机电有机结合之一机电一体化系统稳态设计考虑方法.docx

1、机电有机结合之一机电一体化系统稳态设计考虑方法机电有机结合之一-机电一体化系统稳态设计考虑方法一、负载分析机电伺服务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。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。1.典型负载：包括惯性负载、外力负载、弹性负载、摩擦负载(滑动摩擦负载、粘性摩擦负载、滚动摩擦负载)等。具体系统的负载可能是以上一种或几种典型负载的组合。2.负载的等效换算 在第二章/第三节齿轮传动比分配的“等效转

2、动惯量最小原则”中曾提高过等效转动惯量的计算方法，本节将更详细地讨论。 为使执行元件的额定转矩(或力、功率)、加减速控制等，与被控对象的固有参数(如质量、转动惯量等)相互匹配，需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)。下面以图示的机床工作台伺服进给系统为例加以说明。所示系统由一个移动部件和n个转动部件组成。 M、v和F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( kgm2)、转速

3、(r/min或rad/s)和所受负载转矩(Nm)。（1）求等效转动惯量Jeq，根据能量守恒定律有： 移动部分为丝杠螺母传动时：跟丝杠连接的齿轮是第n个齿轮：（2）求等效负载转矩 Teq 上述系统在时间t内克服负载所作功的总和等于执行元件所做功，即：速比之间的关系参见前面等效转动惯量部分。二、执行元件的匹配选择 拟定系统方案时，要根据技术条件的要求进行综合分析，以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。 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，在使用时

4、，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，如转速和额定转矩。1.步进电机的匹配选择（1）转矩与惯量匹配条件 电动机轴上的总负载转矩T包括：等效负载转矩Teq(包括摩擦负载和工作负载)、等效惯性负载转矩T惯等，即 考虑到机械的总传动效率时，则 为保证电机带负载能正常起动和定位停止，起动和制动转矩Tq应满足： 此外，推荐Jeq/Jm=4。根据计算的T和Jm可初步选择步进电机的型号，并对电机其他的性能指标和参数进行验算，如 最快工作进给速度时电动机输出转矩校核； 最快空载移动时电动机输出转矩校核； 最快空载移动

5、时电动机运行频率校核； 启动频率的校核。（2）步距角的匹配条件 步距角的选择受脉冲当量等因素影响，应满足关系式 当然，步距角越小，误差越小，则精度越高。2.直流、交流伺服电机的匹配选择 直流、交流伺服电机可根据估算功率进行预选。功率的估算公式如下：:电动机的最高转速(rmin) :电动机的最高角加速度(rads) :功率系数，一般取 1.22，对于小功率伺服系统可取2.5。 在预选电动机功率后，应进行验算。（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和等效功率，在电动机励磁磁通近似不变时：t1,t2：时间间隔，在此时间间隔内的负载转矩分别为T1,T2。则所选电动机的不过热条件为：

6、 -电动机的额定转矩（Nm）； -电动机的额定功率(W)； -电动机的额定转速（r/min）。（2）过载验算 使电机瞬时最大负载转矩与电动机额定转矩的比值不大于某一系数，即km:电动机的过载系数,一般电动机产品目录中给出。 三、减速比的匹配选择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。当然要全部满足上述要求是非常困难的。 选择了总减速比之后，还要合理确定减速级数及分配各级的速比，其分配原则可参看第2章第三节的内容。 四、微机与检测传感装置、信号转

7、换接口电路、放大电路及电源等的匹配选择与设计 稳态设计过程中，确定了执行元件与机械传动系统之后，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，包括1.选择或设计微机与检测传感装置；2.选择或设计信号转换接口电路、放大电路；3.选择或设计电源。 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要从两头人手：1. 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;2. 从系统的精度、速度要求出发，选择和设计微机与检测装置，并确定信号的前向和

8、后向通道；关于微机、传感器、执行元件的选择，前面的章节已有详细的叙述，下面着重提出两点：1.伺服放大器的设计与选择：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

9、。（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。2.电源的设计与选择： 在一个系统中，所需电源一般很难统一，除了有动力电源外，还有各种类型的控制电源。系统对电源及其频率的稳定度都有一定要求（1）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；（2）应具有抗干扰措施，如滤波、隔离、屏蔽等；（3）要有为系统服务的自检电路、显示与操作装置。五、系统数学模型的建立1.半闭环控制方式,传递函数如下：当系统受到附加外扰动转矩Tr（如摩擦转矩）时，框图变为如下：KT:直流伺服电

10、动机的转矩常数；Ra:直流伺服电动机转子的绕组阻抗； Ro:功率放大器的输出阻抗；VD(S)对应于扰动力矩的等效扰动电压的拉氏变换。则扰动与输出之间的传递函数为：由上可知，在半闭环直流伺服系统中，无论是输入/输出间，还是扰动/输出间的传递函数都是二阶振荡环节。2.全闭环控制方式 其中，k=kakAkm/i1在考虑弹性变形的前提下，包含在闭环系统内的机械传动系统本身又是一个二阶振荡环节，这使得系统完整的传递函数必然是高阶的，从而导致系统具有多个谐振频率。但在控制系统中，往往感兴趣的是其主谐振频率。3.工作台进给系统的主谐振频率K1，K2，K3 轴I、的扭转刚度；J1，J2，J3 -轴I、 、上运动零部件的转动惯量；M工作台的总质量； J0轴 、及工作台等效到电动机轴上的总转动惯量； B0工作台等效到电动机轴上的阻尼系数；K机械传动系统的总扭转刚度。