機(jī)電一體化技術(shù)與系統(tǒng)(第3章)

機(jī)電一體化技術(shù)與系統(tǒng)

（機(jī)電液一體化技術(shù)及應(yīng)用）

——機(jī)械電子工程、機(jī)械制造及其自動(dòng)化

學(xué)術(shù)型、專業(yè)型碩士選修課程浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院鄭堤2014年春季第三章

機(jī)械、接口、檢測(cè)、伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析第一節(jié)概述第二節(jié)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析第三節(jié)接口系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析第四節(jié)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析第五節(jié)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析第一節(jié)概述機(jī)械、接口、檢測(cè)、伺服系統(tǒng)均為機(jī)電一體化系統(tǒng)的重要組成部分，也是機(jī)電一體化技術(shù)的共性關(guān)鍵技術(shù)。各項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)與系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)各項(xiàng)技術(shù)提出了越來(lái)越高的要求。各項(xiàng)技術(shù)均有其獨(dú)自的理論和技術(shù)體系，但在機(jī)電一體化技術(shù)和系統(tǒng)中應(yīng)用，必須統(tǒng)籌考慮各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，統(tǒng)籌優(yōu)化。本章內(nèi)容部分在本科生的課程里有所反映和介紹，不再過(guò)多重復(fù)，這里主要概略介紹在機(jī)電一體化技術(shù)與系統(tǒng)中常用的技術(shù)與方法。功用：在計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)控制下，完成主功能或操作功能、構(gòu)造功能。要求：高精度：保證機(jī)電一體化系統(tǒng)準(zhǔn)確地完成所規(guī)定的主功能或操作功能、構(gòu)造功能；（剛度；傳動(dòng)間隙）快速響應(yīng)：快速響應(yīng)控制指令，保證良好的動(dòng)態(tài)性能，提高效率；（剛度、阻尼、慣性；摩擦；傳動(dòng)間隙）良好的穩(wěn)定性：抗干擾能力強(qiáng)，在不同環(huán)境干擾條件下穩(wěn)定運(yùn)行；剛度、可靠性、重量、體積、壽命等。第二節(jié)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析機(jī)械系統(tǒng)的組成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳遞與變換，伺服傳動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)：支承和導(dǎo)向，保證運(yùn)動(dòng)裝置準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)規(guī)定方向上的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：在執(zhí)行元件的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)，沿著導(dǎo)向機(jī)構(gòu)確定的方向，完成所規(guī)定的操作。基礎(chǔ)支承構(gòu)件：大件；剛度、質(zhì)量、阻尼，體積一、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)常用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：齒輪齒輪齒條絲杠螺母（滾動(dòng)、滑動(dòng)）軟軸同步齒形帶諧波齒輪減速器錐環(huán)無(wú)鍵聯(lián)軸器消除間隙、預(yù)緊、提高剛度、保證傳動(dòng)精度和傳動(dòng)速度、功率要求。二、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)常用導(dǎo)向機(jī)構(gòu)：普通滑動(dòng)導(dǎo)軌動(dòng)壓導(dǎo)軌靜壓導(dǎo)軌氣浮導(dǎo)軌磁浮導(dǎo)軌滾動(dòng)導(dǎo)軌（矩形、梯形、燕尾形、圓柱形、滾珠花鍵副）塑料導(dǎo)軌（導(dǎo)軌軟帶、金屬塑料復(fù)合導(dǎo)軌板、涂層）導(dǎo)向精度、耐磨性、剛度、低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)工藝性開式、閉式；鑲條、壓板三、執(zhí)行機(jī)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)不同的目的功能，需采用不同原理、不同形式、不同結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)與執(zhí)行元件的異同：執(zhí)行元件一般是指將各種不同形式的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，以驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象完成相應(yīng)操作的元件，如電動(dòng)機(jī)、電磁鐵等；執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般是指執(zhí)行元件和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之后具體實(shí)現(xiàn)所要求的操作的機(jī)構(gòu)；科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得執(zhí)行元件和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)逐漸趨于一體化，如微機(jī)械里很難區(qū)分執(zhí)行元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。要求響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)特性好，動(dòng)靜態(tài)精度高，動(dòng)作靈敏度高，便于控制，效率高、體積小、質(zhì)量輕、可靠性高。常見執(zhí)行機(jī)構(gòu)：微動(dòng)機(jī)構(gòu)：手動(dòng)機(jī)械式熱變形式磁致伸縮式超磁致伸縮式壓電晶體（陶瓷）式分度定位機(jī)構(gòu)自動(dòng)換刀刀庫(kù)與回轉(zhuǎn)刀架氣動(dòng)、液壓、機(jī)械動(dòng)力卡盤工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器機(jī)械夾持器特種末端執(zhí)行器靈巧手第三節(jié)接口系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析機(jī)電一體化系統(tǒng)由機(jī)械子系統(tǒng)和電子子系統(tǒng)兩大部分組成，二者又分別由若干要素組成。要將各要素、各子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，必須能夠順利地在各要素、各子系統(tǒng)之間進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的傳遞與交換。各要素和各子系統(tǒng)相聯(lián)結(jié)處必須具備一定的聯(lián)系條件，這個(gè)聯(lián)系條件通常被稱為接口。各要素和各子系統(tǒng)之間的接口性能是綜合系統(tǒng)性能好壞的決定性因素。接口的分類：按變換和調(diào)整功能分零接口被動(dòng)接口主動(dòng)接口智能接口按輸入輸出功能分機(jī)械接口電氣接口信息接口環(huán)境接口按所聯(lián)系的子系統(tǒng)不同分人機(jī)接口機(jī)電接口一、人機(jī)接口設(shè)計(jì)人機(jī)接口類型輸入接口：操作者通過(guò)輸入接口向機(jī)電系統(tǒng)輸入各種控制命令，干預(yù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，以完成規(guī)定的任務(wù)。輸出接口：機(jī)電系統(tǒng)通過(guò)輸出接口向操作者顯示系統(tǒng)的各種狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)及結(jié)果等信息。人機(jī)接口的特點(diǎn)專用性：不同產(chǎn)品有不同要求低速性：與微機(jī)相比，人機(jī)接口的工作速度很低輸入接口設(shè)計(jì)開關(guān)輸入接口設(shè)計(jì)接通與斷開時(shí)的電壓抖動(dòng)硬件消抖電路（R-S觸發(fā)器）；軟件消抖（延時(shí)）撥盤輸入接口設(shè)計(jì)靜態(tài)接口：占用硬件資源多；軟件簡(jiǎn)單。動(dòng)態(tài)接口：占用硬件資源少；軟件復(fù)雜。鍵盤輸入接口設(shè)計(jì)：矩陣式鍵盤程控方式掃描監(jiān)控程序的四個(gè)步驟：判斷鍵盤上有無(wú)鍵閉合；判別閉合鍵的鍵號(hào)；去除鍵機(jī)械抖動(dòng)的影響；使微機(jī)對(duì)鍵的一次閉合做且僅做一次處理。矩陣式鍵盤中斷工作方式R-S觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器5-10ms輸出接口設(shè)計(jì)數(shù)碼管顯示器接口設(shè)計(jì)靜態(tài)工作方式接口：驅(qū)動(dòng)電流；譯碼（硬件、軟件；共陰、共陽(yáng)）動(dòng)態(tài)工作方式接口：視覺暫留效應(yīng)；刷新掃描打印機(jī)接口設(shè)計(jì)點(diǎn)陣式微打PP40微型4筆描繪器：文本方式；圖案方式硬件接口；監(jiān)控軟件CRT顯示器接口揚(yáng)聲器接口蜂鳴器揚(yáng)聲器（喇叭）1.5~2.5V5~10mA共陽(yáng)極共陰極二、機(jī)電接口設(shè)計(jì)機(jī)電接口類型信息采集（傳感器）輸入接口：信息檢測(cè)、整形、放大、匹配、轉(zhuǎn)換，采集入計(jì)算機(jī)?？刂屏枯敵鼋涌冢嚎刂屏枯敵?、匹配、轉(zhuǎn)換、功率放大，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。機(jī)電接口特點(diǎn)信號(hào)形式多樣，既有開關(guān)信號(hào)，又有頻率信號(hào)；既有數(shù)字量，又有模擬量；模/數(shù)轉(zhuǎn)換；抗干擾設(shè)計(jì)；數(shù)/模轉(zhuǎn)換；弱電信號(hào)，功率放大與驅(qū)動(dòng)。信號(hào)采集通道中的A/D轉(zhuǎn)換接口設(shè)計(jì)雙積分式：MC14433，3（1/2）位十進(jìn)制，4~10次/秒，分時(shí)輸出BCD碼；硬件接口設(shè)計(jì)，監(jiān)控程序設(shè)計(jì)，價(jià)格較高。逐次比較式：ADC0809，8位二進(jìn)制，100μs，價(jià)格較低?？刂屏枯敵鼋涌谥械腄/A轉(zhuǎn)換接口設(shè)計(jì)DAC0832：8位梯形電阻式，雙極性電流輸出型，通過(guò)變換輸出電壓?？刂屏枯敵鼋涌谥械墓β式涌谠O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功率放大功能的接口電路電流-電壓變換電壓偏置常用電力電子器件晶閘管單向晶閘管SCR：導(dǎo)通條件（VAK》0，門極正向觸發(fā)）與關(guān)斷條件（電流小于維持電流）雙向晶閘管TRIAC：門極觸發(fā)后可雙向?qū)?；感性?fù)載時(shí)注意防止失控（不關(guān)斷）門極可關(guān)斷晶閘管GTO：導(dǎo)通、截止均可控（門極加正、負(fù)控制信號(hào)）光控與溫控晶閘管：受光信號(hào)與溫度控制信號(hào)控制導(dǎo)通的特種晶閘管功率晶體管大功率范圍應(yīng)用的晶體管；復(fù)合管；開關(guān)速度高；有開關(guān)或模擬兩種工作狀態(tài)，在功率接口中主要用做高速開關(guān)；功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET可靠性高，過(guò)載能力強(qiáng)；輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)電流小，容易接口固態(tài)繼電器SSR直流型、過(guò)零型、非過(guò)零型通態(tài)壓降、斷態(tài)漏電流可直接由TTL器件驅(qū)動(dòng)光電耦合器驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)：將發(fā)光二極管與光敏三極管或光敏晶閘管封裝在一起，利用光信號(hào)傳遞電信號(hào)；功能：電氣隔離，抑制干擾，電平轉(zhuǎn)換；應(yīng)用：弱電與強(qiáng)電之間的隔離接口。繼電器和接觸器驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源特點(diǎn)：直流型/交流型；電壓較高；控制信號(hào)特點(diǎn)：電壓低，電流??；負(fù)載特點(diǎn)：感性負(fù)載，斷電瞬間產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，接通瞬間產(chǎn)生沖擊電流干擾；設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題：采用續(xù)流二極管保護(hù)驅(qū)動(dòng)器件；接口處光電隔離。第四節(jié)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析功能：計(jì)測(cè)功能；機(jī)電接口。構(gòu)成：傳感器，信號(hào)檢測(cè)與處理電路，信號(hào)采集、分析、顯示與反饋電路?；疽螅壕?、靈敏度、分辨率高；線性、穩(wěn)定性、重復(fù)性好；抗干擾能力強(qiáng)；靜動(dòng)態(tài)特性好；體積小、成本低、便于安裝維修、環(huán)境適應(yīng)性好。檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)：根據(jù)使用要求合理選擇傳感器，設(shè)計(jì)或選用信號(hào)檢測(cè)與處理電路，系統(tǒng)分析與調(diào)試。檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法：實(shí)驗(yàn)分析法——理論分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合。檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟：設(shè)計(jì)任務(wù)分析；系統(tǒng)方案選擇；系統(tǒng)構(gòu)成框圖設(shè)計(jì)；環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)與制造；總裝調(diào)試與實(shí)驗(yàn)分析；系統(tǒng)運(yùn)行及考核。檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)：非線性設(shè)計(jì)過(guò)程，需反復(fù)多次才能達(dá)到目標(biāo)。一、模擬式傳感器信號(hào)的檢測(cè)典型組成框圖：基本轉(zhuǎn)換電路基本轉(zhuǎn)換電路：電參數(shù)（電阻、電感、電容等）電量（電流、電壓等）。分壓電路差動(dòng)電路非差動(dòng)橋式電路調(diào)頻電路脈沖調(diào)寬電路串聯(lián)諧振式并聯(lián)諧振式工作在諧振點(diǎn)附近橋式差動(dòng)電路阻容相位電橋阻感相位電橋信號(hào)放大電路高輸入阻抗放大器高共模抑制比放大器參量放大器線性化放大器放大器增益切換Rf/R1=0時(shí)，得到電壓跟隨器差模增益為定值；共模增益為0。共模抑制比無(wú)窮大。ui-+uo信號(hào)調(diào)制與解調(diào)電路采用信號(hào)調(diào)制與解調(diào)電路給傳感器信號(hào)賦予不同的特征，以便于傳輸和處理，防止干擾信號(hào)對(duì)檢測(cè)精度的影響。幅值調(diào)制與解調(diào)：讓一個(gè)具有特定角頻率的高頻信號(hào)的幅值隨被測(cè)量的變化而變化。相乘型半波調(diào)制、相乘型全波調(diào)制包絡(luò)檢波、相敏檢波OuiOOUcuotttb)4-23全波相乘調(diào)制電路峰值檢波平均值檢波相位調(diào)制與解調(diào)：讓一個(gè)具有特定角頻率的高頻信號(hào)的相位隨被測(cè)量的變化而變化。傳感器內(nèi)調(diào)制，調(diào)相電路異或門鑒相，RS觸發(fā)器鑒相差動(dòng)放大器求差通過(guò)濾波器求平均電壓采用計(jì)數(shù)電路對(duì)脈沖寬度計(jì)數(shù)下降沿微分頻率調(diào)制與解調(diào)：讓一個(gè)高頻振蕩的載波信號(hào)的頻率隨被測(cè)量的變化而變化。振弦式調(diào)頻傳感器，多諧振蕩器調(diào)頻電路微分鑒頻電路，窄脈沖鑒頻電路傳感器電容傳感器電阻濾波器功用濾除信號(hào)中的噪聲、干擾；濾除調(diào)制過(guò)程中的載波；將不同頻率的有用信號(hào)分開；對(duì)系統(tǒng)頻率特性進(jìn)行補(bǔ)償分類模擬（機(jī)械式、電氣式）、數(shù)字濾波器無(wú)源、有源濾波器低通、高通、帶通、帶阻濾波器一階、二階、高階濾波器基本參數(shù)截止頻率帶寬品質(zhì)因數(shù)倍頻程選擇性頻率變化一個(gè)倍頻程時(shí)，幅頻特性的衰減量——反映對(duì)通頻帶以外頻率成分的衰減能力。無(wú)源RC濾波器RC低通濾波器RC高通濾波器RC帶通濾波器有源濾波器有源低通有源高通有源帶通RC網(wǎng)絡(luò)：濾波運(yùn)放：級(jí)間隔離，信號(hào)放大一階濾波器：倍頻程選擇性為4dB；二階濾波器：倍頻程選擇性為7.4dB運(yùn)算電路線性加、減運(yùn)算積分、微分運(yùn)算參量控制乘除運(yùn)算峰值運(yùn)算正峰值負(fù)峰值二、數(shù)字式傳感器信號(hào)檢測(cè)數(shù)字信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)組成數(shù)字式傳感器：直接將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，既可提高檢測(cè)精度、分辨率及抗干擾能力，又易于信號(hào)的運(yùn)算處理、存儲(chǔ)和遠(yuǎn)距離傳輸；常見的有光柵、磁柵、感應(yīng)同步器、光電編碼器等；主要用于幾何位置、速度測(cè)量；輸出信號(hào)為增量碼形式（信號(hào)變化的周期數(shù)與被測(cè)位移成正比）。細(xì)分電路：使傳感器信號(hào)每變化1/n個(gè)周期計(jì)一個(gè)數(shù)，以提高分辨率，其中n稱為細(xì)分?jǐn)?shù)。辨向電路：辨別被測(cè)量的變化方向。脈沖當(dāng)量變換電路：將脈沖當(dāng)量轉(zhuǎn)換成易于讀出和處理的值。多路信號(hào)采集細(xì)分與辨向：利用多個(gè)傳感元件對(duì)同一被測(cè)量同時(shí)采集多路相位不同的信號(hào)而實(shí)現(xiàn)的細(xì)分方法；最高可實(shí)現(xiàn)10倍細(xì)分。φUZ—穩(wěn)壓值UD—導(dǎo)通壓降作業(yè)：分析具有回差的零值比較器原理φUma電阻鏈移相細(xì)分與辨向：在電路中細(xì)分的方法；可實(shí)現(xiàn)8~60倍細(xì)分。UmsinθUmcosθU’msin(θ+φ)可靠性高抗干擾性能好試列出輸入端信號(hào)真值表，輸出端信號(hào)邏輯表達(dá)式。二進(jìn)制計(jì)數(shù)器鎖相倍頻細(xì)分與辨向：被測(cè)信號(hào)的變化頻率為fi，通過(guò)鎖相倍頻電路使輸出信號(hào)的頻率為f0=nfi。積分器跟隨器比較器Ud與Ui和UB之間的相位差成線性關(guān)系。fo/nn（2，4，8，16）分頻器脈沖填充細(xì)分與辨向：用于調(diào)相信號(hào)的細(xì)分；采用對(duì)頂脈沖與交錯(cuò)脈沖消除電路實(shí)現(xiàn)辨向。參考信號(hào)調(diào)相信號(hào)三、檢測(cè)信號(hào)的采集與預(yù)處理計(jì)算機(jī)按一定方式、通過(guò)適當(dāng)?shù)慕涌陔娐凡杉盘?hào)。為去除混雜在有用信號(hào)中的各種干擾，并對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的非線性、零位和增益誤差進(jìn)行補(bǔ)償和修正，需對(duì)采集入計(jì)算機(jī)的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理。模擬量的轉(zhuǎn)換輸入方式（圖4-70）模擬多路開關(guān)：用于信號(hào)通路的切換導(dǎo)通電阻??；開路電阻大，交叉干擾??；切換速度快；傳輸線性度好。電力機(jī)械開關(guān)（繼電器，干簧管等）；電子開關(guān)（二極管，雙極型三極管，場(chǎng)效應(yīng)晶體管等）多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四雙向模擬開關(guān)八選一多路開關(guān)信號(hào)采樣與保持信號(hào)采樣：把時(shí)間連續(xù)的信號(hào)變成一連串脈沖時(shí)間序列的過(guò)程。采樣定理：采樣保持：保證在A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中采樣信號(hào)保持不變。采樣開關(guān)采樣信號(hào)采樣周期采樣頻率采樣時(shí)刻采樣寬度跟隨器保持電容采樣開關(guān)跟隨器開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路開關(guān)保護(hù)電路數(shù)字信號(hào)的預(yù)處理去除混雜在有用信號(hào)中的各種干擾信號(hào)。數(shù)字濾波：不需要額外硬件設(shè)備，不存在阻抗匹配問(wèn)題；可對(duì)頻率很低或很高的信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波；可針對(duì)不同信號(hào)情況采用不同的濾波方法或參數(shù)，靈活、方便、功能強(qiáng)。中值濾波：適用于緩變信號(hào)中由偶然因素引起的脈沖干擾算術(shù)平均濾波：適用于具有周期脈動(dòng)特點(diǎn)的干擾信號(hào)（習(xí)題4-26）滑動(dòng)平均濾波：速度快，實(shí)時(shí)性好，適用于周期性干擾低通濾波：用軟件算法模擬硬件低通濾波器功能；關(guān)鍵是濾波平滑系數(shù)（α?1）的選取。α——濾波平滑系數(shù)，α

?1如取α=1/32，Δt=0.5s,即每秒采樣2次，則截止頻率fc≈0.01Hz。用差分替代微分的方法對(duì)連續(xù)模型進(jìn)行離散化傳感器的非線性補(bǔ)償采用軟件方法對(duì)傳感器與檢測(cè)系統(tǒng)的非線性傳輸特性進(jìn)行補(bǔ)償。計(jì)算法；查表法。代數(shù)插值法：以多項(xiàng)式作為插值函數(shù)。根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)建立插值多項(xiàng)式；求解插值多項(xiàng)式；用插值多項(xiàng)式代替?zhèn)鬏斕匦?，根?jù)計(jì)算機(jī)采集到的信號(hào)按插值多項(xiàng)式進(jìn)行計(jì)算，并作為采集信號(hào)的實(shí)際值（即經(jīng)過(guò)非線性修正的值）。插值多項(xiàng)式的階次越高，逼近精度越高，但計(jì)算工作量越大，時(shí)間滯后越長(zhǎng)。線性插值：在相鄰標(biāo)定點(diǎn)間用直線相連，并用線性函數(shù)代替實(shí)際的傳輸特性計(jì)算有效輸入值。多項(xiàng)式插值線性插值零位誤差和增益誤差的補(bǔ)償溫度漂移和時(shí)間漂移導(dǎo)致零位誤差和增益誤差。采用軟件對(duì)零位誤差進(jìn)行補(bǔ)償——數(shù)字調(diào)零（去皮重）；采用軟件實(shí)現(xiàn)增益誤差補(bǔ)償——數(shù)字校準(zhǔn)。a0URxixRUi0第五節(jié)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析基本概念：能夠跟蹤輸入的指令信號(hào)動(dòng)作，從而獲得精確的位置、速度、或力輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。特點(diǎn)：根據(jù)輸入的指令值與輸出的物理量之間的偏差進(jìn)行動(dòng)作控制，其工作過(guò)程是一個(gè)偏差不斷產(chǎn)生，又不斷消除的動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程?；窘Y(jié)構(gòu)形式：控制器偏差基本類型：位置/速度/力伺服系統(tǒng)電氣/液壓/氣動(dòng)伺服系統(tǒng)開環(huán)/閉環(huán)/半閉環(huán)伺服系統(tǒng)基本要求：穩(wěn)定性：當(dāng)作用在系統(tǒng)上的擾動(dòng)信號(hào)消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行，或者在輸入的指令作用下，系統(tǒng)能夠達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力；是系統(tǒng)本身的固有特性，取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成元件參數(shù)，與外界作用信號(hào)的性質(zhì)或形式無(wú)關(guān)。精度：輸出量復(fù)現(xiàn)輸入指令信號(hào)的精確程度；動(dòng)態(tài)誤差/穩(wěn)態(tài)誤差/靜態(tài)誤差?？焖夙憫?yīng)性：①動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中，輸出量跟隨輸入的指令信號(hào)變化的迅速程度；②動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程結(jié)束的迅速程度。設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：首先滿足穩(wěn)定性要求，然后在滿足精度要求的前提下盡量提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能。設(shè)計(jì)方法及步驟：設(shè)計(jì)要求分析，系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能分析執(zhí)行元件及傳感器選擇機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能復(fù)查系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)定案一、伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作原理通電方式和步距角主要參數(shù)及特性步距誤差最大靜轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)矩頻特性啟動(dòng)慣頻特性運(yùn)行矩頻特性步進(jìn)運(yùn)行和低頻振蕩最大相電壓和最大相電流直流伺服電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)及工作原理類型及特點(diǎn)（永磁式，他勵(lì)式；大慣量，中慣量，小慣量）控制方式電樞電壓控制

勵(lì)磁磁場(chǎng)控制靜態(tài)特性：電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)情況下工作時(shí)，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、電磁力矩、電樞控制電壓三者之間的關(guān)系。機(jī)械特性

調(diào)節(jié)特性影響靜態(tài)特性的因素功放電路對(duì)機(jī)械特性的影響內(nèi)部機(jī)械摩擦對(duì)調(diào)節(jié)特性的影響負(fù)載變動(dòng)對(duì)調(diào)節(jié)特性的影響動(dòng)態(tài)特性：當(dāng)給電動(dòng)機(jī)電樞加上階躍電壓時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的規(guī)律，ω=f(t)。欠阻尼情況

臨界阻尼情況

過(guò)阻尼情況主要技術(shù)參數(shù)nMnjN調(diào)磁調(diào)壓Km=1/(CeΦ)電動(dòng)機(jī)靜態(tài)放大系數(shù)（空載時(shí)）τj=JRa/(CeCmΦ2)——機(jī)電時(shí)間常數(shù)τd=La/Ra——電磁時(shí)間常數(shù)電磁慣性機(jī)械慣性欠阻尼臨界阻尼過(guò)阻尼一階慣性環(huán)節(jié)τd<τj/4時(shí)二、執(zhí)行元件的控制與驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)脈沖分配控制硬件脈沖分配器：分立元件；集成電路軟件脈沖分配器：脈沖分配控制數(shù)據(jù)表+按節(jié)拍查表+定時(shí)輸出速度控制硬件方法：變頻脈沖發(fā)生器軟件方法：定時(shí)器定時(shí)+中斷服務(wù)程序自動(dòng)升降速控制硬件方法：同步器+可逆計(jì)數(shù)器+數(shù)/模轉(zhuǎn)換器+變頻振蕩器軟件方法：升降速時(shí)按規(guī)律改變定時(shí)器的定時(shí)常數(shù)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)單電源驅(qū)動(dòng)電路雙電源驅(qū)動(dòng)電路斬波限流驅(qū)動(dòng)電路YB系列TTL集成脈沖分配器直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)PWM晶體管功率放大器的工作原理電壓—脈寬變換器開關(guān)功率放大器PWM晶體管功率放大器的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)功放電路時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題切換頻率的選擇使電動(dòng)機(jī)軸產(chǎn)生微振，克服靜摩擦；足夠高，減小高頻功耗和交流分量的影響；高于各部件的諧振頻率，避免共振。大功率晶體管的選擇：開關(guān)頻率大于切換頻率。UI=0時(shí)，Us為正負(fù)脈寬相等的矩形脈沖；UI>0時(shí)，Us的正脈寬大于負(fù)脈寬；UI<0時(shí)，Us的正脈寬小于負(fù)脈寬；UI≥UTPP/2時(shí)，Us為一正直流信號(hào)；UI≤-UTPP/2時(shí)，Us為一負(fù)直流信號(hào)。UI=0時(shí)，電動(dòng)機(jī)微振；UI>0時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；UI<0時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；UI≥UTPP/2時(shí)，最高轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)；UI≤-UTPP/2時(shí)，最高轉(zhuǎn)速反轉(zhuǎn)。三、開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析系統(tǒng)誤差分析機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析舉例系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)執(zhí)行元件的選擇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案的選擇控制系統(tǒng)方案的選擇減速器的三個(gè)作用：配湊脈沖當(dāng)量轉(zhuǎn)矩放大慣量匹配控制系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算確定脈沖當(dāng)量，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)計(jì)算減速器的傳動(dòng)比計(jì)算系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)力參數(shù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩確定電動(dòng)機(jī)最大啟動(dòng)頻率確定電動(dòng)機(jī)最大運(yùn)行頻率確定驗(yàn)算慣量匹配計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)剛度機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析系統(tǒng)誤差分析死區(qū)誤差（間隙，摩擦力，電氣死區(qū)）由系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差四、閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)性能分析系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)通過(guò)校正環(huán)節(jié)改善系統(tǒng)性能伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)力參數(shù)確定系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)閉環(huán)或半閉環(huán)控制方案的確定執(zhí)行元件的選擇檢測(cè)反饋元件的