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1、1,第七章 机电一体化系统机电有机结合的分析与设计,稳态设计的考虑方法; 动态设计的考虑方法; 可靠性、安全性设计。,2,进行机电伺服系统设计时， 首先要了解被控对象的特点和对系统的具体要求， 通过调查研究制定出系统的设计方案。 该方案通常只是一个初步的轮廓，包括: 系统主要元部件的种类、各部分之间的连接方式、系统的控制方式、所需能源形式、校正补偿方法，以及信号转换的方式等。,第一节 机电一体化系统的稳态与动态设计,有了初步设计方案就要进行定量的分析计算，分析计算包括 稳态设计计算和动态设计计算,3,稳态设计计算包括 使系统的输出运动参数达到技术要求； 执行元件(如电动机)的参数选择； 功率(
2、或转矩）的匹配及过载能力的验算； 各主要元部件的选择与控制电路设计； 信号的有效传递； 各级增益的分配； 各级之间阻抗的匹配和抗干扰措施等。 并为后面动态设计中的校正补偿装置的引入留有余地。,4,通过稳态设计，系统的主回路各部分特性、参数已初步确定，便可着手建立系统的数学模型，为系统的动态设计做好准备。,动态设计主要是设计校正补偿装置，使系统满足动态技术指标要求，通常要进行计算机仿真，或借助计算机进行辅助设计。,5,第二节 机电系统稳态设计的考虑方法,稳态考虑之一:负载分析,典型负载:惯性负载、外力负载、弹性负载、摩擦负载（滑动、粘性、滚动）,执行元件的额定转矩（或力、功率）、加减速控制及制动
3、方案的选择，应与被控对象的固有参数（如质量、转动惯量等）相互匹配。,6,因此，要将被控对象相关部件的固有频率及其所受的负载（力或转矩等）等效换算到执行元件的输出轴上，即计算其输出轴承受的等效转动惯量和等效负载转矩（回转运动）或计算等效质量和等效力（直线运动）,7.1,7,以机床工作台的伺服进给系统为例： 如图所示系统由m个移动部件和n个转动部件组成。Mi、vi、和Fi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（kg.m2）、转速（r/min或rad/s）和所受负载转矩（N.m）,1）求等效转动惯量Jeqk,该系统运动动
4、能总和为：,8,由于：,故：,用工程上常用单位：,9,设上述系统在时间t内克服负载所做功的总和为：,同理，执行元件输出轴在时间t内的转角为：,10,则执行元件所做的功为：,由于：,故：,用工程上常用单位：,11,计算举例：,解：求Jeqk,根据以上公式得,12,因为：,所以：,13,14,稳定设计之二： 执行元件的匹配选择,被控对象由电动机驱动，因此，电动机的转速、转矩和功率等参数应和被控对象的需要相匹配。 如果冗余量大、易使执行元件价格贵，使机电一体化系统的成本升高，市场竞争力下降； 如果选用的执行元件的参数数值偏低，将达不到使用要求。所以，应选择与被控对象的需要相适应的执行元件。,15,例
5、如，机床工作台的伺服进给运动轴所采用的执行元件(电动机)的额定转速n(rmin)基本上应是所需最大转速，其额定转矩T(Nm或Ncm)应大于(考虑机械损失)所需要的最大转矩，即T应大于等效到电动机输出轴上的负载转矩Tmeq与克服惯性负载所需要的转矩T惯=Jmeqm之和 (m为电动机升降速时的角加速度，rads2) 。,16,则：,当机床工作台某轴的伺服电动机输出轴上所受等效负载转矩,等效转动惯量为：,由工作台某轴的最高速度换算为电动机输出轴角速度为50rad/s，等加速和等减速时间为0.5s，机械系统的总传动效率为0.85时，求伺服电动机的总负载转矩？,解：,17,18,2）系统执行元件的功率匹
6、配（直流、交流伺服电动机）,从上述可知，计算等效负载力矩和等效负载惯量时，需要知道电动机的某些参数。,在选择电动机时常先进行预选，然后再进行必要的验算。 预选电动机的估算功率P可由下式确定：,19,（a）过热验算,当负载转矩为变量时，应用等效法求其等效转矩Teq=Tdx 在电动机励磁磁通近似不变时：,20,则选电动机不过热条件为：,21,稳定设计之三：减速比的匹配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。,1)使加速度最大的选择方法。当输入信号
7、变化快、加速度又很大时，应使,见书中p39页,22,2)最大输出速度选择方法。当输入信号近似恒速，即加速度很小时，应使 式中：f1电动机的粘性摩擦系数； f2负载的粘性摩擦系数。,3)满足送进系统传动基本要求的选择方法。即满足脉冲当 量、步距角和丝杠基本导程l0之间的匹配关系,23,例 如图所示的开环步进电机位置控制系统，已知负载力F=500N，工作台长L=150mm，往复精度为0.01mm，丝杠导程3mm，直径d20mm，步进电机的步距角为0.75，试确定齿轮减速比i。,解： 根据工作台定位精度的要求，选用脉冲当量 =0.01mm/脉冲 设传动比为i ，则：,24,4)减速器输出轴转角误差最
8、小原则。即 最小。,5)对速度和加速度均有一定要求的选择方法。当对系统的输出速度、加速度都有一定要求时，应按上述1)条选择减速比，然后验算是否满足 式中 为负载的最大角速度； 为电动机输出的角速度。,25,稳态设计之四：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,执行元件与机械传动系统确定之后，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，把初步方案逐步具体化。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。总之，要使整个系统在各种运行条件下，达到各项设计要求。,伺服系统的稳态设计就是要从两头入手
9、，即首先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； 其次是从系统的精度要求出发，选择和设计检测装置及信号的前向和后向通道；,26,最后通过动态设计计算，设计适当的校正补偿装置、完善电源电路及其它辅助电路，从而达到机电一体化系统的设计要求。,检测传感装置的精度(即分辨力)、不灵敏区等要适应系统整体的精度要求，在系统的工作范围内，其输入输出应具有固定的线性特性，信号的转换要迅速及时，信噪比要大，装置的转动惯量及摩擦阻力矩要尽可能小，性能要稳定可靠等。,信号转换接口电路应尽量选用商品化的集成电路，要有足够的输入输出通道，不仅要考虑与传感器输出阻抗的匹配，还要考虑与放大器的输入阻抗符合
10、匹配要求。,27,伺服系统放大器的设计与选择主要考虑以下几个问题： 1)功率输出级必须与所用执行元件匹配，其输出电压、电流应满足执行元件的容量要求，不仅要满足执行元件额定值的需要，而且还应该能够保证执行元件短时过载、短时快速的要求。总之，输出级的输出阻抗要小，效率要高、时间常数要小。,2)放大器应为执行元件(如电动机)的运行状态提供适宜条件。例如，为大功率电动机提供制动条件，为力矩电动机或永磁式直流电动机的电枢电流提供限制保护措施。,3)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。 4)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。,28,5)放
11、大器应具有足够的放大倍数，其特性应稳定可靠，便于调整。,伺服系统的能源(特别是电源)支持： 在一个系统中，所需电源一般很难统一，特别是放大器的电源常常为适应各放大级的不同需要而进行适应性设计。 系统对电源的稳定度和对频率的稳定度都有一定要求，设计时要注意不要让干扰信号从电源引入，所使用电源应具有足够的保护措施，如过电压保护（如电机的放电电路）、掉电保护、过电流保护、短路保护等。 抗干扰措施有滤波、隔离、屏蔽等。此外，要有为系统服务的自检电路、显示与操作装置。,29,稳态设计之五：系统数学模型的建立及主谐振频率的计算,在稳态设计的基础上，利用所选元部件的有关参数，可以绘制出系统框图，并根据自动控
12、制理论基础课程所学知识建立各环节的传递函数，进而建立系统传递函数。 另外，还要进行机械传动的主谐振频率的计算。,30,第三节 机电有机结合之二机电一体化系统的动态设计考虑方法,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。,31,7.3.1 机电伺服系统的动态设计,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
13、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。,32,伺服系统常用的控制方式为反馈控制方式(即误差控制方式)，也可采用前馈和反馈相结合的复合控制等方式。 校正形式也多种多样，设计者需要结合稳态设计所得到系统的组成特点，从中选择一种或几种校正形式，这是进行定量计算分析的前提。具体的定量分析计算方法很多，每种方法都有其自身的优点和不足。 工程上常用对数频率法即借助波德（Bode)图和根轨迹方法进行设计。,33,对数频率法即波德图法，主要适用于线性定常最小相位系统。系统以单位反馈
14、构成闭环，若主反馈系统不为1（单位反馈），则需要等效成单位反馈的形式来处理。 该方法主要用系统开环对数幅频特性进行设计，必须将各项设计指标反映到波德图上，并画出一条能满足要求的系统开环对数幅频特性，并与原始系统(稳态设计基础上建立的系统)的开环对数幅频特性相比较，找出所需补偿(或校定)装置的对数幅频特性。 根据此特性来设计校正(或补偿)装置，将该装置有效地连接到原始系统的电路中去，使校正(或补偿)后的开环对数幅频特性基本上与所希望系统的特性相一致。,34,波德图（bode）是反映机器振动幅值、相位随转速变化的关系曲线。图形的横坐标是转速，纵坐标有两个，一个是振幅的峰值，另一个是相位。与频响函数
15、的幅、相频特性曲线类似。从波德图上可以清楚的看出转子过临界转速的振动状况。,35,从波德图上我们可以得到以下信息： a. 转子系统在各种转速下的振幅和相位； b. 转子系统的临界转速； c. 转子系统的共振放大系数(Q=Amax)； 一般小型机组Q在35甚至更小，而大型机组在57；超过上述数值，很可能是不安全的； d. 转子的振型； e. 系统的阻尼大小； f. 转子上机械偏差和电气偏差的大小； g. 转子是否发生了热弯曲。,36,根轨迹方法不直接求解特征方程，用作图的方法表示特征方程的根与系统某一参数的全部数值关系，即特征方程的根随某个参数由零变到无穷大时在复数平面上形成的轨迹，称为根轨迹,
16、根轨迹方法,当这一参数取特定值时，对应的特征根可在上述关系图中找到。 根轨迹法具有直观的特点，利用系统的根轨迹可以分析结构和参数已知的闭环系统的稳定性和瞬态响应特性，还可分析参数变化对系统性能的影响。,在设计线性控制系统时，可以根据对系统性能指标的要求确定可调整参数以及系统开环零极点的位置，即根轨迹法可以用于系统的分析与综合。,37,二、系统的调节方法 在研究机电伺服系统的动态特性时，一般先根据系统组成建立系统的传递函数(即原始系统数学模型)，不易用理论方法求解的可用实验方法建立。进而可以根据系统传递函数分析系统的稳定性、系统的过渡过程品质(响应的快速性和振荡)及系统的稳态精度。,当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，即没有稳态值，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。,38,当系统的过渡过程结束后，其输出值达到与输出相对应的稳定状态，此时系
