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)合的分析與設(shè)計(jì)

第6章機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)電

有機(jī)結(jié)合的分析與設(shè)計(jì)16.1機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的考慮方法6.3機(jī)電一體化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的考慮方法6.1機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的設(shè)計(jì)過(guò)程是機(jī)電參數(shù)相互匹配，即機(jī)電有機(jī)結(jié)合的過(guò)程。機(jī)電伺服系統(tǒng)是典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。

本章將以機(jī)電伺服系統(tǒng)為例，說(shuō)明機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般考慮方法。伺服系統(tǒng)中的位置伺服控制系統(tǒng)和速度伺服控制系統(tǒng)的共同點(diǎn)是通過(guò)系統(tǒng)執(zhí)行元件直接或經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，從而完成所需要的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。因此，工程上是圍繞機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)它們提出技術(shù)要求的。6.1機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述伺服系統(tǒng)中的位置伺服控制系統(tǒng)和速度伺服控制系統(tǒng)的共同點(diǎn)是通過(guò)系統(tǒng)執(zhí)行元件直接或經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象，從而完成所需要的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。因此，工程上是圍繞機(jī)械運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)它們提出技術(shù)要求的。6.1機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述舉例：在進(jìn)行機(jī)電伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先要了解被控對(duì)象的特點(diǎn)和對(duì)系統(tǒng)的具體要求，通過(guò)調(diào)查研究制訂出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。初步方案設(shè)計(jì)(1)系統(tǒng)閉環(huán)與否的確定

(2)執(zhí)行元件的選擇

(3)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的選擇

(4)控制系統(tǒng)方案的選擇

定量分析(1).穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算(2).動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算

6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法

機(jī)電伺服系統(tǒng)的被控對(duì)象作機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)，該被控對(duì)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)系有多種形式。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。典型負(fù)載;負(fù)載的等效換算。6.2.1負(fù)載分析

6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法

機(jī)電伺服系統(tǒng)的被控對(duì)象作機(jī)械運(yùn)動(dòng)時(shí)，該被控對(duì)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)系有多種形式。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。典型負(fù)載;負(fù)載的等效換算。1、負(fù)載分析

6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法典型負(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、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)載等)。

1、負(fù)載分析

6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法2.負(fù)載的等效換算下面以圖6-1示的機(jī)床工作臺(tái)伺服進(jìn)給系統(tǒng)為例加以說(shuō)明。所示系統(tǒng)由一個(gè)移動(dòng)部件和n個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件組成。M、v和F分別為移動(dòng)部件的質(zhì)量(kg)、運(yùn)動(dòng)速度(m/s)和所受的負(fù)載力(N)；Jj、nj（j）和Tj分別為轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)速(r/min或rad/s)和所受負(fù)載轉(zhuǎn)矩(Nm)。9計(jì)算：

6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法10

6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法

6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法6.2.2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)行綜合分析，以選擇與被控對(duì)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(jiǎn)要說(shuō)明執(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。12

6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法13

6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法14

6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法15

6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法16

6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法

6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法6.2.3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)電一體化系統(tǒng)的綜合要求來(lái)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。

6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法6.2.4微機(jī)與檢測(cè)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)

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(cè)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機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法6.2.4微機(jī)與檢測(cè)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)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(cè)裝置，并確定信號(hào)的前向和后向通道；

入手入手。

6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法6.2.4微機(jī)與檢測(cè)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)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(cè)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)：21

（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(cè)傳感裝置相匹配。即它的輸入阻抗要大，以減輕檢測(cè)傳感裝置的負(fù)荷；（e）放大器應(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。

6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法放大電路的匹配選擇與設(shè)計(jì)22

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(duì)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(guò)電壓保護(hù)、掉電保護(hù)、過(guò)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。

6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法電源的匹配選擇與設(shè)計(jì)231.半閉環(huán)控制方式下圖a為檢測(cè)傳感器裝在絲杠端部的半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。

6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法6.2.5系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立24半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如下圖所示。

6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法25傳遞函數(shù)為:

6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法266.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法272.全閉環(huán)控制方式

6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法28

6.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法6.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法29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。30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。6.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法316.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法6.3.1

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(duì)應(yīng)的值，也就是說(shuō)需要有一個(gè)變化過(guò)程，這個(gè)變化過(guò)程即為系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)渡過(guò)程品質(zhì)(響應(yīng)的穩(wěn)、快、準(zhǔn)）。326.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法6.3.1

系統(tǒng)的校正（補(bǔ)償）方法

系統(tǒng)在階躍信號(hào)作用下，過(guò)渡過(guò)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(méi)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(guò)渡過(guò)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336.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法34圖7.151.PID調(diào)節(jié)器及其傳遞函數(shù)6.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法356.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法36

6.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法372.PID調(diào)節(jié)作用分析6.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法386.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法396.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法406.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法416.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法426.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法436.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法443.速度反饋校正6.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法456.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法466.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法6.3.1

機(jī)械結(jié)構(gòu)彈性變形對(duì)系統(tǒng)的影響傳動(dòng)系統(tǒng)因彈性變形而產(chǎn)生的振動(dòng)，稱為結(jié)構(gòu)諧振(或機(jī)械諧振)。為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化，在分析系統(tǒng)時(shí)，常假定系統(tǒng)中的機(jī)械裝置為絕對(duì)剛體，即無(wú)任何結(jié)構(gòu)變形。實(shí)際上，機(jī)械裝置并非剛體，而具有柔性。其物理模型是質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)。

1.結(jié)構(gòu)諧振的影響