中北大學(xué) 機(jī)電一體化 第六章機(jī)電一體化系統(tǒng)機(jī)電有機(jī)結(jié)合的與設(shè)計(jì)

1、 機(jī)電伺服系統(tǒng)的被控對象作機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)，該被控對象機(jī)電伺服系統(tǒng)的被控對象作機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)，該被控對象就是系統(tǒng)的負(fù)載，它與系統(tǒng)執(zhí)行元件的機(jī)械傳動(dòng)聯(lián)系有多就是系統(tǒng)的負(fù)載，它與系統(tǒng)執(zhí)行元件的機(jī)械傳動(dòng)聯(lián)系有多種形式。種形式。負(fù)載的運(yùn)動(dòng)形式負(fù)載的運(yùn)動(dòng)形式：直線運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、間歇運(yùn)動(dòng)等直線運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、間歇運(yùn)動(dòng)等。n典型負(fù)載典型負(fù)載; ;n負(fù)載的等效換算負(fù)載的等效換算。6.2.1 6.2.1 負(fù)載分析負(fù)載分析 機(jī)電伺服系統(tǒng)的被控對象作機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)，該被控對象機(jī)電伺服系統(tǒng)的被控對象作機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)，該被控對象就是系統(tǒng)的負(fù)載，它與系統(tǒng)執(zhí)行元件的機(jī)械傳動(dòng)聯(lián)系有多就是系統(tǒng)的負(fù)載，它與系統(tǒng)執(zhí)行元件的機(jī)械傳動(dòng)聯(lián)系有多種形式。

2、種形式。負(fù)載的運(yùn)動(dòng)形式負(fù)載的運(yùn)動(dòng)形式：直線運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、間歇運(yùn)動(dòng)等直線運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、間歇運(yùn)動(dòng)等。n典型負(fù)載典型負(fù)載; ;n負(fù)載的等效換算負(fù)載的等效換算。1 1、負(fù)載分析負(fù)載分析n 典型負(fù)載典型負(fù)載; ; 所謂典型負(fù)載是指慣性負(fù)載、外力負(fù)載、彈性負(fù)載、所謂典型負(fù)載是指慣性負(fù)載、外力負(fù)載、彈性負(fù)載、摩擦負(fù)載摩擦負(fù)載( (滑動(dòng)摩擦負(fù)載、粘性摩擦負(fù)載、滾動(dòng)摩擦負(fù)滑動(dòng)摩擦負(fù)載、粘性摩擦負(fù)載、滾動(dòng)摩擦負(fù)載等載等) )。 1 1、負(fù)載分析負(fù)載分析2.2.負(fù)載的等效換算負(fù)載的等效換算下面以圖下面以圖6-16-1示的機(jī)床工作臺(tái)伺服進(jìn)給系統(tǒng)為例加示的機(jī)床工作臺(tái)伺服進(jìn)給系統(tǒng)為例加以說明。所示系統(tǒng)由一個(gè)移動(dòng)部件和

3、以說明。所示系統(tǒng)由一個(gè)移動(dòng)部件和n n個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件組個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件組成。成。 M M、v v和和F F分別為移動(dòng)部件的質(zhì)量分別為移動(dòng)部件的質(zhì)量( kg)( kg)、運(yùn)動(dòng)速、運(yùn)動(dòng)速度度(m/s)(m/s)和所受的負(fù)載力和所受的負(fù)載力(N)(N)；JjJj、njnj（ j j）和）和TjTj分分別為轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)速別為轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)速(r/min(r/min或或rad/s)rad/s)和所和所受負(fù)載轉(zhuǎn)矩受負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N m)(N m)。計(jì)算：計(jì)算：6.2.2 6.2.2 執(zhí)行元件的匹配選擇執(zhí)行元件的匹配選擇 擬定系統(tǒng)方案時(shí)，要根據(jù)技術(shù)條件的要求進(jìn)行綜合擬定系統(tǒng)方案時(shí)，要根據(jù)技術(shù)條件的要求進(jìn)

4、行綜合分析，以選擇與被控對象及其負(fù)載相匹配的執(zhí)行元件。分析，以選擇與被控對象及其負(fù)載相匹配的執(zhí)行元件。下面以電動(dòng)機(jī)的匹配選擇為例簡要說明執(zhí)行元件的選擇下面以電動(dòng)機(jī)的匹配選擇為例簡要說明執(zhí)行元件的選擇方法。方法。 以電動(dòng)機(jī)的匹配選擇的執(zhí)行元件的選擇方法。以電動(dòng)機(jī)的匹配選擇的執(zhí)行元件的選擇方法。6.2.3 6.2.3 減速比的匹配選擇與各級(jí)減速比的分配減速比的匹配選擇與各級(jí)減速比的分配 減速比主要根據(jù)負(fù)載性質(zhì)、脈沖當(dāng)量和機(jī)電減速比主要根據(jù)負(fù)載性質(zhì)、脈沖當(dāng)量和機(jī)電一體化系統(tǒng)的綜合要求來選擇確定，既要使減速比一體化系統(tǒng)的綜合要求來選擇確定，既要使減速比達(dá)到一定條件下最佳，同時(shí)又要滿足脈沖當(dāng)量與步達(dá)到一

5、定條件下最佳，同時(shí)又要滿足脈沖當(dāng)量與步距角之間的相應(yīng)關(guān)系，還要同時(shí)滿足最大轉(zhuǎn)速要求距角之間的相應(yīng)關(guān)系，還要同時(shí)滿足最大轉(zhuǎn)速要求等。當(dāng)然要全部滿足上述要求是非常困難的。等。當(dāng)然要全部滿足上述要求是非常困難的。6.2.4 6.2.4 微機(jī)與檢測傳感裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、微機(jī)與檢測傳感裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、 放大電路及電源等的匹配選擇與設(shè)計(jì)放大電路及電源等的匹配選擇與設(shè)計(jì) 確定了執(zhí)行元件與機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)之后，需要根據(jù)所擬系統(tǒng)的初步方案，選擇和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的其余部分，包括（1）.選擇或設(shè)計(jì)微機(jī)與檢測傳感裝置；（2）.選擇或設(shè)計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、放大電路；（3）.選擇或設(shè)計(jì)電源。各部分的設(shè)計(jì)計(jì)算，必須從系

6、統(tǒng)總體要求出發(fā)，考慮相鄰部分的廣義接口、信號(hào)的有效傳遞(防干擾措施)、輸入/輸出的阻抗匹配。6.2.4 6.2.4 微機(jī)與檢測傳感裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、微機(jī)與檢測傳感裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、 放大電路及電源等的匹配選擇與設(shè)計(jì)放大電路及電源等的匹配選擇與設(shè)計(jì) 伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)要從兩頭人手 ：（1）. 從系統(tǒng)應(yīng)具有的輸出能力及要求出發(fā)，選定執(zhí)行元件和傳動(dòng)裝置;（2）. 從系統(tǒng)的精度、速度要求出發(fā)，選擇和設(shè)計(jì)微機(jī)與檢測裝置，并確定信號(hào)的前向和后向通道； 入手入手。6.2.4 6.2.4 微機(jī)與檢測傳感裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、微機(jī)與檢測傳感裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口電路、 放大電路及電源等的匹配選擇與設(shè)計(jì)

7、放大電路及電源等的匹配選擇與設(shè)計(jì) 伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)要從兩頭人手 ：（1）. 從系統(tǒng)應(yīng)具有的輸出能力及要求出發(fā)，選定執(zhí)行元件和傳動(dòng)裝置;（2）. 從系統(tǒng)的精度、速度要求出發(fā)，選擇和設(shè)計(jì)微機(jī)與檢測裝置，并確定信號(hào)的前向和后向通道； 入手入手。 關(guān)于微機(jī)、傳感器、執(zhí)行元件的選擇，前面的章節(jié)已有詳細(xì)的敘述，下面著重提出兩點(diǎn)： （a) 功率輸出級(jí)必須與所用執(zhí)行元件匹配； （b） 放大器應(yīng)為執(zhí)行元件(如電動(dòng)機(jī))的運(yùn)行狀態(tài)提供適宜條件； （c） 放大器應(yīng)有足夠的線性范圍，以保證執(zhí)行元件的容量得以正常發(fā)揮； （d） 輸入級(jí)應(yīng)能與檢測傳感裝置相匹配。即它的輸入阻抗要大，以減輕檢測傳感裝置的負(fù)荷； （e） 放大

8、器應(yīng)具有足夠的放大倍數(shù)，其特性應(yīng)穩(wěn)定可靠，便于調(diào)整。 放大電路的匹配選擇與設(shè)計(jì)放大電路的匹配選擇與設(shè)計(jì) 在一個(gè)系統(tǒng)中，所需電源一般很難統(tǒng)一，除了有動(dòng)力電源外，還有各種類型的控制電源。系統(tǒng)對電源及其頻率的穩(wěn)定度都有一定要求（1）所使用電源應(yīng)具有足夠的保護(hù)措施，如過電壓保護(hù)、掉電保護(hù)、過電流保護(hù)、短路保護(hù)等；（2）應(yīng)具有抗干擾措施，如濾波、隔離、屏蔽等；（3）要有為系統(tǒng)服務(wù)的自檢電路、顯示與操作裝置。電源的匹配選擇與設(shè)計(jì)電源的匹配選擇與設(shè)計(jì) 1.半閉環(huán)控制方式 下圖a為檢測傳感器裝在絲杠端部的半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。6.2.5 6.2.5 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框

9、圖如下圖所示。傳遞函數(shù)為: 2 . 全閉環(huán)控制方式 機(jī)電一體化系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)只是初步確定了系統(tǒng)的主回路，還很不完善。在穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上所建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型一般不能滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的要求，甚至是不穩(wěn)定的。為此，必須進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)包括： 選擇系統(tǒng)的控制方式和校正(或補(bǔ)償)形式，設(shè)計(jì)校正裝置，將其有效地連接到穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)階段所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中去，使補(bǔ)償后的系統(tǒng)成為穩(wěn)定系統(tǒng)，并滿足各項(xiàng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)包括：n選擇系統(tǒng)的控制方式和校正(或補(bǔ)償)形式；n設(shè)計(jì)校正裝置，將其有效地連接到穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)階段所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中去，使補(bǔ)償后的系統(tǒng)成為穩(wěn)定系統(tǒng)，并滿足各項(xiàng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求

10、。6.3.16.3.1 系統(tǒng)的校正（補(bǔ)償）方法系統(tǒng)的校正（補(bǔ)償）方法 當(dāng)系統(tǒng)有輸入或受到外部干擾時(shí)，其輸出必將發(fā)生變化，由于系統(tǒng)中總是含有一些慣性或蓄能元件，其輸出量也不能立即變化到與外部輸入或干擾相對應(yīng)的值，也就是說需要有一個(gè)變化過程，這個(gè)變化過程即為系統(tǒng)的過渡過程。 機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過程，首先要根據(jù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)（可由理論推導(dǎo)或?qū)嶒?yàn)方法獲得）分析系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)(響應(yīng)的穩(wěn)、快、準(zhǔn)）。6.3.16.3.1 系統(tǒng)的校正（補(bǔ)償）方法系統(tǒng)的校正（補(bǔ)償）方法 系統(tǒng)在階躍信號(hào)作用下，過渡過程大致有以下三種情況：系統(tǒng)的輸出按指數(shù)規(guī)律上升，最后平穩(wěn)地趨于穩(wěn)態(tài)值；系統(tǒng)的輸出發(fā)散，沒有穩(wěn)態(tài)值，此時(shí)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的；系統(tǒng)的輸出雖然有振蕩，但最終能趨于穩(wěn)態(tài)值。 具體表征系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性好壞的定量指標(biāo)就是系統(tǒng)過渡過程的品質(zhì)指標(biāo)，可以用時(shí)域內(nèi)的單位階躍響應(yīng)曲線 1. PID調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù) 2. PID調(diào)節(jié)作用分析 3. 速度反饋校正6.3.16.3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)彈性變形對系統(tǒng)的影響機(jī)械結(jié)構(gòu)彈性變形對