机电一体化系统的机电有机结合分析与设计课件.ppt

《机电一体化系统的机电有机结合分析与设计课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机电一体化系统的机电有机结合分析与设计课件.ppt（56页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第6章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计,本章要求：,了解：机电一体化系统的稳态设计、动态设计及 可靠性、安全性设计。,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。,位置伺服控制系统和速度伺服控制系统的共同点是通过系统执行元件直接或经过传动系统系统驱动被控对象，从而完成所需要的机械运动。,因此，工程上是围绕机械运动的规律和运动参数对它们提出技术要求的,设计过程：1.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（初步设计方案）2.进行定量的分析计算，先是稳态设计计算，后是动态设计计算（详 细的设计方案）3.样机试验与调试，确定系统的实际电路与实际参数

2、。,机电一体化系统的稳态与动态设计,此外，设计过程中，要充分注意系统的安全性、可靠性要求。,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，为后面动态设计中的校正补偿装置的引入留有余地。,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,作用：考虑了机电参数的有机结合与匹配，有利于减少盲目性和加快样机的调试和电路参数的确定。,伺服系统基本概念,伺服系统也称之为随动系统，是一种能够跟踪

3、输入的指令进行动作，从而获得精确的位置、速度或力、力矩输出的自动控制系统。大多数伺服系统具有检测反馈回路，因而伺服系统是一种反馈控制系统。它是根据输入的指令值与输出的物理量之间的偏差进行动作控制的，其工作过程是一个偏差不断产生，又不断消除的动态过渡过程。,调节元件,执行元件,被控对象,测量、反馈元件,输入指令,输出量,控制器,伺服系统基本结构方框图,比较元件,1,电气控制装置部分,机械执行装置部分,在控制信号传递路线上，以执行元件作为接口,在反馈信号传递路线上，以传感器作为接口,由两部分组成：,许多机电一体化产品需要对输出量进行跟踪控制，因而伺服系统是机电一体化产品的一个重要组成部分，而且往往

4、是实现某些产品目的功能的主体。伺服系统离不开机械技术和电子技术的综合运用，其功能是通过机电结合才得以实现的，因此，它本身就是一个典型的机电一体化系统。,6.1 机电有机结合之一机电一体化系统的稳态设计考虑方法,6.1.1 典型负载分析,(1)典型负载,惯性负载 外力负载,为便于分析，将具体的负载分解为几种典型负载，使定量设计计算得以顺利进行,弹性负载 摩擦负载,负载分析的目的：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。,6.1 机电有机结合之一机电一体化系统的稳态设计考虑方法,6.1.1 典型负载分析,(2)负载的等效换算,被控对象的运动有直线运动和回转运动,

5、被控对象与执行元件有直接联系的，也有通过传动装置联接的。,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）。,图6.1 伺服进给系统示意,下面以机床工作台的伺服进给系统为例加以说明,1)求等效转动惯量Jkeq。该系统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,由于E=Ek,故,用工程上常用的单位，可将上式改写为,(6.1),(6.

6、2),(6.3),(6.4),式中：nk_执行元件的转速(r/min),2)求等效负载转矩Tkeq。设上述系统在时间t内克服负载所作功的总和为,同理，执行元件输出轴在时间t内的转角为,由于W=Wk,故,用工程上常用的单位，可将上式改写为,(6.5),(6.6),(6.7),(6.8),则执行元件所作的功为,3)计算举例。求等效到电动机轴上的等效转动惯量Jmeq和等效转矩Tmeq,解：1)求Jmeq，根据式(6.4)可得,因为,所以,2）求Tmeq，根据式(6.8)可知,6.1.2 执行元件的匹配选择,伺服系统由若干元部件组成,应尽可能选用标准化元部件,拟定系统方案时，首先确定执行元件的类型，然

7、后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。,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,匹配选择原则：总原则：与被控对象的需要相适应。电动机的额定转速n基本上是所需最大转速电动机的额定转矩T应大于所需最大转矩，即,6.1 机电有机结合之一机电一体化系统的稳态设计考虑方法,6.1.2 执行元件的匹配选择,(1)系统执行元件的转矩匹配,设等效到电动机输出轴上的负载转矩为Tmeq，等效惯性负载转矩为T惯，则电动机轴上的总负载转矩为,考虑到机械的总传动效率时，则,为保证带负载能正常的起动 和定位停止，步进电动机的起动和制动转矩Tq应满足下列要求,(6.9),(

8、6.10),(6.11),例：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Tmeq=2.5Nm，等效转动惯量为Jmeq=310-2kgm2，由工作台某轴的最高速度换算为电动机输出轴角速度m为50rad/s，等加速和等减速时间为t=0.5s，机械传动系统的总效率为0.85，试选取与所需转矩相匹配的电动机型号。,解：等效惯性负载转矩为,根据式(6.10)，可知,若选用110BF003反应式电动机，其最大静转矩Tjmax=7.84Nm，当采用三相六拍通电方式，查表3.7可知，Tq/Tjmax=0.87,则,因为,，满足式(6.11)，故可选用110BF003反应式电动机,6.1 机电有机结合

9、之一机电一体化系统的稳态设计考虑方法,6.1.2 执行元件的匹配选择,(2)系统执行元件的功率匹配（直流、交流伺服电动机）,在选择电动机时，常先进行预选，然后进行必要的验算。预选电动机的估算功率P可由下式确定,(6.12),在预选电动机功率后，应进行以下验算,1）过热验算。当负载转矩为变量时，在电动机励磁磁通近似不变的情况下，其等效转矩,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、。,等效功率,nN电动机的额定转速（r/min）,则所选电动机的不过热条件为,式中：TN 电动机的额定转矩（N.m）PN 电动机的额定功率（W）,(6.13),(6.14),2）过载验算。,式

10、中：km电动机的过载系数，一般电动机产品目录中给出,(6.15),6.1 机电有机结合之一机电一体化系统的稳态设计考虑方法,6.1.3 减速比的匹配选择与各级减速比的分配,总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决定，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。其确定方法有以下几种：,(6.16),1）使加速度最大的选择方法。当输入信号变化快、即加速度很大时，应使,(6.17),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,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

11、和丝杠基本导程l0之间的匹配关系,(6.18),4）对速度和加速度均有一定要求的选择方法。,先按上述1）条选择减速比i，然后验算是否满足iLmax m，式中的Lmax为负载的最大角速度；m为电动机输出的角速度。,根据设计要求，通过综合分析，利用上述方法选择总减速比之后，就需要合理确定减速级数，最后分配各级的传动比（其分配原则可参见第2章）,选择减速级数时考虑的问题：1 使齿轮总转动惯量JG与电动机轴上主动齿轮的转动惯量JP的比值较小；2 避免级数过多而使结构复杂。一般可按图A来选择。,各级传动比可按图B来合理分配，一般应使各级传动比按传动顺序逐级增加（“先小后大”）,伺服系统的稳态设计从两头入

12、手，一方面从系统应具有的输出能力和要求出发，选定执行元件和传动装置；另一方面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。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。,2.2 机械传动部件的选择与设计,2.2.4 齿轮传动部件,2.齿轮传动链的级数和各级传动比的选择,总原则：尽量采用较大传动比的单级传动多级传动时，各级传动比的分配遵循如下原则：1、重量最轻原则 小功率传动时，i 的分配各级相等；大功率传动时，i 的分配先大后小。2、输出轴转角误差最小原则 传动比i 的分配先小后大，并且提高末一级齿轮副的精度，使

13、输出轴转角误差最小。3、最小等效转动惯量原则 传动比 i 的分配先小后大，级数越多等效转动惯量越小，但级数太多时，结构复杂化，并且等效转动惯量降低不明显。,设各级齿轮换算到末级输出轴上的总转角误差为,则四级齿轮传动系统中各级齿轮的转角误差（1，2，8）换算到末级输出轴上的总转角误差为,总转角误差主要取决于最末一级齿轮的转角误差和传动比的大小。,6.1 机电有机结合之一机电一体化系统的稳态设计考虑方法,6.1.4 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,1.检测传感器的精度、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

14、的转换要迅速及时，信噪比要大，装置的转动惯量及摩擦力 矩尽可能小，性能要稳定可靠等。,2.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,4.伺服系统的能源（特别是电源）支持,放大器电源为适应各放大级的不同需要而进行适应性设计。最关键的是动力电源，它常常制约系统方案的形式设计时要注意不要让干扰信号从电源引入，所使用电源应有足够的保护措施。,3.2.3 伺服电动机控制方式的基本形式,1.开环方式：没有检测反馈环节2.半闭环方式：有检测反馈环节，通过传感器检测位于 目标（执行机构）之前的某个中间部位

15、（如伺服电动机）运动并进行反馈、间接控制目标运动 3.闭环方式：有检测反馈环节，通过传感器检测 目标（执行机构）运动并进行反馈，直接控制目标运动,闭环控制和半闭环控制的区别与联系联系：从控制原理上讲是一样的，都是对系统输出进行实时检测 和反馈，并根据偏差对系统实施控制。区别：传感器检测信号位置不同,6.1.5 系统数学模型的建立及主谐振频率的计算,一 系统数学模型的建立,（1）半闭环控制方式,6.1.5 系统数学模型的建立及主谐振频率的计算,一 系统数学模型的建立,（2）全闭环控制方式,机械传动系统传递函数Gj(s)的建立,6.1.5 系统数学模型的建立及主谐振频率的计算,二 主谐振频率的计算

16、,机械传动系统的主谐振频率,求：该机械传动系统的主谐振频率,6.2 机电有机结合之二机电一体化系统的动态设计考虑方法,系统动态设计的一般考虑方法和步骤：选择系统的控制方式和校正（或补偿）形式 定量计算分析，找到所需补偿装置的对数幅频特性 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。,1.反馈控制系统）定义：具有被控变量负反馈的闭环调节系统）特点：按偏差进行调节 调节量小，失调量小 能随时了解被控变量变化情况 输出影响输入（闭环）存在问题：必须有偏差才能进行调节，调节作用落后于干扰作用 调节不及时，被控变量总是变化的2、前馈控

17、制系统：）问题提出：反馈系统最大缺点，在干扰作用下，必须形成偏差，才能进行调节（或偏差即将形成）那么能否在干扰作用发生后，在未影响被控变量时，就开始调节，使被控变量保持不变。）定义：是按干扰进行调节的开环调节系统，在干扰发生后，被控变量未发生变化时，前馈控制器根据干扰幅值，变化趋势，对操纵变量进行调节，来补偿干扰对被控变量的影响，使被控变量保持不变的方法。3)特点:按干扰进行控制，控制及时，精度高。仅仅对前馈量有控制作用 不能随时了解被控变量变化情况 输出影响输入（开环）,6.2.1 系统的调节方法,当系统有输入或受到外部干扰时，其输出必将发生变化，由于系统中总是含有一些惯性或蓄能元件，其输出

18、量也不能立即变化到与外部干扰相对应的值，也就是说需要有一个变化过程，这个变化过程即为系统的过渡过程。,当系统的过渡过程结束后，其输出值达到与输入相对应的稳定状态，此时系统的输出值与目标值之差被称为稳态误差。,具体表征系统动态特性好坏的定量指标就是系统过渡过程的品质指标。在时域内，这种品质指标一般用单位阶跃响应过渡过程曲线的参数来表示。,系统在阶跃信号作用下，过渡过程有三种情况：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。,图6.14 单位阶跃响应过渡过程曲线,Ts上升时间Ty 延滞时间Tt 调整时间

19、%最大超调量,当系统不稳定或虽然稳定但过渡过程性能和稳态性能不能满足要求时，可先调整系统中的有关参数，如仍不能满足使用要求就需要校正，最简单的校正网络是PID调节器（P比例、I积分、D微分）。,(1)PID调节器及其传递函数,图 6.15 有源调节器,各种调节类型的特点及应用,比例(P)调节：调节作用的大小主要取决于增益Kp的大小。Kp越大，调节作用越强，动态性能也越好，但Kp太大会引起系统不稳定。其主要缺点是存在误差。因此，对于干扰较大、惯性也较大的系统，不宜单独采用比例(P)调节。,积分(I)调节：主要优点是能减少或消除误差，但由于它响应慢，故很少单独采用。,比例-积分(PI)调节：即克服

20、了单纯比例调节有调节误差的缺点，又避免了积分环节响应慢的弱点，即稳态和动态特性都得到了改善，所以应用比较广泛。,比例-积分-微分(PID)调节：无论从稳态，还是从动态的角度来说，调节品质均比PI调节得到了改善，因此其应用最为广泛，但由于它含有微分作用，在噪声大或要求响应快的系统最好不要使用。,(2)PID调节器的控制作用,基本控制作用有三种基本形式：比例作用、积分作用和微分作用,m为调节器的输出；e为偏差信号；Kp为比例增益；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数,PID调节原理：,P（Proportional）：控制信号的强弱及响应速度,I（Integral）：消除稳态误差，提高控制精度,D

21、（Differential）：减小超调，提高动态特性及控制精度,PID调节器传递函数：,6.2.2 机械结构弹性变形对系统的影响,(1)结构谐振的影响,结构谐振（或机械谐振）由传动装置（或传动系统）的弹性变形 而产生的振动。,机械传动系统的弹性变形与它的结构、尺寸、材料性能及受力状况有关，其结构形式多种多样，因此分析起来相当复杂。最简单的办法就是将整个系统的弹性变形看成集中在系统输出轴即负载轴上，也就是等效到负载轴上。现以两级齿轮传动为例来讨论机械谐振对系统的影响。,机械装置的物理模型是质量弹簧系统结构谐振频率远大于系统的截止频率，对动态性能没影响；结构谐振频接近或小于系统的截止频率，出现自激

22、振荡，影响大；对要求加速度很大，快速性能好的系统，其通频带必然较宽，因而容易出现自激振荡。闭环系统基本上不会受结构谐振的影响。,图6.20 两级齿轮减速器,已知：i1,i2,Tm设 T1,T2,T3,1,2,3,则有,根据弹性变形的虎克定律，轴的弹性扭转角 正比于其所承受的扭转力矩，即,（6.44）,（6.45）,可见，输出轴3的变形对系统的影响最大、轴2次之、轴1最小,（6.46）,(2)减小或消除结构谐振的措施,1）提高传动刚度。可提高结构谐振频率，一般使 提高结构谐振频率的根本方法是增加传动系统的刚度、减小负载的 转动惯量和采用合理的结构布置,提高刚度的措施：加大传动系统最后几根轴的刚度

23、；采用无齿轮传动装置；减小惯性元件的距离,2）提高机械阻尼。能有效地降低振荡环节的谐振峰值。,3）采用校正网络。该网络频率频率特性有一凹陷处，将此处对准系统的 结构谐振频率，就可抵消或削平结构谐振峰值。,4）应用综合速度反馈减小谐振。适合低摩擦系统中。,实际的传动装置较复杂，用校正（或补偿）方法只能近似消除结构谐振的影响。,6.2.3 传动间隙对系统性能的影响,(1)机械传动间隙,理想的齿轮传动的输入和输出转角之间是线性关系，即,实际上，由于减速器的主动轮和从动轮之间间隙的存在和传动方向的变化，齿轮传动的输入转角和输出转角之间呈滞环特性，如图6.29所示,图6.29 齿侧间隙,多级齿轮传动中，

24、各级齿轮间隙的影响是不相同的，现以一三级传动为例加以说明.,图6.30 多级齿轮传动,已知：i1,i2,i3，1,2,3,R为主动轴，C为从动轴,将所有的传动间隙都折算到输出轴C上，其总间隙,如果将其折算到输入轴R上，其总间隙,（6.64）,（6.65）,可见，最后一级齿轮的传动间隙 3影响最大,为了减小间隙的影响，除尽可能地提高齿轮的加工精度外，装配时 还应减小最后一级齿轮的传动间隙。,(2)传动间隙的影响,齿轮传动装置在系统中的位置不同，其间隙对伺服系统的影响也不同,图6.31 传动间隙在闭环内的结构图,闭环之内的动力传动链(G2)齿轮传动间隙影响系统的稳定性，不影响系统的精度,2)反馈回

25、路上的传动链(G3)齿轮传动间隙既影响系统的稳定性 又影响系统的精度,6.3 可靠性、安全性设计,可靠性 指产品（或系统）在规定条件下和规定时间内，完成规 定功能的能力。,6.3.1 可靠性设计,总的来说，可靠性包括无故障性和耐久性两方面的含义。,（1）可靠性的基本概念,无故障性 指产品在某一时期内（某一段工作时间内），连续不 断地保持其工作能力的性能。,耐久性 指产品在整个使用期限内和规定的维修条件下，保持其 工作能力的性能。,完成规定功能是指能够连续地保持产品的工作能力，使各项技术指 标符合规定值。如果产品不能完成规定功能，就称为失效。对于可修复的产品，也可称为故障。,6.3 可靠性、安全

26、性设计,根本方法：提高产品的设计和制造质量，它的作用是消除故障于发生 之前，或者降低故障率。具体方法：,6.3.1 可靠性设计,（2）保证产品（系统）可靠性的方法,裕度法,自动控制法,冗余技术：掩蔽法,诊断技术：暴露法,主要是一种改进硬件的措施,用硬件、软件或两者相结合来保证产品可靠性的措施,冗余技术：又称储备技术。它是利用系统的并联模型来提高系统 可靠性的一种手段。,表现：它可以在故障发生之后把故障造成的影响掩蔽起来，使产品在一 定时间内继续保持其工作能力。是一种掩蔽法。,冗余方法分类：工作冗余和后备冗余,选择冗余方法的原则：P247-248,采用冗余技术必须在充分进行可靠性分析的基础上采用

27、，包括分析：1.引起失效的真正原因 2.经济上的可行性和产品的体积和重量等因素,机械系统很少采用冗余技术，而常采用裕度法来提高可靠性。,作用：推迟产品失效的时间,基本思想：通过可靠性分析找出系统失效率高的薄弱环节，对此环节进 行冗余结构设计，以此保证整个系统的可靠性。,诊断技术：是一种检测技术。用来取得有关产品中产生的失效（故障）类型和失效的位置信息。,表现：它可以把已经出现的或将要出现的故障及时暴露出来，以便迅 速修复。是一种暴露法。,作用：及时发现故障，以便缩短修理时间，提高产品的有效度。,任务：两个 见P248,测试分类：1.诊断测试故障出现之后 2.故障监测故障发生之前,诊断过程：测试，取得诊断信号分离出症兆诊断,症兆：表征故障种类与位置的异常性信号。可分为两类：1.直接症兆检测产品整机或元部件的输出参数时取得的2.间接症兆检测与产品工作能力存在函数关系的间接参数时取得的,诊断：将测试取得的诊断信号与标准数据比较，或利用事先确定的症兆 与故障之间的对应关系，来确定故障的种类与部位。,