有机结合的分析与设计.ppt

1,第六章机电一体化系统的机电有机结合分析与设计,第一节 机电一体化系统的稳态与动态设计第二节 机电有机结合之一 机电一体化系统稳态设计的考虑方法第三节 机电有机结合之二 机电一体化系统动态设计的考虑方法第四节 机电一体化系统的可靠性、安全性设计习题与思考题,2,机电一体化系统（产品）的设计过程是机电参数相互匹配，即机电有机结合的过程。机电伺服系统是典型的机电一体化系统。本章将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。伺服系统中的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。,第一节 机电一体化系统的稳态与动态设计,3,在进行机电伺服系统设计时，首先要了解被控对象的特点和对系统的具体要求，通过调查研究制订出系统的设计方案。该方案通常只是一个初步的轮廓，包括系统主要元部件的种类、各部分之间的连接方式、系统的控制方式、所需能源形式、校正补偿方法，以及信号转换的方式等。有了初步设计方案就要进行定量的分析计算，分析计算包括稳态设计计算和动态设计计算。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(如电动机)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，并为后面动态设计中的校正补偿装置的引入留有余地。,4,图1.4 机电一体化系统（产品）基本组成,5,初步确定系统的主回路各部分特性、参数，便可着手建立系统的数学模型，为系统的动态设计做好准备。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。通过上述理论设计计算，完成的还仅是一个较详细的设计方案，这种工程设计计算一般是近似的，只能作为工程实践的基础。系统的实际电路及实际参数，往往要通过样机的试验与调试，才能最后确定下来。这并不等于以上设计计算是多余的，因经过设计计算后确定的方案，考虑了机电参数的有机结合与匹配，这对工程实践是必需的，这有利于减少盲目性和加快样机的调试与电路参数的确定。随着机电一体化技术的发展，机电一体化系统的自动化程度越来越高。为满足人们生活和生产安全、可靠地使用要求，在机电一体化有机结合分析与设计过程中，必须充分注意其可靠性、安全性设计要求。,稳态设计,动态设计,6,第二节 机电有机结合之一 机电一体化系统的稳态设计考虑方法,位置控制系统和速度控制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。机械运动是组成机电一体化系统的主要组成部分，它们的运动学、动力学特性与整个系统的性能关系极大。被控对象(简称负载)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。,一、典型负载,7,1.典型负载分析,所谓典型负载是指惯性负载、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)。对具体系统而言，其负载可能是以上几种典型负载的组合，不一定均包含上述所有负载项目。在设计系统时，应对被控对象及其运动作具体分析，从而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。,8,2.负载的等效换算 被控对象的运动，有的是直线运动，如机床的工作台X、Y 及Z 轴，机器人臂部的升降、伸缩运动，绘图机的X、Y方向运动；也有的是旋转运动，如机床主轴的回转、工作台的回转、机器人关节的回转运动等。执行元件与被控对象有直接连接的，也有通过传动装置连接的。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(k)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)。,9,10,以机床工作台的伺服进给系统为例。下图所示的系统由 个移动部件和 个转动部件组成。、和 分别为移动部分的质量（kg）、运动速度（m/s）和所受的负载力（N）；、和 分别为转动部件的转动惯量（）、转速（或）和所受负载转矩（）。,11,12,等效负载转矩：,等效负载惯量：,等效阻尼系数：,等效弹簧刚度：,结论：机械传动系统中，转动惯量、质量、阻尼系数、弹性系数由低速端向高速端转换时需要除以传动比的平方。,回忆：机械传动系统中，速度、位移、加速度由低速端向高速端转换时需要乘以传动比；力、转矩由低速端向高速端转换时需要除以传动比。,13,14,15,二、执行元件的匹配选择 伺服系统是由若干元部件组成的，其中有些元部件已有系列化商品供选用。为降低机电一体化系统的成本，缩短设计与研制周期，应尽可能选用标准化零部件。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。被控对象由电动机驱动，因此，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，易使执行元件价格高，使机电一体化系统的成本升高，市场竞争力下降，在使用时，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。,16,以机床工作台的伺服进给系统为例，运动轴所采用的执行元件（电动机）的额定转速基本上应该是系统所需最大转速；额定转矩应大于（考虑机械损失）所需的最大转矩，即大于等效负载转矩与等效惯性负载转矩之和。,17,18,2）系统执行元件的功率匹配（直流、交流伺服电动机）预选电动机的估算功率可由下式确定,式中，电动机的最高转速（r/min）；电动机的最高角速度（rad/s）；考虑电动机、减速器等的功率系数，一般1.22。在功率预选后，需要进行过热、过载验算。,19,20,21,三、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。,22,（a）使加速度最大的选择方法，当输入信号变化快、加速度又很大时，应使得：,（c）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 和丝杆基本导程 之间的匹配关系：。,（d）减速器输出轴角误差最小原则，即 最小。,（e）对速度和加速度均有一定要求的时，按照（a）选择减速比i，然后验算是否满足，式中的 为负载的最大角速度；为电动机输出的角速度。,23,执行元件与机械传动系统确定之后，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，把初步方案逐步具体化。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就是要从两头入手，即首先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;其次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、完善电源电路及其他辅助电路，从而达到机电一体化系统的设计要求。检测传感装置的精度(即分辨力)、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，信号的转换要迅速及时，信噪比要大，装置的转动惯量及摩擦阻力矩要尽可能小，性能要稳定可靠等。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。伺服系统放大器的设计与选择主要考虑以下几个问题：,四、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,24,（a)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。（b）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。（c）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。（d）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。（e）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。,25,伺服系统的能源（特别是电源)支持：在一个系统中，所需电源一般很难统一，特别是放大器的电源常常为适应各放大级的不同需要而进行适应性设计。但是最关键的还是动力电源，它常常制约系统方案的形式。系统对电源的稳定度和对频率的稳定度都有一定要求，设计时要注意不要让干扰信号从电源引入，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。抗干扰措施有滤波、隔离、屏蔽等。此外，要有为系统服务的自检电路、显示与操作装置。总之，系统设计牵涉的知识面较广，每一个环节均要给予充分注意。,26,五、系统数学模型的建立及主谐振频率的计算 在稳态设计的基础上，利用所选元、部件的有关参数，可以绘制出系统框图，并根据自动控制理论基础课程所学知识建立各环节的传递函数，进而建立系统传递函数。现以工作台闭环伺服进给系统为例，分析在不同控制方式下传递函数的建立方法。1.半闭环控制方式 下图a为检测传感器装在丝杠端部的半闭环伺服控制系统。,27,半闭环伺服控制系统的系统框图如下图b所示。,28,上图的传递函数为:,29,30,2.全闭环控制方式,31,32,33,34,35,3.工作台进给系统的主谐振频率 对于带非刚性轴的传动系统，上述完整的传递函数必然是高阶的。而在控制系统应用中，往往感兴趣的是机械传动系统的主谐振频率。现就其主谐振频率的求法分析如下：,36,37,38,39,根据上面拉氏变换得到的方程，可画出如下图所示的简化系统框图。通过系统框图的进一步简化可得系统的传递函数为,40,41,42,43,44,45,46,47,第三节 机电有机结合之二 机电一体化系统的动态设计考虑方法,机电一体化系统的伺服系统的稳态设计只是初步确定了系统的主回路，还很不完善。在稳态设计基础上所建立的系统数学模型一般不能满足系统动态品质的要求，甚至是不稳定的。为此，必须进一步进行系统的动态设计。系统的动态设计包括：选择系统的控制方式和校正(或补偿)形式，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。,一、机电伺服系统的动态设计,48,伺服系统常用的控制方式为反馈控制方式(即误差控制方式)，也可采用前馈和反馈相结合的复合控制等方式。它们各具特点，需要按被控对象的具体情况和要求，从中选择一种适宜的方式。同样，校正形式也多种多样，设计者需要结合稳态设计所得到系统的组成特点，从中选择一种或几种校正形式，这是进行定量计算分析的前提。具体的定量分析计算方法很多，每种方法都有其自身的优点和不足。而工程上常用对数频率法即借助波德（Bode)图和根轨迹方法进行设计，这些方法作图简便，概念清晰，应用广泛。,对数频率法即波德图法，主要适用于线性定常最小相位系统。系统以单位反馈构成闭环，若主反馈系统不为l（单位反馈），则需要等效成单位反馈的形式来处理。这是因为该方法主要用系统开环对数幅频特性进行设计，必须将各项设计指标反映到波德图上，并画出一条能满足要求的系统开环对数幅频特性，并与原始系统(稳态设计基础上建立的系统)的开环对数幅频特性相比较，找出所需补偿(或校定)装量的对数幅频特性。然后根据此特性来设计校正(或补偿)装置，将该装置有效地连接到原始系统的电路中去，使校正(或补偿)后的开环对数幅频特性基本上与所希望系统的特性相一致。这就是动态设计的一般考虑方法和步骤。,49,二、系统的调节方法 在研究机电伺服系统的动态特性时，一般先根据系统组成建立系统的传递函数(即原始系统数学模型)，不易用理论方法求解的可用实验方法建立。进而可以根据系统传递函数分析系统的稳定性、系统的过渡过程品质(响应的快速性和振荡)及系统的稳态精度。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，其输出量也不能立即变化到与外部输入或干扰相对应的值，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。,当系统在阶跃信号作用下，过渡过程大致有以下三种情况：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。,50,当系统在阶跃信号作用下，过渡过程大致有以下三种情况：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。,当系统的过渡过程结束后，其输出值达到与输出相对应的稳定状态，此时系统的输出值与目标值之差称为稳态误差。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曲线（如图所示）中的参数来表示，即,51,图7.15,1.PID调节器及其传递函数,52,53,54,55,2.调节作用分析,56,57,58,59,60,61,62,63,3.速度反馈校正,64,65,66,三、机械结构弹性变形对系统的影响1.结构谐振的影响 传动系统因弹性变形而产生的振动，称为结构谐振(或机械谐振)。为了使问题简化，在分析系统时，常假定系统中的机械装置为绝对刚体，即无任何结构变形。实际上，机械装置并非刚体，而具有柔性。其物理模型是质量-弹簧系统。例如机床进给系统中，床身、电动机、减速箱、各传动轴都有不同程度的弹性变形，并具有一定的固有谐振频率。但对于一般要求不高且控制系统的频带也比较窄，只要传动系统设计的刚度较大，结构谐振频率通常远大于闭环上限频率，故结构谐振问题并不突出。随着科学技术的发展，对控制系统的精度和响应快速性要求愈来愈高，这就必须提高控制系统的频带宽度，从而可能导致结构谐振频率逐渐接近控制系统的带宽，甚至可能落到带宽之内，使系统产生自激振荡而无法工作，或使机构损坏。,67,68,69,70,71,72,73,74,75,76,77,78,2.减小或消除结构谐振的措施,79,80,81,82,83,84,85,86,四、传动间隙对系统特性的影响,1.机械传动间隙,87,四、传动间隙对系统特性的影响,1.机械传动间隙,88,89,90,2.传动间隙的影响,91,2.传动间隙的影响,92,93,上述主要介绍了可计算(传动系统)部分的动态分析方法。机械系统(包括机械传动系统和机械支承系统)在内、外的变化载荷作用下，会表现出不同的动态响应特性。某些动态响应特性会影响机电一体化系统的正常工作，工程设计人员必须给予足够的重视。对不可计算的复杂机械系统的动态分析，通常采用被广泛使用的实验模态分析方法。通过这种方法可识别机械系统的结构模态参数，如固有振动频率、振型、模态刚度、模态质量及模态阻尼等。从而建立用这些模态参数表示的机械结构系统的动态方程，通过分折找出其问题所在，以便采取提高刚度和阻尼效果的有效方法。实验振动模态分析方法有时域法和频域法。时域法是直接从机械系统结构的时间域的响应求取模态参数。频域法是先将测试数据变换成频率域数据，然后进行模态分析进而确定模态参数，其具体分析方法请参看有关资料。,五、机械系统实验振动模态参数 识别分析,94,