机电结合分析与设计

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1、第7章机电一体化系统 机电有机结合 分析与设计 第7章 机电系统有机结合分析与设计 重点学习：机电有机结合的稳态设计考虑方法机电有机结合的动态设计考虑方法在机电位置/速度控制系统，一般可直接或者间 接经机械变换机构（减速器、丝杠螺母机构）来驱 动被控制对象。主要任务：是围绕被控制对象的具体要求，采用 合理的设计方法，寻求最终获取机械运动规律和运 动性能指标参数。学习方法：结合典型的机电控制系统设计，掌握 机电系统设计的基本方法和手段。7.1 机电一体化系统的稳态设计考虑方法 机电有机结合的稳态设计考虑方法在机电伺服系统主要元件选择或设计、各 部分之间连接方式、系统控制方式、所需能 源供给形式、

2、校正补偿方法、信号转换方式 等初步确定的基础上，进行机电系统总体方 案的稳定性设计静态设计，为机电系统 的动态设计创造条件。重点研究：系统自身的稳态特性（假设无 外界干扰） 系统稳定设计的目的：使控制被控对象能完成所需要的机械运动即 进行机械系统的运动学、动力学分析以及计 算，保障整个机电一体化系统的整体性能。典型机电一体化系统 工业机器人的组成与运动特征v工作空间v自由度v位姿v关节变量连杆移动关节转动关节稳态设计方法研究的主要内容或步骤： 信号的有效传递。 各级增益的分配。 各级之间阻抗的匹配和所采取的 抗干扰的措施。 系统总体方案的确定。位置位置, ,速速 度检测度检测 单元单元电电 机

3、机机械机械 部件部件位置位置, , 速度反速度反 馈馈CNCCNC数控机床数控机床伺服系统组成伺服系统组成 使系统的输出运动参数达到所要求技术状态。 执行元件的参数选择。 功率（力/力矩）匹配以及过载能力的验算。 各主要元件的选择与控制电路的设计。稳态设计方法学习的主要内容：（1）负载分析。（2）执行元件匹配选择。（3）机械传动比选择与各级减速 比确定原则。 （4）检测传感装置、信号转换接 口电路、放大电路、电源匹配与设 计。 （5）机电系统数学模型的建立。（6）分析研究系统的稳态特性。 单位阶跃响应系统的稳态特性7.1.1 负载分析 （1）典型负载形式无论被控制对象的运动形 式如何，负载形式

4、及其特点 千差万别，归纳起来具有一 些共性负载典型负载。包括：惯性负载、外力负 载、内力负载、弹性负载、 摩擦负载 。 三维扫描仪或装置目的：获取负载特征参量。方法：综合负载特性，进行有效组合，获取 必要负载特征参量。为系统执行元件，机械变 换机构等的选用或设计，系统进行稳定性设计 和动态设计创造条件。43615X2Y（2）惯量和负载的等效换算惯量和负载转换的作用：为使所选择执行元件（功率、力/力矩、运 动参量）与被控对象的固有参数（质量、转动 惯量、运动参数）等相匹配，将输出轴各部分 的惯量和负载转换到执行元件的输出端，以便 确定执行元件确定执行元件。1）等效转动惯量的计算 无论机械传动或变

5、换元件是直线运动还是回转运 动，应用总动能不变的原理，可进行等效转动惯量 的计算。能量守恒：E = Ek2）等效负载转矩的计算 无论外部或内部负载是力还是力矩，应用虚功 原理，可进行等效负载转矩的计算。7.1.2 执行元件的匹配选择执行元件的匹配选择主要包括转矩匹配、 功率匹配、过热保护系数和过载保护系数验 算四部分。直流电机步进电机及驱动步进电机基本结构（1）执行元件的转矩匹配考虑机械传动效率，则执行元件的等效输出转矩 ：注意：执行元件为伺服电动机时，电动机工作区 域应在恒转矩输出调速区内。测算执行元件输出轴上的等效转矩 （摩擦负载 和工作负载）和等效惯性转矩T惯的总和。（2）执行元件的功率

6、匹配电机功率的合理确定是执行元件选择的重要 参数之一。主要依据电机的等效负载和最高转速确定。常用下式进行预选。 再通过过热验算和过载验算，最终确定电机 的功率。（3）电机的过热验算电机在一定工作时间范围内，负载转矩变化时，应 用等效法（励磁磁通近似不变）计算电机的等效转矩 （平均转矩）。电机不产生过热的条件为： ，（4 4）过载验算条件）过载验算条件7.1.3 机械传动减速比的匹配选择 与各级减速比的分配 减速比匹配的目的是可最终获得被控制对象的运动 规律和运动速度要求。 （1）减速比匹配选择的一般原则要求在第2章中，提到了机械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、传动误差

7、最小 ，以及综合考虑来确定各级传动的减速比。 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。 （2）各级减速比的分配原则与方法1）按加速度最大原则选择减速比 当要求输入信号变化快、响应快、加速度大时，应按 下式决定减速比 i：2）按输入速度恒定原则选择减速比在输入速度信号近似恒速时，有加速度最小，可按 下式确定

8、减速比 i ：3 3）满足脉冲当量、进给角、丝杠基本导程匹配关系选满足脉冲当量、进给角、丝杠基本导程匹配关系选 择减速比择减速比4 4）减速器输出轴转角误差最小原则选择减速比）减速器输出轴转角误差最小原则选择减速比即 最小原则：5）按速度和加速度规定要求选择减速比在速度和加速度有要求时，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与电机输出角 速度之间的关系，最终确定减速比。注意：应用上述方法确定机械传动部分的减速比， 不能单一应用某一种方法，应用多种方法，综合分析 ，结合被控制对象的具体情况，在依据减速比的分配 原则（2章），最终确定机械传动总减速比和各级减 速比。7.1.4 检

9、测传感装置、信号转换接口电路、放大电路、电源的匹配与设计 要达到机电一体化系统设计的主要性能指标 （功能指标），系统稳态设计的重点在伺服系 统的稳态设计，主要涉及两方面内容： 信号处理与转换、功率放大与驱动 、系统电源匹配等。 信号检测、信号处理与误差传递、 动态计算与调整电路设计（正补偿设 计、辅助电路设计）等。最终使系统在输入信号作用下，其 输出具有收敛特性。系统稳态设计步骤：主要包括功能部件的选择与设计（不含执行元件）1）检测传感装置的选择 依据被检测对象的类型，考虑传感器的精度（分辨率 ）、不灵敏区、工作范围、输入/输出特性（线性）、信 号的转换、信噪比、转动惯量和摩擦特性、稳定性和可

10、靠 性等，合理选择传感器。光栅传感器的工作原理节距节距22（2mm2mm ）节距节距 （ 0.5mm0.5mm）绝缘粘胶绝缘粘胶铜箔铜箔铝箔铝箔耐切削液涂层耐切削液涂层基板基板( (钢、铜钢、铜) )滑尺滑尺定尺定尺同步感应器的工作原理磁栅位移传感器光电编码传感器测速发电机速度传感器光电脉冲转速传感器压电式加速度传感器空气阻尼式加速度传感器应变片测力传感器2）信号转换接口电路的设计和选用主要指A/D、D/A的选用 尽可能选用标准、通用、商业集成元件作为信号转 换电路的核心元件设计接口电路。重点考虑输入输 出通道数，通道类型，通道阻抗与连接元件阻抗之 间的匹配等。3）伺服系统放大器（驱动电路）的

11、设计与选用驱动电路设计通常分为两部分：信号处理与功率 放大（提高信号品质为主），功率放大（增大能量 为主）。 具体要求：a）最后输出级的功率应与执行元件功率（电流、电压 、容量、额定值）相匹配。 输出阻抗小、效率高、时间常数小。 b）为执行元件的正常运转提供必要的适宜条件。 制动条件、限流保护条件等。 c）放大器应有足够的线性范围，保障执行元件的容量得 以正常发挥。 d）输入级应与检测传感器相匹配。输入阻抗大，可减轻检测传感器的负荷。 e）放大器要有足够的放大倍数，工作特性稳定可靠、易 于调整等。4）伺服系统的能源（电源）支持 电源系统由于受所选用或设计的各分系统能 源输入形式和要求不同的限制

12、，电源供给统一 是困难的。但是、在设计电源系统时，应尽可 能地作到电源的输出类型要少，在电源参量输 出具有足够稳定性（电压、频率）的同时，要 采取保护措施，防止外界干扰信号的进入和电 源波动、掉电、欠压、过流、短路等非正常品 质电源的输入对系统的影响。常用措施：滤波、隔离、屏蔽干扰信号；稳 压、限压、限流、断电保护和短路保护。7.1.5 机电一体化系统数学模型的类型 机电一体化系统数学模型的类型实际上是多种多 样的，但从控制系统工作原理上讲，主要分为开环 控制、半闭环控制、闭环控制三类数学模型。下面结合典型实例进行学习。 （1）开环控制系统开环控制比较简单，前面已学习。传递函数数学模型为： （

13、2）半闭环控制系统如图滚珠丝杠传动半闭环伺服进给控制系统 滚珠丝杠传动半闭环控制系统框图 Ka前置放大器增益；KA功率放大器增益；Kv速度反馈增益；Tm直流伺服电机时间常数；i1、i1减速比；Kr位置传感器增益；Vi(s)输入电压的拉式变换；i(s)丝杠输出转角的拉式变换。 1）无外界干扰时的传递函数数学模型2）有外界干扰时的传递函数数学模型附加扰动力矩（电压VD表示）的系统框图 附加扰动力矩等效电压后的系统框图 3）全闭环控制系统传递函数数学模型：小 结本小节掌握的主要内容是通过对 系统负载和传动系统分析匹配，执 行元件和传感元件等的合理选用与 匹配设计，采用一定的总体设计方 法和步骤，最终

14、得到系统的传递函 数稳态设计的数学模型。7.2 机电一体化系统的动态设计考虑方法 系统动态设计方法：在稳态设计所建立的数学模型（传递函数）基础上， 选择系统的控制方式和校正（或误差补偿）形式，有效 地与稳态设计所建立的数学模型（传递函数）系统相融 合，构成具有误差补偿作用的反馈调节系统，达到稳定 工作和满足被控制对象的各项动态指标要求。系统动态设计的目的：在稳态设计的基础上，保证系统的动态稳定性、过渡 过程的品质（响应特性、振荡特性等）、动态稳定精度 ，动态响应特性等指标参数。动态设计的主要方法或手段： 为保证系统动态稳定各指标参数的误差（精度），常用 的设计方法有校正（或误差补偿）法、波德（

15、Bode）图 法、根轨迹图法等。 7.2.1 伺服系统的调节方法 （1）伺服系统动态稳定性分析与过渡过程 对于任何系统，动态稳定过程主要有三种情况。即：指数规律上升平稳地趋于稳定值，系统输出发 散没有稳定值，系统输出振荡最终能趋于稳定值。 1）动态稳定过程的特点：系统动态稳定性设计的主要指标是系统的稳态误差和系统在 过渡阶段的性能参量。上述三种情况各有其特点。第一种情况：系统直接趋于稳定，刚性大（加速度大），无 振荡环节，系统过渡阶段误差大，不利于系统性能参量的调节 。第二种情况：系统振荡发散不稳定。第三种情况：系统振荡收敛逐步衰减区域稳定，系统刚性较 小，但惯量较大，过渡阶段误差教小，利于系

16、统性能参数的调 节匹配。鉴于第三种情况的控制系统，最能保证系统稳定（硬件和软 件保证），利于系统性能参量的调节匹配，系统过渡阶段误差 最小的控制系统，在实际应用的控制系统中最为常见。2）动态系统过渡阶段的主要性能指标动态特性参量或指标：上升时间Ts；延滞时间Ty；调整 时间Tt；最大超调量%，如图所示。 （2）伺服系统动态稳定性校正方法 若静态设计的控制系统性能不稳定或稳定系统的主 要性能指标（过渡阶段和稳定阶段）不能满足使用要 求。采取的主要措施是：第一步，设计调节器（校正 器），调节系统稳态性能参数；第二步，设计反馈控 制器，改善系统稳态性能参数。目的在于达到系统的 使用要求稳态和动态指标。尽管可用于系统调节和校正的理论（数学模型）方 法和手段较多，但在实际应用控制系统中，应用最为 广泛和简单的是PID调节器。下面针对PID调节器的应用特点学习调节器的设计 和使用方法。1）PID调节器及其传递函数（含调