn)有的軟硬件條件為基礎的，兄弟院校在使用時可根據(jù)自身的具體情況作適當調整。
限于編者水平，書中疏漏與不妥之處，敬請讀者批評指正。
1 緒論
1.1 實驗的內涵及意義
1.2 機械電子工程實驗課程的體系和內容
1.2.1 基本實驗
1.2.2 綜合性、設計性、創(chuàng)新性實驗
1.2.3 虛擬實驗
1.2.4 課外科技實踐
1.3 機械電子工程實驗課程的要求
2 機電系統(tǒng)中的常用驅動器及傳動機構
2.1 直流伺服電動機
2.1.1 直流伺服電動機的工作原理
2.1.2 直流伺服電動機的調速方式
2.1.3 直流伺服電動機的PWM調速控制系統(tǒng)
2.2 交流伺服電動機
2.2.1 永磁同步交流伺服電動機
2.2.2 交流伺服電動機的變頻調速
2.2.3 SPWM波調制
2.2.4 微機控制的SPWM控制模式
2.2.5 交流伺服電動機的矢量控制
2.3 步進電動機
2.3.1 步進電動機的工作原理
2.3.2 步進電動機的主要特性
2.3.3 步進電動機的結構類型
2.3.4 步進電動機的控制
2.3.5 基于單片機的步進電動機控制
2.4 運動控制系統(tǒng)中的傳動機構
2.4.1 精密齒輪傳動
2.4.2 滾珠絲桿螺母副
2.4.3 撓性傳動
3 機電系統(tǒng)中控制器原理與基本實驗
3.1 機電系統(tǒng)中常用控制器分類
3.2 傳感器技術
3.2.1 傳感器概念及其分類
3.2.2 傳感器的性能指標
3.2.3 機電控制系統(tǒng)中常用的傳感器
3.2.4 傳感器的選用原則
3.3 基于PROTEUS的單片機系統(tǒng)仿真
3.3.1 概述
3.3.2 電路原理圖設計
3.3.3 電路仿真實驗
3.4 可編程序控制器
3.4.1 CPU224XP及編程軟件認識實驗
3.4.2 S7-200基本指令實驗
3.4.3 子程序、中斷程序練習指令
3.5 工業(yè)控制機
3.5.1 工控機數(shù)據(jù)采集實驗
3.5.2 基于工控機的CAN總線控制認識實驗
3.6 閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成與控制原理
3.6.1 控制元件
3.6.2 作用量和被控量
3.6.3 對閉環(huán)控制系統(tǒng)的要求
4 綜合性、設計性、創(chuàng)新性實驗
4.1 單片機實驗
4.1.1 8251串口實驗
4.1.2 A／D和D／A轉換實驗
4.1.3 單片機步進電動機控制實驗
4.1.4 直流電動機控制與測速實驗
4.2 直流電動機DSP控制實驗
4.3 PLC實驗
4.3.1 PLC控制迷你相撲機器人實驗
4.3.2 數(shù)控機床的PLC控制實驗
4.4 ARM實驗
4.4.1 概述
4.4.2 ARM9-2440EP實驗箱
4.4.3 C語言編程實驗
4.4.4 I／O接口實驗
4.4.5 ARM串口通信實驗
4.5 機器人系統(tǒng)控制實驗
4.5.1 機器視覺實驗
4.5.2 二維插補原理及實現(xiàn)實驗
4.5.3 數(shù)控代碼編程實驗
4.6 直流伺服位置控制實驗
4.7 基于IPc機的電磁振動定量給料系統(tǒng)設計實驗
4.8 基于單片機的電磁振動定量給料系統(tǒng)設計實驗
4.9 慣性振動機停機減振系統(tǒng)設計實驗
4.1 0基于單片機的電磁振動給料機定振幅控制設計實驗
5 虛擬實驗
5.1 MATLAB基礎
5.1.1 MATLAB的操作界面
5.1.2 MATIAB的幫助界面
5.1.3 MATLAB定義的常用特殊變量
5.1.4 MATIAB操作的注意事項
5.2 機械工程控制系統(tǒng)的數(shù)學模型
5.3 機械工程控制系統(tǒng)的時域分析
5.4 機械工程控制系統(tǒng)的根軌跡分析
5.5 機械工程控制系統(tǒng)的頻域分析
5.6 機械工程控制系統(tǒng)的設計與校正
5.7 離散控制系統(tǒng)
5.8 現(xiàn)代控制理論基礎
5.9 S7-200仿真軟件認識及模塊擴展地址分配虛擬實驗
5.1 0TD200學習虛擬實驗
5.1 1“樂高”機電一體化系統(tǒng)設計實驗
6 課外科技實踐
6.1 運動控制器的調整
6.2 移動機器人的串口通信控制
6.3 “樂高”創(chuàng)意設計與制作
附表機械電子工程實驗報告(樣式)
參考文獻
1 緒論
1.1 實驗的內涵及意義
實驗一般多指科學實驗，是按照一定的目的，運用相關的儀器設備，在人為控制條件下，模擬自然現(xiàn)象進行研究，認識自然界事物的本質和規(guī)律。實驗是純化、簡化、強化和再現(xiàn)科學研究對象，延緩或加速自然過程，為理論概括提供充分可靠的客觀依據(jù)，可以超越現(xiàn)實生產(chǎn)所涉及的范圍，縮短認識周期�？v觀機械的發(fā)展史，人類從使用原始工具到原始機械、古代機械、近代機械乃至今天的智能機器人、宇航飛行器等現(xiàn)代機械，都歷經(jīng)了科學實驗的探索和驗證。隨著科學技術的發(fā)展，科學實驗具有越來越重要的作用，其廣度和深度不斷拓展，成為自然科學理論的直接基礎。許多偉大的發(fā)現(xiàn)、發(fā)明和突破性理論都來自科學實驗。
科學實驗是理論的源泉、科學的基礎、發(fā)明的沃土、創(chuàng)新人才的溫床，是將新思想、新設想、新信息轉化為新技術、新產(chǎn)品的孵化室，甚至是高科技轉化為市場的中間試驗基地。高等院校的絕大多數(shù)科研成果和高科技產(chǎn)品首先是在實驗室里誕生的�？茖W實驗是探索未知、推動科學發(fā)展的強大武器，對經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展、增強綜合國力具有重要意義。
1.2 機械電子工程實驗課程的體系和內容
實驗教學是理工科專業(yè)教學的重要組成部分，它不僅是學生獲得知識的重要途徑，而且對培養(yǎng)學生的實際工作能力、科學研究能力和創(chuàng)新能力具有十分重要的作用，對實現(xiàn)知識、能力、素質并重的培養(yǎng)目標起著關鍵作用。
新的機械電子工程實驗課程體系，改變了實驗僅作為理論課程的附屬地位，改變了理論課程成績不能反映學生的實踐能力和水平、學生不重視實驗的狀況。它以培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和綜合設計能力為目標，以機械電子工程相關課程的實驗系統(tǒng)為主線，按實驗自身體系獨立設置課程，成績單獨考核和記分。新的機械電子工程實驗課程的實驗內容由單一型、局部型向綜合型、整體型、創(chuàng)新型轉變；實驗方法由演示型、驗證型向參與型、開發(fā)型轉變，實驗手段向計算機輔助測試轉變。重視實驗教學與科研、生產(chǎn)相結合。它將實驗分為基本實驗（必做），綜合性、設計性與創(chuàng)新性實驗（選做），虛擬實驗（選做），課外科技創(chuàng)新實踐項目（自由申請，立項進行）幾個部分，必做實驗與選做實驗結合并行，實現(xiàn)了實驗內容和選題的柔性與開放性，尊重學生個性，為學有余力的學生提供更好的鍛煉機會和發(fā)展空間。
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