机电一体化课件6.ppt
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- 机电 一体化 课件
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1、l第六章第六章l机电一体化系统机电一体化系统l机电有机结合机电有机结合l分析与设计分析与设计 l张建民张建民 编著编著l高等教育出版社高等教育出版社l讲授:何庆中讲授:何庆中l机机 电电 工工 程程 系系厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工l 重点学习:重点学习:l 机电有机结合的稳态设计考虑方法机电有机结合的稳态设计考虑方法l 机电有机结合的动态设计考虑方法机电有机结合的动态设计考虑方法l 在机电位置在机电位置/速度控制系统,一般可直速度控制系统,一般可直接或者间接经机械变换机构(减速器、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。丝杠螺母机构)来驱动被控制对象。l 主要
2、任务主要任务:是围绕被控制对象的具体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。获取机械运动规律和运动性能指标参数。l 学习方法学习方法:结合典型的机电控制系统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设计,掌握机电系统设计的基本方法和手段。手段。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工l 机电有机结合的稳态设计考虑方法机电有机结合的稳态设计考虑方法l 在机电伺服系统主要元件选择或设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、系统控制计、各部分之间连接方式、系统控制方式、所需能源供给形式、校正补
3、偿方式、所需能源供给形式、校正补偿方法、信号转换方式等初步确定的基方法、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础上,进行机电系统总体方案的稳定性设计性设计静态设计,为机电系统的静态设计,为机电系统的动态设计创造条件。动态设计创造条件。l 重点研究:重点研究:系统自身的稳态特性系统自身的稳态特性(假设无外界干扰)(假设无外界干扰)厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工l 使控制被控对象能完成所需要的机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械运动即进行机械系统的运动学运动学、动动力学分析力学分析以及计算,保障整个机电一以及计算,保障整个机电一体化系统的整体性能。体化系
4、统的整体性能。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工l工作空间工作空间l自由度自由度l位姿位姿l关节变量关节变量连杆连杆移动关节移动关节转动关节转动关节厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工l 信号的有效传递。信号的有效传递。l 各级增益的分配。各级增益的分配。l 各级之间阻抗的匹配各级之间阻抗的匹配和所采取的抗干扰的措施。和所采取的抗干扰的措施。l 系统总体方案的确定。系统总体方案的确定。厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工 使系统的输出运动参数达到所要求技术状态。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。执行元件的参数选择。功率(力功率(力/力矩)匹配以及过载能力的验算。力矩)匹配
5、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。各主要元件的选择与控制电路的设计。l(1)负载分析。)负载分析。l(2)执行元件匹配选择。)执行元件匹配选择。l(3)机械传动比选择与)机械传动比选择与各级减速比确定原则。各级减速比确定原则。l(4)检测传感装置、信)检测传感装置、信号转换接口电路、放大号转换接口电路、放大电路、电源匹配与设计。电路、电源匹配与设计。l(5)机电系统数学模型)机电系统数学模型的建立。的建立。l(6)分析研究系统的稳)分析研究系统的稳态特性。态特性。单位阶跃响应系统的稳态特性单位阶跃响应系统的稳态特性厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工l(1)典型负载形式)典型
6、负载形式l 无论被控制对象无论被控制对象的运动形式如何,的运动形式如何,负载形式及其特点负载形式及其特点千差万别,归纳起千差万别,归纳起来具有一些共性负来具有一些共性负载载典型负载。典型负载。l 包括:包括:惯性负载惯性负载、外力负载外力负载、内力负内力负载载、弹性负载弹性负载、摩摩擦负载擦负载。三维扫描仪或装置三维扫描仪或装置厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工l 目的:获取负载特征参量。目的:获取负载特征参量。l 方法:综合负载特性,进行有效组方法: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执行元件,机械变换机构等
7、的选用或设计,系统进行稳定性设计和动态设设计,系统进行稳定性设计和动态设计创造条件。计创造条件。43615X2Y厚德达理厚德达理 励志勤工励志勤工l 惯量和负载转换的作用惯量和负载转换的作用:l 为使所选择执行元件(功率、力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)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,以便负载转换到执行元件的输出端,以便。JJ23i电动机1J4i12J厚德达理厚德达理 立志勤工立志勤工l 无论机械传动或变换元
8、件是直线运动还无论机械传动或变换元件是直线运动还是回转运动,应用总动能不变的原理,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。可进行等效转动惯量的计算。l 能量守恒:能量守恒:E=EkTjjJkjnjnjmiViiF2121kjmijkimiikcqJvmJ等效惯量:21212121jmijimiiJvmE能量综合:221kkcqkJE等效能量:厚德达理厚德达理 立志勤工立志勤工l 无论外部或内部负载是力还是力矩,应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。用虚功原理,可进行等效负载转矩的计算。mjjjmiiitTtvFW11虚功:tTWkkeqK
9、等效虚功:mjkjjmikiikeqTvFT11/等效转矩:WWK能量守恒:厚德达理厚德达理 立志勤工立志勤工l 执行元件的匹配选择主要包括执行元件的匹配选择主要包括转矩转矩匹配匹配、功率匹配功率匹配、过热保护系数过热保护系数和和过过载保护系数验算载保护系数验算四部分。四部分。直流电机直流电机步进电机及驱动步进电机及驱动步进电机基本结构步进电机基本结构厚德达理厚德达理 立志勤工立志勤工TTTmeq惯 考虑机械传动效率,则执行元件的等效考虑机械传动效率,则执行元件的等效输出转矩:输出转矩:注意:执行元件为伺服电动机时,电动注意: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。机工作
10、区域应在恒转矩输出调速区内。厚德达理厚德达理 立志勤工立志勤工l 测算执行元件输出轴上的等效转矩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(摩擦负载和工作负载)和等效惯性转矩T惯的总和。的总和。kcqT/)(/TTTmeq惯l 电机功率的合理确定是执行元件选电机功率的合理确定是执行元件选择的重要参数之一。择的重要参数之一。l 主要依据电机的等效负载和最高转主要依据电机的等效负载和最高转速确定。速确定。l 常用下式进行预选。常用下式进行预选。maxmax55.9TnJTPmmeqmeq厚德达理厚德达理 立志勤工立志勤工 再通过过热验算和过载验算,最终确再通过过热验算和过
11、载验算,最终确定电机的功率。定电机的功率。l 电机在一定工作时间范围内,负载转矩变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)。算电机的等效转矩(平均转矩)。电机不产生过热的条件为:电机不产生过热的条件为:,21122121tttTtTTeqeqNTTeqNPP mNkTTmax厚德达理厚德达理 立志勤工立志勤工l 减速比匹配的减速比匹配的目的目的是可最终获得被控制对是可最终获得被控制对象的运动规律和运动速度要求。象的运动规律和运动速度要求。l(1)减速比匹配选择的一般原则要求减速比匹配选择的一般原
12、则要求l 在第在第2章中,提到了机械传动减速比的分章中,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、重量最配原则,主要依据是转动惯量最小、重量最轻、传动误差最小,以及综合考虑来确定各轻、传动误差最小,以及综合考虑来确定各级传动的减速比。级传动的减速比。厚德达理厚德达理 立志勤工立志勤工JJ23i电动机1J4i12J 本节提到的减速比匹配本节提到的减速比匹配及分配,是以满足控制及分配,是以满足控制对象的运动特性、加速对象的运动特性、加速特性和动力特性为准则。特性和动力特性为准则。l 即依据负载特性、脉冲当量(分辨率)、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
13、速比的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或输出转矩最大等要求。l(2)各级减速比的分配原则)各级减速比的分配原则与方法与方法l 1)按加速度最大原则选择减速比按加速度最大原则选择减速比l当要求输入信号变化快、响应快、加速度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大时,应
14、按下式决定减速比 i:212mLmLFmLFJJTTTTi厚德达理厚德达理 立志勤工立志勤工l 在输入速度信号近似恒速时,有加速度最在输入速度信号近似恒速时,有加速度最小,可按下式确定减速比小,可按下式确定减速比 i:21122ffTTTTimLFmLF负载的粘性摩擦系数电动机的粘性摩擦系数21ffoli3600maxninkki1max即即 最小原则:最小原则:厚德达理厚德达理 立志勤工立志勤工l 在速度和加速度有要求时,除按加速度最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,最终确速度与电机
15、输出角速度之间的关系,最终确定减速比。定减速比。mLimax 注意:应用上述方法确定机械传动部分的注意: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(情况,在依据减速比的分配原则(2章),最章),最终确定机械传动总减速比和各级减速比。终确定机械传动总减速比和各级减速比。厚德达理厚德达理 立志勤工立志勤工l 要达到机电一体化系统设计的主要性能指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标(功能指标),
16、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:服系统的稳态设计,主要涉及两方面内容:信号处理与转换、功率放大信号处理与转换、功率放大与驱动、系统电源匹配等。与驱动、系统电源匹配等。信号检测、信号处理与误差信号检测、信号处理与误差传递、动态计算与调整电路设传递、动态计算与调整电路设计(正补偿设计、辅助电路设计(正补偿设计、辅助电路设计)等。计)等。最终使系统在输入信号作用最终使系统在输入信号作用下,其输出具有收敛特性。下,其输出具有收敛特性。厚德达理厚德达理 立志勤工立志勤工l 主要包括功能部件的选择与设计(不含执主要包括功能部件的选择与设计(不含执行元件)行元件)l 1)检测传感
17、装置的选择检测传感装置的选择 l 依据被检测对象的类型,考虑依据被检测对象的类型,考虑传感器的精传感器的精度(分辨率)、不灵敏区、工作范围、输入度(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、输出特性(线性)、信号的转换、信噪比、转动惯量和摩擦特性、稳定性和可靠性等,转动惯量和摩擦特性、稳定性和可靠性等,合理选择传感器。合理选择传感器。厚德达理厚德达理 立志勤工立志勤工32411.标尺光栅 2.指示光栅3.光电元件 4.光源光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理同步感应器的工作原理同步感应器的工作原理输 出 信 号励 磁 电 源654SS3NNSSS7NN1SN
18、N200abx磁栅位移传感器磁栅位移传感器光电编码传感器光电编码传感器MI0RLV0测速发电机速度传感器测速发电机速度传感器透 镜光 源光 电 器 件带 缝 隙 圆 盘指 示 缝 隙 盘光电脉冲转速传感器光电脉冲转速传感器厚德达理厚德达理 立志勤工立志勤工厚德达理厚德达理 立志勤工立志勤工引出线3质量块1 壳体压电晶片m4 2 压电式加速度传感器3241C12C空气阻尼式加速度传感器a)PPb)P1R4R2R4R1R2RR3R3Pc)RR1R3A1RD R3R42B4R2CR应变片测力传感器l 尽可能选用标准、通用、商业集成元件尽可能选用标准、通用、商业集成元件作为信号转换电路的核心元件设计接
19、口电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,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。通道阻抗与连接元件阻抗之间的匹配等。l 3)伺服系统放大器(驱动电路)的设计伺服系统放大器(驱动电路)的设计与选用与选用l 驱动电路设计通常分为两部分:信号处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),功理与功率放大(提高信号品质为主),功率放大(增大能量为主)。率放大(增大能量为主)。厚德达理厚德达理 立志勤工立志勤工 具体要求:具体要求:a)最后输出级的功率应与执行元件功率(电流、最后输出级的功率应与执行元件功率(电
20、流、电压、容量、额定值)相匹配。电压、容量、额定值)相匹配。输出阻抗小输出阻抗小、效率高效率高、时间常数小时间常数小。b)为为执行元件的正常运转提供必要的适宜条件。执行元件的正常运转提供必要的适宜条件。制动条件制动条件、限流保护条件限流保护条件等。等。c c)放大器应有足够的线性范围,保障执行元件的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。容量得以正常发挥。d)输入级应与检测传感器相匹配。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。输入阻抗大,可减轻检测传感器的负荷。e e)放大器要有足够的放大倍数,工作特性稳定可放大器要有足够的放大倍数,工作特性稳定可靠、
21、易于调整等。靠、易于调整等。厚德达理厚德达理 立志勤工立志勤工l 电源系统由于受所选用或设计的各分系统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,电源供给能源输入形式和要求不同的限制,电源供给统一是困难的。但是、在设计电源系统时,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源参量输出具有足够稳定性(电压、频率)足够稳定性(电压、频率)的同时的同时,要采取保护措施,要采取保护措施,防止外界干扰信防止外界干扰信号的进入和电源波动、掉电、欠压、过流、号的进入和电源波动、掉电、欠压、过流、短路等非
22、正常品质电源的输入对系统的影响。短路等非正常品质电源的输入对系统的影响。l 常用措施:常用措施:滤波、隔离、屏蔽干扰信号;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。稳压、限压、限流、断电保护和短路保护。厚德达理厚德达理 立志勤工立志勤工l 机电一体化系统数学模型的类型实际上是多种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,主要分为多样的,但从控制系统工作原理上讲,主要分为开环控制开环控制、半闭环控制半闭环控制、闭环控制闭环控制三类数学模型。三类数学模型。l 下面结合典型实例进行学习。下面结合典型实例进行学习。l(1)开环控制系统)开环控制系统
23、l 开环控制比较简单,前面已学习。开环控制比较简单,前面已学习。l 传递函数数学模型为:传递函数数学模型为:l(2)半闭环控制系统)半闭环控制系统l 如图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伺服进给控制系统 memesGGGG(t)ii2D工作台ViFii1滚珠丝杠传感器电动机1前置放大功放U(t)i测速发电机厚德达理厚德达理 立志勤工立志勤工l Ka前置放大器增益;前置放大器增益;KA功率放大器增益;功率放大器增益;Kv速度反馈增益;速度反馈增益;l Tm直流伺服电机时间常数;直流伺服电机时间常数;i1、i1减速比;减速比;Kr位置传感器增位置传感器增益;益;l Vi(s
24、)输入电压的拉式变换;输入电压的拉式变换;i(s)丝杠输出转角的拉式变换。丝杠输出转角的拉式变换。iV(s)GG12G34GKAKamKmS(1+T S)i11K SGVG6Kr2i15Gi765432173243211)()()(GGGGGGGGGGGGGsVssGii)/()1(/2121i iKKKKsKKKsTiKKKrmAaVmAmmAa厚德达理厚德达理 立志勤工立志勤工1)无外界干扰时的传递函数数学模型)无外界干扰时的传递函数数学模型l 附加扰动力矩(电压附加扰动力矩(电压VD表示)的系统框图表示)的系统框图 l 附加扰动力矩等效电压后的系统框图附加扰动力矩等效电压后的系统框图 )
25、/()1()/()()()()(21210i iKKKKsKKKsTiKRRKsVssGrmAaVmAmTamiiiG52S(1+T S)GK SKGV7A2m3GmK(s)11i4G1iG6GKKV(s)ira1TAK KR+R0ADV(s)AK KTA0R+RV(s)DKAS(1+T S)mmK1i1iKaKi1r1K SV厚德达理厚德达理 立志勤工立志勤工l传递函数数学模型:传递函数数学模型:i滚珠丝杠电动机D1位置检测传感器前置放大功放Fi工作台i速度环位置环微机测速发电机V(s)iaK1GG5S(1+T S)GG7K SVAK2Gm3mG4G(s)jX(s)iKb)()1()()()
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