中北大學機電一體化第六章機電一體化系統(tǒng)機電有機結合的分析與設計

第6章機電一體化系統(tǒng)的機電

有機結合的分析與設計16.1機電一體化系統(tǒng)設計概述6.2機電一體化系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)設計的考慮方法6.3機電一體化系統(tǒng)動態(tài)設計的考慮方法6.1機電一體化系統(tǒng)設計概述機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的設計過程是機電參數(shù)相互匹配，即機電有機結合的過程。機電伺服系統(tǒng)是典型的機電一體化系統(tǒng)。

本章將以機電伺服系統(tǒng)為例，說明機電一體化系統(tǒng)設計的一般考慮方法。伺服系統(tǒng)中的位置伺服控制系統(tǒng)和速度伺服控制系統(tǒng)的共同點是通過系統(tǒng)執(zhí)行元件直接或經(jīng)過傳動系統(tǒng)驅動被控對象，從而完成所需要的機械運動。因此，工程上是圍繞機械運動的規(guī)律和運動參數(shù)對它們提出技術要求的。6.1機電一體化系統(tǒng)設計概述伺服系統(tǒng)中的位置伺服控制系統(tǒng)和速度伺服控制系統(tǒng)的共同點是通過系統(tǒng)執(zhí)行元件直接或經(jīng)過傳動系統(tǒng)驅動被控對象，從而完成所需要的機械運動。因此，工程上是圍繞機械運動的規(guī)律和運動參數(shù)對它們提出技術要求的。6.1機電一體化系統(tǒng)設計概述舉例：在進行機電伺服系統(tǒng)設計。首先要了解被控對象的特點和對系統(tǒng)的具體要求，通過調查研究制訂出系統(tǒng)的設計方案。初步方案設計(1)系統(tǒng)閉環(huán)與否的確定

(2)執(zhí)行元件的選擇

(3)傳動機構方案的選擇

(4)控制系統(tǒng)方案的選擇

定量分析(1).穩(wěn)態(tài)設計計算(2).動態(tài)設計計算

6.2機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法

機電伺服系統(tǒng)的被控對象作機械運動時，該被控對象就是系統(tǒng)的負載，它與系統(tǒng)執(zhí)行元件的機械傳動聯(lián)系有多種形式。負載的運動形式：直線運動、回轉運動、間歇運動等。典型負載;負載的等效換算。6.2.1負載分析

6.2機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法

機電伺服系統(tǒng)的被控對象作機械運動時，該被控對象就是系統(tǒng)的負載，它與系統(tǒng)執(zhí)行元件的機械傳動聯(lián)系有多種形式。負載的運動形式：直線運動、回轉運動、間歇運動等。典型負載;負載的等效換算。1、負載分析

6.2機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法典型負載;所謂典型負載是指慣性負載、外力負載、彈性負載、摩擦負載(滑動摩擦負載、粘性摩擦負載、滾動摩擦負載等)。

1、負載分析

6.2機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法2.負載的等效換算下面以圖6-1示的機床工作臺伺服進給系統(tǒng)為例加以說明。所示系統(tǒng)由一個移動部件和n個轉動部件組成。M、v和F分別為移動部件的質量(kg)、運動速度(m/s)和所受的負載力(N)；Jj、nj（j）和Tj分別為轉動部件的轉動慣量、轉速(r/min或rad/s)和所受負載轉矩(Nm)。9計算：

6.2機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法10

6.2機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法

6.2機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法6.2.2執(zhí)行元件的匹配選擇

擬定系統(tǒng)方案時，要根據(jù)技術條件的要求進行綜合分析，以選擇與被控對象及其負載相匹配的執(zhí)行元件。下面以電動機的匹配選擇為例簡要說明執(zhí)行元件的選擇方法。以電動機的匹配選擇的執(zhí)行元件的選擇方法。12

6.2機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法13

6.2機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法14

6.2機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法15

6.2機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法16

6.2機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法

6.2機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法6.2.3減速比的匹配選擇與各級減速比的分配

減速比主要根據(jù)負載性質、脈沖當量和機電一體化系統(tǒng)的綜合要求來選擇確定，既要使減速比達到一定條件下最佳，同時又要滿足脈沖當量與步距角之間的相應關系，還要同時滿足最大轉速要求等。當然要全部滿足上述要求是非常困難的。

6.2機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法6.2.4微機與檢測傳感裝置、信號轉換接口電路、

放大電路及電源等的匹配選擇與設計

確定了執(zhí)行元件與機械傳動系統(tǒng)之后，需要根據(jù)所擬系統(tǒng)的初步方案，選擇和設計系統(tǒng)的其余部分，包括（1）.選擇或設計微機與檢測傳感裝置；（2）.選擇或設計信號轉換接口電路、放大電路；（3）.選擇或設計電源。各部分的設計計算，必須從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，考慮相鄰部分的廣義接口、信號的有效傳遞(防干擾措施)、輸入/輸出的阻抗匹配。

6.2機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法6.2.4微機與檢測傳感裝置、信號轉換接口電路、

放大電路及電源等的匹配選擇與設計伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計要從兩頭人手

：（1）.從系統(tǒng)應具有的輸出能力及要求出發(fā)，選定執(zhí)行元件和傳動裝置;（2）.從系統(tǒng)的精度、速度要求出發(fā)，選擇和設計微機與檢測裝置，并確定信號的前向和后向通道；

入手入手。

6.2機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法6.2.4微機與檢測傳感裝置、信號轉換接口電路、

放大電路及電源等的匹配選擇與設計伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計要從兩頭人手

：（1）.從系統(tǒng)應具有的輸出能力及要求出發(fā)，選定執(zhí)行元件和傳動裝置;（2）.從系統(tǒng)的精度、速度要求出發(fā)，選擇和設計微機與檢測裝置，并確定信號的前向和后向通道；

入手入手。

關于微機、傳感器、執(zhí)行元件的選擇，前面的章節(jié)已有詳細的敘述，下面著重提出兩點：21

（a)功率輸出級必須與所用執(zhí)行元件匹配；（b）放大器應為執(zhí)行元件(如電動機)的運行狀態(tài)提供適宜條件；（c）放大器應有足夠的線性范圍，以保證執(zhí)行元件的容量得以正常發(fā)揮；（d）輸入級應能與檢測傳感裝置相匹配。即它的輸入阻抗要大，以減輕檢測傳感裝置的負荷；（e）放大器應具有足夠的放大倍數(shù)，其特性應穩(wěn)定可靠，便于調整。

6.2機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法放大電路的匹配選擇與設計22

在一個系統(tǒng)中，所需電源一般很難統(tǒng)一，除了有動力電源外，還有各種類型的控制電源。系統(tǒng)對電源及其頻率的穩(wěn)定度都有一定要求（1）所使用電源應具有足夠的保護措施，如過電壓保護、掉電保護、過電流保護、短路保護等；（2）應具有抗干擾措施，如濾波、隔離、屏蔽等；（3）要有為系統(tǒng)服務的自檢電路、顯示與操作裝置。

6.2機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法電源的匹配選擇與設計231.半閉環(huán)控制方式下圖a為檢測傳感器裝在絲杠端部的半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。

6.2機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法6.2.5系統(tǒng)數(shù)學模型的建立24半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如下圖所示。

6.2機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法25傳遞函數(shù)為:

6.2機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法266.3機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設計考慮方法272.全閉環(huán)控制方式

6.2機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法28

6.2機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法6.3機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設計考慮方法29機電一體化系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計只是初步確定了系統(tǒng)的主回路，還很不完善。在穩(wěn)態(tài)設計基礎上所建立的系統(tǒng)數(shù)學模型一般不能滿足系統(tǒng)動態(tài)品質的要求，甚至是不穩(wěn)定的。為此，必須進一步進行系統(tǒng)的動態(tài)設計。

系統(tǒng)的動態(tài)設計包括：

選擇系統(tǒng)的控制方式和校正(或補償)形式，設計校正裝置，將其有效地連接到穩(wěn)態(tài)設計階段所設計的系統(tǒng)中去，使補償后的系統(tǒng)成為穩(wěn)定系統(tǒng)，并滿足各項動態(tài)指標的要求。30系統(tǒng)的動態(tài)設計包括：選擇系統(tǒng)的控制方式和校正(或補償)形式；設計校正裝置，將其有效地連接到穩(wěn)態(tài)設計階段所設計的系統(tǒng)中去，使補償后的系統(tǒng)成為穩(wěn)定系統(tǒng)，并滿足各項動態(tài)指標的要求。6.3機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設計考慮方法316.3機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設計考慮方法6.3.1

系統(tǒng)的校正（補償）方法當系統(tǒng)有輸入或受到外部干擾時，其輸出必將發(fā)生變化，由于系統(tǒng)中總是含有一些慣性或蓄能元件，其輸出量也不能立即變化到與外部輸入或干擾相對應的值，也就是說需要有一個變化過程，這個變化過程即為系統(tǒng)的過渡過程。機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設計過程，首先要根據(jù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)（可由理論推導或實驗方法獲得）分析系統(tǒng)過渡過程品質(響應的穩(wěn)、快、準）。326.3機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設計考慮方法6.3.1

系統(tǒng)的校正（補償）方法

系統(tǒng)在階躍信號作用下，過渡過程大致有以下三種情況：系統(tǒng)的輸出按指數(shù)規(guī)律上升，最后平穩(wěn)地趨于穩(wěn)態(tài)值；系統(tǒng)的輸出發(fā)散，沒有穩(wěn)態(tài)值，此時系統(tǒng)是不穩(wěn)定的；系統(tǒng)的輸出雖然有振蕩，但最終能趨于穩(wěn)態(tài)值。

具體表征系統(tǒng)動態(tài)特性好壞的定量指標就是系統(tǒng)過渡過程的品質指標，可以用時域內(nèi)的單位階躍響應曲線336.3機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設計考慮方法34圖7.151.PID調節(jié)器及其傳遞函數(shù)6.3機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設計考慮方法356.3機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設計考慮方法36

6.3機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設計考慮方法372.PID調節(jié)作用分析6.3機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設計考慮方法386.3機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設計考慮方法396.3機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設計考慮方法406.3機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設計考慮方法416.3機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設計考慮方法426.3機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設計考慮方法436.3機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設計考慮方法443.速度反饋校正6.3機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設計考慮方法456.3機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設計考慮方法466.3機電一體化系統(tǒng)的動態(tài)設計考慮方法6.3.1

機械結構彈性變形對系統(tǒng)的影響傳動系統(tǒng)因彈性變形而產(chǎn)生的振動，稱為結構諧振(或機械諧振)。為了使問題簡化，在分析系統(tǒng)時，常假定系統(tǒng)中的機械裝置為絕對剛體，即無任何結構變形。實際上，機械裝置并非剛體，而具有柔性。其物理模型是質量-彈簧系統(tǒng)。

1.結構諧振的影響