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分析与设计

第6章机电一体化系统的机电

有机结合的分析与设计16.1机电一体化系统设计概述6.2机电一体化系统稳态设计的考虑方法6.3机电一体化系统动态设计的考虑方法6.1机电一体化系统设计概述机电一体化系统（产品）的设计过程是机电参数相互匹配，即机电有机结合的过程。机电伺服系统是典型的机电一体化系统。

本章将以机电伺服系统为例，说明机电一体化系统设计的一般考虑方法。伺服系统中的位置伺服控制系统和速度伺服控制系统的共同点是通过系统执行元件直接或经过传动系统驱动被控对象，从而完成所需要的机械运动。因此，工程上是围绕机械运动的规律和运动参数对它们提出技术要求的。6.1机电一体化系统设计概述伺服系统中的位置伺服控制系统和速度伺服控制系统的共同点是通过系统执行元件直接或经过传动系统驱动被控对象，从而完成所需要的机械运动。因此，工程上是围绕机械运动的规律和运动参数对它们提出技术要求的。6.1机电一体化系统设计概述举例：在进行机电伺服系统设计。首先要了解被控对象的特点和对系统的具体要求，通过调查研究制订出系统的设计方案。初步方案设计(1)系统闭环与否的确定

(2)执行元件的选择

(3)传动机构方案的选择

(4)控制系统方案的选择

定量分析(1).稳态设计计算(2).动态设计计算

6.2机电一体化系统的稳态设计考虑方法

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种形式。负载的运动形式：直线运动、回转运动、间歇运动等。典型负载;负载的等效换算。6.2.1负载分析

6.2机电一体化系统的稳态设计考虑方法

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种形式。负载的运动形式：直线运动、回转运动、间歇运动等。典型负载;负载的等效换算。1、负载分析

6.2机电一体化系统的稳态设计考虑方法典型负载;所谓典型负载是指惯性负载、外力负载、弹性负载、摩擦负载(滑动摩擦负载、粘性摩擦负载、滚动摩擦负载等)。

1、负载分析

6.2机电一体化系统的稳态设计考虑方法2.负载的等效换算下面以图6-1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n个转动部件组成。M、v和F分别为移动部件的质量(kg)、运动速度(m/s)和所受的负载力(N)；Jj、nj（j）和Tj分别为转动部件的转动惯量、转速(r/min或rad/s)和所受负载转矩(Nm)。9计算：

6.2机电一体化系统的稳态设计考虑方法10

6.2机电一体化系统的稳态设计考虑方法

6.2机电一体化系统的稳态设计考虑方法6.2.2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方法。以电动机的匹配选择的执行元件的选择方法。12

6.2机电一体化系统的稳态设计考虑方法13

6.2机电一体化系统的稳态设计考虑方法14

6.2机电一体化系统的稳态设计考虑方法15

6.2机电一体化系统的稳态设计考虑方法16

6.2机电一体化系统的稳态设计考虑方法

6.2机电一体化系统的稳态设计考虑方法6.2.3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。

6.2机电一体化系统的稳态设计考虑方法6.2.4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

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机电一体化系统的稳态设计考虑方法6.2.4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机电一体化系统的稳态设计考虑方法6.2.4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：21

（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）放大器应具有足够的放大倍数，其特性应稳定可靠，便于调整。

6.2机电一体化系统的稳态设计考虑方法放大电路的匹配选择与设计22

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。

6.2机电一体化系统的稳态设计考虑方法电源的匹配选择与设计231.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机电一体化系统的稳态设计考虑方法6.2.5系统数学模型的建立24半闭环伺服控制系统的系统框图如下图所示。

6.2机电一体化系统的稳态设计考虑方法25传递函数为:

6.2机电一体化系统的稳态设计考虑方法266.3机电一体化系统的动态设计考虑方法272.全闭环控制方式

6.2机电一体化系统的稳态设计考虑方法28

6.2机电一体化系统的稳态设计考虑方法6.3机电一体化系统的动态设计考虑方法29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。30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。6.3机电一体化系统的动态设计考虑方法316.3机电一体化系统的动态设计考虑方法6.3.1

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）。326.3机电一体化系统的动态设计考虑方法6.3.1

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336.3机电一体化系统的动态设计考虑方法34图7.151.PID调节器及其传递函数6.3机电一体化系统的动态设计考虑方法356.3机电一体化系统的动态设计考虑方法36

6.3机电一体化系统的动态设计考虑方法372.PID调节作用分析6.3机电一体化系统的动态设计考虑方法386.3机电一体化系统的动态设计考虑方法396.3机电一体化系统的动态设计考虑方法406.3机电一体化系统的动态设计考虑方法416.3机电一体化系统的动态设计考虑方法426.3机电一体化系统的动态设计考虑方法436.3机电一体化系统的动态设计考虑方法443.速度反馈校正6.3机电一体化系统的动态设计考虑方法456.3机电一体化系统的动态设计考虑方法466.3机电一体化系统的动态设计考虑方法6.3.1

机械结构弹性变形对系统的影响传动系统因弹性变形而产生的振动，称为结构谐振(或机械谐振)。为了使问题简化，在分析系统时，常假定系统中的机械装置为绝对刚体，即无任何结构变形。实际上，机械装置并非刚体，而具有柔性。其物理模型是质量-弹簧系统。

1.结构谐振的影响