机电一体化系统的机电有机结合分析与设计.ppt

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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。机电

2、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，是一种能够跟踪输入的

3、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：电气控制装置机械执行装置执行元件传感器伺服系统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

4、一个重要组成部分，而且往往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

5、有直线运动和回转运动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

6、.1)(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，然后根据技术条件的

7、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