机电系统设计(5)第五章讲稿

1、机电系统设计机电系统设计22021-10-18v5.1 伺服驱动系统概述伺服驱动系统概述v5.2 驱动系统执行元件驱动系统执行元件v5.3 机械传动机构机械传动机构v5.4 电机驱动系统电机驱动系统机电系统设计机电系统设计32021-10-18 用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。 伺服系统-servomechanism 机电系统设计机电系统设计42021

2、-10-18伺服系统-servomechanism 伺服系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的：以小功率指令信号去控制大功率负载。火炮控制和船舵控制就是典型的例子。在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。机电系统设计机电系统设计52021-10-18 机电一体化系统，通常是以机电一体化系统，通常是以机器机器或或机械机构机械机构为控制对象，以为控制对象，以微处理器微处理器为核心控制器，受控物为

3、核心控制器，受控物理量是理量是位移位移、速度速度、加速度加速度（力力）以及）以及工艺参数工艺参数或或生产过程生产过程等。等。 控制器控制器功率放大器功率放大器执行机构执行机构输入量输入量输出量输出量+ +检测传感器检测传感器- -伺服系统伺服系统机电系统设计机电系统设计62021-10-18 控制器的主要任务是按输入信号和反馈信号决定控制策略，常用的控制算法有PID（比例、积分和微分）控制和最优控制等，由微处理器或专用集成电路组成。 控制器控制器功率放大器功率放大器执行机构执行机构输入量输入量输出量输出量+ +检测传感器检测传感器- -伺服系统伺服系统机电系统设计机电系统设计72021-10-

4、18 功率放大器的作用是接收控制器的信息，并将其放大，驱动执行机构完成某种运动，主要采用专用集成电路功率放大器。 控制器控制器功率放大器功率放大器执行机构执行机构输入量输入量输出量输出量+ +检测传感器检测传感器- -伺服系统伺服系统机电系统设计机电系统设计82021-10-18 执行机构是运动部件，由动力源（如液压、气压和电气动力源）和机械传动机构等组成，根据控制信息和指令，完成要求的动作，也就是说，执行机构是将控制器发出的指令信号精确、快速地转换为相应的机械运动，复现输入信号的变化规律，完成所规定的动作。 控制器控制器功率放大器功率放大器执行机构执行机构输入量输入量输出量输出量+ +检测传

5、感器检测传感器- -伺服系统伺服系统机电系统设计机电系统设计92021-10-18 伺服驱动系统是指以机械位置、速度和加速度为控制对象，在控制命令的指挥下，控制执行机构工作，使机械运动部件按照控制命令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。伺服驱动系统是机电一体化产品的一个重要组成部分，广泛应用于工业控制、军事、航空、航天等领域，如数控机床、工业机器人等。 控制器控制器功率放大器功率放大器执行机构执行机构输入量输入量输出量输出量+ +检测传感器检测传感器- -伺服系统伺服系统机电系统设计机电系统设计102021-10-18 分段复合制导飞行方案示意图机电系统设计机电系统设计112021-10-1

6、8伺服驱动伺服驱动系统系统机电系统设计机电系统设计122021-10-18分段复合制导控制回路原理框图机电系统设计机电系统设计132021-10-181234xyzxyzxyzxyz机电系统设计机电系统设计142021-10-18 12101( )NyyyczzzNyyycczzNyyyczztKNNKHyHKNNKyKHyHKNNK2yH01()yNzzzcyytKNNKyH 01()xcxxtKKyH机电系统设计机电系统设计152021-10-18伺服系统的分类伺服系统的分类电气电气伺服系统伺服系统液压液压伺服系统伺服系统气动气动伺服系统伺服系统交流交流伺服系统伺服系统直流直流伺服系统伺服

7、系统步进步进伺服系统伺服系统按按照照执执行行元元件件性性质质的的不不同同机电系统设计机电系统设计162021-10-18开环开环伺服系统伺服系统闭环闭环伺服系统伺服系统半闭环半闭环伺服系统伺服系统无检测无检测反馈环节，精度低，反馈环节，精度低，抗干抗干扰能力差，成本低。扰能力差，成本低。有检测有检测反馈环节，精度高，反馈环节，精度高，抗干扰能抗干扰能力强，成本高，结构复杂，结构上与力强，成本高，结构复杂，结构上与半闭环半闭环伺服系统的区别是将整个机械伺服系统的区别是将整个机械装置都包括到装置都包括到反馈环中。反馈环中。有检测有检测反馈环节，精度较高，反馈环节，精度较高，性能居性能居中，结构上与

8、中，结构上与闭环闭环伺服系统的区别是伺服系统的区别是只将部分机械装置都包括到只将部分机械装置都包括到反馈环中。反馈环中。按按照照系系统统的的控控制制方方式式伺服系统的分类伺服系统的分类机电系统设计机电系统设计172021-10-18伺服系统的设计方法伺服系统的设计方法1. 1.设计方案分析，系统方案确定设计方案分析，系统方案确定 首先对伺服系统的设计要求进行分析，明确其应用首先对伺服系统的设计要求进行分析，明确其应用场合和目的、基本性能指标及其他性能指标，然后根场合和目的、基本性能指标及其他性能指标，然后根据现有技术条件拟定几种技术方案，经过评价、对比据现有技术条件拟定几种技术方案，经过评价、

9、对比选定一种比较合理的方案。选定一种比较合理的方案。 方案设计应包括下述内容：控制方式选择；执行方案设计应包括下述内容：控制方式选择；执行元件选择、传感器及其检测装置选择、机械传动及执元件选择、传感器及其检测装置选择、机械传动及执行机构选择等。行机构选择等。机电系统设计机电系统设计182021-10-18伺服系统的设计方法伺服系统的设计方法2. 2.系统性能分析系统性能分析 根据基本结构形式对其基本性能进行初步分析。根据基本结构形式对其基本性能进行初步分析。 首先画出系统方框图，列出系统近似传递函数，并对首先画出系统方框图，列出系统近似传递函数，并对传递函数及方框图进行化简，然后在此基础上对系

10、统稳定传递函数及方框图进行化简，然后在此基础上对系统稳定性、精度及快速响应性进行初步分析，其中最主要的是稳性、精度及快速响应性进行初步分析，其中最主要的是稳定性分析，如不满足要求，应修改方案或增加校正环节。定性分析，如不满足要求，应修改方案或增加校正环节。 3. 3.执行元件及传感器的选择执行元件及传感器的选择 方案设计只进行初步选型，本步应根据具体速度、方案设计只进行初步选型，本步应根据具体速度、负载机器精度要求具体确定执行元件及传感器的参数负载机器精度要求具体确定执行元件及传感器的参数和型号。和型号。机电系统设计机电系统设计192021-10-18伺服系统的设计方法伺服系统的设计方法4.

11、4.机械系统设计机械系统设计 机械系统设计包括机械传动机构及执行机构的具机械系统设计包括机械传动机构及执行机构的具体结构及参数的设计，设计中应注意消除各种传动间体结构及参数的设计，设计中应注意消除各种传动间隙，尽量提高系统刚度、减少惯量及摩擦，尤其在设隙，尽量提高系统刚度、减少惯量及摩擦，尤其在设计执行机构的导轨时要防止产生爬行现象。计执行机构的导轨时要防止产生爬行现象。5. 5.控制系统设计控制系统设计 控制系统设计包括信号处理及放大电路、校正装控制系统设计包括信号处理及放大电路、校正装置、伺服电机驱动电路等的详细设计，如果采用计算置、伺服电机驱动电路等的详细设计，如果采用计算机数字控制，还

12、应包括接口电路及控制器算法软件的机数字控制，还应包括接口电路及控制器算法软件的设计。控制系统设计中应设计。控制系统设计中应 注意各环节参数的选择及与注意各环节参数的选择及与机械系统参数的匹配，以使系统具有足够的稳定裕度机械系统参数的匹配，以使系统具有足够的稳定裕度和快速响应性，并满足精度要求。和快速响应性，并满足精度要求。机电系统设计机电系统设计202021-10-186. 6.系统性能复查系统性能复查 所有机构参数确定后，可重新列出系统精确的传递所有机构参数确定后，可重新列出系统精确的传递函数，但实际系统一般都是高阶系统，因而应适当简化。函数，但实际系统一般都是高阶系统，因而应适当简化。如系

13、统不理想，则可调整控制系统的参数或修改算法，如系统不理想，则可调整控制系统的参数或修改算法，重新设计重新设计7. 7.系统测试实验系统测试实验 上述设计与分析在理论阶段，实际系统还需试上述设计与分析在理论阶段，实际系统还需试验，可在模型试验系统上进行或在样机上进行验，可在模型试验系统上进行或在样机上进行8. 8.系统设计定案系统设计定案伺服系统的设计方法伺服系统的设计方法主轴电机主轴电机伺服电机伺服电机刀库刀具定位电机刀库刀具定位电机机械手旋转定位电机机械手旋转定位电机带制动器伺服电机带制动器伺服电机加工中心加工中心伺服驱动系统伺服驱动系统（Servo System)CNC系统系统驱动电机驱动

14、电机检测装置检测装置控制信号控制信号反馈信号反馈信号光栅尺光栅尺计算机数值控制 机电系统设计机电系统设计242021-10-18执行元件执行元件是将控制信号转换成机械运动和机械能量是将控制信号转换成机械运动和机械能量的转换元件。的转换元件。执行元件的种类执行元件的种类执行元件电磁式电磁铁及其他电动机液压马达液压式油 缸气压马达气压式气 缸其 他与材料有关直流伺服电机双金属片压电元件状态记忆金属其他电机交流伺服电机步进电机机电系统设计机电系统设计252021-10-18机电系统设计机电系统设计262021-10-18（1 1）惯量小，动力大。）惯量小，动力大。 （2 2）体积小，重量轻。）体积小

15、，重量轻。 （3 3）安装方便、便于维修维护。）安装方便、便于维修维护。 （4 4）易于实现自动化控制。）易于实现自动化控制。机电系统设计机电系统设计272021-10-18常用的控制电动机常用的控制电动机 步进电机（步进电机（Stepping MotorStepping Motor）直流伺服电机直流伺服电机(DC Servo Motor)(DC Servo Motor)交流伺服电机交流伺服电机(AC Servo Motor)(AC Servo Motor)转角与数字脉冲成比例，可构成直接数字控制转角与数字脉冲成比例，可构成直接数字控制构成廉价的开环系统构成廉价的开环系统控制系统控制较简单控制

16、系统控制较简单机电系统设计机电系统设计282021-10-18常用的控制电动机常用的控制电动机 步进电机（步进电机（Stepping MotorStepping Motor）直流伺服电机直流伺服电机(DC Servo Motor)(DC Servo Motor)交流伺服电机交流伺服电机(AC Servo Motor)(AC Servo Motor)高响应、高功率密度高响应、高功率密度可实现高精度的数字控制可实现高精度的数字控制换向器件需维护换向器件需维护机电系统设计机电系统设计292021-10-18常用的控制电动机常用的控制电动机 步进电机（步进电机（Stepping MotorSteppi

17、ng Motor）直流伺服电机直流伺服电机(DC Servo Motor)(DC Servo Motor)交流伺服电机交流伺服电机(AC Servo Motor)(AC Servo Motor)具有具有DCDC伺服电机的全部优点伺服电机的全部优点需要磁极位置检测器需要磁极位置检测器无接触换向器件，维护方便无接触换向器件，维护方便机电系统设计机电系统设计302021-10-18系统对伺服电机的基本要求系统对伺服电机的基本要求（1 1）性能密度大。即功率密度）性能密度大。即功率密度 Pw=P/w Pw=P/w 或比功率或比功率 大。大。（2 2）快速性好。加速度大、响应特性好。）快速性好。加速度大

18、、响应特性好。（3 3）位置控制与速度控制精度高、调速范围大、低速平）位置控制与速度控制精度高、调速范围大、低速平稳性好、分辨率高以及振动噪音小。稳性好、分辨率高以及振动噪音小。（4 4）能适应频繁启动，可靠性高、寿命长。）能适应频繁启动，可靠性高、寿命长。（5 5）易于与计算机对接，实现计算机控制。）易于与计算机对接，实现计算机控制。步进电机开环控制步进电机开环控制机电系统设计机电系统设计312021-10-18控制电机的控制形式控制电机的控制形式 机电系统设计机电系统设计322021-10-18控制电机的控制形式控制电机的控制形式 伺服电机半闭环控制伺服电机半闭环控制机电系统设计机电系统设

19、计332021-10-18控制电机的控制形式控制电机的控制形式 伺服电机闭环控制伺服电机闭环控制机电系统设计机电系统设计342021-10-18控制电机的控制形式控制电机的控制形式 模拟信号驱动控制机电系统设计机电系统设计352021-10-18控制电机的控制形式控制电机的控制形式 脉冲信号驱动控制机电系统设计机电系统设计362021-10-18应用举例：舵机控制应用举例：舵机控制 舵机的英文名称是Servo，舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化角度不断变化并可以保持可以保持的控制系统。 在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机电系统和航模中作

20、为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。 舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器。目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经使用得比较普遍。舵机是一种俗称，其实是一种伺服马达。机电系统设计机电系统设计372021-10-18应用举例：舵机控制应用举例：舵机控制舵机实物图舵机实物图机电系统设计机电系统设计382021-10-18舵机的结构和工作原理舵机的结构和工作原理 舵机是伺服控制系统里最常用的执行机构,其内实际上也是下个闭环的控制系统。舵机只在一根信号线就可以实现机械角度的控制。舵机的结构和连线图机电系统设计机电系统设计392021-10

21、-18舵机的结构和工作原理舵机的结构和工作原理 标准的舵机有三条控制线，分别为：电源、地及控制。电源线与地线用于提供内部的直流马达及控制线路所需的能源，电压通常介于4V-6V之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离(因为伺服马达会产生噪音)。甚至小伺服马达在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。舵机的结构和连线图机电系统设计机电系统设计402021-10-18舵机的结构和工作原理舵机的结构和工作原理 控制线输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms-2.5ms之间。而低电平时间应在5ms到20ms间，并不很严格。 一个典型的20ms周

22、期性脉冲的正脉冲宽度与舵机的输出臂位置的关系 如果一直以固定占空比的脉冲控制舵机，则舵机的角度一直保持不变（即角度保持）。机电系统设计机电系统设计412021-10-18舵机的控制原理舵机的控制原理 控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。当然我们可以不用去了解它的具体工作原理，知道它的控制原理就够了。就象我们使用晶体管

23、一样，知道可以拿它来做开关管或放大管就行了，至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑的。机电系统设计机电系统设计422021-10-18舵机的控制原理舵机的控制原理 舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分的脉宽一般在0.5ms2.5ms范围内，其实是利用调节固定周期内的占空比来控制角度的变化。以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的： 0.5ms-0度； 1.0ms-45度； 1.5ms-90度； 2.0ms-135度； 2.5ms-180度；注：这只是一种参考数值，具体的参数，需见舵机具体的

24、技术参数。机电系统设计机电系统设计432021-10-18舵机的控制原理舵机的控制原理 小型舵机的工作电压一般为4.8V或6V，转速也不是很快，一般为0.22s/度或0.18s/度，所以假如你更改角度控制脉冲的宽度太快时，舵机可能反应不过来。如果需要更快速的反应，就需要更高的转速了。 要精确的控制舵机，其实没有那么容易，很多舵机的位置等级有1024个，那么，如果舵机的有效角度范围为180度的话，其控制的角度精度是可以达到180/1024度约0.18度了，从时间上看其实要求的脉宽控制精度为2000/1024us约2us。如果你拿了个舵机，连控制精度为1度都达不到的话，而且还看到舵机在发抖，在这种

25、情况下，只要舵机的电压没有抖动，那抖动的就是你的控制脉冲了。而这个脉冲为什么会抖动呢？当然和你选用的脉冲发生器有关了。机电系统设计机电系统设计442021-10-18舵机的控制原理舵机的控制原理 小型舵机的工作电压一般为4.8V或6V，转速也不是很快，一般为0.22s/度或0.18s/度，所以假如你更改角度控制脉冲的宽度太快时，舵机可能反应不过来。如果需要更快速的反应，就需要更高的转速了。 要精确的控制舵机，其实没有那么容易，很多舵机的位置等级有1024个，那么，如果舵机的有效角度范围为180度的话，其控制的角度精度是可以达到180/1024度约0.18度了，从时间上看其实要求的脉宽控制精度为

26、2000/1024us约2us。如果你拿了个舵机，连控制精度为1度都达不到的话，而且还看到舵机在发抖，在这种情况下，只要舵机的电压没有抖动，那抖动的就是你的控制脉冲了。而这个脉冲为什么会抖动呢？当然和你选用的脉冲发生器有关了。机电系统设计机电系统设计452021-10-18舵机的控制原理舵机的控制原理 可以使用FPGA、模拟电路、单片机来产生舵机的控制信号，但FPGA成本高且电路复杂。对于脉宽调制信号的脉宽变换，常用的一种方法是采用调制信号获取有源滤波后的直流电压，但是需要50Hz(周期是20ms)的信号，这对运放器件的选择有较高要求，从电路体积和功耗考虑也不易采用。5mV以上的控制电压的变化

27、就会引起舵机的抖动，对于机载的测控系统而言，电源和其他器件的信号噪声都远大于5mV，所以滤 波 电 路 的 精 度 难 以 达 到 舵 机 的 控 制 精 度 要 求 。机电系统设计机电系统设计462021-10-18舵机的控制原理舵机的控制原理 也可以用单片机作为舵机的控制单元，使PWM信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而提高舵机的转角精度。单片机完成控制算法，再将计算结果转化为PWM信号输出到舵机，由于单片机系统是一个数字系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。 单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两个任务：首先是产生基本的PWM周期信号，

28、本设计是产生20ms的周期信号；其次是脉宽的调整，即单片机模拟PWM信号的输出，并且调整占空比。机电系统设计机电系统设计472021-10-18舵机的控制原理舵机的控制原理 当系统中只需要实现一个舵机的控制，采用的控制方式是改变单片机的一个定时器中断的初值，将20ms分为两次中断执行，一次短定时中断和一次长定时中断。这样既节省了硬件电路，也减少了软件开销，控制系统工作效率和控制精度都很高。 具体的设计过程：例如想让舵机转向左极限的角度，它的正脉冲为2ms，则负脉冲为20ms-2ms=18ms，所以开始时在控制口发送高电平，然后设置定时器在2ms后发生中断，中断发生后，在中断程序里将控制口改为低

29、电平，并将中断时间改为18ms，再过18ms进入下一次定时中断，再将控制口改为高电平，并将定时器初值改为2ms，等待下次中断到来，如此往复实现PWM信号输出到舵机。用修改定时器中断初值的方法巧妙形成了脉冲信号，调整时间段的宽度便可使伺服机灵活运动。机电系统设计机电系统设计482021-10-18液压伺服与比例控制系统液压伺服与比例控制系统机电系统设计机电系统设计492021-10-18应用举例：智能材料应用举例：智能材料机电系统设计机电系统设计502021-10-185.3.1 典型载荷分析典型载荷分析5.3.2 负载的力矩特性负载的力矩特性机电系统设计机电系统设计512021-10-18 典

30、型载荷典型载荷是指作用在机构上的是指作用在机构上的机械摩擦载荷机械摩擦载荷、惯性载惯性载荷荷、弹性载荷弹性载荷、外载荷外载荷以及各种以及各种环境载荷环境载荷等。对具体系统等。对具体系统来说，来说，不一定不一定包含以上所有负载项目，可能是以上几种典包含以上所有负载项目，可能是以上几种典型负载的组合。型负载的组合。 当两个相互接触的物体在外力作用下，发生相当两个相互接触的物体在外力作用下，发生相对运动或具有相对运动的趋势时，在接触面间产生对运动或具有相对运动的趋势时，在接触面间产生的切向运动阻力叫的切向运动阻力叫摩擦载荷摩擦载荷。 机电系统设计机电系统设计522021-10-18速度速度力力0速度

31、速度力力0速度速度力力静摩擦力静摩擦力动摩擦力动摩擦力（a）（b）（c） 不同摩擦阻力与速度的关系不同摩擦阻力与速度的关系vc-vc0（a）静、动摩擦力；（）静、动摩擦力；（b）粘滞摩擦力；）粘滞摩擦力；（c）实际摩擦力）实际摩擦力静摩擦载荷：是相互接触物体间有相对运动趋势，但仍处于静止时所呈现的摩擦力，是常数 NfFss机电系统设计机电系统设计532021-10-18速度速度力力0速度速度力力0速度速度力力静摩擦力静摩擦力动摩擦力动摩擦力（a）（b）（c） 不同摩擦阻力与速度的关系不同摩擦阻力与速度的关系vc-vc0（a）静、动摩擦力；（）静、动摩擦力；（b）粘滞摩擦力；（）粘滞摩擦力；（c

32、）实际摩擦力实际摩擦力动摩擦载荷是指两运动物体的接触面对运动所呈现的阻力（或阻力矩），是常数。 fNFf机电系统设计机电系统设计542021-10-18速度速度力力0速度速度力力0速度速度力力静摩擦力静摩擦力动摩擦力动摩擦力（a）（b）（c） 不同摩擦阻力与速度的关系不同摩擦阻力与速度的关系vc-vc0（a）静、动摩擦力；（）静、动摩擦力；（b）粘滞摩擦力；（）粘滞摩擦力；（c）实际摩擦力实际摩擦力粘滞摩擦力是与物体运动速度成比例的摩擦力，其大小与速度的绝对值成正比，方向与速度的方向相反 ddfxFct机电系统设计机电系统设计552021-10-18速度速度力力0速度速度力力0速度速度力力静摩

33、擦力静摩擦力动摩擦力动摩擦力（a）（b）（c） 不同摩擦阻力与速度的关系不同摩擦阻力与速度的关系vc-vc0（a）静、动摩擦力；（）静、动摩擦力；（b）粘滞摩擦力；（）粘滞摩擦力；（c）实际摩擦力实际摩擦力实际摩擦力 实际摩擦特性较复杂，摩擦力与速度之间关系呈非线性。摩擦力的形式和大小取决于相互接触两物体表面的质量、结构和两表面间压力、相对速度、润滑等因素。机电系统设计机电系统设计562021-10-18摩擦力模型的建立要根据具体结构确定 kyyftymtf)()()( 机电系统设计机电系统设计572021-10-18j j21NF21RF21fF12FG21NF12G(a)接触面几何形状接触

34、面几何形状（a） 单一平面摩单一平面摩擦擦；（b）槽面摩槽面摩擦擦；（c）圆柱面摩圆柱面摩擦擦2/21NF2/21NFq qq q12GG12(b)(c)（1）移动副中的摩擦力 NfFvf机电系统设计机电系统设计582021-10-18（2）转动副中的摩擦力 NfFvfNrfMvf机电系统设计机电系统设计592021-10-18（3）摩擦对系统的影响 在机电一体化系统的在机电一体化系统的定位控制定位控制、低速低速和和速度变向速度变向等控制系统中，等控制系统中，由于摩擦的影响，会产生由于摩擦的影响，会产生“爬行爬行”现象。现象。 所谓所谓“爬行爬行”现象现象，是指机械系统在低速运行时，可能出现，

35、是指机械系统在低速运行时，可能出现时启时启时停时停、时快时慢时快时慢的的不稳定不稳定运动，或运动，或跳跃式跳跃式运动。运动。产生产生“爬行爬行”的机理的机理，一般认为是由于系统的动、静摩擦系数不一致或摩擦系数存在非线性一般认为是由于系统的动、静摩擦系数不一致或摩擦系数存在非线性和系统的刚度不足引起的。系统由静止开始运动的瞬间，最大静摩擦和系统的刚度不足引起的。系统由静止开始运动的瞬间，最大静摩擦力迅速转变为相对较小的滑动摩擦力，对系统低速运行的平稳性产生力迅速转变为相对较小的滑动摩擦力，对系统低速运行的平稳性产生极为不利的影响。因此，在机电一体化控制系统中，往往要求较小的极为不利的影响。因此，

36、在机电一体化控制系统中，往往要求较小的动、静摩擦力差值比要求较小的摩擦系数更重要。动、静摩擦力差值比要求较小的摩擦系数更重要。 机电系统设计机电系统设计602021-10-18（3）摩擦对系统的影响 图示为某随动系统的伺服系统结构图，输出轴为电动机轴图示为某随动系统的伺服系统结构图，输出轴为电动机轴 G 0 (t)i(t)+-Kae(t)Km+Mm M0sin0随动控制系统结构图M 如果不考虑负载的惯性力矩，仅考虑摩擦力矩的影响，则电动机转矩Mm与偏转角e(t)的关系为 tKeteKKMmam式中，K a为放大器放大倍数，Km为电动机转矩系数，K=KaKm 机电系统设计机电系统设计612021

37、-10-18（3）摩擦对系统的影响 图示为某随动系统的伺服系统结构图，输出轴为电动机轴图示为某随动系统的伺服系统结构图，输出轴为电动机轴 G 0 (t)i(t)+-Kae(t)Km+Mm M0sin0随动控制系统结构图M 当电动机启动转矩大于驱动系统最大静摩擦力矩Ms（折算到电动机轴上的驱动系统总静摩擦力矩）时，电动机轴运动，则有 smMM sMtKe KMtes/机电系统设计机电系统设计622021-10-18（3）摩擦对系统的影响 图示为某随动系统的伺服系统结构图，输出轴为电动机轴图示为某随动系统的伺服系统结构图，输出轴为电动机轴 G 0 (t)i(t)+-Kae(t)Km+Mm M0si

38、n0随动控制系统结构图M设电动机轴初始处于静止状态。当输入轴以一定角速度转动，输入角满足 KMtsi/q系统对输入信号无反应其中， “Ms/K”角称为死角。 此时，输出轴仍处于静止状态，也就是说，当 KMtsi/q时，机电系统设计机电系统设计632021-10-18（3）摩擦对系统的影响 下图为上述随动系统出现下图为上述随动系统出现“爬行爬行”现象的示意图。现象的示意图。 低速爬行示意图t10(t)(t)abcMc/KMs/Ki(t)=t(t)=t- Mc/K(t)=t- Ms/Kt0设系统输入信号为 ttiq t = t1前，偏转角e(t)很小，电动机的输出转矩不足以克服输出轴静摩擦力矩，故

39、输出保持静止状态。 机电系统设计机电系统设计642021-10-18（3）摩擦对系统的影响 下图为上述随动系统出现下图为上述随动系统出现“爬行爬行”现象的示意图。现象的示意图。 低速爬行示意图t10(t)(t)abcMc/KMs/Ki(t)=t(t)=t- Mc/K(t)=t- Ms/Kt0t = t1时，偏转角e(t)为 KMtttttesii/)()()()(10qqq作用在电动机轴上的驱动力矩M为 sMtKeM)(机电系统设计机电系统设计652021-10-18（3）摩擦对系统的影响 下图为上述随动系统出现下图为上述随动系统出现“爬行爬行”现象的示意图。现象的示意图。 低速爬行示意图t1

40、0(t)(t)abcMc/KMs/Ki(t)=t(t)=t- Mc/K(t)=t- Ms/Kt0 这时，电动机开始克服静摩擦力矩而转动。一旦电动机转动以后，摩擦力矩立即降为库仑摩擦力矩Mc，则t = t1+时，输出轴的惯性力矩Ma为 Ma= Ms- Mc 输出轴在惯性力矩Ma作用下作加速运动，偏转角e(t)逐渐减小，放大器（Ka）输出电压随之降低，从而，执行电动机的输出转矩减小。 机电系统设计机电系统设计662021-10-18（3）摩擦对系统的影响 下图为上述随动系统出现下图为上述随动系统出现“爬行爬行”现象的示意图。现象的示意图。 低速爬行示意图t10(t)(t)abcMc/KMs/Ki(

41、t)=t(t)=t- Mc/K(t)=t- Ms/Kt0当0(t)=（t- Mc /K）时，偏转角为 KMKMtttttecci/)()()(0qq 这时，电动机的输出转矩等于库仑摩擦力矩Mc ，惯性力矩Ma等于0（图中a点）。 机电系统设计机电系统设计672021-10-18（3）摩擦对系统的影响 下图为上述随动系统出现下图为上述随动系统出现“爬行爬行”现象的示意图。现象的示意图。 低速爬行示意图t10(t)(t)abcMc/KMs/Ki(t)=t(t)=t- Mc/K(t)=t- Ms/Kt0 此后，由于偏转角 e(t)=i(t)-0(t) Mc /K，所以，输出轴作减速运动， 当d0 (

42、t) /d t=0时（图中b点），偏转角绝对值 e(t) Ms/K（图中c点）时，电动机又将克服静摩擦力矩而启动，输出轴又作加速运动，重复上述过程。 机电系统设计机电系统设计682021-10-18（4）减小摩擦载荷措施 减小摩擦载荷有若干措施，如上所述，较有效的方法是减小动、静摩擦系数的差值或摩擦系数。由摩擦力和摩擦力矩的基本计算公式知，减小正压力、摩擦系数、作用力臂，也可以减小摩擦力和摩擦力矩。例如，为了减小摩擦系数可以用滚动摩擦系数代替滑动摩擦系数，用湿摩擦代替干摩擦；使用静压轴承也可以减小摩擦系数，静压轴承的当量摩擦系数仅为0.00010.0004，而且其动、静摩擦十分接近，可有效地防

43、止低速爬行。 机电系统设计机电系统设计692021-10-18惯性载荷惯性载荷是由于一定质量的物体具有加速度或角加速度才产生的。是由于一定质量的物体具有加速度或角加速度才产生的。直线运动直线运动惯性载荷为惯性载荷为惯性力惯性力。旋转运动旋转运动惯性载荷为惯性载荷为惯性力矩惯性力矩，计算惯性力矩时，需要知道，计算惯性力矩时，需要知道角速度、角加速度和转动惯量等参量。角速度、角加速度和转动惯量等参量。 lJlihlhhJlh = Jl / ihl2低速轴向高速轴折算低速轴向高速轴折算下面简单介绍等效转动惯量的计算 对于一个传动链装置，通常对于一个传动链装置，通常将转动惯量从一个轴折算到另一将转动惯

44、量从一个轴折算到另一个轴，见右图所示。个轴，见右图所示。 机电系统设计机电系统设计702021-10-18lJlihlhhJlh = Jl / ihl2低速轴向高速轴折算低速轴向高速轴折算下面简单介绍等效转动惯量的计算 设l为低速轴；Jl为低速轴转动惯量；h为高速轴；Jh为高速轴转动惯量；Jl折算到高速轴h上的等效转动惯量为Jlh。若忽略粘滞阻尼系数，传动效率为100%，则高速轴h到低速轴l的传动比为 1/lhhli 式中，ihl为高速轴h到低速轴l的传动比；h为高速轴h的角速度，rad/s；l为低速轴l的角速度，rad/s 由能量平衡定律，得 222121hlhllJJ则有2/hlllhiJ

45、J 机电系统设计机电系统设计712021-10-18下面简单介绍等效转动惯量的计算 lJlihlhhJlh = Jl / ihl2低速轴向高速轴折算低速轴向高速轴折算根据牛顿第二定律 惯性力F和惯性力矩M的计算公式分别为 JMamF因此，可以采取以下措施，减小惯性载荷（减小惯性力或惯性力矩）： （1）减小运动零部件质量的方法，如为了减小质量或减小转动惯量，可）减小运动零部件质量的方法，如为了减小质量或减小转动惯量，可采用减轻孔、空心薄壁结构；选用比重小、强度高的材料，等等。采用减轻孔、空心薄壁结构；选用比重小、强度高的材料，等等。（2）合理布置回转部分的质量，使重心尽量靠近回转轴。）合理布置回

46、转部分的质量，使重心尽量靠近回转轴。（3）对于减速传动链，尽量提高传动比，可以使折算到高速轴的等效转）对于减速传动链，尽量提高传动比，可以使折算到高速轴的等效转动惯量减小；动惯量减小； 减小高速轴的转动惯量，减小高速轴的转动惯量， 特别是电动机转子的转动惯量也可特别是电动机转子的转动惯量也可以起到显著的效果。以起到显著的效果。 机电系统设计机电系统设计722021-10-18 物体运动时，除了摩擦载荷外，还可能受到外载荷作用。环境载荷是典型的外载荷，环境载荷的环境有空气、风、温度等。 外载荷的确定，要视具体情况而定，有的可以从理论上进行推导，有的需要借助实验来测得。 机电系统设计机电系统设计7

47、32021-10-18 分析载荷的力矩特性的分析载荷的力矩特性的目的目的是为了选择合适的是为了选择合适的电动机电动机，使其满，使其满足足功率功率的要求。一般有的要求。一般有计算法计算法、类比法类比法和和实测法实测法三种计算力矩特性三种计算力矩特性方法。下面仅对方法。下面仅对计算法计算法进行简单叙述。进行简单叙述。 1负载力矩计算 确定载荷时，应该根据系统功能要求和工作环境情况，逐项分析载荷的类型和大小，然后，进行载荷综合。 电动机要克服的负载力矩有两种情况： （1）负载的峰值力矩，它对应于电动机最严重的工作情况； （2）均方根力矩，它对应于电动机长期连续地在变载荷下工作的情况。 机电系统设计机

48、电系统设计742021-10-18（1）负载的峰值力矩特性 设折算到电动机上的负载峰值力矩为设折算到电动机上的负载峰值力矩为mLpM，根据传递功率不变原则，有，根据传递功率不变原则，有 LpttlmGmtfptwpmLpiiJJJiMiMM2wpM为作用在负载轴上的力矩峰值，为作用在负载轴上的力矩峰值，Nm； fpM为作用在负载轴上的摩擦力矩，为作用在负载轴上的摩擦力矩，Nm； Lp为负载轴的角加速度，为负载轴的角加速度，rad/s2； mJ为电动机上的转动惯量，为电动机上的转动惯量，kgm2； mGJ为传动机构各转动零件折算到电动机轴上的转动惯量，为传动机构各转动零件折算到电动机轴上的转动惯

49、量，kgm2； lJ为负载轴上的转动惯量，为负载轴上的转动惯量，kgm2； 为传动机构的效率；为传动机构的效率； ti为从电动机轴到负载轴的总传动比。为从电动机轴到负载轴的总传动比。机电系统设计机电系统设计752021-10-18（2）负载均方根力矩特性 折算到电动机轴上的负载均方根力矩mLrM为 TTTLttLmGmtfiWmLrtiiJJJTtiMTtiMTM0002222d1d1d1机电系统设计机电系统设计762021-10-182负载的等效换算 在设计驱动系统时，要根据执行元件的额定转距（或力），进行加、减速控制及制动方案的选择，进行被控对象的固有参数设计（如：质量、转动惯量等）及匹配

50、设计。因此，要将被控对象相关部件的固有参数及所受的负载（力、力矩等）等，换算到执行元件的输出轴上，也就是要计算执行元件输出轴承受的等效转动惯量和等效负载力矩（对回转运动），或计算等效质量和等效力（直线运动）。 设传动系统运动部件的动能总和为 njjjmiiiJVME12122121机电系统设计机电系统设计772021-10-18njjjmiiiJVME12122121式中E为系统总动能，J； Mi为i轴上的运动零件质量，Nm；Vi为i轴上的运动零件速度，m/s；Jj为j轴上的转动零件的转动惯量，kgm2；j为j轴上的转动零件角速度，rad/s。 机电系统设计机电系统设计782021-10-18

51、设等效到执行元件输出轴k上的总动能为 221kkkJEkEE njkjjmikiikJVMJ1212则可得等效转动惯量为根据能量守恒定律，有Ek 是等效到执行元件输出轴k上的总动能；Jk 是等效到执行元件输出轴k上的等效转动惯量。 工程上常用转速n（r/min）来计算，可将上式改写为 2221114mnkjiijijkknVJMJnn式中，nk 为输出轴k上的转速。此式即为常用等效“等效转动惯量”计算公式。 机电系统设计机电系统设计792021-10-18 由于在相同时间内系统克服负载所做的功等于执行元件所做的功，所以，由于在相同时间内系统克服负载所做的功等于执行元件所做的功，所以，上述系统在

52、上述系统在t t时刻内克服负载所做的功的总和为时刻内克服负载所做的功的总和为 njjjmiiitTtVFW11式中W为系统在t时刻内克服负载所做的总功，J；Fi为作用于i 轴上的力，N；Ti为作用于i 轴上的力矩，Nm。 执行元件输出轴在时间t内所做的功为 tTWkkk式中Wk为k轴上的执行元件所作的功，J； k为k轴上的执行元件角速度，rad/s ；Tk为等效到执行元件输出轴k上的等效负载转矩，Nm。 机电系统设计机电系统设计802021-10-18由于WWk，所以，有 mimikjjkiikTVFT11此式即为等效负载转矩计算公式 机电系统设计机电系统设计812021-10-18FL，MA

53、Jm VA, .123TLnm Z1 Z2 进给系统示意图工作台3的运动速度为VA电动机1转子的转动惯量Jm=410-5kgm2，转速为nm求：等效到电动机轴上的等效转动惯量Jm 和等效转矩Tm。 已知：移动部件3（工作台、夹具、工件等）的总质量MA=400kg沿运动方向的负载力FL=800N，（包含导轨副的摩擦阻力）齿轮轴部件（包含齿轮）的转动惯量J1=510-4 kgm2，齿轮轴部件（包含齿轮）的转动惯量J2=710-4 kgm2；轴的负载转矩TL=4Nm；齿轮Z1与齿轮Z2的齿数分别为20与40，模数为1。忽略齿条2所在轴的转动惯量。机电系统设计机电系统设计822021-10-18FL，

54、MAJm VA, .123TLnm Z1 Z2 进给系统示意图解：求等效转动惯量Jm njkjjmikiiknnJnVMJ1212241 mmmAmnnJJJnVMJ2212A241由其中 21122222222/22/VZnZinnnZmRRmmA、机电系统设计机电系统设计832021-10-18于是，得到 22445221221212mkg 1264. 0402010710510410001201400412/2V/2mmmmmAmnnJZnmZZmZnZZn求等效负载转矩Tm根据式mimikjjkiikTVFT11 mN104100080021212112ZZnZnmnnTnVFTmmm

55、LmALm机电系统设计机电系统设计842021-10-18概概 述述1直流电动机原理及特性直流电动机原理及特性2直流电动机的驱动电路直流电动机的驱动电路 3机电系统设计机电系统设计852021-10-18伺服系统是机电一体化控制系统的主要组成部分，伺服电动机是其关键部件。 伺服电动机又称执行电动机，在机电一体化控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降，伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自

56、带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。 机电系统设计机电系统设计862021-10-18 伺服电动机的作用是跟踪指令脉冲动作、输出功率，使输出量能够准确、迅速地复现输入量的变化，伺服电动机的工作性能将影响伺服系统的调速性能、动态特性、运动精度等。伺服电动机响应频带宽，输出功率大，调速范围远远大于传统的直流或交流调速电动机，伺服电动机的性能密度大，即功率密度和比功率大。电动机的功率密度定义为 WPPw/式中Pw为电动机的功率密度，表示单位重量W的输出功率，W/N；P为输出功率，W；W为重量，N。 机电系统设计机

57、电系统设计872021-10-18电动机的比功率定义为 NTTNtTTttPdddddd式中T为电动机的实际转矩，Nm；TN为电动机的额定转矩，Nm；为电动机的角速度，rad/s。 电动机转动方程为 tJTmNdd式中，Jm为电动机转子转动惯量，kgm2。 则有mNJTtP/dd2机电系统设计机电系统设计882021-10-18 伺服电动机应能够提供足够的功率，使负载按需要的规律运动。因此，伺服电动机的输出转矩、转速和功率应能满足拖动负载运动的要求，其控制特性应保证所需调速范围和转矩变化范围。 为此，在选择伺服电动机时需要作以下计算。 1功率估算 如果要求电动机在峰值转矩下以最高转速不断地驱动

58、负载，则电动机的估算功率PM为 MMMMP)5 . 25 . 1 (式中PM为电动机估算功率，W；MM为负载峰值转矩，Nm；M为负载峰值转速，rad/s；为传动效率，初步估算时取 =0.70.9。 机电系统设计机电系统设计892021-10-181功率估算 如果电动机长期连续地工作在变载荷之下时，按负载均方根功率的电动机估算功率为 rrMMP)5 . 25 . 1 (式中PM 为电动机估算功率，W；Mr 为负载均方根转矩，Nm；r 为负载均方根转速，rad/s。 按功率估算值初步选定电动机后，额定转矩、额定转速、额定电压、额定电流、转子转动惯量、过载倍数等技术数据可由产品目录查得或经计算求得。

59、 机电系统设计机电系统设计902021-10-182发热校核 伺服电动机处于连续工作时的发热条件与周期性负载的均方根力矩相对应，故初选电动机后，必须根据负载转矩的均方根值来核对电动机的发热情况。折算负载均方根转矩M M r 为 tMTMTMLrMd120式中，MLM为折算到电动机轴上的负载转矩，Nm。 为了满足发热条件，要求电动机的额定转矩大于或等于折算负载均方根转矩，即 rMeMM 式中，M e 为电动机的额定转矩，Nm。 机电系统设计机电系统设计912021-10-183转矩过载校核 转矩过载校核的公式为 examMMMxamMMxamLMM式中MxamLM 为折算到电动机轴上负载转矩的最

60、大值，Nm；M M max为电动机的峰值转矩（过载转矩），Nm；Me为电动机的额定转矩，Nm；为过载倍数。 最大负载转矩MxamLM的持续作用时间一定要在电动机允许过载倍数的持续时间之内。 机电系统设计机电系统设计922021-10-18U+NSIIFF电刷电刷换向片换向片磁极磁极电流方向：电流方向：上半边向里，下半边向外上半边向里，下半边向外直流电源直流电源电刷电刷换向器换向器线圈线圈电磁力电磁力机电系统设计机电系统设计932021-10-18U+NSIIFFEE 由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向