現(xiàn)代工程控制基礎(chǔ).ppt

1、第2章 自動(dòng)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)裝置,2,2020/10/15,2.1 概述 2.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)及其控制 2.3 交流伺服電動(dòng)機(jī)及其控制 2.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制 2.5 特種電動(dòng)機(jī)及其應(yīng)用 2.6 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 2.7 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì),3,2020/10/15,2.1 概述,圖2.1 驅(qū)動(dòng)器種類,4,2020/10/15,2.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)及其控制,2.2.1 直流伺服電動(dòng)機(jī)的分類和特點(diǎn),表2.1,5,2020/10/15,2.2.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)的控制特性,圖2.2 直流伺服電動(dòng)機(jī)工作原理圖,傳統(tǒng)的有刷直流伺服電動(dòng)機(jī)主要由定子磁極、轉(zhuǎn)子電樞、 碳刷及換向片等結(jié)構(gòu)組成，

2、如圖2.2所示。,6,2020/10/15,他激式直流伺服電動(dòng)機(jī)的電樞等效電路如圖2.3所示。,2.3 電樞電壓控制時(shí)的電樞等效電路,機(jī)械工程自動(dòng)控制系統(tǒng)中常采用的直流伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 子電樞線圈的感抗La較小，為分析簡(jiǎn)化起見(jiàn)，忽略其影響， 設(shè)La=0，則電樞回路中的電壓平衡方程式為,7,2020/10/15,轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中以角速度切割磁力線時(shí)，電樞反電 動(dòng)勢(shì)Ea與角速度之間存在如下關(guān)系:,式中，Ce是電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，僅與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)；是定子 磁場(chǎng)中每極氣隙磁通量。,此外，電樞電流切割磁場(chǎng)磁力線所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Tm， 可由下式表達(dá)：,式中，Cm是轉(zhuǎn)矩常數(shù)，僅與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)。,8,2020/10/15

3、,(2.6),直流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性的一般表達(dá)式,稱為理想空載角速度?？梢?jiàn)，角速度與電樞電壓成正比。,Td稱為啟動(dòng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，其值也與電樞電壓成正比。,（1）當(dāng)Tm0(空載)時(shí)：,（2）當(dāng) 0(啟動(dòng))時(shí)：,9,2020/10/15,如果把角速度看作是電磁轉(zhuǎn)矩Tem的函數(shù)，即=f(Tem)， 則可得到直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式,式中，0是常數(shù)， 。,(2.6),如果把角速度看作是電樞電壓ua的函數(shù)，即=f(ua)， 則可得到直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性表達(dá)式,式中，k是常數(shù)，即 。,10,2020/10/15,根據(jù)式(2.9)和式(2.10)，給定不同的ua值和Tm值，可分 別繪出直流伺服電動(dòng)機(jī)的

4、機(jī)械特性曲線和調(diào)節(jié)特性曲線， 如圖2.4和圖2.5所示。,圖2.4 直流伺服電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性 圖2.5 直流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)特性,11,2020/10/15,電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路、電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的摩擦及負(fù)載的變動(dòng) 等因素對(duì)直流伺服電動(dòng)機(jī)特性的影響,（1）驅(qū)動(dòng)電路對(duì)機(jī)械特性的影響：,圖2.6 含驅(qū)動(dòng)電路的電樞等效回路 圖2.7 驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻對(duì)機(jī)械特性的影響,在考慮了驅(qū)動(dòng)電路的影響后，直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特 性表達(dá)式發(fā)生了變化:,12,2020/10/15,（2）直流伺服電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的摩擦對(duì)調(diào)節(jié)特性的影響： （3）負(fù)載變化對(duì)調(diào)節(jié)特性的影響：,圖2.5 直流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)特性,圖2.8 摩擦及負(fù)載變動(dòng)對(duì)調(diào)節(jié)特性的

5、影響,13,2020/10/15,2.3 電樞電壓控制時(shí)的電樞等效電路,電壓平衡方程：,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方程：,電磁轉(zhuǎn)矩方程：,轉(zhuǎn)矩平衡方程：,J、B分別為等效到電動(dòng)機(jī)控制軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)； Ke、Kt分別為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)和電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù); Td(t)為電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載等效到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩之和。,數(shù)學(xué)模型：,14,2020/10/15,為了把輸入/輸出關(guān)系式寫成傳遞函數(shù)形式，需要對(duì) 各個(gè)方程進(jìn)行拉普拉斯變換，得到如下代數(shù)方程組：,消除中間變量后，可以得到以電樞電壓Ua(s)為輸入變量， 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(s)為輸出變量的傳遞函數(shù)為：,15,2020/10/15,令:,電動(dòng)機(jī)電磁時(shí)間常數(shù)；,電動(dòng)

6、機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)；,電動(dòng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)。,則上式可寫為:,16,2020/10/15,若忽略電樞電感及粘性阻尼系數(shù)，則直流伺服電動(dòng)機(jī)的 傳遞函數(shù)可近似為,類似地，可以得到以電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載等效到電動(dòng)機(jī) 軸上的轉(zhuǎn)矩之和Td(t)作為輸入變量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(t)作為輸出 變量的傳遞函數(shù)為：,17,2020/10/15,（1）設(shè)計(jì)良好的機(jī)械系統(tǒng)，以減小等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J； （2）給電動(dòng)機(jī)供電的電源內(nèi)阻應(yīng)盡可能小，以降低 電樞回路的電阻Ra。 （3）附加速度負(fù)反饋，以加大等效反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ke。,由此可見(jiàn)，直流伺服電動(dòng)機(jī)通常可近似為一階慣性環(huán)節(jié)， 其過(guò)渡過(guò)程時(shí)間的快慢主要取決于機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm。根據(jù)Tm

7、 的定義，通常應(yīng)從以下幾方面考慮：,18,2020/10/15,2.2.3 直流伺服電動(dòng)機(jī)的選擇與使用,圖2.9 位置控制系統(tǒng),19,2020/10/15,2.2.4 無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī),(1)具有直流電動(dòng)機(jī)線性調(diào)節(jié)的優(yōu)良特性。 (2)由直流電源供電，沒(méi)有電刷和換向器，它的繞組里電流的通、斷和方向的變化是通過(guò)電子換向電路實(shí)現(xiàn)的。,無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有兩個(gè)特點(diǎn)：,20,2020/10/15,2.3 交流伺服電動(dòng)機(jī)及其控制,圖2.10 交流伺服電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器,21,2020/10/15,伺服電動(dòng)機(jī)一般線路圖,圖2.11 伺服電動(dòng)機(jī)一般主環(huán)路線路圖,22,2020/10/15,表2.2 交流伺服電動(dòng)

8、機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù),23,2020/10/15,關(guān)于伺服電動(dòng)機(jī)的選擇要從伺服電動(dòng)機(jī)的額定功率、 額定轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)速等幾個(gè)方面考慮：,但是，只考慮功率要求是不充分的，還必須考慮轉(zhuǎn)矩 和轉(zhuǎn)速。通常，伺服電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)分別 滿足以下兩個(gè)條件： (1)折合到伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速必須不大于伺服電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速； (2)折合到伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩與伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子加速時(shí)的慣性轉(zhuǎn)矩之和必須不大與伺服電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。,首先，伺服電動(dòng)機(jī)的最大功率應(yīng)大于給定任務(wù)的峰值 功率，通常選擇的安全系數(shù)為1.5或2，即,24,2020/10/15,2.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制,按線圈激勵(lì)設(shè)計(jì)的不同，步

9、進(jìn)電動(dòng)機(jī)可分為二相、三相、四相和五相等； 一般二相電動(dòng)機(jī)的步距角為0.9o/1.8o、三相的為0.75o/1.5o、五相電動(dòng)機(jī)的為0.75o/1.5o等。 按其傳動(dòng)設(shè)計(jì)方式的不同，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又有旋轉(zhuǎn)型和直線型等； 按電磁設(shè)計(jì)一般分為變磁阻式(VR型，也稱為反應(yīng)式)、永磁式(PM型)和混合式(HB型)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行元件。,(a) 二相步進(jìn)電動(dòng)機(jī),(b) 三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī),圖2.13 相數(shù)分類的步進(jìn)電動(dòng)機(jī),25,2020/10/15,表2.3 VR型和PM型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的比較,26,2020/10/15,2.4.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo),主要性能指標(biāo)包括：

10、步距角及靜態(tài)步距角誤差、最大靜轉(zhuǎn)矩、 啟動(dòng)頻率和連續(xù)運(yùn)行頻率、矩頻特性等。,步距角是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在一個(gè)(即一拍)電脈沖的作用下， 轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的角位移，也稱為步距，它的大小與定子控制繞 組的相數(shù)、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)和通電的方式有關(guān)，步距角的計(jì)算公 式為：,s=齒距/拍數(shù)=齒距/Km=360o/Kmz (2.21),(1) 步距角和靜態(tài)步距角誤差,式中，s是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角；K為狀態(tài)系數(shù)，當(dāng)相鄰兩 次通電的相數(shù)相同(如采用單三拍或雙三拍通電方式運(yùn)行)時(shí)， K=1，而采用相鄰兩次通電的相數(shù)不同(如單、雙六拍通電方 式運(yùn)行)時(shí)，K=2；m為控制繞組的相數(shù)；z為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。,27,2020/10/15,例如，

11、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù)z =40，控制繞組相數(shù)m =3， 當(dāng)按三相單三拍運(yùn)行時(shí)，由式(2.21)可得,可見(jiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)和轉(zhuǎn)子齒數(shù)越多，步距角就越小， 控制越精確。,s=齒距/拍數(shù)=齒距/Km=360o/Kmz (2.21),28,2020/10/15,啟動(dòng)頻率是指在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下能夠不失步地啟動(dòng)的最 高脈沖頻率。啟動(dòng)頻率的大小與驅(qū)動(dòng)電路和負(fù)載大小有關(guān)， 步距角越小，負(fù)載(包括負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)越小，則啟動(dòng) 頻率越高。 連續(xù)運(yùn)行頻率是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，當(dāng)控制脈沖頻率 連續(xù)上升時(shí)，能不失步運(yùn)行的最高頻率，它的值也與負(fù)載有關(guān)。,(3) 啟動(dòng)頻率和連續(xù)運(yùn)行頻率,靜轉(zhuǎn)矩是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)

12、下的電磁轉(zhuǎn)矩。靜止 狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系稱為矩角特性。轉(zhuǎn)角是 指轉(zhuǎn)子偏離零位的角度，稱為失調(diào)角。通常，定子齒與轉(zhuǎn)子齒 對(duì)齊(或者說(shuō)齒中心線重合)的位置，稱為零位。因此，矩角特 性表示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角之間的關(guān)系。,(2) 最大靜轉(zhuǎn)矩,29,2020/10/15,當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制繞組的電脈沖時(shí)間間隔大于電動(dòng)機(jī) 機(jī)電過(guò)渡過(guò)程(指由于機(jī)械慣性及電磁慣性而形成的過(guò)渡過(guò) 程)所需的時(shí)間時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)入連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，這時(shí)電 動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩和 脈沖頻率的關(guān)系稱為矩頻特性，如圖2.14為某步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 的矩頻特性圖，從圖中可以看出，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩

13、隨運(yùn)行頻率的升高而下降，但不是直線關(guān)系。,(4) 矩頻特性,圖2.14 某步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩頻特性圖,30,2020/10/15,2.4.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制特性,(1) 點(diǎn)-位控制： 點(diǎn)-位控制，就是控制電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載從一個(gè)位置運(yùn)行到另一個(gè)位置。對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)而言，就是控制電動(dòng)機(jī)從一個(gè)鎖定位置運(yùn)行若干步到達(dá)另一個(gè)位置后進(jìn)入鎖定狀態(tài)。 (2) 加減速控制： 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于脈沖頻率、轉(zhuǎn)子齒數(shù)和相數(shù)，與電壓、負(fù)載、溫度等因素?zé)o關(guān)。當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選定后(即轉(zhuǎn)子齒數(shù)和相數(shù)一定)，其轉(zhuǎn)速只與輸入脈沖頻率成正比，改變脈沖頻率就可以改變轉(zhuǎn)速。 (3) 閉環(huán)控制：,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制主要有如下三種情況。,31,

14、2020/10/15,2.4.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇與使用,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)規(guī)格的選擇主要考慮步距角(涉及到相數(shù))、 靜力矩和電流三大要素。一般情況下，使用單片機(jī)產(chǎn)生所 需頻率的控制脈沖和方向控制信號(hào)，而各相定子繞組中電 壓或電流的控制任務(wù)，則由配套的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)完成。,驅(qū)動(dòng)器接線示意圖如圖2.16所示：,32,2020/10/15,（1）供電電源的接線端子VDD ：直流電源正端（18V-40V），220V的交流電需經(jīng)由一個(gè)整流橋得到輸入電壓；GND：直流電源地線（與輸入信號(hào)CW-，CP-不共地）。 （2）連接電動(dòng)機(jī)的接線端子A+、A-接電動(dòng)機(jī)線A相；B+、B-接電動(dòng)機(jī)線B相（該驅(qū)動(dòng)器只能驅(qū)動(dòng)二

15、相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）。,33,2020/10/15,(3)控制信號(hào)接線端子CP+、CW+為輸入控制信號(hào)的公共陽(yáng)端；CW-為方向控制信號(hào)輸入端(此端子加低電平，電動(dòng)機(jī)立即按反方向旋轉(zhuǎn))；CP-為脈沖信號(hào)輸入端（在CP停止施加時(shí)，電動(dòng)機(jī)鎖定，要保證CP為高電平，使內(nèi)部光耦截止），脈沖信號(hào)幅值要求高電平電壓為4.05.5V，低電平為00.5V，脈沖信號(hào)工作狀態(tài)(即占空比)為50%或50%以下。,34,2020/10/15,控制信號(hào)輸入電流為5mA20mA，一般使用輸入電流15mA。控制輸入端(CW-和CP-)的具體接線方法如圖2.17所示，脈沖信號(hào)(CP-)和方向信號(hào)(CW-)輸入回路上的外部電阻(R)阻

16、值由輸入電壓確定，如果輸入電壓超過(guò)5V，參照表2.4進(jìn)行加裝外接電阻R用以限流。,0.68K,1.8K,表2.4 加裝外接電阻R的參考值,圖2.17 控制輸入信號(hào)的接線方法,35,2020/10/15,2.5 特種電動(dòng)機(jī)及其應(yīng)用,2.5.1 力矩電動(dòng)機(jī) 力矩電動(dòng)機(jī)是一種能夠長(zhǎng)期處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)工作的低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的特殊電動(dòng)機(jī)。它可以不需要齒輪減速而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，并由輸入控制電壓信號(hào)直接調(diào)節(jié)負(fù)載的轉(zhuǎn)速，具有反應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波動(dòng)小、特性線性度好、能在很低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。,圖2.19 交流力矩電動(dòng)機(jī),36,2020/10/15,2.5.2 直線電動(dòng)機(jī),直線電動(dòng)機(jī)是一種作直線運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。它可

17、以看成是從旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)演化而來(lái)的。如圖2.20所示，設(shè)想把旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)沿徑向剖開(kāi)并拉直，就得到了直線電動(dòng)機(jī)。旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的徑向、周向和軸向，在直線電動(dòng)機(jī)中分別稱為法向、縱向和橫向。,(a)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī) b)直線電動(dòng)機(jī) 圖2.20 旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)到直線電動(dòng)機(jī)的演化,37,2020/10/15,2.6 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),2.6.1 諧波齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動(dòng)原理發(fā)展起來(lái)的一種新型減速器。諧波齒輪傳動(dòng)（簡(jiǎn)稱諧波傳動(dòng)）是依靠柔性零件產(chǎn)生彈性機(jī)械波來(lái)傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的一種行星齒輪傳動(dòng)，其特點(diǎn)是嚙合過(guò)程無(wú)齒側(cè)間隙，因而無(wú)空回程。,用于現(xiàn)代機(jī)械工程自動(dòng)控制系統(tǒng)中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有 各種齒輪傳

18、動(dòng)機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、齒型帶傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和液壓傳動(dòng)結(jié)構(gòu)等。,38,2020/10/15,圖2.21所示的是一種最簡(jiǎn)單的諧波傳動(dòng)工作原理圖。它主 要由三個(gè)基本構(gòu)件組成：（1）帶有內(nèi)齒圈的剛性齒輪（剛輪） ，它相當(dāng)于行星系中的中心輪；（2）帶有外齒圈的柔性齒輪 （柔輪），它相當(dāng)于行星齒輪；（3）波發(fā)生器，它相當(dāng)于 行星架。作為減速器使用，通常采用波發(fā)生器主動(dòng)、剛輪固定、 柔輪輸出形式。,圖2.21 諧波齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu),39,2020/10/15,2.6.2 滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌,圖2.22 滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌的產(chǎn)品照片,40,2020/10/15,2.6.3 同步齒型帶和帶傳動(dòng)機(jī)

19、構(gòu),同步齒型帶(帶齒的皮帶)、V型帶(三角皮帶)、平型帶、鏈、繩索(鋼絲繩)等機(jī)構(gòu)都是長(zhǎng)距離傳遞運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。 同步齒型帶與V型帶相比不需要很大的張緊，因?yàn)橛旋X的嚙合，所以傳動(dòng)效率較高。 鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在長(zhǎng)距離傳動(dòng)中有較高的剛度，但在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于多邊形效應(yīng)而存在振動(dòng)噪音問(wèn)題。 繩索傳動(dòng)與其它傳動(dòng)相比剛度最低，但由于其傳遞線路限制較少，所以在許多場(chǎng)合作為簡(jiǎn)單傳動(dòng)使用。,41,2020/10/15,圖2.23是用電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒型帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)滑板， 實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的傳送機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。,圖2.23 同步齒型帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu),42,2020/10/15,2.7 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì),式中，I為電動(dòng)機(jī)與負(fù)載折合到電動(dòng)機(jī)上的總轉(zhuǎn)動(dòng)

20、慣量； Tf為復(fù)合摩擦力矩； 為電動(dòng)機(jī)所需的角加速度。,2.7.1 一般性設(shè)計(jì)原則,（1）電動(dòng)機(jī)的選擇 一旦電動(dòng)機(jī)的類型確定之后，電動(dòng)機(jī)具體型號(hào)的確定主要依據(jù)負(fù)載所需的力矩大小，系統(tǒng)力矩取決于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、負(fù)載摩擦力矩和所需的加速度。其計(jì)算公式為,43,2020/10/15,電動(dòng)機(jī)的力矩選擇包括兩個(gè)重要的參數(shù)：所需的連續(xù) 力矩和峰值力矩: 連續(xù)力矩Tc是電動(dòng)機(jī)能夠提供的連續(xù)工作力矩； 峰值力矩用Tp表示，是所需瞬時(shí)的最大力矩。,確定力矩大部分情況下是通過(guò)分析計(jì)算或測(cè)量。為了計(jì) 算力矩，設(shè)計(jì)者必須知道下列參數(shù)： 負(fù)載折合到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量IL 電動(dòng)機(jī)自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Im 所需的電動(dòng)機(jī)最大角加速度

21、折合到電動(dòng)機(jī)軸上的摩擦力矩（或重力力矩）Tf,44,2020/10/15,峰值力矩可以通過(guò)下列方程來(lái)計(jì)算：,而連續(xù)力矩Tc可以用所需力矩的均方根來(lái)計(jì)算，通常等于 摩擦力矩（或重力力矩）Tf，即Tc=Tf。,一旦確定了所需的力矩，就可以選擇電動(dòng)機(jī)了。對(duì)于交 流伺服電動(dòng)機(jī)，同樣驅(qū)動(dòng)力矩的電動(dòng)機(jī)又可分為大慣量、中慣量和小慣量電動(dòng)機(jī)，根據(jù)系統(tǒng)慣量和對(duì)響應(yīng)速度的要求來(lái)選擇。,45,2020/10/15,在現(xiàn)代機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)中，減速器一般直接選用現(xiàn)有 的產(chǎn)品而不自行設(shè)計(jì)。減速器的作用除了能減速之外，另外 一個(gè)非常重要的作用就是可以增大輸出力矩。怎樣選取最佳 速比的減速器？下面我們就討論這個(gè)問(wèn)題。 假定選

22、用減速器的速比為n:1，增加了電動(dòng)機(jī)輸出力矩， 相當(dāng)于減少了負(fù)載慣量和摩擦力矩的值。摩擦力矩減少至原 來(lái)的1/n ，負(fù)載慣量減少至原來(lái)的1/n2。,減速器最優(yōu)速比的計(jì)算公式為,其中，IL為負(fù)載折合到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Im為電動(dòng)機(jī) 自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。,（2）減速器的選擇,46,2020/10/15,當(dāng)位置傳感器的分辨率增加時(shí)，可以提高系統(tǒng) 反饋精度，但分辨率不是越高越好，分辨率高的傳 感器其價(jià)格也貴，有時(shí)候高分辨率的作用也發(fā)揮不 出來(lái)，與系統(tǒng)控制器的工作頻率有關(guān)。下面舉例說(shuō) 明傳感器分辨率的選擇。,（3）位置傳感器的選擇,47,2020/10/15,一個(gè)電動(dòng)機(jī)所需的轉(zhuǎn)速為6000r/min，位

23、置精度為0.4o。 控制器所允許的編碼器最高脈沖輸出頻率為500kHz。問(wèn)編 碼器所允許的分辨率的范圍是多少？,既然電動(dòng)機(jī)最大速度m是6000r/min，即100r/s， 控制器最高頻率fm為500kHz，那么最大分辨率是: Rmax=fm/m=500000/100=500 (脈沖/轉(zhuǎn))。 另一方面，傳感器分辨率應(yīng)當(dāng)高于所允許的位置誤差，一般為其24倍。所允許的位置誤差為0.4o ，則相 應(yīng)地有： Rmin=360/0.2=1800(脈沖/轉(zhuǎn))。 編碼器分辨率應(yīng)當(dāng)在18005000脈沖/轉(zhuǎn)之間?？梢?選擇4000脈沖/轉(zhuǎn)。目前市場(chǎng)上出售的伺服電動(dòng)機(jī)上的編 碼器對(duì)一般精度要求的系統(tǒng)都是夠用的。,48,2020/10/15,2.7.2 設(shè)計(jì)舉例,一個(gè)具有慣量為IL=1.610-3kgm2以及摩擦力矩Tf=0.2Nm 的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)需在60ms內(nèi)旋轉(zhuǎn)20o。運(yùn)動(dòng)是每秒內(nèi)重復(fù)5次。平臺(tái) 間接地由一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，相應(yīng)的參數(shù)分別為：電動(dòng)機(jī)自