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1、1,第6章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计,第一节 机电一体化系统的稳态与动态设计 第二节 机电有机结合之一 机电一体化系统稳态设计的考虑方法 第三节 机电有机结合之二 机电一体化系统动态设计的考虑方法 第四节 机电一体化系统的可靠性、安全性设计,2,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。 在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，通过调查研究制订出系统的初步设计方案。该方案包括系统主要元部件的种类、各部分之间的连接方式、
2、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,3,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。 稳态设计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（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,初步确定系统的主回路各部分特性、参数之后，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。,稳态设计,动态设计,主要是设计校正补偿装置，使系统满足动态
3、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 机电有机结合之一 机电一体化系统的稳态设计考虑方法,位置控制系统和速度控制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。机械运动是组成机电一体化系统的主要组成部分，它们的运动学、动力学特性与整个系统的性能关系极大。 被控对象(简称负载)的运动形式有直线运动、回转运动、间歇运动等，具体的负载往往比较复杂，为便于分析，常将它分解为几种典型负载，结合系统的运动规律再将它们组合起来，使定量设计计算得以顺利进行。,一、典型负载分析,6,1. 典型负载分析 所谓典型负载是指惯性负载
4、、外力负载、弹性负载、摩擦负载。 对具体系统而言，其负载可能是以上几种典型负载的组合，不一定均包含上述所有负载项目。 在设计系统时，应对被控对象及其运动作具体分析，从而获得负载的综合定量数值，为选择与之匹配的执行元件及进行动态设计分析打下基础。,7,2.负载的等效换算 被控对象的运动，有的是直线运动，如机床的工作台X、Y 及Z 轴，机器人臂部的升降、伸缩运动，绘图机的X、Y方向运动；也有的是旋转运动，如机床主轴的回转、工作台的回转、机器人关节的回转运动等。执行元件与被控对象有直接连接的，也有通过传动装置连接的。 执行元件的额定转矩(或力、功率)、加减速控制及制动方案的选择，应与被控对象的固有参
5、数(如质量、转动惯量等)相互匹配。 因此，要将被控对象相关部件的固有参数及其所受的负载(力或转矩等)等效换算到执行元件(k)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)。,8,以机床工作台的伺服进给系统为例说明。,系统包含m个移动部件，和n个转动部件。 Mi、vi 和 Fi 分别为移动部件的质量、运动速度和所受的负载力； Jj、nj （j）和 Tj 分别为转动部件的转动惯量、转速和所受的转矩。,9,（1）求等效转动惯量 系统的运动部件的动能总和为,设等效到执行元件输出轴上的总动能为,因能量守恒：E = Ek，所以有等效转动惯量,又因,
6、则,（7.3）,（7.4）,10,（2）求等效负载转矩 系统在时间 t 内克服负载所作功的总和为,执行元件在时间 t 内所做的功为,又因,则,（7.7）,（7.8）,（3）计算举例：设有一进给系统如图7.2所示。已知：移动部件（工作台、夹具、工具等）的总质量 MA=400kg；沿运动方向的负载力 FL=800N（包含导轨副的摩擦阻力）；电动机转子的转动惯量 Jm=410-5kgm2；齿轮轴部件（包含齿轮）的转动惯量 JI=510-4kgm2；齿轮轴部件（包含齿轮）的转动惯量 J =710-4kgm2；轴的负载转矩 TL=4Nm；齿轮z1与齿轮z2的齿数分别为20与40，模数为1。,求等效到电动
7、机轴上的等效转动惯量 J meq和等效转矩 T meq。,12,解：求等效转动惯量J meq，根据式（7.4）可得,因为,和,所以,，,13,求等效转矩T meq，根据式（7.8）可得,14,二、 执行元件的匹配选择 拟定伺服系统方案时，应根据技术条件的要求进行综合分析，选择与被控对象及其负载相匹配的执行元件。 如果冗余量大，易使执行元件价格高，使机电一体化系统的成本升高，市场竞争力下降，在使用时，冗余部分用户用不上，易造成浪费。 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。 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。电动机的转
8、速、转矩和功率等参数应和被控对象的需要相匹配。,15,例如，机床工作台的伺服进给运动轴所采用的执行元件的额定转速基本上应是所需的最大转速，其额定转矩 T 应大于所需要的最大转矩，及 T 应大于等效到电动机输出轴上的负载转矩 T meq与克服惯性负载所需要的转矩 T惯 之和。 其中 T惯= J meq m， m为电动机升降速时的角加速度。,1. 系统执行元件的转矩匹配,例如，机床工作台某轴的伺服电机输出轴上所受等效负载转矩 T meq=2.5 Nm，等效转动惯量 J meq=310-2kgm2。工作台某轴的最高速度换算为电动机输出轴角速度为50 rad/s，等加速和等减速时间t=0.5s。机械传
9、动系统的总效率为0.85时。则,16,因此电动机的额定转矩应大于,查 表3.11（P111），初选用110BF003反应式（VR）步进电机，其最大静转矩 Tjmax=7.84 Nm。 当采用三相六拍通电方式时，为保证带负载时能正常起动和定位停止，电动机的起动和制动转矩 Tq 应满足,查 表3.10可知，Tq/Tjmax=0.87，Tq=0.87Tjmax =7.82 Nm。,因 Tq =7.82 Nm T =7.471 Nm ，故可选用。,17,2. 系统执行元件的功率匹配（直流、交流伺服电机） 在选择电动机时，常先进行预选，然后再进行必要的验算。 预算电动机的估算功率 P 可由下式确定,式中
10、 nmax电动机的最高转速，r/min； max电动机的最高角速度，rad/s； 功率系数，考虑电动机、减速器等的影响，一般取1.22，对小功率伺服系统，取2.5。,在预选电动机功率后，应进行以下验算： （1）过热验算 （2）过载验算,18,（1）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,式中 t1，t2 时间间隔，在此时间间隔内的负载转矩分 别为 T1、T2、。,则所选的电动机不过热的条件为,式中 TN，PN 分别为电动机的额定转矩和额定功率。 Pdx 为由等效转矩 Teq 换算的电动机功率， Pdx =(Teq nN)/9.55， n
11、N 为电动机的额定转速。,19,（2）过载验算 即系使瞬时最大负载转矩 Tmax 与电动机的额定转矩 TN 的比值不大于某一系数，即,式中 km 为电动机的过载系数，在产品目录中查出。,20,三、减速比的匹配选择与各级减速比的分配,在第2章中，提到了齿轮传动减速比的分配原则，主要依据是转动惯量最小、重量最轻、转角误差最小三原则（P39) 。,本节提到的减速比匹配及分配，是以满足控制对象的运动特性、加速特性和动力特性为准则。,即依据负载特性、脉冲当量（分辨率）、特殊要求等综合分析选择确定，减速比的确定既要满足被控制对象的调速范围并使在一定条件下综合指标参数达到最佳，也要满足脉冲当量（分辨率）与进
12、给角之间的相应关系和在一定条件下输出转速最大或输出转矩最大等要求。,21,（1）按加速度最大原则选择减速比（同第2章） 当要求输入信号变化快、系统响应快、加速度大时，应按下式决定减速比 i：,式中 TLF 负载转矩； Tm 额定转矩； JL 电动机带动的转动惯量； Jm 电动机转子的转动惯量。,22,（2）按最大输出速度原则选择减速比 当输入信号近似恒速，即加速度很小时，应按下式决定减速比 i：,式中 TLF 负载转矩； TM 额定转矩； f1 电动机的粘性摩擦系数； f2 负载的粘性摩擦系数。,粘性摩擦系数（Viscous friction coefficient）是摩擦力与物体运动速度的比
13、值。,23,（3）满足送进系统传动基本要求选择传动比（同第2章） 即脉冲当量、步距角、丝杠基本导程 l0 匹配关系选择减 速比：,（4）减速器输出轴转角误差最小原则选择减速比（同第2章）,即 最小原则：,24,（5）按速度和加速度规定要求选择减速比,在速度和加速度都有要求时，除按加速度最大原则选择减速比外，还应依据负载最大角速度Lmax与电机输出角速度m之间的关系，最终确定减速比i。,利用上述方法选则总减速比之后，就需要合理确定减速级级数及分配各级的速比，分配原则参见第2章。,25,系统各部分的设计计算，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
14、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： 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；,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,最后通过动态设计计算，设计适当的校正补偿装置、完善电源电路及其他辅助电路，从而达到机电一体化系统的设计要求。,26,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
15、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匹配要求。,27,（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
16、元件的容量得以正常发挥。,伺服系统放大器的设计与选择主要考虑以下几个问题：,28,（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。 （5） 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。,29,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。但是在设计电源系统时，应尽可能地做到电源的输出类型要少，最关键的还是动力电源，它常常制约系统方案的形式。 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、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。,30,一、机电伺服系统的动态设计 动态设计：在稳态设计所建立的数学模型（传递函数）基础上，
