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1,第七章伺服傳動系統(tǒng)的動力學方法設計計算,2,第一節(jié)概述,一、機電系統(tǒng)的設計過程：機電參數(shù)相互匹配、機電有機結合的過程1.首先要了解被控對象的特點和對系統(tǒng)的具體要求，通過調(diào)查研究制訂出系統(tǒng)的設計方案：特點：初步輪廓；系統(tǒng)主要元部件的種類、各部分之間的連接方式、系統(tǒng)的控制方式、所需能源形式、校正補償方法、信號轉(zhuǎn)換的方式2.進行定量的分析計算：穩(wěn)態(tài)設計計算：使系統(tǒng)的輸出運動參數(shù)達到技術要求執(zhí)行元件的參數(shù)選擇、功率的匹配及過載能力的驗算各主要元部件的選擇與控制電路設計信號的有效傳遞各級增益的分配各級之間阻抗的匹配和抗干擾措施,3,特點：初步確定系統(tǒng)的主回路各部分特性、參數(shù)著手建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，為系統(tǒng)的動態(tài)設計做好準備2）動態(tài)設計設計校正補償裝置，使系統(tǒng)滿足動態(tài)技術指標要求通常要進行計算機仿真，或借助計算機進行輔助設計特點：得到較詳細的設計方案；近似；工程實踐的基礎3.樣機的試驗和調(diào)試確定系統(tǒng)的實際電路及實際參數(shù),4,伺服系統(tǒng)：自動控制系統(tǒng)（被控量：機械參數(shù)）,5,第二節(jié)機電有機結合之一—機電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設計考慮方法,一、旋轉(zhuǎn)運動和直線運動的力學參數(shù),6,二、機電伺服傳動系統(tǒng)動力學計算的基本公式1.電動機軸上的動力學基本公式2.等加減速轉(zhuǎn)矩Ta和對應的時間計算,總結：選擇和確定電動機的參數(shù)，啟動或制動時的轉(zhuǎn)矩、時間及相應的位移和速度。檢查機械參數(shù)設計的合理性。,7,三、等效負載轉(zhuǎn)矩和等效轉(zhuǎn)動慣量的計算,1.負載轉(zhuǎn)矩的分類按特性分：工作負載，摩擦轉(zhuǎn)矩，制動轉(zhuǎn)矩按與速度（轉(zhuǎn)速）的關系分：?恒定負載轉(zhuǎn)矩：與速度無關，摩擦副中的靜摩擦轉(zhuǎn)矩或力。?與速度成正比的負載轉(zhuǎn)矩：粘性摩擦轉(zhuǎn)矩（在靜態(tài)設計忽略不計）?與速度平方成正比的負載轉(zhuǎn)矩：空氣阻力，液體的攪拌阻力?與速度成反比的負載轉(zhuǎn)矩：恒功率傳動中2.典型機械系統(tǒng)的等效負載轉(zhuǎn)矩TeL和等效轉(zhuǎn)動慣量JeL的計算1)旋轉(zhuǎn)機械系統(tǒng):,8,2)螺旋進給系統(tǒng)3)計算舉例教材P.219-P.220,9,四、執(zhí)行元件的匹配原則,電動機的選擇：標準化元部件；電動機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率等參數(shù)應和被控對象的需要相匹配執(zhí)行元件的額定轉(zhuǎn)速n（r/min)基本上應是所需最大轉(zhuǎn)速；執(zhí)行元件的額定轉(zhuǎn)矩T（N?m))基本上應大于所需的最大轉(zhuǎn)矩；T?：電動機軸上的總負載轉(zhuǎn)矩；TeL：等效負載轉(zhuǎn)矩；T慣：慣性負載轉(zhuǎn)矩；JeL：等效轉(zhuǎn)動慣量；?m：電動機升降速時的角加速度；?：機械的總傳動效率初選電動機的型號（最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax）：電動機能帶動負載正常起動和定位停止，電動機的起動和制動轉(zhuǎn)矩Tq：Tq?T?。4.執(zhí)行元件的功率匹配：1）預選電動機的估算功率P：nmax，?max：電動機的最高轉(zhuǎn)速(r/min)和最高角速度(rad/s)?：考慮電動機、減速器等的功率系數(shù)，一般取?＝1.2~2,10,2)電動機的過熱驗算：當負載轉(zhuǎn)矩為變量時，應用等效法求其等效轉(zhuǎn)矩（均方根轉(zhuǎn)矩）Trms：①三角形轉(zhuǎn)矩波②矩形轉(zhuǎn)矩波電動機不過熱的條件：TR?Trms；PR?Prms=(Trms?nN)/9.55TR：電動機的額定轉(zhuǎn)矩；PR：電動機的額定功率；Prms：由Trms換算的電動機功率。3）電動機的過載驗算：瞬時最大負載轉(zhuǎn)矩T?max與電動機額定轉(zhuǎn)矩TR的比值不大于電動機的過載系數(shù)km（一般電動機產(chǎn)品目錄中給出），即：,11,五、減速比的匹配選擇與各級減速比的分配,減速比根據(jù)負載性質(zhì)、脈沖當量和機電一體化系統(tǒng)的綜合要求來選擇確定。使加速度最大的選擇方法：當輸入信號變化快、加速度又很大時最大輸出速度選擇方法：當輸入信號近似恒速，即加速度又很小時f1：電動機的粘性摩擦系數(shù)；f2：負載的粘性摩擦系數(shù)；滿足送進系統(tǒng)傳動基本要求的選擇方法：2.合理確定減速級數(shù)和分配各級的速比：Chapter2,12,13,六、選擇和設計系統(tǒng)的其余部分：初步方案具體化；,穩(wěn)態(tài)設計1）從系統(tǒng)應具有的輸出能力及要求出發(fā)，選定執(zhí)行元件和傳動裝置2）從系統(tǒng)的精度要求出發(fā)，選擇和設計檢測裝置及信號的前向和后向通道3）建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，計算系統(tǒng)的主諧振頻率4）進行動態(tài)設計計算：設計適當?shù)男Ｕa償裝置、完善電源電路及其他輔助電路，從而達到機電一體化系統(tǒng)的設計要求。2.檢測傳感裝置的選擇與設計檢測傳感裝置的精度（分辨力）、不靈敏區(qū)要適應系統(tǒng)整體的精度要求。在系統(tǒng)的工作范圍內(nèi)，其輸入/輸出應具有固定的線性特性信號的轉(zhuǎn)換要迅速及時，信噪比要大，裝置的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦阻力轉(zhuǎn)矩要盡可能小，性能要穩(wěn)定可靠等。,14,3.信號轉(zhuǎn)換接口電路的選擇與設計應盡量選用商品化的集成電路，要有足夠的輸入/輸出通道不僅要考慮與傳感器輸出阻抗的匹配，還要考慮與放大器輸入阻抗符合匹配的要求4.伺服系統(tǒng)放大器的選擇與設計功率輸出級必須與執(zhí)行元件相匹配：輸出阻抗要小，效率要高，時間常數(shù)要小。放大器應為執(zhí)行元件的運行狀態(tài)提供適宜條件。放大器應有足夠的線性范圍，以保證執(zhí)行元件的容量得以正常發(fā)揮輸入級與檢測傳感裝置相匹配：輸入阻抗要大，以減輕檢測傳感裝置的負荷。放大器應具有足夠的放大倍數(shù)，其特性應穩(wěn)定可靠，便于調(diào)整。5.電源的選擇與設計放大器的電源為適應各放大級的不同需要而進行適應性設計電源有一定的穩(wěn)定度，不要讓干擾信號從電源引入電源應具有足夠的保護措施：（過電壓、掉電、過電流、短路）保護,15,第三節(jié)直流伺服電動機的數(shù)學模型和調(diào)速特性,一、直流伺服電動機的數(shù)學模型及傳遞函數(shù)1.電磁轉(zhuǎn)矩方程：(磁通?一定，KT:電動機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)(N?m/A))2.轉(zhuǎn)矩平衡方程3.感應電壓Eb(法拉第定律：正比于角速度):4.電樞回路中的電勢平衡方程(基爾霍夫電壓定律)：,16,5.在零初始條件下，將上述4個方程進行拉氏變換，可得,,17,5.在零初始條件下，將上述4個方程進行拉氏變換，可得6.方塊圖：負載轉(zhuǎn)矩TL：外部干擾；感應電壓Eb：內(nèi)部反饋；是內(nèi)反饋控制系統(tǒng),,18,7.傳遞函數(shù)：TL=0及JL=0(J=Jm)時，?m(S)和?m(S)相對于Um(S)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：,19,引入電動機的機械時間常數(shù)tm和電氣時間常數(shù)te，(不考慮Bm)Um=0，JL=0時，?m(S)相對于TL(S)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：總結（1）固有頻率與上述的固有頻率相同（2）負載擾動TL(S)對電動機角速度?m(S)的響應較快，超調(diào)量也較大。即突然加上負載干擾后，將會產(chǎn)生較大的穩(wěn)態(tài)誤差。,20,8.(二)直流伺服電動機傳遞函數(shù)的近似計算：（使閉環(huán)傳遞函數(shù)降階，便于分析和研究）若Bm和Lm值很小，略去不計時，即te=0時；,21,二、直流伺服電動機的機械特性和控制特性,電動機轉(zhuǎn)矩Tm(S)與角速度?m(S)的方程：機械特性曲線：Um一定時，Tm和?m呈線形關系，,22,3.調(diào)速特性方程：Um一定時，?m或nm與Tm的關系4.控制特性方程：轉(zhuǎn)速?m或nm和控制電壓Um之間的關系三、直流伺服電動機的選擇方法負載轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)動慣量固有頻率阻尼比?,23,四、例子,趙松年：《機電一體化機械系統(tǒng)設計》P.243-P.252第三節(jié)伺服傳動系統(tǒng)動力學方法設計計算實例一、激光加工機的設計計算步驟：1.根據(jù)已知條件的脈沖當量確定總傳動比。2.按重量最輕盒輸出軸轉(zhuǎn)角誤差最小的原則分配總傳動比3.計算工件的轉(zhuǎn)速4.等效負載轉(zhuǎn)矩TeL計算5.等效轉(zhuǎn)動慣量JeL計算6.確定伺服電動機7.定位精度的分析二、經(jīng)濟型數(shù)控車床的縱向進給系統(tǒng)的設計計算,