电子世界电气时代

电子世界，电气时代-电气成就世界，电气创造未来!电气工程(Electrical Engineering简称EE)是现代科技领域中 的核心学科之一，更是当今高新技术领域中不可或缺的关键学科。例如 正是电子技术的巨大进步才推动了以计算机网络为基础的信息时代的 到来，并将改变人类的生活工作模式等等。从某种意义上讲，电气工程的发达程度代表着国家的科技进步水平。 正因为此，电气工程的教育和科研一直在发达国家大学中占据十分重要 的地位。1870 年以后的第二次工业革命(Second Industrial Revolution)， 科学技术的发展突飞猛进，各种新技术、新发明层出不穷，并被迅速应 用于工业生产，大大促进了经济的发展，对人类的文明产生了深远的影 响，这次工业革命就是以电力的广泛应用为标志的！电气工程是一种涉及电学与电磁学的研究与应用的工程技术。也有 人将电机工程与电子工程统称为电气工程。美国主要大学电气工程学科 的教学与科研领域简要归纳为11个方向：它们是通讯与网络，计算机 科学与工程，信号处理，系统控制，电子学与集成电路，光子学与光学，电力，电磁学，微结构(Microstructure),材料与装置，生物工程。 也有学者认为电力系统及其自动化、输配电工程、高电压与绝缘技 术、供用电技术、继电保护、远动系统通讯、电机、电力电子、电工理 论与新技术、电力传动、变频传动是当前电气工程的几大研究方向。电 能量的存储，自然界能量向可利用电能的转换，节能技术的深入研究， 也是电气工程的方向。美国斯坦福大学教授指出：今天的电气工程涵盖了几乎所有与电子、 光子有关的工程行为。本领域知识宽度的巨大增长，要求我们重新检查 甚至重新构造电气工程的学科方向、课程设置及其内容，以便使电气工 程学科能有效地回应学生的需求、社会的需求、科技的进步和动态的科 研环境。今后若干年内对电气工程发展影响最大的主要因素包括：1、信息技术的决定性影响。信息技术广泛地定义为包括计算机、 世界范围高速宽带计算机网络及通讯系统，以及用来传感、处理、存储 和显示各种信息等相关支持技术的综合。信息技术对电气工程的发展具 有特别大的支配性影响。信息技术持续以指数速度增长在很大程度上取 决于电气工程中众多学科领域的持续技术创新。反过来，信息技术的进 步又为电气工程领域的技术创新提供了更新更先进的工具基础。2、与物理科学的相互交叉面拓宽。 由于三极管的发明和大规模 集成电路制造技术的发展，固体电子学在20世纪的后50年对电气工程 的成长起到了巨大的推动作用。电气工程与物理科学间的紧密联系与交 叉仍然是今后电气工程学科的关键，并且将拓宽到生物系统、光子学、 微机电系统（MEMS）。21世纪中的某些最重要的新装置、新系统和新 技术将来自上述领域。3、快速变化。技术的飞速进步和分析方法、设计方法的日新月异， 使得我们必须每隔几年对工程问题的过去解决方案重新全面思考或审 查。这对我们如何聘用新的教授，如何培养我们的学生有很大影响。在当今中国大陆电气工程研究的十大热门方向分别是:1. PLC（可编程控制器）;2N C （数控技术）；3.CAM（计算机辅助制造）；4. ROBOT （机器人技术）；5.单片机;6变频器;7步进电机;8触控屏 幕;9LED;10 LCD等十大元件模块！其中PLC技术，NC技术, CAM技术和ROBOT技术是当今工业生产自动化的四大支柱！电气 工程研究的这十大热门方向也是优秀电气工程师必须熟练掌握的核心 技能！1.机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人 类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定 的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、 建筑业，或是危险的工作。实用上，机器人是自动执行工作的机器装置。机器人可接受人类 指挥，也可以执行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的 原则纲领行动。机器人执行的是取代或是协助人类工作的工作，例如制 造业、建筑业，或是危险的工作。机器人可以是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学 的产物。目前在工业、医学甚至军事等领域中均有重要用途。一个机器人可以包括一个感觉与动作之间的连结，而且这个连结 不是由人类直接控制的。机器人的动作也许是电动机或是驱动器（也称 效应器）移动一只手臂，张开或关闭一个夹子的动作。此种直接而详尽 的控制跟回馈也许是由在外部或是嵌入式的电子计算机或是微控制器 上运行的程序提供。根据这个定义，所有的自动装置都算机器人。另一方面，机器人也泛指“机器构成的人”，或是像动物的自动 机器。真实的或虚构的机器都包括在内。机器人也泛指在工作或娱乐中 直接取代人类或动物的机器。机器人的这个意思就是“仿生（模仿生物） 的机器”。很少有人将一台高度复杂的现代洗衣机称为机器人，也许就 是因为此机器不够拟人。还有些人只将高度自动的机器或者计算机程序称为机器人。这种 分法排除了大部分的机器。机器人以及人工智能研究的目标一直是不断 提高自动的程度。虽然人们常期望高度精密的机器人，机器人的基本元素其实十分 简单。结合多种电子计算机与电机系统就能表现出相当的精密性。2单片机即单片微型计算机，是把中央处理器、存储器、定时/ 计数器、输入输出接口都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。与 应用在个人电脑中的通用型微处理器相比，它更强调自供应（不用外接硬件)和节约成本。它的最大优点是体积小，可放在仪表内部，但存储 量小，输入输出接口简单，功能较低。由于其发展非常迅速，旧的单片 机的定义已不能满足，所以在很多应用场合被称为范围更广的微控制器, 但是目前在中国大陆仍多沿用“单片机”的称呼。3.LED是Light Emitting Diode的缩写，中文名字发光二极管， 是一种半导体元件。初时多用作为指示灯、显示板等；随著白光LED的 出现，也被用作照明。它被誉为21世纪的新型光源，具有效率高，寿 命长，不易破损等传统光源无法与之比较的优点。加正向电压时，发光二极管能发出单色、不连续的光，这是电致发 光效应的一种。改变所釆用的半导体材料的化学组成成分，可使发光二 极管发出在近紫外线、可见光或红外线的光。1955 年，美国无线电公司(Radio Corporation of America )的 鲁宾布朗石泰(Rubin Braunstein )( 1922年生)首次发现了砷化 镓(GaAs)及其他半导体合金的红外放射作用。1962年，通用电气公司 的尼克何伦亚克(Nick Holonyak Jr. )( 1928年生)开发出第一种 实际应用的可见光发光二极管。4液晶显示器，或称LCD(Liquid Crystal Display),为平面超薄 的显示设备，它由一定数量的彩色或黑白画素组成，放置于光源或者反 射面前方。液晶显示器功耗很低，因此倍受工程师青睐，适用于使用电 池的电子设备。每个画素由以下几个部分构成：悬浮于两个透明电极（氧化锢锡） 间的一列液晶分子，两个偏振方向互相垂直的偏振过滤片，如果没有电 极间的液晶，光通过其中一个过滤片势必被另一个阻挡，通过一个过滤 片的光线偏振方向被液晶旋转，从而能够通过另一个。液晶分子本身带有电荷，将少量的电荷加到每个画素或者子画素的 透明电极，则液晶的分子将被静电力旋转，通过的光线同时也被旋转， 改变一定的角度，从而能够通过偏振过滤片。在将电荷加到透明电极之前，液晶分子处于无约束状态，分子上的 电荷使得这些分子组成了螺旋形或者环形（晶体状），在有些LCD中， 电极的化学物质表面可作为晶体的晶种，因此分子按照需要的角度结晶, 通过一个过滤片的光线在通过液芯片后偏振防线发生旋转，从而使光线 能够通过另一个偏振片，一小部分光线被偏振片吸收，但其余的设备都 是透明的。将电荷加到透明电极上后，液晶分子将顺着电场方向排列，因此限 制了透过光线偏振方向的旋转，假如液晶分子被完全打散，通过的光线 其偏振方向将和第二个偏振片完全垂直，因此被光线完全阻挡了，此时 画素不发光，通过控制每个画素中液晶的旋转方向，我们可以控制照亮 画素的光线，可多可少。许多LCD在交流电作用下变黑，交流电破坏了液晶的螺旋效应，而 关闭电流后，LCD会变亮或者透明。为了省电，LCD显示釆用复用的方法，在复用模式下，一端的电极 分组连接在一起，每一组电极连接到一个电源，另一端的电极也分组连 接，每一组连接到电源另一端，分组设计保证每个画素由一个独立的电 源控制，电子设备或者驱动电子设备的软件通过控制电源的开/关序列， 从而控制画素的显示。检验LCD显示器的指标包括以下几个重要方面：显示大小，响应时 间（同步速率），阵列类型（主动和被动），视角，所支持的颜色，亮度 和对比度，分辨率和屏幕高宽比，以及输入接口（例如视觉接口和视频 显示阵列）。5.可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）, 是一种用自动化实时控制的数位逻辑控制器，广泛应用于目前的工业控 制领域。在可编程逻辑控制器出现之前，一般要使用成百上千的继电器 以及计数器才能组成具有相同功能的自动化系统，而现在，经过编程的 简单的可编程逻辑控制器模块基本上已经代替了这些大型装置。可编程 逻辑控制器的系统程序一般在出厂前已经初始化完毕，用户可以根据自 己的需要自行编辑相应的用户程序来满足不同的自动化生产要求。最初的可编程逻辑控制器只有电路逻辑控制的功能（10控制），所 以被命名为可编程逻辑控制器，后来随着不断的发展，这些当初功能简 单的计算机模块已经有了包括逻辑控制，时序控制、模拟控制、多机通 信等许多的功能，名称也改为可编程控制器（Programmable Controller ）,但是由于它的简写也是PC与个人电脑（PersonalComputer ）的简写相冲突，也由于多年来的使用习惯，人们还是经常 使用可编程逻辑控制器这一称呼，并在术语中仍沿用PLC这一缩写。现在工业上使用可编程逻辑控制器（PLC）已经相当接近于一台轻巧 型电脑所构成，甚至已经出现整合个人电脑（采用嵌入式操作系统）与 PLC架构的PC-BASE控制器，能透过数位或类比输入/输出模组控制机 器设备、制造处理流程、及其它控制模组的电子系统。PLC可接收（输 入）及发送（输出）多种型态的电气或电子讯号，并使用他们来控制或监 督几乎所有种类的机械与电气系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、 编程简单等特点。在工业控制领域中，PLC控制技术的应用已成为工业 界不可或缺的一员。6.触控屏幕（英文:Touch panel ,Touchscreens）又称为触控面板， 是个可接收触头（无论是手指或胶笔尖等）等输入讯号的感应式液晶显 示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据 预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并 借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。而简单说是指种可触控式的屏幕，通常是在半反射式液晶面板上覆 盖一层压力板，其对压力有高敏感度，当物体施压于其上时会有电流讯 号产生以定出压力源位置，并可动态追踪。触控屏幕的用途非常广泛，从常见的PDA、提款机、到工业用的触控电 脑，因为触控屏幕为亲切且生动的人机接口。7变频器的英文译名是VFD (Variable-frequency Drive ),这可能 是现代科技由中文反向译为英文的为数不多实例之一。(但VFD也可解 释为Vacuum fluorescent display，真空荧光管，故这种译法并不常 用)。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的 频率和幅度的方式来控制交流电动机的电力传动元件。变频器在中、韩 等亚洲地区受日本厂商影响而曾被称作VVVF(Variable Voltage Variable Frequency Inverter )。变频器原理以及基本知识,变频器是利用电力半导体器件的通断作 用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。&步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。 在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率 和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则 转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误 差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控 制变的非常的简单。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲： 当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转 动一个固定的角度(及步进角)。您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；同时您可以通过控制脉冲频率来控制 电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机是一种感应 电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相 时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电 机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路 等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、 电机、电子及计算机等许多专业知识。9NC （Numerical Control,数字控制，简称数控）指用离散的数字信 息控制机械等装置的运行，只能由操作者自己编程CNC（数控机床）是计算机数字控制机床（Computer number control） 的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑 地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使 机床动作并加工零件。基于数字控制的DC转换器为当今电源所具有的标准特性带来了 新的应用空间。数字电源实现了在电源设计方面的两大根本性的变化， 即通过数字接口与转换器进行通信和对环路的数字控制。我们通常将其 分别称为数字管理电源与数字控制电源。电源转换器在设计方面的这两 种变化使得电源特性具有更大的自由度，并且能够进行现场重新配置， 而无需更改电源中的任何组件。普通电源的电压排序特性就是一个很好 的例子。在数字控制电源中，控制器拥有非常高级的功能来管理和监 控基于时间的事件。通常，数字控制器具有多个可自由处理的定时器和 寄存器。除电源排序特性之外，控制器管理集成定时器还具有另外一些 功能，如调制PWM输出或管理数字通信总线。模拟和数字技术很快将争夺电源调节器件控制电路的主导权，但实 际情况是，在反馈回路控制方面，这两种技术看起来正愉快地共存着。 的确，许多电源管理供应商都提供了不同的方案。一些数字控制最初的 可编程优势现在甚至在釆用模拟反馈回路的控制器和稳压器中也有了。 当然，数字电源还是有一些吸引人之处。在一个PID控制器（更复杂的 实例）中，每个ADC输入都要执行基于一系列系数的算法。比例系数是 与灵敏度相关的增益因子。整数系数按照错误出现的时间长短来调节 PWM的占空比。诱导系数补偿回路的时间延迟（相位更有效）。综合起来， PID算法的各个系数决定了系统的频率响应。控制器随后将ADC的输出 电压表示转换成维持期望的输出电压所需的脉冲持续时间（占空比）信 息。然后，该信息被传送至一个DPWM,它执行与模拟PWM 一样的驱动 信号产生功能。注意模拟和数字控制方案管理开关晶体管的不同。模拟 控制器在时钟上升沿触发开关晶体管成ON状态，并在电压坡度达到预 设的门槛电压时将晶体管触发成OFF状态；PID控制器则计算开关晶体 管ON和OFF状态期间所需的持续时间。理论上，模拟控制可以提供连 续精度的输出电压。但ADC精度和釆样率的交互作用再加上DPWM开关 速率，使事情变得有些复杂。程序块处理时间及其它由于CPU处理速度的提高，以及CNC制造商 将高速度CPU应用到高度集成化的CNC系统中，CNC的性能有了显著 的改善。反应更快、更灵敏的系统实现的不仅仅是更高的程序处理速度。 事实上，一个能够以相当高的速度处理零件加工程序的系统在运行过程 中也有可能象一个低速处理系统，因为即使是功能完备的CNC系统也存 在着一些潜在的问题，这些问题有可能成为限制加工速度的瓶颈。在 很多方面，这种情况和赛车的驾驶很相似。速度最快的赛车就一定能赢 得比赛吗？即使是一个偶尔才观看车赛的观众都知道除速度以外，还有 许多因素影响着比赛的结果。车手对于赛道的了解程度很重要：他必 须知道何处有急转弯，以便能恰如其分地减速，从而安全高效地通过弯 道。在采用高进给速度加工模具的过程中，CNC中的待加工轨迹监控技 术可预先获取锐曲线出现的信息，这一功能起着同样的作用。同样的， 车手对其他车手动作以及不可确定因素的反应灵敏程度与CNC中的伺 服反馈的次数类似。CNC中伺服反馈主要包括位置反馈、速度反馈和电 流反馈。10.CAM （computer Aided Manufacturing,计算机辅助制造）的核心 是计算机数值控制（简称数控）,是将计算机应用于制造生产过程的过程 或系统。1952年美国麻省理工学院首先研制成数控铣床。数控的特征 是由编码在穿孔纸带上的程序指令来控制机床。此后发展了一系列的数 控机床，包括称为“加工中心”的多功能机床，能从刀库中自动换刀和 自动转换工作位置，能连续完成锐、钻、饺、攻丝等多道工序，这些都 是通过程序指令控制运作的，只要改变程序指令就可改变加工过程，数 控的这种加工灵活性称之为“柔性”。