数控机床机电系统有机结合分析和创新设计

1、数控机床机电系统有机结合分析和创新设计6.1 稳态与动态设计机电伺服系统设计过程：1.初步设计方案 包括系统主要元部件种类、各局部之间连接方式、系统控制方式、所需能源供给形式、校正补偿方法、信号转换方式等7/11/202226.1 稳态与动态设计机电伺服系统设计过程：1.初步设计方案2.理论设计 稳态设计 使系统的输出运动参数到达技术要求。 执行元件的参数选择。 功率力/力矩匹配以及过载能力的验算。 各主要元件的选择与控制电路的设计。 信号的有效传递。 各级增益的分配。 各级之间阻抗的匹配和所采取的抗干扰的措施。 建立系统数学模型 7/11/202236.1 稳态与动态设计机电伺服系统设计过程

2、：1.初步设计方案2.理论设计 稳态设计 动态设计 设计校正补偿装置，使系统满足动态技术指标要求。通常需进行计算机仿真，或用计算机进行辅助设计3.试验与调试7/11/202246.2 稳态设计系统稳定设计的目的：使控制被控对象能完成所需要的机械运动，即进行机械系统的运动学、动力学分析以及计算，保障整个机电一体化系统的整体性能。7/11/20225一、典型负载分析 1典型负载形式 无论被控制对象的运动形式如何，负载形式及其特点千差万别，归纳起来具有一些共性负载典型负载。 包括：惯性负载、外力负载、弹性负载、摩擦负载 。 目的：获取负载特征参量。为系统执行元件，机械变换机构等的选用或设计，系统进行

3、稳定性设计和动态设计创造条件。7/11/202262惯量和负载的等效换算 惯量和负载转换的作用： 为使所选择执行元件功率、力/力矩、运动参量与被控对象的固有参数质量、转动惯量、运动参数等相匹配，应将输出轴各局部的惯量和负载转换到执行元件的输出端，以便进行执行元件的选择。7/11/202271等效转动惯量的计算 无论机械传动或变换元件是直线运动还是回转运动，应用总动能不变的原理，可进行等效转动惯量的计算。 能量守恒：E = Ek7/11/202282等效负载转矩的计算 无论外部或内部负载是力还是力矩，应用虚功原理，可进行等效负载转矩的计算。7/11/20229二、执行元件的匹配选择 执行元件的匹

4、配选择主要包括转矩匹配、功率匹配、过热保护系数和过载保护系数验算四局部。直流电机步进电机及驱动步进电机根本结构7/11/2022101执行元件的转矩匹配 考虑机械传动效率，那么执行元件的等效输出转矩： 注意：执行元件为伺服电动机时，电动机工作区域应在恒转矩输出调速区内。 测算执行元件输出轴上的等效转矩 摩擦负载和工作负载和等效惯性转矩T惯的总和。7/11/2022112执行元件的功率匹配 电机功率的合理确定是执行元件选择的重要参数之一。 主要依据电机的等效负载和最高转速确定。 常用下式进行预选。 再通过过热验算和过载验算，最终确定电机的功率。7/11/2022123电机的过热验算 电机在一定工

5、作时间范围内，负载转矩变化时，应用等效法励磁磁通近似不变计算电机的等效转矩平均转矩。电机不产生过热的条件为： ，4电机的过载验算7/11/202213三、减速比的匹配选择与各级减速比的分配 减速比匹配的目的是可最终获得被控制对象的运动规律和运动速度要求。1减速比匹配选择的一般原那么要求 在第2章中，提到了机械传动减速比的分配原那么，主要依据是转动惯量最小、重量最轻、传动误差最小，以及综合考虑来确定各级传动的减速比。 本节提到的减速比匹配及分配，是以满足控制对象的运动特性、加速特性和动力特性为准那么。7/11/202214 即依据负载特性、脉冲当量分辨率、系统综合要求等来选择确定。减速比要满足被

6、控制对象的调速范围，并使在一定条件下综合指标参数到达最正确，也要满足脉冲当量分辨率与进给角之间的相应关系和在一定条件下输出转速最大或输出转矩最大等要求。2各级减速比的分配原那么与方法 1按加速度最大原那么选择减速比当要求输入信号变化快、响应快、加速度大时，应按下式决定减速比 i：7/11/2022152按输入速度恒定原那么选择减速比 在输入速度信号近似恒速时，有加速度最小，可按下式确定减速比 i ：3满足脉冲当量、进给角、丝杠根本导程匹配关系选择减速比4减速器输出轴转角误差最小原那么选择减速比即 最小原则：7/11/2022165按速度和加速度规定要求选择减速比 在速度和加速度有要求时，除按加

7、速度最大原那么选择减速比外，还应依据负载最大角速度与电机输出角速度之间的关系，最终确定减速比。 注意：应用上述方法确定机械传动局部的减速比，不能单一应用某一种方法，应用多种方法，综合分析，结合被控制对象的具体情况，在依据减速比的分配原那么2章，最终确定机械传动总减速比和各级减速比。7/11/202217四、检测传感装置、信号转换接口电路、 放大电路、电源的匹配与设计 1检测传感装置的选择 依据被检测对象的类型，考虑传感器的精度分辨率、不灵敏区、工作范围、输入/输出特性线性、信号转换时间、信噪比、转动惯量和摩擦特性、稳定性和可靠性等，合理选择传感器。2)信号转换接口电路 尽可能选用标准、通用、商

8、业集成元件。考虑输入输出通道数，匹配问题。7/11/2022183伺服系统放大器驱动电路的设计与选用 驱动电路设计通常分为两局部：信号处理与功率放大提高信号品质为主，功率放大增大能量为主。 具体要求： a最后输出级的功率应与执行元件功率电流、电压、容量、额定值相匹配。 输出阻抗小、效率高、时间常数小。b为执行元件的正常运转提供必要的适宜条件。 制动条件、限流保护条件等。c放大器应有足够的线性范围，保障执行元件的容量得以正常发挥。d输入级应与检测传感器相匹配。 输入阻抗大，可减轻检测传感器的负荷。e放大器要有足够的放大倍数，工作特性稳定可靠、易于调整等。 7/11/2022194伺服系统的能源电

9、源支持 电源系统由于受所选用或设计的各分系统能源输入形式和要求不同的限制，电源供给统一是困难的。但是、在设计电源系统时，应尽可能地作到电源的输出类型要少，在电源参量输出具有足够稳定性电压、频率的同时，要采取保护措施，防止外界干扰信号的进入和电源波动、掉电、欠压、过流、短路等非正常品质电源的输入对系统的影响。 常用措施：滤波、隔离、屏蔽干扰信号；稳压、限压、限流、断电保护和短路保护。7/11/202220五、 系统数学模型的建立 在稳态设计根底上，利用所选元部件的有关参数，可绘制出系统框图，并建立各环节传递函数，进而建立系统传递函数。7/11/202221五、 系统数学模型的建立 机电一体化系统

10、数学模型的类型实际上是多种多样的，但从控制系统工作原理上讲，主要分为开环控制、半闭环控制、闭环控制三类数学模型。 下面结合典型实例进行学习。1开环控制系统 开环控制比较简单，前面已学习。 传递函数数学模型为：2半闭环控制系统 如图滚珠丝杠传动半闭环伺服进给控制系统 7/11/202222滚珠丝杠传动半闭环控制系统框图 Ka前置放大器增益；KA功率放大器增益；Kv速度反响增益； Tm直流伺服电机时间常数；i1、i1减速比；Kr位置传感器增益； Vi(s)输入电压的拉式变换；i(s)丝杠输出转角的拉式变换。 1无外界干扰时的传递函数数学模型7/11/2022232有外界干扰时的传递函数数学模型 附

11、加扰动力矩电压VD表示的系统框图 附加扰动力矩等效电压后的系统框图 7/11/2022243全闭环控制系统传递函数数学模型：7/11/202225小 结 本小节介绍的主要内容是通过对系统负载和传动系统分析匹配，执行元件和传感元件等的合理选用与匹配设计，采用一定的总体设计方法和步骤，最终得到系统的传递函数稳态设计的数学模型。7/11/2022266.2 动态设计考虑方法 系统动态设计： 在稳态设计所建立的数学模型传递函数根底上，选择系统的控制方式和校正或误差补偿形式，有效地与稳态设计所建立的数学模型传递函数系统相融合，构成具有误差补偿作用的反响调节系统，到达稳定工作和满足被控制对象的各项动态指标

12、要求。 系统动态设计的目的： 在稳态设计的根底上，保证系统的动态特性指标参数。 动态设计的定量分析计算方法： 工程上常用的设计方法：对数频率法7/11/202227二、系统的调节方法 1伺服系统动态稳定性分析与过渡过程 对于任何系统，动态稳定过程主要有三种情况。 即：指数规律上升平稳地趋于稳定值，系统输出发散没有稳定值，系统输出振荡最终能趋于稳定值。 7/11/2022281动态稳定过程的特点： 系统动态稳定性设计的主要指标是系统的稳态误差和系统在过渡阶段的性能参量。上述三种情况各有其特点。 第一种情况：系统直接趋于稳定，刚性大加速度大，无振荡环节，系统过渡阶段误差大，不利于系统性能参量的调节

13、。 第二种情况：系统振荡发散不稳定。 第三种情况：系统振荡收敛逐步衰减区域稳定，系统刚性较小，但惯量较大，过渡阶段误差教小，利于系统性能参数的调节匹配。 鉴于第三种情况的控制系统，最能保证系统稳定硬件和软件保证，利于系统性能参量的调节匹配，系统过渡阶段误差最小的控制系统，在实际应用的控制系统中最为常见。7/11/2022292动态系统过渡阶段的主要性能指标 动态特性参量或指标：上升时间Ts；延迟时间Ty；调整时间Tt；最大超调量%，如下图。 7/11/2022302伺服系统动态稳定性校正方法 假设控制系统性能不稳定或稳定系统的主要性能指标过渡阶段和稳定阶段不能满足使用要求时，需要在系统中引入一

14、个专用于改善性能的附加装置，即校正装置。目的在于到达系统稳态和动态指标的使用要求。 尽管可用于系统调节和校正的理论数学模型方法和手段较多，但在实际应用控制系统中，应用最为广泛和简单的是PID调节器。 7/11/2022311PID调节器及其传递函数 PID调节器无源阻容式调节器和有源阻容式调节器。 无源阻容式调节器具有结构简单，无须提供外界电源等特点，但衰减较大、不易与系统的其它环节相匹配，应用受到一定的限制。 有源阻容式调节器主要运算放大器与阻容电路组成。通过合理的配置，不但能改善系统的稳定性能，也能改善系统动态性能。 有源阻容式调节器的电路构成7/11/202232有源阻容式调节器的传递函

15、数和特点： a ) 比例( P )调节图a 传递函数：Gc(s) = Kp= R2 /R1 特点：调节作用主要取决于增益Kp的大小 ，Kp值越大调节作用越强，但存在调节误差，且当Kp值太大时，可能引起系统不稳定。 b ) 积分( I )调节图b 传递函数：Gc(s) = 1/( Ti s )= 1/( R1C s ) 特点：可以减少或消除调节误差，但响应慢，因而较少单独使用。 积分调节器构成的闭环系统可完全消除误差，但是所需时间一般较长，系统响应慢。即调节器输出值与误差的存在有关，输出值随时间的推移逐渐增大，直到消除误差趋于稳态输出，到达稳态输出时的时间值与所存在误差值的大小有关，误差值越大，

16、所需的时间越长；反之，那么短。7/11/202233 c ) 比例积分图c 传递函数：Gc(s) = KP 1+1/(Ti s ) 其中：KP =R2/R1； Ti = R2C。 既克服了单纯比例( P )调节存在调节误差的缺点，又防止了积分( I )调节响应慢的弱点，系统稳定性和动态性能得到了改善。 d ) 比例积分微分( PID )调节图d传递函数：Gc(s) = KP1+1/(Ti s ) +Td s 其中：KP =(R1C1+R2C2)/( R1 R2)； Ti = R1C1 +R2C2； Td = R1C1R2C2/(R1C1+R2C2)。调节环节中微分调节D的作用是调节系统动态过程

17、过渡阶段响应特性的品质减小超调量。 特点：不但能改善系统的稳定性能也能改善系统动态性能，相比之下，它比( PI )调节能使系统具有更好的稳定性能和动态性能。但是，由于含有微分环节，在噪声比较大或系统要求响应快时，不宜采用PID调节。7/11/202234PID调节器使用调整方法： 在实际工程应用中，有源的PID调节器校正与误差调整方法，通常不是依靠理论计算来确定系统参数的，而是通过观察输出响应波形是否满足使用要求，先调整比例时间常数KP；再调整积分时间常数Ti；最后调整微分时间常数Td；反复调整直到所观察到的输出波形能满足使用要求的输出波形为止，便可确定PID调节器控制的系统参数7/11/202235无PID调节的系统响应有PID调节的系统响应 PID调节器对闭环控制系统性能改善的实例效果7/11/2022364速度反响校正测速发电机局部负反响 在电机处于低速运转时，所带动的工作台往往会产生“爬行现象，为了改善和提高系统的稳定性能，在控制系统中常采用电流负反响或速度负反响来提高系统低速稳定性。 如下图二阶速度负反响控制系统。 无负反响时传递函数 有负反响时传递函数 J等效转动惯量；F等效粘性摩擦系数；K系统开环增益。 7/11/20223