中北大学 机电一体化 第六章机电一体化系统机电有机结合的与设计

1、 机电伺服系统的被控对象作机械运动时，该被控对象机电伺服系统的被控对象作机械运动时，该被控对象就是系统的负载，它与系统执行元件的机械传动联系有多就是系统的负载，它与系统执行元件的机械传动联系有多种形式。种形式。负载的运动形式负载的运动形式：直线运动、回转运动、间歇运动等直线运动、回转运动、间歇运动等。n典型负载典型负载; ;n负载的等效换算负载的等效换算。6.2.1 6.2.1 负载分析负载分析 机电伺服系统的被控对象作机械运动时，该被控对象机电伺服系统的被控对象作机械运动时，该被控对象就是系统的负载，它与系统执行元件的机械传动联系有多就是系统的负载，它与系统执行元件的机械传动联系有多种形式。

2、种形式。负载的运动形式负载的运动形式：直线运动、回转运动、间歇运动等直线运动、回转运动、间歇运动等。n典型负载典型负载; ;n负载的等效换算负载的等效换算。1 1、负载分析负载分析n 典型负载典型负载; ; 所谓典型负载是指惯性负载、外力负载、弹性负载、所谓典型负载是指惯性负载、外力负载、弹性负载、摩擦负载摩擦负载( (滑动摩擦负载、粘性摩擦负载、滚动摩擦负滑动摩擦负载、粘性摩擦负载、滚动摩擦负载等载等) )。 1 1、负载分析负载分析2.2.负载的等效换算负载的等效换算下面以图下面以图6-16-1示的机床工作台伺服进给系统为例加示的机床工作台伺服进给系统为例加以说明。所示系统由一个移动部件和

3、以说明。所示系统由一个移动部件和n n个转动部件组个转动部件组成。成。 M M、v v和和F F分别为移动部件的质量分别为移动部件的质量( kg)( kg)、运动速、运动速度度(m/s)(m/s)和所受的负载力和所受的负载力(N)(N)；JjJj、njnj（ j j）和）和TjTj分分别为转动部件的转动惯量、转速别为转动部件的转动惯量、转速(r/min(r/min或或rad/s)rad/s)和所和所受负载转矩受负载转矩(N m)(N m)。计算：计算：6.2.2 6.2.2 执行元件的匹配选择执行元件的匹配选择 拟定系统方案时，要根据技术条件的要求进行综合拟定系统方案时，要根据技术条件的要求进

4、行综合分析，以选择与被控对象及其负载相匹配的执行元件。分析，以选择与被控对象及其负载相匹配的执行元件。下面以电动机的匹配选择为例简要说明执行元件的选择下面以电动机的匹配选择为例简要说明执行元件的选择方法。方法。 以电动机的匹配选择的执行元件的选择方法。以电动机的匹配选择的执行元件的选择方法。6.2.3 6.2.3 减速比的匹配选择与各级减速比的分配减速比的匹配选择与各级减速比的分配 减速比主要根据负载性质、脉冲当量和机电减速比主要根据负载性质、脉冲当量和机电一体化系统的综合要求来选择确定，既要使减速比一体化系统的综合要求来选择确定，既要使减速比达到一定条件下最佳，同时又要满足脉冲当量与步达到一

5、定条件下最佳，同时又要满足脉冲当量与步距角之间的相应关系，还要同时满足最大转速要求距角之间的相应关系，还要同时满足最大转速要求等。当然要全部满足上述要求是非常困难的。等。当然要全部满足上述要求是非常困难的。6.2.4 6.2.4 微机与检测传感装置、信号转换接口电路、微机与检测传感装置、信号转换接口电路、 放大电路及电源等的匹配选择与设计放大电路及电源等的匹配选择与设计 确定了执行元件与机械传动系统之后，需要根据所拟系统的初步方案，选择和设计系统的其余部分，包括（1）.选择或设计微机与检测传感装置；（2）.选择或设计信号转换接口电路、放大电路；（3）.选择或设计电源。各部分的设计计算，必须从系

6、统总体要求出发，考虑相邻部分的广义接口、信号的有效传递(防干扰措施)、输入/输出的阻抗匹配。6.2.4 6.2.4 微机与检测传感装置、信号转换接口电路、微机与检测传感装置、信号转换接口电路、 放大电路及电源等的匹配选择与设计放大电路及电源等的匹配选择与设计 伺服系统的稳态设计要从两头人手 ：（1）. 从系统应具有的输出能力及要求出发，选定执行元件和传动装置;（2）. 从系统的精度、速度要求出发，选择和设计微机与检测装置，并确定信号的前向和后向通道； 入手入手。6.2.4 6.2.4 微机与检测传感装置、信号转换接口电路、微机与检测传感装置、信号转换接口电路、 放大电路及电源等的匹配选择与设计

7、放大电路及电源等的匹配选择与设计 伺服系统的稳态设计要从两头人手 ：（1）. 从系统应具有的输出能力及要求出发，选定执行元件和传动装置;（2）. 从系统的精度、速度要求出发，选择和设计微机与检测装置，并确定信号的前向和后向通道； 入手入手。 关于微机、传感器、执行元件的选择，前面的章节已有详细的叙述，下面着重提出两点： （a) 功率输出级必须与所用执行元件匹配； （b） 放大器应为执行元件(如电动机)的运行状态提供适宜条件； （c） 放大器应有足够的线性范围，以保证执行元件的容量得以正常发挥； （d） 输入级应能与检测传感装置相匹配。即它的输入阻抗要大，以减轻检测传感装置的负荷； （e） 放大

8、器应具有足够的放大倍数，其特性应稳定可靠，便于调整。 放大电路的匹配选择与设计放大电路的匹配选择与设计 在一个系统中，所需电源一般很难统一，除了有动力电源外，还有各种类型的控制电源。系统对电源及其频率的稳定度都有一定要求（1）所使用电源应具有足够的保护措施，如过电压保护、掉电保护、过电流保护、短路保护等；（2）应具有抗干扰措施，如滤波、隔离、屏蔽等；（3）要有为系统服务的自检电路、显示与操作装置。电源的匹配选择与设计电源的匹配选择与设计 1.半闭环控制方式 下图a为检测传感器装在丝杠端部的半闭环伺服控制系统。6.2.5 6.2.5 系统数学模型的建立系统数学模型的建立半闭环伺服控制系统的系统框

9、图如下图所示。传递函数为: 2 . 全闭环控制方式 机电一体化系统的伺服系统的稳态设计只是初步确定了系统的主回路，还很不完善。在稳态设计基础上所建立的系统数学模型一般不能满足系统动态品质的要求，甚至是不稳定的。为此，必须进一步进行系统的动态设计。 系统的动态设计包括： 选择系统的控制方式和校正(或补偿)形式，设计校正装置，将其有效地连接到稳态设计阶段所设计的系统中去，使补偿后的系统成为稳定系统，并满足各项动态指标的要求。系统的动态设计包括：n选择系统的控制方式和校正(或补偿)形式；n设计校正装置，将其有效地连接到稳态设计阶段所设计的系统中去，使补偿后的系统成为稳定系统，并满足各项动态指标的要求

10、。6.3.16.3.1 系统的校正（补偿）方法系统的校正（补偿）方法 当系统有输入或受到外部干扰时，其输出必将发生变化，由于系统中总是含有一些惯性或蓄能元件，其输出量也不能立即变化到与外部输入或干扰相对应的值，也就是说需要有一个变化过程，这个变化过程即为系统的过渡过程。 机电一体化系统的动态设计过程，首先要根据系统传递函数（可由理论推导或实验方法获得）分析系统过渡过程品质(响应的稳、快、准）。6.3.16.3.1 系统的校正（补偿）方法系统的校正（补偿）方法 系统在阶跃信号作用下，过渡过程大致有以下三种情况：系统的输出按指数规律上升，最后平稳地趋于稳态值；系统的输出发散，没有稳态值，此时系统是不稳定的；系统的输出虽然有振荡，但最终能趋于稳态值。 具体表征系统动态特性好坏的定量指标就是系统过渡过程的品质指标，可以用时域内的单位阶跃响应曲线 1. PID调节器及其传递函数 2. PID调节作用分析 3. 速度反馈校正6.3.16.3.1 机械结构弹性变形对系统的影响机械结构弹性变形对