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1、52 传感器的特性分析,机电一体化系统中传感器输入的物理量多为机械量(位移、速度、加速度、力等)，而输出的物理量为电量(电压、电流等)。为了进行信号处理，传感器中不只是单纯的传感元件(变换器)，多数传感器中都配置运算放大电路，以便将微弱的电信号变换成较强的便于利用的信号。 另外，有的传感器中装有将一种机械量变换为另一种机械量的变换装置,变换器根据变换的物理过程可分为以下几种： 电磁变换。动电式、静电式、磁阻式、霍尔效应式等。 压电变换。压电元件。 应变电阻变换。应变片、半导体应变计。 光/电变换。光电二极管、光敏晶体管 此外，还有其它的利用半导体和陶瓷等产生的各种物料现象的变换器。,5.2.1
2、 动电式变换器的特性,由上述式子可知，动电式变换器的传递函数为：,522压电式变换器的特性,523具有其它平滑特性的变换器,2、工作原理分析如下：,差动变压器式传感器在工作时两个副边绕组接成反向串联电路，在线圈的品质因数Q足够高的前提下（一般都能满足），可忽略铁损、磁损及线圈分布电容的影响，其等效电路如图所示。 当原边绕组通以交流激励电压作用时，在变压器副边的两个线圈里就会感应出完全相等同的感应电势来。由于是反向串联，因此，这两个感应电势相互抵消，从而使传感器在平衡位置的输出为零。 当动铁芯产生一位移时，由于磁阻的影响，两个副边绕组的磁通将发生一正一负的差动变化，导致其感应电势也发生相应的改变
3、，失去平衡，使传感器有一对应于动铁芯位移的电压输出量。,524传感检测系统的特性,变换器将被测量x变换成机械量y的变换是传感器中的机械量变换。 从x变换为y的实例很多，例如把应变片作为变换器时，其x为力F或位移x，而y就是应变。,力或位移变化速度快时，会引起机械共振，使显著增大。系统无振荡时，在1的误差围内，其使用频率范围大致为0n10，也就是说叫。必须为使用限界频率的10倍以上。,振动计质量、弹簧、阻尼系统,综上所述，传感器系统由机械变换、机电变换和电气变换等部分组成，如果忽略其相互作用的影响，传感器的整体特性可表示为 取决于变换器的性质， 随被测物理量的不同而不同。 为电信号变换的传递函数
4、，电信号变换的处理方法更具通融性。 可作为校正回路来改善不理想的动态特性。改善传感器动态特性的电子电路与改善机电一体化系统动态特性的电子电路原理相同。,53执行元件的特性分析,机电一体化系统中常用的执行元件是电气执行元件，其输入为电信号，输出为机械量(位移、力等)。 执行元件作为一个系统，由驱动电路、电一机变换器(伺服电动机)、机械量变换器(如减速器)组成。 执行元件系统的传递函数当然不能像传感器系统那样，只写成各部分的乘积，这是因为一般来说，在电气变换中将电气一机械变换的状态(电流、速度)进行反馈，由机械变换器以及与其相连接的机构特性改变电气一机械变换装置的状态，从而使输出转矩T得到改变。
5、执行元件的特性不单纯是它本身的特性，而应该将执行元件与机械机构的动态特性结合起来分析。,电气执行元件有多种，如前面介绍的DC和AC伺服电动机、步进电动机、直线电动机、压电式执行元件以及超声波电动机等。 执行元件的电气一机械变换的基本原理是电磁变换和压电变换，与前面介绍的变换器的变换原理相同。此外，形状记忆合金执行元件也可以认为是通过电一热一变形、具有电气一机械变换功能的一种电气式执行元件。上述这些执行元件有的是反馈控制(闭环控制)，有的是开环控制。反馈控制根据反馈的物理量的不同，可得到不同的特性。,超声波电动机没有磁极和绕组，不依靠电磁相互作用来传递能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应，将材料的
6、微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或者滑块的宏观运动。具有功率密度大，无电磁干扰，低速大转矩，动作相应快，运行无噪声，无输入自锁等卓越特性。,531 电磁变换执行元件的特性,532 具有反馈环节的驱动电路电磁变换执行元件的动态特性,惯性负载：,等效后的框图,533 步进电动机的特性,设步进电动机只有惯性负载Jm,如何在尽可能短的时间内使转速从0升至m ，是我们要考虑的问题。如果负载转矩是加速转矩 ，在接近于图所示临界转矩状态下使用时，其运动方程为,输入脉冲序列的输入速度较慢时，电动机一步一步地断续回转，电动机的保持转矩具有图536所示的特性，起着弹簧的作用，在一个步距角附近作衰减振动，如
7、图b所示。此时步进电动机的动态特性可表示为 如上所述，步进电动机(与驱动电路)的特性，宏观上，在限定的负载转矩范围内，其输入与输出可以认为成比例；而在微观上，可认为是在目标值附近作衰减运动的二阶系统。宏观特性使用于具有速度的场合。微观特性使用于需确定最终位置的情况。,5.3.4 压电式执行元件及其特性,压电元件具有给予应力变形时，则产生电荷(传感器的效果)，反之给予电压，则产生应力变形(执行元件效果)的性质。图537a是为了产生大变形量而将100片以上的薄片压电元件重叠在一起的压电式执行元件。,通常通过电阻加压，包含电路在内的压电执行元件的动态特性框图如图b所示,积层式压电执行元件中，其C很大
8、，要提高其响应性就必须减小R值。压电式执行元件可用于微小位移定位，其优点是没有机械滑动，整体刚度大。但是由于有磁滞现象，相对于所加电压的变形不准确，因为没有检测传感器，其定位精度较低。 上面简单介绍了几种基本的执行元件的动态特性。正如本节开始所述，执行元件的动态特性取决于与机构的结合，其本身的动态特性意义不大。例如，在机器人中，电动机本体按照计算机的指令运动，与电动机和减速器及机器人臂连接在一起时得到的输出转矩是不同的，因此电动机输出的转速也未必相同。可以说，在这种机电一体化系统中，存在着机械与电子技术的有机结合的本质特征。,54 执行元件与机械结构结合中的若干问题,执行元件与机械结构是相互影
9、响的，其特性必须根据两者结合的形式来研究。根据机构的特性实现被控对象运动要求的控制方法有多种，但这里不研究控制软件，只研究与机构有关的几个问题。,541机械惯性阻转矩的匹配方法,工作台的定位问题：电机输出力矩一定，位移为Xf,用时最少，选择丝杠的导程。,542凸轮曲线理论,将惯性负载从一静止点移动到另一静止点时，让其运动怎样地随时间而变化问题，在机构学中是采用凸轮曲线理论处理的。该凸轮曲线理论同样也适用于解决电动机控制中的定位问题。,在图中，希望物体的运动是平滑的，所谓平滑是指从始点到终点的位移、速度、加速度都是连续的。,在始点和终点的连续条件为,在惯性负载运动过程中，希望“加速度惯量=力”中
10、的力的最大值，即加速度的最大值要尽可能地小，设定位时间的变化为,在上述条件下，有图542所示的各种凸轮曲线供选用。 等加速曲线中，虽有最大加速度为最小的曲线。但由于其加速度不连续，易产生振动。摆线的Am相当大，但函数形式简单，产生的振动也小。变形梯形曲线的Am较小，适用于高速驱动。凸轮曲线中有几种是非对称性的，这是用减小负加速度的最大值来代替从加速域到减速域的时间，其目的是为了尽可能抑制终点的振动。,543 残留振动分析,定位时间 与残留振动振幅之间的关系如图544所示。定位时间与固有振动周期整数倍一致时，残留振动为0，用这种方法选择 ，就不会产生残留振动。,另外，振幅极大值的包络线与 成比例。 abac不为整数时，要将残留振动控制在移动量的05以下，就必须使 10。当 取为等加速度曲线时，其结果如图544中的虚线所示。这种情况包络线与(tffto) 成比例，要想将振动控制在05以内，必须使tto30。与摆线相比慢3倍以上。这意味着等加速度曲线不宜作定位曲线。,5.4.4 无残留振动的定位分析,545 两自由度机器人运动轨迹创成所需转矩分析,
