機電系統(tǒng)設計(5)第五章講稿

1、機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計22022-3-17v5.1 伺服驅(qū)動系統(tǒng)概述伺服驅(qū)動系統(tǒng)概述v5.2 驅(qū)動系統(tǒng)執(zhí)行元件驅(qū)動系統(tǒng)執(zhí)行元件v5.3 機械傳動機構(gòu)機械傳動機構(gòu)v5.4 電機驅(qū)動系統(tǒng)電機驅(qū)動系統(tǒng)機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計32022-3-17 用來精確地跟隨或復現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。又稱隨動系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移（或轉(zhuǎn)角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。 伺服系統(tǒng)-servomechanism 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計42022-3

2、-17伺服系統(tǒng)-servomechanism 伺服系統(tǒng)最初用于船舶的自動駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來逐漸推廣到很多領(lǐng)域，特別是自動車床、天線位置控制、導彈和飛船的制導等。采用伺服系統(tǒng)主要是為了達到下面幾個目的：以小功率指令信號去控制大功率負載。火炮控制和船舵控制就是典型的例子。在沒有機械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠處的輸出軸，實現(xiàn)遠距同步傳動。使輸出機械位移精確地跟蹤電信號，如記錄和指示儀表等。機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計52022-3-17 機電一體化系統(tǒng)，通常是以機電一體化系統(tǒng)，通常是以機器機器或或機械機構(gòu)機械機構(gòu)為控制對象，以為控制對象，以微處理器微處理器為核心控制器，受控物為核心控制

3、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）以及工藝參數(shù)工藝參數(shù)或或生產(chǎn)過程生產(chǎn)過程等。等。 控制器控制器功率放大器功率放大器執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)輸入量輸入量輸出量輸出量+ +檢測傳感器檢測傳感器- -伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計62022-3-17 控制器的主要任務是按輸入信號和反饋信號決定控制策略，常用的控制算法有PID（比例、積分和微分）控制和最優(yōu)控制等，由微處理器或?qū)Ｓ眉呻娐方M成。 控制器控制器功率放大器功率放大器執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)輸入量輸入量輸出量輸出量+ +檢測傳感器檢測傳感器- -伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計72022-3-17 功率放

4、大器的作用是接收控制器的信息，并將其放大，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)完成某種運動，主要采用專用集成電路功率放大器。 控制器控制器功率放大器功率放大器執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)輸入量輸入量輸出量輸出量+ +檢測傳感器檢測傳感器- -伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計82022-3-17 執(zhí)行機構(gòu)是運動部件，由動力源（如液壓、氣壓和電氣動力源）和機械傳動機構(gòu)等組成，根據(jù)控制信息和指令，完成要求的動作，也就是說，執(zhí)行機構(gòu)是將控制器發(fā)出的指令信號精確、快速地轉(zhuǎn)換為相應的機械運動，復現(xiàn)輸入信號的變化規(guī)律，完成所規(guī)定的動作。 控制器控制器功率放大器功率放大器執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)輸入量輸入量輸出量輸出量+ +檢測傳感器檢測傳感器

5、- -伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計92022-3-17 伺服驅(qū)動系統(tǒng)是指以機械位置、速度和加速度為控制對象，在控制命令的指揮下，控制執(zhí)行機構(gòu)工作，使機械運動部件按照控制命令的要求進行運動，并具有良好的動態(tài)性能。伺服驅(qū)動系統(tǒng)是機電一體化產(chǎn)品的一個重要組成部分，廣泛應用于工業(yè)控制、軍事、航空、航天等領(lǐng)域，如數(shù)控機床、工業(yè)機器人等。 控制器控制器功率放大器功率放大器執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)輸入量輸入量輸出量輸出量+ +檢測傳感器檢測傳感器- -伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計102022-3-17 分段復合制導飛行方案示意圖機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計112022-3-17伺服驅(qū)動伺服驅(qū)動系

6、統(tǒng)系統(tǒng)機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計122022-3-17分段復合制導控制回路原理框圖機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計132022-3-171234xyzxyzxyzxyz機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計142022-3-17 12101( )NyyyczzzNyyycczzNyyyczztKNNKHyHKNNKyKHyHKNNK2yH01()yNzzzcyytKNNKyH 01()xcxxtKKyH機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計152022-3-17伺服系統(tǒng)的分類伺服系統(tǒng)的分類電氣電氣伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)液壓液壓伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)氣動氣動伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)交流交流伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)直流直流伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)步進步進伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)

7、按按照照執(zhí)執(zhí)行行元元件件性性質(zhì)質(zhì)的的不不同同機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計162022-3-17開環(huán)開環(huán)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)閉環(huán)閉環(huán)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)無檢測無檢測反饋環(huán)節(jié)，精度低，反饋環(huán)節(jié)，精度低，抗干抗干擾能力差，成本低。擾能力差，成本低。有檢測有檢測反饋環(huán)節(jié)，精度高，反饋環(huán)節(jié)，精度高，抗干擾能抗干擾能力強，成本高，結(jié)構(gòu)復雜，結(jié)構(gòu)上與力強，成本高，結(jié)構(gòu)復雜，結(jié)構(gòu)上與半閉環(huán)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的區(qū)別是將整個機械伺服系統(tǒng)的區(qū)別是將整個機械裝置都包括到裝置都包括到反饋環(huán)中。反饋環(huán)中。有檢測有檢測反饋環(huán)節(jié)，精度較高，反饋環(huán)節(jié)，精度較高，性能居性能居中，結(jié)構(gòu)上與中，結(jié)構(gòu)上與閉環(huán)閉環(huán)伺服系統(tǒng)的

8、區(qū)別是伺服系統(tǒng)的區(qū)別是只將部分機械裝置都包括到只將部分機械裝置都包括到反饋環(huán)中。反饋環(huán)中。按按照照系系統(tǒng)統(tǒng)的的控控制制方方式式伺服系統(tǒng)的分類伺服系統(tǒng)的分類機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計172022-3-17伺服系統(tǒng)的設計方法伺服系統(tǒng)的設計方法1. 1.設計方案分析，系統(tǒng)方案確定設計方案分析，系統(tǒng)方案確定 首先對伺服系統(tǒng)的設計要求進行分析，明確其應用首先對伺服系統(tǒng)的設計要求進行分析，明確其應用場合和目的、基本性能指標及其他性能指標，然后根場合和目的、基本性能指標及其他性能指標，然后根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件擬定幾種技術(shù)方案，經(jīng)過評價、對比據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件擬定幾種技術(shù)方案，經(jīng)過評價、對比選定一種比較合理的方案。選定

9、一種比較合理的方案。 方案設計應包括下述內(nèi)容：控制方式選擇；執(zhí)行方案設計應包括下述內(nèi)容：控制方式選擇；執(zhí)行元件選擇、傳感器及其檢測裝置選擇、機械傳動及執(zhí)元件選擇、傳感器及其檢測裝置選擇、機械傳動及執(zhí)行機構(gòu)選擇等。行機構(gòu)選擇等。機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計182022-3-17伺服系統(tǒng)的設計方法伺服系統(tǒng)的設計方法2. 2.系統(tǒng)性能分析系統(tǒng)性能分析 根據(jù)基本結(jié)構(gòu)形式對其基本性能進行初步分析。根據(jù)基本結(jié)構(gòu)形式對其基本性能進行初步分析。 首先畫出系統(tǒng)方框圖，列出系統(tǒng)近似傳遞函數(shù)，并對首先畫出系統(tǒng)方框圖，列出系統(tǒng)近似傳遞函數(shù)，并對傳遞函數(shù)及方框圖進行化簡，然后在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)穩(wěn)定傳遞函數(shù)及方框圖進行化簡，然

10、后在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)穩(wěn)定性、精度及快速響應性進行初步分析，其中最主要的是穩(wěn)性、精度及快速響應性進行初步分析，其中最主要的是穩(wěn)定性分析，如不滿足要求，應修改方案或增加校正環(huán)節(jié)。定性分析，如不滿足要求，應修改方案或增加校正環(huán)節(jié)。 3. 3.執(zhí)行元件及傳感器的選擇執(zhí)行元件及傳感器的選擇 方案設計只進行初步選型，本步應根據(jù)具體速度、方案設計只進行初步選型，本步應根據(jù)具體速度、負載機器精度要求具體確定執(zhí)行元件及傳感器的參數(shù)負載機器精度要求具體確定執(zhí)行元件及傳感器的參數(shù)和型號。和型號。機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計192022-3-17伺服系統(tǒng)的設計方法伺服系統(tǒng)的設計方法4. 4.機械系統(tǒng)設計機械系統(tǒng)設計 機械系

11、統(tǒng)設計包括機械傳動機構(gòu)及執(zhí)行機構(gòu)的具機械系統(tǒng)設計包括機械傳動機構(gòu)及執(zhí)行機構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)的設計，設計中應注意消除各種傳動間體結(jié)構(gòu)及參數(shù)的設計，設計中應注意消除各種傳動間隙，盡量提高系統(tǒng)剛度、減少慣量及摩擦，尤其在設隙，盡量提高系統(tǒng)剛度、減少慣量及摩擦，尤其在設計執(zhí)行機構(gòu)的導軌時要防止產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。計執(zhí)行機構(gòu)的導軌時要防止產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。5. 5.控制系統(tǒng)設計控制系統(tǒng)設計 控制系統(tǒng)設計包括信號處理及放大電路、校正裝控制系統(tǒng)設計包括信號處理及放大電路、校正裝置、伺服電機驅(qū)動電路等的詳細設計，如果采用計算置、伺服電機驅(qū)動電路等的詳細設計，如果采用計算機數(shù)字控制，還應包括接口電路及控制器算法軟件的機數(shù)

12、字控制，還應包括接口電路及控制器算法軟件的設計?？刂葡到y(tǒng)設計中應設計。控制系統(tǒng)設計中應 注意各環(huán)節(jié)參數(shù)的選擇及與注意各環(huán)節(jié)參數(shù)的選擇及與機械系統(tǒng)參數(shù)的匹配，以使系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕度機械系統(tǒng)參數(shù)的匹配，以使系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕度和快速響應性，并滿足精度要求。和快速響應性，并滿足精度要求。機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計202022-3-176. 6.系統(tǒng)性能復查系統(tǒng)性能復查 所有機構(gòu)參數(shù)確定后，可重新列出系統(tǒng)精確的傳遞所有機構(gòu)參數(shù)確定后，可重新列出系統(tǒng)精確的傳遞函數(shù)，但實際系統(tǒng)一般都是高階系統(tǒng)，因而應適當簡化。函數(shù)，但實際系統(tǒng)一般都是高階系統(tǒng)，因而應適當簡化。如系統(tǒng)不理想，則可調(diào)整控制系統(tǒng)的參數(shù)或修改

13、算法，如系統(tǒng)不理想，則可調(diào)整控制系統(tǒng)的參數(shù)或修改算法，重新設計重新設計7. 7.系統(tǒng)測試實驗系統(tǒng)測試實驗 上述設計與分析在理論階段，實際系統(tǒng)還需試上述設計與分析在理論階段，實際系統(tǒng)還需試驗，可在模型試驗系統(tǒng)上進行或在樣機上進行驗，可在模型試驗系統(tǒng)上進行或在樣機上進行8. 8.系統(tǒng)設計定案系統(tǒng)設計定案伺服系統(tǒng)的設計方法伺服系統(tǒng)的設計方法主軸電機主軸電機伺服電機伺服電機刀庫刀具定位電機刀庫刀具定位電機機械手旋轉(zhuǎn)定位電機機械手旋轉(zhuǎn)定位電機帶制動器伺服電機帶制動器伺服電機加工中心加工中心伺服驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)（Servo System)CNC系統(tǒng)系統(tǒng)驅(qū)動電機驅(qū)動電機檢測裝置檢測裝置控制信號控制信號反

14、饋信號反饋信號光柵尺光柵尺計算機數(shù)值控制 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計242022-3-17執(zhí)行元件執(zhí)行元件是將控制信號轉(zhuǎn)換成機械運動和機械能量是將控制信號轉(zhuǎn)換成機械運動和機械能量的轉(zhuǎn)換元件。的轉(zhuǎn)換元件。執(zhí)行元件的種類執(zhí)行元件的種類執(zhí)行元件電磁式電磁鐵及其他電動機液壓馬達液壓式油 缸氣壓馬達氣壓式氣 缸其 他與材料有關(guān)直流伺服電機雙金屬片壓電元件狀態(tài)記憶金屬其他電機交流伺服電機步進電機機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計252022-3-17機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計262022-3-17（1 1）慣量小，動力大。）慣量小，動力大。 （2 2）體積小，重量輕。）體積小，重量輕。 （3 3）安裝方便、便于維修維護

15、。）安裝方便、便于維修維護。 （4 4）易于實現(xiàn)自動化控制。）易于實現(xiàn)自動化控制。機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計272022-3-17常用的控制電動機常用的控制電動機 步進電機（步進電機（Stepping MotorStepping Motor）直流伺服電機直流伺服電機(DC Servo Motor)(DC Servo Motor)交流伺服電機交流伺服電機(AC Servo Motor)(AC Servo Motor)轉(zhuǎn)角與數(shù)字脈沖成比例，可構(gòu)成直接數(shù)字控制轉(zhuǎn)角與數(shù)字脈沖成比例，可構(gòu)成直接數(shù)字控制構(gòu)成廉價的開環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成廉價的開環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制較簡單控制系統(tǒng)控制較簡單機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計2820

16、22-3-17常用的控制電動機常用的控制電動機 步進電機（步進電機（Stepping MotorStepping Motor）直流伺服電機直流伺服電機(DC Servo Motor)(DC Servo Motor)交流伺服電機交流伺服電機(AC Servo Motor)(AC Servo Motor)高響應、高功率密度高響應、高功率密度可實現(xiàn)高精度的數(shù)字控制可實現(xiàn)高精度的數(shù)字控制換向器件需維護換向器件需維護機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計292022-3-17常用的控制電動機常用的控制電動機 步進電機（步進電機（Stepping MotorStepping Motor）直流伺服電機直流伺服電機(DC

17、Servo Motor)(DC Servo Motor)交流伺服電機交流伺服電機(AC Servo Motor)(AC Servo Motor)具有具有DCDC伺服電機的全部優(yōu)點伺服電機的全部優(yōu)點需要磁極位置檢測器需要磁極位置檢測器無接觸換向器件，維護方便無接觸換向器件，維護方便機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計302022-3-17系統(tǒng)對伺服電機的基本要求系統(tǒng)對伺服電機的基本要求（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、響應特性好。）快速性好。加速度大、響應特性好。（3 3）位置控制與速度控制精度高、調(diào)

18、速范圍大、低速平）位置控制與速度控制精度高、調(diào)速范圍大、低速平穩(wěn)性好、分辨率高以及振動噪音小。穩(wěn)性好、分辨率高以及振動噪音小。（4 4）能適應頻繁啟動，可靠性高、壽命長。）能適應頻繁啟動，可靠性高、壽命長。（5 5）易于與計算機對接，實現(xiàn)計算機控制。）易于與計算機對接，實現(xiàn)計算機控制。步進電機開環(huán)控制步進電機開環(huán)控制機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計312022-3-17控制電機的控制形式控制電機的控制形式 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計322022-3-17控制電機的控制形式控制電機的控制形式 伺服電機半閉環(huán)控制伺服電機半閉環(huán)控制機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計332022-3-17控制電機的控制形式控制電機的控制

19、形式 伺服電機閉環(huán)控制伺服電機閉環(huán)控制機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計342022-3-17控制電機的控制形式控制電機的控制形式 模擬信號驅(qū)動控制機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計352022-3-17控制電機的控制形式控制電機的控制形式 脈沖信號驅(qū)動控制機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計362022-3-17應用舉例：舵機控制應用舉例：舵機控制 舵機的英文名稱是Servo，舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化角度不斷變化并可以保持可以保持的控制系統(tǒng)。 在機器人機電控制系統(tǒng)中，舵機控制效果是性能的重要影響因素。舵機可以在微機電系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機構(gòu)，其簡單的控制和輸出使得單片機系統(tǒng)非常容易與

20、之接口。 舵機是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動器。目前在高檔遙控玩具，如航模，包括飛機模型，潛艇模型；遙控機器人中已經(jīng)使用得比較普遍。舵機是一種俗稱，其實是一種伺服馬達。機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計372022-3-17應用舉例：舵機控制應用舉例：舵機控制舵機實物圖舵機實物圖機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計382022-3-17舵機的結(jié)構(gòu)和工作原理舵機的結(jié)構(gòu)和工作原理 舵機是伺服控制系統(tǒng)里最常用的執(zhí)行機構(gòu),其內(nèi)實際上也是下個閉環(huán)的控制系統(tǒng)。舵機只在一根信號線就可以實現(xiàn)機械角度的控制。舵機的結(jié)構(gòu)和連線圖機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計392022-3-17舵機的結(jié)構(gòu)和工作原理舵機的結(jié)構(gòu)和工作原理 標準的舵機有三條控制線

21、，分別為：電源、地及控制。電源線與地線用于提供內(nèi)部的直流馬達及控制線路所需的能源，電壓通常介于4V-6V之間，該電源應盡可能與處理系統(tǒng)的電源隔離(因為伺服馬達會產(chǎn)生噪音)。甚至小伺服馬達在重負載時也會拉低放大器的電壓，所以整個系統(tǒng)的電源供應的比例必須合理。舵機的結(jié)構(gòu)和連線圖機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計402022-3-17舵機的結(jié)構(gòu)和工作原理舵機的結(jié)構(gòu)和工作原理 控制線輸入一個周期性的正向脈沖信號，這個周期性脈沖信號的高電平時間通常在1ms-2.5ms之間。而低電平時間應在5ms到20ms間，并不很嚴格。 一個典型的20ms周期性脈沖的正脈沖寬度與舵機的輸出臂位置的關(guān)系 如果一直以固定占空比的脈沖

22、控制舵機，則舵機的角度一直保持不變（即角度保持）。機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計412022-3-17舵機的控制原理舵機的控制原理 控制信號由接收機的通道進入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn)。當電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機停止轉(zhuǎn)動。當然我們可以不用去了解它的具體工作原理，知道它的控制原理就夠了。就象我們使用晶體管一樣，知道可以拿它來做開關(guān)管或放大管就行了，至于管內(nèi)的電子具體怎么流動是可

23、以完全不用去考慮的。機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計422022-3-17舵機的控制原理舵機的控制原理 舵機的控制信號是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機的位置。舵機的控制一般需要一個20ms左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分的脈寬一般在0.5ms2.5ms范圍內(nèi)，其實是利用調(diào)節(jié)固定周期內(nèi)的占空比來控制角度的變化。以180度角度伺服為例，那么對應的控制關(guān)系是這樣的： 0.5ms-0度； 1.0ms-45度； 1.5ms-90度； 2.0ms-135度； 2.5ms-180度；注：這只是一種參考數(shù)值，具體的參數(shù)，需見舵機具體的技術(shù)參數(shù)。機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計432022-3-17舵機的控制原理舵機的

24、控制原理 小型舵機的工作電壓一般為4.8V或6V，轉(zhuǎn)速也不是很快，一般為0.22s/度或0.18s/度，所以假如你更改角度控制脈沖的寬度太快時，舵機可能反應不過來。如果需要更快速的反應，就需要更高的轉(zhuǎn)速了。 要精確的控制舵機，其實沒有那么容易，很多舵機的位置等級有1024個，那么，如果舵機的有效角度范圍為180度的話，其控制的角度精度是可以達到180/1024度約0.18度了，從時間上看其實要求的脈寬控制精度為2000/1024us約2us。如果你拿了個舵機，連控制精度為1度都達不到的話，而且還看到舵機在發(fā)抖，在這種情況下，只要舵機的電壓沒有抖動，那抖動的就是你的控制脈沖了。而這個脈沖為什么會

25、抖動呢？當然和你選用的脈沖發(fā)生器有關(guān)了。機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計442022-3-17舵機的控制原理舵機的控制原理 小型舵機的工作電壓一般為4.8V或6V，轉(zhuǎn)速也不是很快，一般為0.22s/度或0.18s/度，所以假如你更改角度控制脈沖的寬度太快時，舵機可能反應不過來。如果需要更快速的反應，就需要更高的轉(zhuǎn)速了。 要精確的控制舵機，其實沒有那么容易，很多舵機的位置等級有1024個，那么，如果舵機的有效角度范圍為180度的話，其控制的角度精度是可以達到180/1024度約0.18度了，從時間上看其實要求的脈寬控制精度為2000/1024us約2us。如果你拿了個舵機，連控制精度為1度都達不到的話，

26、而且還看到舵機在發(fā)抖，在這種情況下，只要舵機的電壓沒有抖動，那抖動的就是你的控制脈沖了。而這個脈沖為什么會抖動呢？當然和你選用的脈沖發(fā)生器有關(guān)了。機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計452022-3-17舵機的控制原理舵機的控制原理 可以使用FPGA、模擬電路、單片機來產(chǎn)生舵機的控制信號，但FPGA成本高且電路復雜。對于脈寬調(diào)制信號的脈寬變換，常用的一種方法是采用調(diào)制信號獲取有源濾波后的直流電壓，但是需要50Hz(周期是20ms)的信號，這對運放器件的選擇有較高要求，從電路體積和功耗考慮也不易采用。5mV以上的控制電壓的變化就會引起舵機的抖動，對于機載的測控系統(tǒng)而言，電源和其他器件的信號噪聲都遠大于5mV

27、，所以濾 波 電 路 的 精 度 難 以 達 到 舵 機 的 控 制 精 度 要 求 。機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計462022-3-17舵機的控制原理舵機的控制原理 也可以用單片機作為舵機的控制單元，使PWM信號的脈沖寬度實現(xiàn)微秒級的變化，從而提高舵機的轉(zhuǎn)角精度。單片機完成控制算法，再將計算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM信號輸出到舵機，由于單片機系統(tǒng)是一個數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號的變化完全依靠硬件計數(shù)，所以受外界干擾較小，整個系統(tǒng)工作可靠。 單片機系統(tǒng)實現(xiàn)對舵機輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須首先完成兩個任務：首先是產(chǎn)生基本的PWM周期信號，本設計是產(chǎn)生20ms的周期信號；其次是脈寬的調(diào)整，即單片機模擬PWM信號的輸出，并且

28、調(diào)整占空比。機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計472022-3-17舵機的控制原理舵機的控制原理 當系統(tǒng)中只需要實現(xiàn)一個舵機的控制，采用的控制方式是改變單片機的一個定時器中斷的初值，將20ms分為兩次中斷執(zhí)行，一次短定時中斷和一次長定時中斷。這樣既節(jié)省了硬件電路，也減少了軟件開銷，控制系統(tǒng)工作效率和控制精度都很高。 具體的設計過程：例如想讓舵機轉(zhuǎn)向左極限的角度，它的正脈沖為2ms，則負脈沖為20ms-2ms=18ms，所以開始時在控制口發(fā)送高電平，然后設置定時器在2ms后發(fā)生中斷，中斷發(fā)生后，在中斷程序里將控制口改為低電平，并將中斷時間改為18ms，再過18ms進入下一次定時中斷，再將控制口改為高電平，

29、并將定時器初值改為2ms，等待下次中斷到來，如此往復實現(xiàn)PWM信號輸出到舵機。用修改定時器中斷初值的方法巧妙形成了脈沖信號，調(diào)整時間段的寬度便可使伺服機靈活運動。機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計482022-3-17液壓伺服與比例控制系統(tǒng)液壓伺服與比例控制系統(tǒng)機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計492022-3-17應用舉例：智能材料應用舉例：智能材料機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計502022-3-175.3.1 典型載荷分析典型載荷分析5.3.2 負載的力矩特性負載的力矩特性機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計512022-3-17 典型載荷典型載荷是指作用在機構(gòu)上的是指作用在機構(gòu)上的機械摩擦載荷機械摩擦載荷、慣性載慣性載荷荷、

30、彈性載荷彈性載荷、外載荷外載荷以及各種以及各種環(huán)境載荷環(huán)境載荷等。對具體系統(tǒng)等。對具體系統(tǒng)來說，來說，不一定不一定包含以上所有負載項目，可能是以上幾種典包含以上所有負載項目，可能是以上幾種典型負載的組合。型負載的組合。 當兩個相互接觸的物體在外力作用下，發(fā)生相當兩個相互接觸的物體在外力作用下，發(fā)生相對運動或具有相對運動的趨勢時，在接觸面間產(chǎn)生對運動或具有相對運動的趨勢時，在接觸面間產(chǎn)生的切向運動阻力叫的切向運動阻力叫摩擦載荷摩擦載荷。 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計522022-3-17速度速度力力0速度速度力力0速度速度力力靜摩擦力靜摩擦力動摩擦力動摩擦力（a）（b）（c） 不同摩擦阻力與速度的關(guān)

31、系不同摩擦阻力與速度的關(guān)系vc-vc0（a）靜、動摩擦力；（）靜、動摩擦力；（b）粘滯摩擦力；）粘滯摩擦力；（c）實際摩擦力）實際摩擦力靜摩擦載荷：是相互接觸物體間有相對運動趨勢，但仍處于靜止時所呈現(xiàn)的摩擦力，是常數(shù) NfFss機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計532022-3-17速度速度力力0速度速度力力0速度速度力力靜摩擦力靜摩擦力動摩擦力動摩擦力（a）（b）（c） 不同摩擦阻力與速度的關(guān)系不同摩擦阻力與速度的關(guān)系vc-vc0（a）靜、動摩擦力；（）靜、動摩擦力；（b）粘滯摩擦力；（）粘滯摩擦力；（c）實際摩擦力實際摩擦力動摩擦載荷是指兩運動物體的接觸面對運動所呈現(xiàn)的阻力（或阻力矩），是常數(shù)。 f

32、NFf機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計542022-3-17速度速度力力0速度速度力力0速度速度力力靜摩擦力靜摩擦力動摩擦力動摩擦力（a）（b）（c） 不同摩擦阻力與速度的關(guān)系不同摩擦阻力與速度的關(guān)系vc-vc0（a）靜、動摩擦力；（）靜、動摩擦力；（b）粘滯摩擦力；（）粘滯摩擦力；（c）實際摩擦力實際摩擦力粘滯摩擦力是與物體運動速度成比例的摩擦力，其大小與速度的絕對值成正比，方向與速度的方向相反 ddfxFct機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計552022-3-17速度速度力力0速度速度力力0速度速度力力靜摩擦力靜摩擦力動摩擦力動摩擦力（a）（b）（c） 不同摩擦阻力與速度的關(guān)系不同摩擦阻力與速度的關(guān)系vc-

33、vc0（a）靜、動摩擦力；（）靜、動摩擦力；（b）粘滯摩擦力；（）粘滯摩擦力；（c）實際摩擦力實際摩擦力實際摩擦力 實際摩擦特性較復雜，摩擦力與速度之間關(guān)系呈非線性。摩擦力的形式和大小取決于相互接觸兩物體表面的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)和兩表面間壓力、相對速度、潤滑等因素。機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計562022-3-17摩擦力模型的建立要根據(jù)具體結(jié)構(gòu)確定 kyyftymtf)()()( 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計572022-3-17j j21NF21RF21fF12FG21NF12G(a)接觸面幾何形狀接觸面幾何形狀（a） 單一平面摩單一平面摩擦擦；（b）槽面摩槽面摩擦擦；（c）圓柱面摩圓柱面摩擦擦2/21NF

34、2/21NFq qq q12GG12(b)(c)（1）移動副中的摩擦力 NfFvf機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計582022-3-17（2）轉(zhuǎn)動副中的摩擦力 NfFvfNrfMvf機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計592022-3-17（3）摩擦對系統(tǒng)的影響 在機電一體化系統(tǒng)的在機電一體化系統(tǒng)的定位控制定位控制、低速低速和和速度變向速度變向等控制系統(tǒng)中，等控制系統(tǒng)中，由于摩擦的影響，會產(chǎn)生由于摩擦的影響，會產(chǎn)生“爬行爬行”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 所謂所謂“爬行爬行”現(xiàn)象現(xiàn)象，是指機械系統(tǒng)在低速運行時，可能出現(xiàn)，是指機械系統(tǒng)在低速運行時，可能出現(xiàn)時啟時啟時停時停、時快時慢時快時慢的的不穩(wěn)定不穩(wěn)定運動，或運動，或跳躍式跳躍

35、式運動。運動。產(chǎn)生產(chǎn)生“爬行爬行”的機理的機理，一般認為是由于系統(tǒng)的動、靜摩擦系數(shù)不一致或摩擦系數(shù)存在非線性一般認為是由于系統(tǒng)的動、靜摩擦系數(shù)不一致或摩擦系數(shù)存在非線性和系統(tǒng)的剛度不足引起的。系統(tǒng)由靜止開始運動的瞬間，最大靜摩擦和系統(tǒng)的剛度不足引起的。系統(tǒng)由靜止開始運動的瞬間，最大靜摩擦力迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬^小的滑動摩擦力，對系統(tǒng)低速運行的平穩(wěn)性產(chǎn)生力迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬^小的滑動摩擦力，對系統(tǒng)低速運行的平穩(wěn)性產(chǎn)生極為不利的影響。因此，在機電一體化控制系統(tǒng)中，往往要求較小的極為不利的影響。因此，在機電一體化控制系統(tǒng)中，往往要求較小的動、靜摩擦力差值比要求較小的摩擦系數(shù)更重要。動、靜摩擦力差值比要求較小的

36、摩擦系數(shù)更重要。 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計602022-3-17（3）摩擦對系統(tǒng)的影響 圖示為某隨動系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，輸出軸為電動機軸圖示為某隨動系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，輸出軸為電動機軸 G 0 (t)i(t)+-Kae(t)Km+Mm M0sin0隨動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖M 如果不考慮負載的慣性力矩，僅考慮摩擦力矩的影響，則電動機轉(zhuǎn)矩Mm與偏轉(zhuǎn)角e(t)的關(guān)系為 tKeteKKMmam式中，K a為放大器放大倍數(shù)，Km為電動機轉(zhuǎn)矩系數(shù)，K=KaKm 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計612022-3-17（3）摩擦對系統(tǒng)的影響 圖示為某隨動系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，輸出軸為電動機軸圖示為某隨動系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)結(jié)

37、構(gòu)圖，輸出軸為電動機軸 G 0 (t)i(t)+-Kae(t)Km+Mm M0sin0隨動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖M 當電動機啟動轉(zhuǎn)矩大于驅(qū)動系統(tǒng)最大靜摩擦力矩Ms（折算到電動機軸上的驅(qū)動系統(tǒng)總靜摩擦力矩）時，電動機軸運動，則有 smMM sMtKe KMtes/機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計622022-3-17（3）摩擦對系統(tǒng)的影響 圖示為某隨動系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，輸出軸為電動機軸圖示為某隨動系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，輸出軸為電動機軸 G 0 (t)i(t)+-Kae(t)Km+Mm M0sin0隨動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖M設電動機軸初始處于靜止狀態(tài)。當輸入軸以一定角速度轉(zhuǎn)動，輸入角滿足 KMtsi/q系統(tǒng)對輸入信

38、號無反應其中， “Ms/K”角稱為死角。 此時，輸出軸仍處于靜止狀態(tài)，也就是說，當 KMtsi/q時，機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計632022-3-17（3）摩擦對系統(tǒng)的影響 下圖為上述隨動系統(tǒng)出現(xiàn)下圖為上述隨動系統(tǒng)出現(xiàn)“爬行爬行”現(xiàn)象的示意圖?，F(xiàn)象的示意圖。 低速爬行示意圖t10(t)(t)abcMc/KMs/Ki(t)=t(t)=t- Mc/K(t)=t- Ms/Kt0設系統(tǒng)輸入信號為 ttiq t = t1前，偏轉(zhuǎn)角e(t)很小，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩不足以克服輸出軸靜摩擦力矩，故輸出保持靜止狀態(tài)。 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計642022-3-17（3）摩擦對系統(tǒng)的影響 下圖為上述隨動系統(tǒng)出現(xiàn)下圖為

39、上述隨動系統(tǒng)出現(xiàn)“爬行爬行”現(xiàn)象的示意圖?，F(xiàn)象的示意圖。 低速爬行示意圖t10(t)(t)abcMc/KMs/Ki(t)=t(t)=t- Mc/K(t)=t- Ms/Kt0t = t1時，偏轉(zhuǎn)角e(t)為 KMtttttesii/)()()()(10qqq作用在電動機軸上的驅(qū)動力矩M為 sMtKeM)(機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計652022-3-17（3）摩擦對系統(tǒng)的影響 下圖為上述隨動系統(tǒng)出現(xiàn)下圖為上述隨動系統(tǒng)出現(xiàn)“爬行爬行”現(xiàn)象的示意圖。現(xiàn)象的示意圖。 低速爬行示意圖t10(t)(t)abcMc/KMs/Ki(t)=t(t)=t- Mc/K(t)=t- Ms/Kt0 這時，電動機開始克服靜摩

40、擦力矩而轉(zhuǎn)動。一旦電動機轉(zhuǎn)動以后，摩擦力矩立即降為庫侖摩擦力矩Mc，則t = t1+時，輸出軸的慣性力矩Ma為 Ma= Ms- Mc 輸出軸在慣性力矩Ma作用下作加速運動，偏轉(zhuǎn)角e(t)逐漸減小，放大器（Ka）輸出電壓隨之降低，從而，執(zhí)行電動機的輸出轉(zhuǎn)矩減小。 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計662022-3-17（3）摩擦對系統(tǒng)的影響 下圖為上述隨動系統(tǒng)出現(xiàn)下圖為上述隨動系統(tǒng)出現(xiàn)“爬行爬行”現(xiàn)象的示意圖?，F(xiàn)象的示意圖。 低速爬行示意圖t10(t)(t)abcMc/KMs/Ki(t)=t(t)=t- Mc/K(t)=t- Ms/Kt0當0(t)=（t- Mc /K）時，偏轉(zhuǎn)角為 KMKMtttttec

41、ci/)()()(0qq 這時，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩等于庫侖摩擦力矩Mc ，慣性力矩Ma等于0（圖中a點）。 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計672022-3-17（3）摩擦對系統(tǒng)的影響 下圖為上述隨動系統(tǒng)出現(xiàn)下圖為上述隨動系統(tǒng)出現(xiàn)“爬行爬行”現(xiàn)象的示意圖?，F(xiàn)象的示意圖。 低速爬行示意圖t10(t)(t)abcMc/KMs/Ki(t)=t(t)=t- Mc/K(t)=t- Ms/Kt0 此后，由于偏轉(zhuǎn)角 e(t)=i(t)-0(t) Mc /K，所以，輸出軸作減速運動， 當d0 (t) /d t=0時（圖中b點），偏轉(zhuǎn)角絕對值 e(t) Ms/K（圖中c點）時，電動機又將克服靜摩擦力矩而啟動，輸出軸又作加

42、速運動，重復上述過程。 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計682022-3-17（4）減小摩擦載荷措施 減小摩擦載荷有若干措施，如上所述，較有效的方法是減小動、靜摩擦系數(shù)的差值或摩擦系數(shù)。由摩擦力和摩擦力矩的基本計算公式知，減小正壓力、摩擦系數(shù)、作用力臂，也可以減小摩擦力和摩擦力矩。例如，為了減小摩擦系數(shù)可以用滾動摩擦系數(shù)代替滑動摩擦系數(shù)，用濕摩擦代替干摩擦；使用靜壓軸承也可以減小摩擦系數(shù)，靜壓軸承的當量摩擦系數(shù)僅為0.00010.0004，而且其動、靜摩擦十分接近，可有效地防止低速爬行。 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計692022-3-17慣性載荷慣性載荷是由于一定質(zhì)量的物體具有加速度或角加速度才產(chǎn)生的。是

43、由于一定質(zhì)量的物體具有加速度或角加速度才產(chǎn)生的。直線運動直線運動慣性載荷為慣性載荷為慣性力慣性力。旋轉(zhuǎn)運動旋轉(zhuǎn)運動慣性載荷為慣性載荷為慣性力矩慣性力矩，計算慣性力矩時，需要知道，計算慣性力矩時，需要知道角速度、角加速度和轉(zhuǎn)動慣量等參量。角速度、角加速度和轉(zhuǎn)動慣量等參量。 lJlihlhhJlh = Jl / ihl2低速軸向高速軸折算低速軸向高速軸折算下面簡單介紹等效轉(zhuǎn)動慣量的計算 對于一個傳動鏈裝置，通常對于一個傳動鏈裝置，通常將轉(zhuǎn)動慣量從一個軸折算到另一將轉(zhuǎn)動慣量從一個軸折算到另一個軸，見右圖所示。個軸，見右圖所示。 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計702022-3-17lJlihlhhJlh =

44、 Jl / ihl2低速軸向高速軸折算低速軸向高速軸折算下面簡單介紹等效轉(zhuǎn)動慣量的計算 設l為低速軸；Jl為低速軸轉(zhuǎn)動慣量；h為高速軸；Jh為高速軸轉(zhuǎn)動慣量；Jl折算到高速軸h上的等效轉(zhuǎn)動慣量為Jlh。若忽略粘滯阻尼系數(shù)，傳動效率為100%，則高速軸h到低速軸l的傳動比為 1/lhhli 式中，ihl為高速軸h到低速軸l的傳動比；h為高速軸h的角速度，rad/s；l為低速軸l的角速度，rad/s 由能量平衡定律，得 222121hlhllJJ則有2/hlllhiJJ 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計712022-3-17下面簡單介紹等效轉(zhuǎn)動慣量的計算 lJlihlhhJlh = Jl / ihl2低速

45、軸向高速軸折算低速軸向高速軸折算根據(jù)牛頓第二定律 慣性力F和慣性力矩M的計算公式分別為 JMamF因此，可以采取以下措施，減小慣性載荷（減小慣性力或慣性力矩）： （1）減小運動零部件質(zhì)量的方法，如為了減小質(zhì)量或減小轉(zhuǎn)動慣量，可）減小運動零部件質(zhì)量的方法，如為了減小質(zhì)量或減小轉(zhuǎn)動慣量，可采用減輕孔、空心薄壁結(jié)構(gòu)；選用比重小、強度高的材料，等等。采用減輕孔、空心薄壁結(jié)構(gòu)；選用比重小、強度高的材料，等等。（2）合理布置回轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量，使重心盡量靠近回轉(zhuǎn)軸。）合理布置回轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量，使重心盡量靠近回轉(zhuǎn)軸。（3）對于減速傳動鏈，盡量提高傳動比，可以使折算到高速軸的等效轉(zhuǎn)）對于減速傳動鏈，盡量提高傳動比，

46、可以使折算到高速軸的等效轉(zhuǎn)動慣量減小；動慣量減?。?減小高速軸的轉(zhuǎn)動慣量，減小高速軸的轉(zhuǎn)動慣量， 特別是電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量也可特別是電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量也可以起到顯著的效果。以起到顯著的效果。 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計722022-3-17 物體運動時，除了摩擦載荷外，還可能受到外載荷作用。環(huán)境載荷是典型的外載荷，環(huán)境載荷的環(huán)境有空氣、風、溫度等。 外載荷的確定，要視具體情況而定，有的可以從理論上進行推導，有的需要借助實驗來測得。 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計732022-3-17 分析載荷的力矩特性的分析載荷的力矩特性的目的目的是為了選擇合適的是為了選擇合適的電動機電動機，使其滿，使其滿足足功

47、率功率的要求。一般有的要求。一般有計算法計算法、類比法類比法和和實測法實測法三種計算力矩特性三種計算力矩特性方法。下面僅對方法。下面僅對計算法計算法進行簡單敘述。進行簡單敘述。 1負載力矩計算 確定載荷時，應該根據(jù)系統(tǒng)功能要求和工作環(huán)境情況，逐項分析載荷的類型和大小，然后，進行載荷綜合。 電動機要克服的負載力矩有兩種情況： （1）負載的峰值力矩，它對應于電動機最嚴重的工作情況； （2）均方根力矩，它對應于電動機長期連續(xù)地在變載荷下工作的情況。 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計742022-3-17（1）負載的峰值力矩特性 設折算到電動機上的負載峰值力矩為設折算到電動機上的負載峰值力矩為mLpM，根據(jù)傳

48、遞功率不變原則，有，根據(jù)傳遞功率不變原則，有 LpttlmGmtfptwpmLpiiJJJiMiMM2wpM為作用在負載軸上的力矩峰值，為作用在負載軸上的力矩峰值，Nm； fpM為作用在負載軸上的摩擦力矩，為作用在負載軸上的摩擦力矩，Nm； Lp為負載軸的角加速度，為負載軸的角加速度，rad/s2； mJ為電動機上的轉(zhuǎn)動慣量，為電動機上的轉(zhuǎn)動慣量，kgm2； mGJ為傳動機構(gòu)各轉(zhuǎn)動零件折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量，為傳動機構(gòu)各轉(zhuǎn)動零件折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量，kgm2； lJ為負載軸上的轉(zhuǎn)動慣量，為負載軸上的轉(zhuǎn)動慣量，kgm2； 為傳動機構(gòu)的效率；為傳動機構(gòu)的效率； ti為從電動機軸到負載軸的

49、總傳動比。為從電動機軸到負載軸的總傳動比。機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計752022-3-17（2）負載均方根力矩特性 折算到電動機軸上的負載均方根力矩mLrM為 TTTLttLmGmtfiWmLrtiiJJJTtiMTtiMTM0002222d1d1d1機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計762022-3-172負載的等效換算 在設計驅(qū)動系統(tǒng)時，要根據(jù)執(zhí)行元件的額定轉(zhuǎn)距（或力），進行加、減速控制及制動方案的選擇，進行被控對象的固有參數(shù)設計（如：質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等）及匹配設計。因此，要將被控對象相關(guān)部件的固有參數(shù)及所受的負載（力、力矩等）等，換算到執(zhí)行元件的輸出軸上，也就是要計算執(zhí)行元件輸出軸承受的等效轉(zhuǎn)動慣量和

50、等效負載力矩（對回轉(zhuǎn)運動），或計算等效質(zhì)量和等效力（直線運動）。 設傳動系統(tǒng)運動部件的動能總和為 njjjmiiiJVME12122121機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計772022-3-17njjjmiiiJVME12122121式中E為系統(tǒng)總動能，J； Mi為i軸上的運動零件質(zhì)量，Nm；Vi為i軸上的運動零件速度，m/s；Jj為j軸上的轉(zhuǎn)動零件的轉(zhuǎn)動慣量，kgm2；j為j軸上的轉(zhuǎn)動零件角速度，rad/s。 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計782022-3-17設等效到執(zhí)行元件輸出軸k上的總動能為 221kkkJEkEE njkjjmikiikJVMJ1212則可得等效轉(zhuǎn)動慣量為根據(jù)能量守恒定律，有Ek 是

51、等效到執(zhí)行元件輸出軸k上的總動能；Jk 是等效到執(zhí)行元件輸出軸k上的等效轉(zhuǎn)動慣量。 工程上常用轉(zhuǎn)速n（r/min）來計算，可將上式改寫為 2221114mnkjiijijkknVJMJnn式中，nk 為輸出軸k上的轉(zhuǎn)速。此式即為常用等效“等效轉(zhuǎn)動慣量”計算公式。 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計792022-3-17 由于在相同時間內(nèi)系統(tǒng)克服負載所做的功等于執(zhí)行元件所做的功，所以，由于在相同時間內(nèi)系統(tǒng)克服負載所做的功等于執(zhí)行元件所做的功，所以，上述系統(tǒng)在上述系統(tǒng)在t t時刻內(nèi)克服負載所做的功的總和為時刻內(nèi)克服負載所做的功的總和為 njjjmiiitTtVFW11式中W為系統(tǒng)在t時刻內(nèi)克服負載所做的總功

52、，J；Fi為作用于i 軸上的力，N；Ti為作用于i 軸上的力矩，Nm。 執(zhí)行元件輸出軸在時間t內(nèi)所做的功為 tTWkkk式中Wk為k軸上的執(zhí)行元件所作的功，J； k為k軸上的執(zhí)行元件角速度，rad/s ；Tk為等效到執(zhí)行元件輸出軸k上的等效負載轉(zhuǎn)矩，Nm。 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計802022-3-17由于WWk，所以，有 mimikjjkiikTVFT11此式即為等效負載轉(zhuǎn)矩計算公式 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計812022-3-17FL，MAJm VA, .123TLnm Z1 Z2 進給系統(tǒng)示意圖工作臺3的運動速度為VA電動機1轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量Jm=410-5kgm2，轉(zhuǎn)速為nm求：等效到電動

53、機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量Jm 和等效轉(zhuǎn)矩Tm。 已知：移動部件3（工作臺、夾具、工件等）的總質(zhì)量MA=400kg沿運動方向的負載力FL=800N，（包含導軌副的摩擦阻力）齒輪軸部件（包含齒輪）的轉(zhuǎn)動慣量J1=510-4 kgm2，齒輪軸部件（包含齒輪）的轉(zhuǎn)動慣量J2=710-4 kgm2；軸的負載轉(zhuǎn)矩TL=4Nm；齒輪Z1與齒輪Z2的齒數(shù)分別為20與40，模數(shù)為1。忽略齒條2所在軸的轉(zhuǎn)動慣量。機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計822022-3-17FL，MAJm VA, .123TLnm Z1 Z2 進給系統(tǒng)示意圖解：求等效轉(zhuǎn)動慣量Jm njkjjmikiiknnJnVMJ1212241 mmmAmnnJJ

54、JnVMJ2212A241由其中 21122222222/22/VZnZinnnZmRRmmA、機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計832022-3-17于是，得到 22445221221212mkg 1264. 0402010710510410001201400412/2V/2mmmmmAmnnJZnmZZmZnZZn求等效負載轉(zhuǎn)矩Tm根據(jù)式mimikjjkiikTVFT11 mN104100080021212112ZZnZnmnnTnVFTmmmLmALm機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計842022-3-17概概 述述1直流電動機原理及特性直流電動機原理及特性2直流電動機的驅(qū)動電路直流電動機的驅(qū)動電路 3機電

55、系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計852022-3-17伺服系統(tǒng)是機電一體化控制系統(tǒng)的主要組成部分，伺服電動機是其關(guān)鍵部件。 伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在機電一體化控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降，伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計862022

56、-3-17 伺服電動機的作用是跟蹤指令脈沖動作、輸出功率，使輸出量能夠準確、迅速地復現(xiàn)輸入量的變化，伺服電動機的工作性能將影響伺服系統(tǒng)的調(diào)速性能、動態(tài)特性、運動精度等。伺服電動機響應頻帶寬，輸出功率大，調(diào)速范圍遠遠大于傳統(tǒng)的直流或交流調(diào)速電動機，伺服電動機的性能密度大，即功率密度和比功率大。電動機的功率密度定義為 WPPw/式中Pw為電動機的功率密度，表示單位重量W的輸出功率，W/N；P為輸出功率，W；W為重量，N。 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計872022-3-17電動機的比功率定義為 NTTNtTTttPdddddd式中T為電動機的實際轉(zhuǎn)矩，Nm；TN為電動機的額定轉(zhuǎn)矩，Nm；為電動機的角速度

57、，rad/s。 電動機轉(zhuǎn)動方程為 tJTmNdd式中，Jm為電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，kgm2。 則有mNJTtP/dd2機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計882022-3-17 伺服電動機應能夠提供足夠的功率，使負載按需要的規(guī)律運動。因此，伺服電動機的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率應能滿足拖動負載運動的要求，其控制特性應保證所需調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩變化范圍。 為此，在選擇伺服電動機時需要作以下計算。 1功率估算 如果要求電動機在峰值轉(zhuǎn)矩下以最高轉(zhuǎn)速不斷地驅(qū)動負載，則電動機的估算功率PM為 MMMMP)5 . 25 . 1 (式中PM為電動機估算功率，W；MM為負載峰值轉(zhuǎn)矩，Nm；M為負載峰值轉(zhuǎn)速，rad/s；為傳動效率，初

58、步估算時取 =0.70.9。 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計892022-3-171功率估算 如果電動機長期連續(xù)地工作在變載荷之下時，按負載均方根功率的電動機估算功率為 rrMMP)5 . 25 . 1 (式中PM 為電動機估算功率，W；Mr 為負載均方根轉(zhuǎn)矩，Nm；r 為負載均方根轉(zhuǎn)速，rad/s。 按功率估算值初步選定電動機后，額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、額定電壓、額定電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量、過載倍數(shù)等技術(shù)數(shù)據(jù)可由產(chǎn)品目錄查得或經(jīng)計算求得。 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計902022-3-172發(fā)熱校核 伺服電動機處于連續(xù)工作時的發(fā)熱條件與周期性負載的均方根力矩相對應，故初選電動機后，必須根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩的均方根值來

59、核對電動機的發(fā)熱情況。折算負載均方根轉(zhuǎn)矩M M r 為 tMTMTMLrMd120式中，MLM為折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩，Nm。 為了滿足發(fā)熱條件，要求電動機的額定轉(zhuǎn)矩大于或等于折算負載均方根轉(zhuǎn)矩，即 rMeMM 式中，M e 為電動機的額定轉(zhuǎn)矩，Nm。 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計912022-3-173轉(zhuǎn)矩過載校核 轉(zhuǎn)矩過載校核的公式為 examMMMxamMMxamLMM式中MxamLM 為折算到電動機軸上負載轉(zhuǎn)矩的最大值，Nm；M M max為電動機的峰值轉(zhuǎn)矩（過載轉(zhuǎn)矩），Nm；Me為電動機的額定轉(zhuǎn)矩，Nm；為過載倍數(shù)。 最大負載轉(zhuǎn)矩MxamLM的持續(xù)作用時間一定要在電動機允許過載倍數(shù)的

60、持續(xù)時間之內(nèi)。 機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計922022-3-17U+NSIIFF電刷電刷換向片換向片磁極磁極電流方向：電流方向：上半邊向里，下半邊向外上半邊向里，下半邊向外直流電源直流電源電刷電刷換向器換向器線圈線圈電磁力電磁力機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計932022-3-17U+NSIIFFEE 由右手定則，線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)，將在線圈中產(chǎn)生由右手定則，線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)，將在線圈中產(chǎn)生感應電動勢，感應電動勢的方向與電流的方向相反。感應電動勢，感應電動勢的方向與電流的方向相反。機電系統(tǒng)設計機電系統(tǒng)設計942022-3-17勵磁式直流電動機結(jié)構(gòu)勵磁式直流電動機結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子磁極磁極勵磁勵磁繞組繞組機座機座