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1、機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)22022-3-17v5.1 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述v5.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行元件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行元件v5.3 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)v5.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)32022-3-17 用來(lái)精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過(guò)程的反饋控制系統(tǒng)。又稱(chēng)隨動(dòng)系統(tǒng)。在很多情況下,伺服系統(tǒng)專(zhuān)指被控制量(系統(tǒng)的輸出量)是機(jī)械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng),其作用是使輸出的機(jī)械位移(或轉(zhuǎn)角)準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移(或轉(zhuǎn)角)。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒(méi)有原則上的區(qū)別。 伺服系統(tǒng)-servomechanism 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)42022-3
2、-17伺服系統(tǒng)-servomechanism 伺服系統(tǒng)最初用于船舶的自動(dòng)駕駛、火炮控制和指揮儀中,后來(lái)逐漸推廣到很多領(lǐng)域,特別是自動(dòng)車(chē)床、天線(xiàn)位置控制、導(dǎo)彈和飛船的制導(dǎo)等。采用伺服系統(tǒng)主要是為了達(dá)到下面幾個(gè)目的:以小功率指令信號(hào)去控制大功率負(fù)載。火炮控制和船舵控制就是典型的例子。在沒(méi)有機(jī)械連接的情況下,由輸入軸控制位于遠(yuǎn)處的輸出軸,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距同步傳動(dòng)。使輸出機(jī)械位移精確地跟蹤電信號(hào),如記錄和指示儀表等。機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)52022-3-17 機(jī)電一體化系統(tǒng),通常是以機(jī)電一體化系統(tǒng),通常是以機(jī)器機(jī)器或或機(jī)械機(jī)構(gòu)機(jī)械機(jī)構(gòu)為控制對(duì)象,以為控制對(duì)象,以微處理器微處理器為核心控制器,受控物為核心控制
3、器,受控物理量是理量是位移位移、速度速度、加速度加速度(力力)以及)以及工藝參數(shù)工藝參數(shù)或或生產(chǎn)過(guò)程生產(chǎn)過(guò)程等。等。 控制器控制器功率放大器功率放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入量輸入量輸出量輸出量+ +檢測(cè)傳感器檢測(cè)傳感器- -伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)62022-3-17 控制器的主要任務(wù)是按輸入信號(hào)和反饋信號(hào)決定控制策略,常用的控制算法有PID(比例、積分和微分)控制和最優(yōu)控制等,由微處理器或?qū)S眉呻娐方M成。 控制器控制器功率放大器功率放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入量輸入量輸出量輸出量+ +檢測(cè)傳感器檢測(cè)傳感器- -伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)72022-3-17 功率放
4、大器的作用是接收控制器的信息,并將其放大,驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成某種運(yùn)動(dòng),主要采用專(zhuān)用集成電路功率放大器。 控制器控制器功率放大器功率放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入量輸入量輸出量輸出量+ +檢測(cè)傳感器檢測(cè)傳感器- -伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)82022-3-17 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是運(yùn)動(dòng)部件,由動(dòng)力源(如液壓、氣壓和電氣動(dòng)力源)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成,根據(jù)控制信息和指令,完成要求的動(dòng)作,也就是說(shuō),執(zhí)行機(jī)構(gòu)是將控制器發(fā)出的指令信號(hào)精確、快速地轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng),復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的變化規(guī)律,完成所規(guī)定的動(dòng)作。 控制器控制器功率放大器功率放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入量輸入量輸出量輸出量+ +檢測(cè)傳感器檢測(cè)傳感器
5、- -伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)92022-3-17 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是指以機(jī)械位置、速度和加速度為控制對(duì)象,在控制命令的指揮下,控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作,使機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件按照控制命令的要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng),并具有良好的動(dòng)態(tài)性能。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)電一體化產(chǎn)品的一個(gè)重要組成部分,廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、軍事、航空、航天等領(lǐng)域,如數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等。 控制器控制器功率放大器功率放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入量輸入量輸出量輸出量+ +檢測(cè)傳感器檢測(cè)傳感器- -伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)102022-3-17 分段復(fù)合制導(dǎo)飛行方案示意圖機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)112022-3-17伺服驅(qū)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)系
6、統(tǒng)系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)122022-3-17分段復(fù)合制導(dǎo)控制回路原理框圖機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)132022-3-171234xyzxyzxyzxyz機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)142022-3-17 12101( )NyyyczzzNyyycczzNyyyczztKNNKHyHKNNKyKHyHKNNK2yH01()yNzzzcyytKNNKyH 01()xcxxtKKyH機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)152022-3-17伺服系統(tǒng)的分類(lèi)伺服系統(tǒng)的分類(lèi)電氣電氣伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)液壓液壓伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)氣動(dòng)氣動(dòng)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)交流交流伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)直流直流伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)步進(jìn)步進(jìn)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)
7、按按照照?qǐng)?zhí)執(zhí)行行元元件件性性質(zhì)質(zhì)的的不不同同機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)162022-3-17開(kāi)環(huán)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)閉環(huán)閉環(huán)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)無(wú)檢測(cè)無(wú)檢測(cè)反饋環(huán)節(jié),精度低,反饋環(huán)節(jié),精度低,抗干抗干擾能力差,成本低。擾能力差,成本低。有檢測(cè)有檢測(cè)反饋環(huán)節(jié),精度高,反饋環(huán)節(jié),精度高,抗干擾能抗干擾能力強(qiáng),成本高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,結(jié)構(gòu)上與力強(qiáng),成本高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,結(jié)構(gòu)上與半閉環(huán)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的區(qū)別是將整個(gè)機(jī)械伺服系統(tǒng)的區(qū)別是將整個(gè)機(jī)械裝置都包括到裝置都包括到反饋環(huán)中。反饋環(huán)中。有檢測(cè)有檢測(cè)反饋環(huán)節(jié),精度較高,反饋環(huán)節(jié),精度較高,性能居性能居中,結(jié)構(gòu)上與中,結(jié)構(gòu)上與閉環(huán)閉環(huán)伺服系統(tǒng)的
8、區(qū)別是伺服系統(tǒng)的區(qū)別是只將部分機(jī)械裝置都包括到只將部分機(jī)械裝置都包括到反饋環(huán)中。反饋環(huán)中。按按照照系系統(tǒng)統(tǒng)的的控控制制方方式式伺服系統(tǒng)的分類(lèi)伺服系統(tǒng)的分類(lèi)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)172022-3-17伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法1. 1.設(shè)計(jì)方案分析,系統(tǒng)方案確定設(shè)計(jì)方案分析,系統(tǒng)方案確定 首先對(duì)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析,明確其應(yīng)用首先對(duì)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析,明確其應(yīng)用場(chǎng)合和目的、基本性能指標(biāo)及其他性能指標(biāo),然后根場(chǎng)合和目的、基本性能指標(biāo)及其他性能指標(biāo),然后根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件擬定幾種技術(shù)方案,經(jīng)過(guò)評(píng)價(jià)、對(duì)比據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件擬定幾種技術(shù)方案,經(jīng)過(guò)評(píng)價(jià)、對(duì)比選定一種比較合理的方案。選定
9、一種比較合理的方案。 方案設(shè)計(jì)應(yīng)包括下述內(nèi)容:控制方式選擇;執(zhí)行方案設(shè)計(jì)應(yīng)包括下述內(nèi)容:控制方式選擇;執(zhí)行元件選擇、傳感器及其檢測(cè)裝置選擇、機(jī)械傳動(dòng)及執(zhí)元件選擇、傳感器及其檢測(cè)裝置選擇、機(jī)械傳動(dòng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇等。行機(jī)構(gòu)選擇等。機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)182022-3-17伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法2. 2.系統(tǒng)性能分析系統(tǒng)性能分析 根據(jù)基本結(jié)構(gòu)形式對(duì)其基本性能進(jìn)行初步分析。根據(jù)基本結(jié)構(gòu)形式對(duì)其基本性能進(jìn)行初步分析。 首先畫(huà)出系統(tǒng)方框圖,列出系統(tǒng)近似傳遞函數(shù),并對(duì)首先畫(huà)出系統(tǒng)方框圖,列出系統(tǒng)近似傳遞函數(shù),并對(duì)傳遞函數(shù)及方框圖進(jìn)行化簡(jiǎn),然后在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定傳遞函數(shù)及方框圖進(jìn)行化簡(jiǎn),然
10、后在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、精度及快速響應(yīng)性進(jìn)行初步分析,其中最主要的是穩(wěn)性、精度及快速響應(yīng)性進(jìn)行初步分析,其中最主要的是穩(wěn)定性分析,如不滿(mǎn)足要求,應(yīng)修改方案或增加校正環(huán)節(jié)。定性分析,如不滿(mǎn)足要求,應(yīng)修改方案或增加校正環(huán)節(jié)。 3. 3.執(zhí)行元件及傳感器的選擇執(zhí)行元件及傳感器的選擇 方案設(shè)計(jì)只進(jìn)行初步選型,本步應(yīng)根據(jù)具體速度、方案設(shè)計(jì)只進(jìn)行初步選型,本步應(yīng)根據(jù)具體速度、負(fù)載機(jī)器精度要求具體確定執(zhí)行元件及傳感器的參數(shù)負(fù)載機(jī)器精度要求具體確定執(zhí)行元件及傳感器的參數(shù)和型號(hào)。和型號(hào)。機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)192022-3-17伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法4. 4.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械系
11、統(tǒng)設(shè)計(jì)包括機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)中應(yīng)注意消除各種傳動(dòng)間體結(jié)構(gòu)及參數(shù)的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)中應(yīng)注意消除各種傳動(dòng)間隙,盡量提高系統(tǒng)剛度、減少慣量及摩擦,尤其在設(shè)隙,盡量提高系統(tǒng)剛度、減少慣量及摩擦,尤其在設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌時(shí)要防止產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的導(dǎo)軌時(shí)要防止產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。5. 5.控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括信號(hào)處理及放大電路、校正裝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括信號(hào)處理及放大電路、校正裝置、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等的詳細(xì)設(shè)計(jì),如果采用計(jì)算置、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等的詳細(xì)設(shè)計(jì),如果采用計(jì)算機(jī)數(shù)字控制,還應(yīng)包括接口電路及控制器算法軟件的機(jī)數(shù)
12、字控制,還應(yīng)包括接口電路及控制器算法軟件的設(shè)計(jì)??刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)計(jì)??刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng) 注意各環(huán)節(jié)參數(shù)的選擇及與注意各環(huán)節(jié)參數(shù)的選擇及與機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)的匹配,以使系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕度機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)的匹配,以使系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕度和快速響應(yīng)性,并滿(mǎn)足精度要求。和快速響應(yīng)性,并滿(mǎn)足精度要求。機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)202022-3-176. 6.系統(tǒng)性能復(fù)查系統(tǒng)性能復(fù)查 所有機(jī)構(gòu)參數(shù)確定后,可重新列出系統(tǒng)精確的傳遞所有機(jī)構(gòu)參數(shù)確定后,可重新列出系統(tǒng)精確的傳遞函數(shù),但實(shí)際系統(tǒng)一般都是高階系統(tǒng),因而應(yīng)適當(dāng)簡(jiǎn)化。函數(shù),但實(shí)際系統(tǒng)一般都是高階系統(tǒng),因而應(yīng)適當(dāng)簡(jiǎn)化。如系統(tǒng)不理想,則可調(diào)整控制系統(tǒng)的參數(shù)或修改
13、算法,如系統(tǒng)不理想,則可調(diào)整控制系統(tǒng)的參數(shù)或修改算法,重新設(shè)計(jì)重新設(shè)計(jì)7. 7.系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn) 上述設(shè)計(jì)與分析在理論階段,實(shí)際系統(tǒng)還需試上述設(shè)計(jì)與分析在理論階段,實(shí)際系統(tǒng)還需試驗(yàn),可在模型試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行或在樣機(jī)上進(jìn)行驗(yàn),可在模型試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行或在樣機(jī)上進(jìn)行8. 8.系統(tǒng)設(shè)計(jì)定案系統(tǒng)設(shè)計(jì)定案伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主軸電機(jī)主軸電機(jī)伺服電機(jī)伺服電機(jī)刀庫(kù)刀具定位電機(jī)刀庫(kù)刀具定位電機(jī)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)定位電機(jī)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)定位電機(jī)帶制動(dòng)器伺服電機(jī)帶制動(dòng)器伺服電機(jī)加工中心加工中心伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(Servo System)CNC系統(tǒng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)檢測(cè)裝置檢測(cè)裝置控制信號(hào)控制信號(hào)反
14、饋信號(hào)反饋信號(hào)光柵尺光柵尺計(jì)算機(jī)數(shù)值控制 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)242022-3-17執(zhí)行元件執(zhí)行元件是將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械運(yùn)動(dòng)和機(jī)械能量是將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械運(yùn)動(dòng)和機(jī)械能量的轉(zhuǎn)換元件。的轉(zhuǎn)換元件。執(zhí)行元件的種類(lèi)執(zhí)行元件的種類(lèi)執(zhí)行元件電磁式電磁鐵及其他電動(dòng)機(jī)液壓馬達(dá)液壓式油 缸氣壓馬達(dá)氣壓式氣 缸其 他與材料有關(guān)直流伺服電機(jī)雙金屬片壓電元件狀態(tài)記憶金屬其他電機(jī)交流伺服電機(jī)步進(jìn)電機(jī)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)252022-3-17機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)262022-3-17(1 1)慣量小,動(dòng)力大。)慣量小,動(dòng)力大。 (2 2)體積小,重量輕。)體積小,重量輕。 (3 3)安裝方便、便于維修維護(hù)
15、。)安裝方便、便于維修維護(hù)。 (4 4)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。)易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)272022-3-17常用的控制電動(dòng)機(jī)常用的控制電動(dòng)機(jī) 步進(jìn)電機(jī)(步進(jìn)電機(jī)(Stepping MotorStepping Motor)直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)(DC Servo Motor)(DC Servo Motor)交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)(AC Servo Motor)(AC Servo Motor)轉(zhuǎn)角與數(shù)字脈沖成比例,可構(gòu)成直接數(shù)字控制轉(zhuǎn)角與數(shù)字脈沖成比例,可構(gòu)成直接數(shù)字控制構(gòu)成廉價(jià)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成廉價(jià)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制較簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)控制較簡(jiǎn)單機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)2820
16、22-3-17常用的控制電動(dòng)機(jī)常用的控制電動(dòng)機(jī) 步進(jìn)電機(jī)(步進(jìn)電機(jī)(Stepping MotorStepping Motor)直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)(DC Servo Motor)(DC Servo Motor)交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)(AC Servo Motor)(AC Servo Motor)高響應(yīng)、高功率密度高響應(yīng)、高功率密度可實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)字控制可實(shí)現(xiàn)高精度的數(shù)字控制換向器件需維護(hù)換向器件需維護(hù)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)292022-3-17常用的控制電動(dòng)機(jī)常用的控制電動(dòng)機(jī) 步進(jìn)電機(jī)(步進(jìn)電機(jī)(Stepping MotorStepping Motor)直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)(DC
17、Servo Motor)(DC Servo Motor)交流伺服電機(jī)交流伺服電機(jī)(AC Servo Motor)(AC Servo Motor)具有具有DCDC伺服電機(jī)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)伺服電機(jī)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)需要磁極位置檢測(cè)器需要磁極位置檢測(cè)器無(wú)接觸換向器件,維護(hù)方便無(wú)接觸換向器件,維護(hù)方便機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)302022-3-17系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)的基本要求系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)的基本要求(1 1)性能密度大。即功率密度)性能密度大。即功率密度 Pw=P/w Pw=P/w 或比功率或比功率 大。大。(2 2)快速性好。加速度大、響應(yīng)特性好。)快速性好。加速度大、響應(yīng)特性好。(3 3)位置控制與速度控制精度高、調(diào)
18、速范圍大、低速平)位置控制與速度控制精度高、調(diào)速范圍大、低速平穩(wěn)性好、分辨率高以及振動(dòng)噪音小。穩(wěn)性好、分辨率高以及振動(dòng)噪音小。(4 4)能適應(yīng)頻繁啟動(dòng),可靠性高、壽命長(zhǎng)。)能適應(yīng)頻繁啟動(dòng),可靠性高、壽命長(zhǎng)。(5 5)易于與計(jì)算機(jī)對(duì)接,實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。)易于與計(jì)算機(jī)對(duì)接,實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)312022-3-17控制電機(jī)的控制形式控制電機(jī)的控制形式 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)322022-3-17控制電機(jī)的控制形式控制電機(jī)的控制形式 伺服電機(jī)半閉環(huán)控制伺服電機(jī)半閉環(huán)控制機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)332022-3-17控制電機(jī)的控制形式控制電機(jī)的控制
19、形式 伺服電機(jī)閉環(huán)控制伺服電機(jī)閉環(huán)控制機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)342022-3-17控制電機(jī)的控制形式控制電機(jī)的控制形式 模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)352022-3-17控制電機(jī)的控制形式控制電機(jī)的控制形式 脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)362022-3-17應(yīng)用舉例:舵機(jī)控制應(yīng)用舉例:舵機(jī)控制 舵機(jī)的英文名稱(chēng)是Servo,舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器,適用于那些需要角度不斷變化角度不斷變化并可以保持可以保持的控制系統(tǒng)。 在機(jī)器人機(jī)電控制系統(tǒng)中,舵機(jī)控制效果是性能的重要影響因素。舵機(jī)可以在微機(jī)電系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu),其簡(jiǎn)單的控制和輸出使得單片機(jī)系統(tǒng)非常容易與
20、之接口。 舵機(jī)是一種位置(角度)伺服的驅(qū)動(dòng)器。目前在高檔遙控玩具,如航模,包括飛機(jī)模型,潛艇模型;遙控機(jī)器人中已經(jīng)使用得比較普遍。舵機(jī)是一種俗稱(chēng),其實(shí)是一種伺服馬達(dá)。機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)372022-3-17應(yīng)用舉例:舵機(jī)控制應(yīng)用舉例:舵機(jī)控制舵機(jī)實(shí)物圖舵機(jī)實(shí)物圖機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)382022-3-17舵機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理舵機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 舵機(jī)是伺服控制系統(tǒng)里最常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu),其內(nèi)實(shí)際上也是下個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)。舵機(jī)只在一根信號(hào)線(xiàn)就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械角度的控制。舵機(jī)的結(jié)構(gòu)和連線(xiàn)圖機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)392022-3-17舵機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理舵機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 標(biāo)準(zhǔn)的舵機(jī)有三條控制線(xiàn)
21、,分別為:電源、地及控制。電源線(xiàn)與地線(xiàn)用于提供內(nèi)部的直流馬達(dá)及控制線(xiàn)路所需的能源,電壓通常介于4V-6V之間,該電源應(yīng)盡可能與處理系統(tǒng)的電源隔離(因?yàn)樗欧R達(dá)會(huì)產(chǎn)生噪音)。甚至小伺服馬達(dá)在重負(fù)載時(shí)也會(huì)拉低放大器的電壓,所以整個(gè)系統(tǒng)的電源供應(yīng)的比例必須合理。舵機(jī)的結(jié)構(gòu)和連線(xiàn)圖機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)402022-3-17舵機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理舵機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 控制線(xiàn)輸入一個(gè)周期性的正向脈沖信號(hào),這個(gè)周期性脈沖信號(hào)的高電平時(shí)間通常在1ms-2.5ms之間。而低電平時(shí)間應(yīng)在5ms到20ms間,并不很?chē)?yán)格。 一個(gè)典型的20ms周期性脈沖的正脈沖寬度與舵機(jī)的輸出臂位置的關(guān)系 如果一直以固定占空比的脈沖
22、控制舵機(jī),則舵機(jī)的角度一直保持不變(即角度保持)。機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)412022-3-17舵機(jī)的控制原理舵機(jī)的控制原理 控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片,獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路,產(chǎn)生周期為20ms,寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào),將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較,獲得電壓差輸出。最后,電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí),通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn),使得電壓差為0,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)然我們可以不用去了解它的具體工作原理,知道它的控制原理就夠了。就象我們使用晶體管一樣,知道可以拿它來(lái)做開(kāi)關(guān)管或放大管就行了,至于管內(nèi)的電子具體怎么流動(dòng)是可
23、以完全不用去考慮的。機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)422022-3-17舵機(jī)的控制原理舵機(jī)的控制原理 舵機(jī)的控制信號(hào)是PWM信號(hào),利用占空比的變化改變舵機(jī)的位置。舵機(jī)的控制一般需要一個(gè)20ms左右的時(shí)基脈沖,該脈沖的高電平部分的脈寬一般在0.5ms2.5ms范圍內(nèi),其實(shí)是利用調(diào)節(jié)固定周期內(nèi)的占空比來(lái)控制角度的變化。以180度角度伺服為例,那么對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的: 0.5ms-0度; 1.0ms-45度; 1.5ms-90度; 2.0ms-135度; 2.5ms-180度;注:這只是一種參考數(shù)值,具體的參數(shù),需見(jiàn)舵機(jī)具體的技術(shù)參數(shù)。機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)432022-3-17舵機(jī)的控制原理舵機(jī)的
24、控制原理 小型舵機(jī)的工作電壓一般為4.8V或6V,轉(zhuǎn)速也不是很快,一般為0.22s/度或0.18s/度,所以假如你更改角度控制脈沖的寬度太快時(shí),舵機(jī)可能反應(yīng)不過(guò)來(lái)。如果需要更快速的反應(yīng),就需要更高的轉(zhuǎn)速了。 要精確的控制舵機(jī),其實(shí)沒(méi)有那么容易,很多舵機(jī)的位置等級(jí)有1024個(gè),那么,如果舵機(jī)的有效角度范圍為180度的話(huà),其控制的角度精度是可以達(dá)到180/1024度約0.18度了,從時(shí)間上看其實(shí)要求的脈寬控制精度為2000/1024us約2us。如果你拿了個(gè)舵機(jī),連控制精度為1度都達(dá)不到的話(huà),而且還看到舵機(jī)在發(fā)抖,在這種情況下,只要舵機(jī)的電壓沒(méi)有抖動(dòng),那抖動(dòng)的就是你的控制脈沖了。而這個(gè)脈沖為什么會(huì)
25、抖動(dòng)呢?當(dāng)然和你選用的脈沖發(fā)生器有關(guān)了。機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)442022-3-17舵機(jī)的控制原理舵機(jī)的控制原理 小型舵機(jī)的工作電壓一般為4.8V或6V,轉(zhuǎn)速也不是很快,一般為0.22s/度或0.18s/度,所以假如你更改角度控制脈沖的寬度太快時(shí),舵機(jī)可能反應(yīng)不過(guò)來(lái)。如果需要更快速的反應(yīng),就需要更高的轉(zhuǎn)速了。 要精確的控制舵機(jī),其實(shí)沒(méi)有那么容易,很多舵機(jī)的位置等級(jí)有1024個(gè),那么,如果舵機(jī)的有效角度范圍為180度的話(huà),其控制的角度精度是可以達(dá)到180/1024度約0.18度了,從時(shí)間上看其實(shí)要求的脈寬控制精度為2000/1024us約2us。如果你拿了個(gè)舵機(jī),連控制精度為1度都達(dá)不到的話(huà),
26、而且還看到舵機(jī)在發(fā)抖,在這種情況下,只要舵機(jī)的電壓沒(méi)有抖動(dòng),那抖動(dòng)的就是你的控制脈沖了。而這個(gè)脈沖為什么會(huì)抖動(dòng)呢?當(dāng)然和你選用的脈沖發(fā)生器有關(guān)了。機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)452022-3-17舵機(jī)的控制原理舵機(jī)的控制原理 可以使用FPGA、模擬電路、單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生舵機(jī)的控制信號(hào),但FPGA成本高且電路復(fù)雜。對(duì)于脈寬調(diào)制信號(hào)的脈寬變換,常用的一種方法是采用調(diào)制信號(hào)獲取有源濾波后的直流電壓,但是需要50Hz(周期是20ms)的信號(hào),這對(duì)運(yùn)放器件的選擇有較高要求,從電路體積和功耗考慮也不易采用。5mV以上的控制電壓的變化就會(huì)引起舵機(jī)的抖動(dòng),對(duì)于機(jī)載的測(cè)控系統(tǒng)而言,電源和其他器件的信號(hào)噪聲都遠(yuǎn)大于5mV
27、,所以濾 波 電 路 的 精 度 難 以 達(dá) 到 舵 機(jī) 的 控 制 精 度 要 求 。機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)462022-3-17舵機(jī)的控制原理舵機(jī)的控制原理 也可以用單片機(jī)作為舵機(jī)的控制單元,使PWM信號(hào)的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的變化,從而提高舵機(jī)的轉(zhuǎn)角精度。單片機(jī)完成控制算法,再將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)輸出到舵機(jī),由于單片機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng),其控制信號(hào)的變化完全依靠硬件計(jì)數(shù),所以受外界干擾較小,整個(gè)系統(tǒng)工作可靠。 單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制,必須首先完成兩個(gè)任務(wù):首先是產(chǎn)生基本的PWM周期信號(hào),本設(shè)計(jì)是產(chǎn)生20ms的周期信號(hào);其次是脈寬的調(diào)整,即單片機(jī)模擬PWM信號(hào)的輸出,并且
28、調(diào)整占空比。機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)472022-3-17舵機(jī)的控制原理舵機(jī)的控制原理 當(dāng)系統(tǒng)中只需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)舵機(jī)的控制,采用的控制方式是改變單片機(jī)的一個(gè)定時(shí)器中斷的初值,將20ms分為兩次中斷執(zhí)行,一次短定時(shí)中斷和一次長(zhǎng)定時(shí)中斷。這樣既節(jié)省了硬件電路,也減少了軟件開(kāi)銷(xiāo),控制系統(tǒng)工作效率和控制精度都很高。 具體的設(shè)計(jì)過(guò)程:例如想讓舵機(jī)轉(zhuǎn)向左極限的角度,它的正脈沖為2ms,則負(fù)脈沖為20ms-2ms=18ms,所以開(kāi)始時(shí)在控制口發(fā)送高電平,然后設(shè)置定時(shí)器在2ms后發(fā)生中斷,中斷發(fā)生后,在中斷程序里將控制口改為低電平,并將中斷時(shí)間改為18ms,再過(guò)18ms進(jìn)入下一次定時(shí)中斷,再將控制口改為高電平,
29、并將定時(shí)器初值改為2ms,等待下次中斷到來(lái),如此往復(fù)實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)輸出到舵機(jī)。用修改定時(shí)器中斷初值的方法巧妙形成了脈沖信號(hào),調(diào)整時(shí)間段的寬度便可使伺服機(jī)靈活運(yùn)動(dòng)。機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)482022-3-17液壓伺服與比例控制系統(tǒng)液壓伺服與比例控制系統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)492022-3-17應(yīng)用舉例:智能材料應(yīng)用舉例:智能材料機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)502022-3-175.3.1 典型載荷分析典型載荷分析5.3.2 負(fù)載的力矩特性負(fù)載的力矩特性機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)512022-3-17 典型載荷典型載荷是指作用在機(jī)構(gòu)上的是指作用在機(jī)構(gòu)上的機(jī)械摩擦載荷機(jī)械摩擦載荷、慣性載慣性載荷荷、
30、彈性載荷彈性載荷、外載荷外載荷以及各種以及各種環(huán)境載荷環(huán)境載荷等。對(duì)具體系統(tǒng)等。對(duì)具體系統(tǒng)來(lái)說(shuō),來(lái)說(shuō),不一定不一定包含以上所有負(fù)載項(xiàng)目,可能是以上幾種典包含以上所有負(fù)載項(xiàng)目,可能是以上幾種典型負(fù)載的組合。型負(fù)載的組合。 當(dāng)兩個(gè)相互接觸的物體在外力作用下,發(fā)生相當(dāng)兩個(gè)相互接觸的物體在外力作用下,發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí),在接觸面間產(chǎn)生對(duì)運(yùn)動(dòng)或具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí),在接觸面間產(chǎn)生的切向運(yùn)動(dòng)阻力叫的切向運(yùn)動(dòng)阻力叫摩擦載荷摩擦載荷。 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)522022-3-17速度速度力力0速度速度力力0速度速度力力靜摩擦力靜摩擦力動(dòng)摩擦力動(dòng)摩擦力(a)(b)(c) 不同摩擦阻力與速度的關(guān)
31、系不同摩擦阻力與速度的關(guān)系vc-vc0(a)靜、動(dòng)摩擦力;()靜、動(dòng)摩擦力;(b)粘滯摩擦力;)粘滯摩擦力;(c)實(shí)際摩擦力)實(shí)際摩擦力靜摩擦載荷:是相互接觸物體間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),但仍處于靜止時(shí)所呈現(xiàn)的摩擦力,是常數(shù) NfFss機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)532022-3-17速度速度力力0速度速度力力0速度速度力力靜摩擦力靜摩擦力動(dòng)摩擦力動(dòng)摩擦力(a)(b)(c) 不同摩擦阻力與速度的關(guān)系不同摩擦阻力與速度的關(guān)系vc-vc0(a)靜、動(dòng)摩擦力;()靜、動(dòng)摩擦力;(b)粘滯摩擦力;()粘滯摩擦力;(c)實(shí)際摩擦力實(shí)際摩擦力動(dòng)摩擦載荷是指兩運(yùn)動(dòng)物體的接觸面對(duì)運(yùn)動(dòng)所呈現(xiàn)的阻力(或阻力矩),是常數(shù)。 f
32、NFf機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)542022-3-17速度速度力力0速度速度力力0速度速度力力靜摩擦力靜摩擦力動(dòng)摩擦力動(dòng)摩擦力(a)(b)(c) 不同摩擦阻力與速度的關(guān)系不同摩擦阻力與速度的關(guān)系vc-vc0(a)靜、動(dòng)摩擦力;()靜、動(dòng)摩擦力;(b)粘滯摩擦力;()粘滯摩擦力;(c)實(shí)際摩擦力實(shí)際摩擦力粘滯摩擦力是與物體運(yùn)動(dòng)速度成比例的摩擦力,其大小與速度的絕對(duì)值成正比,方向與速度的方向相反 ddfxFct機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)552022-3-17速度速度力力0速度速度力力0速度速度力力靜摩擦力靜摩擦力動(dòng)摩擦力動(dòng)摩擦力(a)(b)(c) 不同摩擦阻力與速度的關(guān)系不同摩擦阻力與速度的關(guān)系vc-
33、vc0(a)靜、動(dòng)摩擦力;()靜、動(dòng)摩擦力;(b)粘滯摩擦力;()粘滯摩擦力;(c)實(shí)際摩擦力實(shí)際摩擦力實(shí)際摩擦力 實(shí)際摩擦特性較復(fù)雜,摩擦力與速度之間關(guān)系呈非線(xiàn)性。摩擦力的形式和大小取決于相互接觸兩物體表面的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)和兩表面間壓力、相對(duì)速度、潤(rùn)滑等因素。機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)562022-3-17摩擦力模型的建立要根據(jù)具體結(jié)構(gòu)確定 kyyftymtf)()()( 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)572022-3-17j j21NF21RF21fF12FG21NF12G(a)接觸面幾何形狀接觸面幾何形狀(a) 單一平面摩單一平面摩擦擦;(b)槽面摩槽面摩擦擦;(c)圓柱面摩圓柱面摩擦擦2/21NF
34、2/21NFq qq q12GG12(b)(c)(1)移動(dòng)副中的摩擦力 NfFvf機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)582022-3-17(2)轉(zhuǎn)動(dòng)副中的摩擦力 NfFvfNrfMvf機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)592022-3-17(3)摩擦對(duì)系統(tǒng)的影響 在機(jī)電一體化系統(tǒng)的在機(jī)電一體化系統(tǒng)的定位控制定位控制、低速低速和和速度變向速度變向等控制系統(tǒng)中,等控制系統(tǒng)中,由于摩擦的影響,會(huì)產(chǎn)生由于摩擦的影響,會(huì)產(chǎn)生“爬行爬行”現(xiàn)象。現(xiàn)象。 所謂所謂“爬行爬行”現(xiàn)象現(xiàn)象,是指機(jī)械系統(tǒng)在低速運(yùn)行時(shí),可能出現(xiàn),是指機(jī)械系統(tǒng)在低速運(yùn)行時(shí),可能出現(xiàn)時(shí)啟時(shí)啟時(shí)停時(shí)停、時(shí)快時(shí)慢時(shí)快時(shí)慢的的不穩(wěn)定不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng),或運(yùn)動(dòng),或跳躍式跳躍
35、式運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)。產(chǎn)生產(chǎn)生“爬行爬行”的機(jī)理的機(jī)理,一般認(rèn)為是由于系統(tǒng)的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)不一致或摩擦系數(shù)存在非線(xiàn)性一般認(rèn)為是由于系統(tǒng)的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)不一致或摩擦系數(shù)存在非線(xiàn)性和系統(tǒng)的剛度不足引起的。系統(tǒng)由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的瞬間,最大靜摩擦和系統(tǒng)的剛度不足引起的。系統(tǒng)由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的瞬間,最大靜摩擦力迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)較小的滑動(dòng)摩擦力,對(duì)系統(tǒng)低速運(yùn)行的平穩(wěn)性產(chǎn)生力迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)較小的滑動(dòng)摩擦力,對(duì)系統(tǒng)低速運(yùn)行的平穩(wěn)性產(chǎn)生極為不利的影響。因此,在機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中,往往要求較小的極為不利的影響。因此,在機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中,往往要求較小的動(dòng)、靜摩擦力差值比要求較小的摩擦系數(shù)更重要。動(dòng)、靜摩擦力差值比要求較小的
36、摩擦系數(shù)更重要。 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)602022-3-17(3)摩擦對(duì)系統(tǒng)的影響 圖示為某隨動(dòng)系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,輸出軸為電動(dòng)機(jī)軸圖示為某隨動(dòng)系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,輸出軸為電動(dòng)機(jī)軸 G 0 (t)i(t)+-Kae(t)Km+Mm M0sin0隨動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖M 如果不考慮負(fù)載的慣性力矩,僅考慮摩擦力矩的影響,則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩Mm與偏轉(zhuǎn)角e(t)的關(guān)系為 tKeteKKMmam式中,K a為放大器放大倍數(shù),Km為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù),K=KaKm 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)612022-3-17(3)摩擦對(duì)系統(tǒng)的影響 圖示為某隨動(dòng)系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,輸出軸為電動(dòng)機(jī)軸圖示為某隨動(dòng)系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)結(jié)
37、構(gòu)圖,輸出軸為電動(dòng)機(jī)軸 G 0 (t)i(t)+-Kae(t)Km+Mm M0sin0隨動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖M 當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大靜摩擦力矩Ms(折算到電動(dòng)機(jī)軸上的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總靜摩擦力矩)時(shí),電動(dòng)機(jī)軸運(yùn)動(dòng),則有 smMM sMtKe KMtes/機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)622022-3-17(3)摩擦對(duì)系統(tǒng)的影響 圖示為某隨動(dòng)系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,輸出軸為電動(dòng)機(jī)軸圖示為某隨動(dòng)系統(tǒng)的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,輸出軸為電動(dòng)機(jī)軸 G 0 (t)i(t)+-Kae(t)Km+Mm M0sin0隨動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖M設(shè)電動(dòng)機(jī)軸初始處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)輸入軸以一定角速度轉(zhuǎn)動(dòng),輸入角滿(mǎn)足 KMtsi/q系統(tǒng)對(duì)輸入信
38、號(hào)無(wú)反應(yīng)其中, “Ms/K”角稱(chēng)為死角。 此時(shí),輸出軸仍處于靜止?fàn)顟B(tài),也就是說(shuō),當(dāng) KMtsi/q時(shí),機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)632022-3-17(3)摩擦對(duì)系統(tǒng)的影響 下圖為上述隨動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)下圖為上述隨動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)“爬行爬行”現(xiàn)象的示意圖?,F(xiàn)象的示意圖。 低速爬行示意圖t10(t)(t)abcMc/KMs/Ki(t)=t(t)=t- Mc/K(t)=t- Ms/Kt0設(shè)系統(tǒng)輸入信號(hào)為 ttiq t = t1前,偏轉(zhuǎn)角e(t)很小,電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩不足以克服輸出軸靜摩擦力矩,故輸出保持靜止?fàn)顟B(tài)。 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)642022-3-17(3)摩擦對(duì)系統(tǒng)的影響 下圖為上述隨動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)下圖為
39、上述隨動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)“爬行爬行”現(xiàn)象的示意圖。現(xiàn)象的示意圖。 低速爬行示意圖t10(t)(t)abcMc/KMs/Ki(t)=t(t)=t- Mc/K(t)=t- Ms/Kt0t = t1時(shí),偏轉(zhuǎn)角e(t)為 KMtttttesii/)()()()(10qqq作用在電動(dòng)機(jī)軸上的驅(qū)動(dòng)力矩M為 sMtKeM)(機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)652022-3-17(3)摩擦對(duì)系統(tǒng)的影響 下圖為上述隨動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)下圖為上述隨動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)“爬行爬行”現(xiàn)象的示意圖?,F(xiàn)象的示意圖。 低速爬行示意圖t10(t)(t)abcMc/KMs/Ki(t)=t(t)=t- Mc/K(t)=t- Ms/Kt0 這時(shí),電動(dòng)機(jī)開(kāi)始克服靜摩
40、擦力矩而轉(zhuǎn)動(dòng)。一旦電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以后,摩擦力矩立即降為庫(kù)侖摩擦力矩Mc,則t = t1+時(shí),輸出軸的慣性力矩Ma為 Ma= Ms- Mc 輸出軸在慣性力矩Ma作用下作加速運(yùn)動(dòng),偏轉(zhuǎn)角e(t)逐漸減小,放大器(Ka)輸出電壓隨之降低,從而,執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩減小。 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)662022-3-17(3)摩擦對(duì)系統(tǒng)的影響 下圖為上述隨動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)下圖為上述隨動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)“爬行爬行”現(xiàn)象的示意圖。現(xiàn)象的示意圖。 低速爬行示意圖t10(t)(t)abcMc/KMs/Ki(t)=t(t)=t- Mc/K(t)=t- Ms/Kt0當(dāng)0(t)=(t- Mc /K)時(shí),偏轉(zhuǎn)角為 KMKMtttttec
41、ci/)()()(0qq 這時(shí),電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩等于庫(kù)侖摩擦力矩Mc ,慣性力矩Ma等于0(圖中a點(diǎn))。 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)672022-3-17(3)摩擦對(duì)系統(tǒng)的影響 下圖為上述隨動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)下圖為上述隨動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)“爬行爬行”現(xiàn)象的示意圖?,F(xiàn)象的示意圖。 低速爬行示意圖t10(t)(t)abcMc/KMs/Ki(t)=t(t)=t- Mc/K(t)=t- Ms/Kt0 此后,由于偏轉(zhuǎn)角 e(t)=i(t)-0(t) Mc /K,所以,輸出軸作減速運(yùn)動(dòng), 當(dāng)d0 (t) /d t=0時(shí)(圖中b點(diǎn)),偏轉(zhuǎn)角絕對(duì)值 e(t) Ms/K(圖中c點(diǎn))時(shí),電動(dòng)機(jī)又將克服靜摩擦力矩而啟動(dòng),輸出軸又作加
42、速運(yùn)動(dòng),重復(fù)上述過(guò)程。 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)682022-3-17(4)減小摩擦載荷措施 減小摩擦載荷有若干措施,如上所述,較有效的方法是減小動(dòng)、靜摩擦系數(shù)的差值或摩擦系數(shù)。由摩擦力和摩擦力矩的基本計(jì)算公式知,減小正壓力、摩擦系數(shù)、作用力臂,也可以減小摩擦力和摩擦力矩。例如,為了減小摩擦系數(shù)可以用滾動(dòng)摩擦系數(shù)代替滑動(dòng)摩擦系數(shù),用濕摩擦代替干摩擦;使用靜壓軸承也可以減小摩擦系數(shù),靜壓軸承的當(dāng)量摩擦系數(shù)僅為0.00010.0004,而且其動(dòng)、靜摩擦十分接近,可有效地防止低速爬行。 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)692022-3-17慣性載荷慣性載荷是由于一定質(zhì)量的物體具有加速度或角加速度才產(chǎn)生的。是
43、由于一定質(zhì)量的物體具有加速度或角加速度才產(chǎn)生的。直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)慣性載荷為慣性載荷為慣性力慣性力。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)慣性載荷為慣性載荷為慣性力矩慣性力矩,計(jì)算慣性力矩時(shí),需要知道,計(jì)算慣性力矩時(shí),需要知道角速度、角加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參量。角速度、角加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參量。 lJlihlhhJlh = Jl / ihl2低速軸向高速軸折算低速軸向高速軸折算下面簡(jiǎn)單介紹等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 對(duì)于一個(gè)傳動(dòng)鏈裝置,通常對(duì)于一個(gè)傳動(dòng)鏈裝置,通常將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量從一個(gè)軸折算到另一將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量從一個(gè)軸折算到另一個(gè)軸,見(jiàn)右圖所示。個(gè)軸,見(jiàn)右圖所示。 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)702022-3-17lJlihlhhJlh =
44、 Jl / ihl2低速軸向高速軸折算低速軸向高速軸折算下面簡(jiǎn)單介紹等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 設(shè)l為低速軸;Jl為低速軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;h為高速軸;Jh為高速軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Jl折算到高速軸h上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jlh。若忽略粘滯阻尼系數(shù),傳動(dòng)效率為100%,則高速軸h到低速軸l的傳動(dòng)比為 1/lhhli 式中,ihl為高速軸h到低速軸l的傳動(dòng)比;h為高速軸h的角速度,rad/s;l為低速軸l的角速度,rad/s 由能量平衡定律,得 222121hlhllJJ則有2/hlllhiJJ 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)712022-3-17下面簡(jiǎn)單介紹等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 lJlihlhhJlh = Jl / ihl2低速
45、軸向高速軸折算低速軸向高速軸折算根據(jù)牛頓第二定律 慣性力F和慣性力矩M的計(jì)算公式分別為 JMamF因此,可以采取以下措施,減小慣性載荷(減小慣性力或慣性力矩): (1)減小運(yùn)動(dòng)零部件質(zhì)量的方法,如為了減小質(zhì)量或減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,可)減小運(yùn)動(dòng)零部件質(zhì)量的方法,如為了減小質(zhì)量或減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,可采用減輕孔、空心薄壁結(jié)構(gòu);選用比重小、強(qiáng)度高的材料,等等。采用減輕孔、空心薄壁結(jié)構(gòu);選用比重小、強(qiáng)度高的材料,等等。(2)合理布置回轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量,使重心盡量靠近回轉(zhuǎn)軸。)合理布置回轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量,使重心盡量靠近回轉(zhuǎn)軸。(3)對(duì)于減速傳動(dòng)鏈,盡量提高傳動(dòng)比,可以使折算到高速軸的等效轉(zhuǎn))對(duì)于減速傳動(dòng)鏈,盡量提高傳動(dòng)比,
46、可以使折算到高速軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減?。粍?dòng)慣量減??; 減小高速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,減小高速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, 特別是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也可特別是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也可以起到顯著的效果。以起到顯著的效果。 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)722022-3-17 物體運(yùn)動(dòng)時(shí),除了摩擦載荷外,還可能受到外載荷作用。環(huán)境載荷是典型的外載荷,環(huán)境載荷的環(huán)境有空氣、風(fēng)、溫度等。 外載荷的確定,要視具體情況而定,有的可以從理論上進(jìn)行推導(dǎo),有的需要借助實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)得。 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)732022-3-17 分析載荷的力矩特性的分析載荷的力矩特性的目的目的是為了選擇合適的是為了選擇合適的電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī),使其滿(mǎn),使其滿(mǎn)足足功
47、率功率的要求。一般有的要求。一般有計(jì)算法計(jì)算法、類(lèi)比法類(lèi)比法和和實(shí)測(cè)法實(shí)測(cè)法三種計(jì)算力矩特性三種計(jì)算力矩特性方法。下面僅對(duì)方法。下面僅對(duì)計(jì)算法計(jì)算法進(jìn)行簡(jiǎn)單敘述。進(jìn)行簡(jiǎn)單敘述。 1負(fù)載力矩計(jì)算 確定載荷時(shí),應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)功能要求和工作環(huán)境情況,逐項(xiàng)分析載荷的類(lèi)型和大小,然后,進(jìn)行載荷綜合。 電動(dòng)機(jī)要克服的負(fù)載力矩有兩種情況: (1)負(fù)載的峰值力矩,它對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)最嚴(yán)重的工作情況; (2)均方根力矩,它對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)地在變載荷下工作的情況。 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)742022-3-17(1)負(fù)載的峰值力矩特性 設(shè)折算到電動(dòng)機(jī)上的負(fù)載峰值力矩為設(shè)折算到電動(dòng)機(jī)上的負(fù)載峰值力矩為mLpM,根據(jù)傳
48、遞功率不變?cè)瓌t,有,根據(jù)傳遞功率不變?cè)瓌t,有 LpttlmGmtfptwpmLpiiJJJiMiMM2wpM為作用在負(fù)載軸上的力矩峰值,為作用在負(fù)載軸上的力矩峰值,Nm; fpM為作用在負(fù)載軸上的摩擦力矩,為作用在負(fù)載軸上的摩擦力矩,Nm; Lp為負(fù)載軸的角加速度,為負(fù)載軸的角加速度,rad/s2; mJ為電動(dòng)機(jī)上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,為電動(dòng)機(jī)上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kgm2; mGJ為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各轉(zhuǎn)動(dòng)零件折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各轉(zhuǎn)動(dòng)零件折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kgm2; lJ為負(fù)載軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,為負(fù)載軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kgm2; 為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率;為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率; ti為從電動(dòng)機(jī)軸到負(fù)載軸的
49、總傳動(dòng)比。為從電動(dòng)機(jī)軸到負(fù)載軸的總傳動(dòng)比。機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)752022-3-17(2)負(fù)載均方根力矩特性 折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載均方根力矩mLrM為 TTTLttLmGmtfiWmLrtiiJJJTtiMTtiMTM0002222d1d1d1機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)762022-3-172負(fù)載的等效換算 在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí),要根據(jù)執(zhí)行元件的額定轉(zhuǎn)距(或力),進(jìn)行加、減速控制及制動(dòng)方案的選擇,進(jìn)行被控對(duì)象的固有參數(shù)設(shè)計(jì)(如:質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等)及匹配設(shè)計(jì)。因此,要將被控對(duì)象相關(guān)部件的固有參數(shù)及所受的負(fù)載(力、力矩等)等,換算到執(zhí)行元件的輸出軸上,也就是要計(jì)算執(zhí)行元件輸出軸承受的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和
50、等效負(fù)載力矩(對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)),或計(jì)算等效質(zhì)量和等效力(直線(xiàn)運(yùn)動(dòng))。 設(shè)傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)能總和為 njjjmiiiJVME12122121機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)772022-3-17njjjmiiiJVME12122121式中E為系統(tǒng)總動(dòng)能,J; Mi為i軸上的運(yùn)動(dòng)零件質(zhì)量,Nm;Vi為i軸上的運(yùn)動(dòng)零件速度,m/s;Jj為j軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kgm2;j為j軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)零件角速度,rad/s。 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)782022-3-17設(shè)等效到執(zhí)行元件輸出軸k上的總動(dòng)能為 221kkkJEkEE njkjjmikiikJVMJ1212則可得等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為根據(jù)能量守恒定律,有Ek 是
51、等效到執(zhí)行元件輸出軸k上的總動(dòng)能;Jk 是等效到執(zhí)行元件輸出軸k上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 工程上常用轉(zhuǎn)速n(r/min)來(lái)計(jì)算,可將上式改寫(xiě)為 2221114mnkjiijijkknVJMJnn式中,nk 為輸出軸k上的轉(zhuǎn)速。此式即為常用等效“等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量”計(jì)算公式。 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)792022-3-17 由于在相同時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)克服負(fù)載所做的功等于執(zhí)行元件所做的功,所以,由于在相同時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)克服負(fù)載所做的功等于執(zhí)行元件所做的功,所以,上述系統(tǒng)在上述系統(tǒng)在t t時(shí)刻內(nèi)克服負(fù)載所做的功的總和為時(shí)刻內(nèi)克服負(fù)載所做的功的總和為 njjjmiiitTtVFW11式中W為系統(tǒng)在t時(shí)刻內(nèi)克服負(fù)載所做的總功
52、,J;Fi為作用于i 軸上的力,N;Ti為作用于i 軸上的力矩,Nm。 執(zhí)行元件輸出軸在時(shí)間t內(nèi)所做的功為 tTWkkk式中Wk為k軸上的執(zhí)行元件所作的功,J; k為k軸上的執(zhí)行元件角速度,rad/s ;Tk為等效到執(zhí)行元件輸出軸k上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩,Nm。 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)802022-3-17由于WWk,所以,有 mimikjjkiikTVFT11此式即為等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)812022-3-17FL,MAJm VA, .123TLnm Z1 Z2 進(jìn)給系統(tǒng)示意圖工作臺(tái)3的運(yùn)動(dòng)速度為VA電動(dòng)機(jī)1轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=410-5kgm2,轉(zhuǎn)速為nm求:等效到電動(dòng)
53、機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm 和等效轉(zhuǎn)矩Tm。 已知:移動(dòng)部件3(工作臺(tái)、夾具、工件等)的總質(zhì)量MA=400kg沿運(yùn)動(dòng)方向的負(fù)載力FL=800N,(包含導(dǎo)軌副的摩擦阻力)齒輪軸部件(包含齒輪)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1=510-4 kgm2,齒輪軸部件(包含齒輪)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J2=710-4 kgm2;軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=4Nm;齒輪Z1與齒輪Z2的齒數(shù)分別為20與40,模數(shù)為1。忽略齒條2所在軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)822022-3-17FL,MAJm VA, .123TLnm Z1 Z2 進(jìn)給系統(tǒng)示意圖解:求等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm njkjjmikiiknnJnVMJ1212241 mmmAmnnJJ
54、JnVMJ2212A241由其中 21122222222/22/VZnZinnnZmRRmmA、機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)832022-3-17于是,得到 22445221221212mkg 1264. 0402010710510410001201400412/2V/2mmmmmAmnnJZnmZZmZnZZn求等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm根據(jù)式mimikjjkiikTVFT11 mN104100080021212112ZZnZnmnnTnVFTmmmLmALm機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)842022-3-17概概 述述1直流電動(dòng)機(jī)原理及特性直流電動(dòng)機(jī)原理及特性2直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路 3機(jī)電
55、系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)852022-3-17伺服系統(tǒng)是機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的主要組成部分,伺服電動(dòng)機(jī)是其關(guān)鍵部件。 伺服電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)執(zhí)行電動(dòng)機(jī),在機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中,用作執(zhí)行元件,把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類(lèi),其主要特點(diǎn)是,當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象,轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降,伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵,驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng),轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較,調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度(線(xiàn)數(shù))。 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)862022
56、-3-17 伺服電動(dòng)機(jī)的作用是跟蹤指令脈沖動(dòng)作、輸出功率,使輸出量能夠準(zhǔn)確、迅速地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化,伺服電動(dòng)機(jī)的工作性能將影響伺服系統(tǒng)的調(diào)速性能、動(dòng)態(tài)特性、運(yùn)動(dòng)精度等。伺服電動(dòng)機(jī)響應(yīng)頻帶寬,輸出功率大,調(diào)速范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的直流或交流調(diào)速電動(dòng)機(jī),伺服電動(dòng)機(jī)的性能密度大,即功率密度和比功率大。電動(dòng)機(jī)的功率密度定義為 WPPw/式中Pw為電動(dòng)機(jī)的功率密度,表示單位重量W的輸出功率,W/N;P為輸出功率,W;W為重量,N。 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)872022-3-17電動(dòng)機(jī)的比功率定義為 NTTNtTTttPdddddd式中T為電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩,Nm;TN為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩,Nm;為電動(dòng)機(jī)的角速度
57、,rad/s。 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方程為 tJTmNdd式中,Jm為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kgm2。 則有mNJTtP/dd2機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)882022-3-17 伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)能夠提供足夠的功率,使負(fù)載按需要的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。因此,伺服電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率應(yīng)能滿(mǎn)足拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)的要求,其控制特性應(yīng)保證所需調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩變化范圍。 為此,在選擇伺服電動(dòng)機(jī)時(shí)需要作以下計(jì)算。 1功率估算 如果要求電動(dòng)機(jī)在峰值轉(zhuǎn)矩下以最高轉(zhuǎn)速不斷地驅(qū)動(dòng)負(fù)載,則電動(dòng)機(jī)的估算功率PM為 MMMMP)5 . 25 . 1 (式中PM為電動(dòng)機(jī)估算功率,W;MM為負(fù)載峰值轉(zhuǎn)矩,Nm;M為負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速,rad/s;為傳動(dòng)效率,初
58、步估算時(shí)取 =0.70.9。 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)892022-3-171功率估算 如果電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)地工作在變載荷之下時(shí),按負(fù)載均方根功率的電動(dòng)機(jī)估算功率為 rrMMP)5 . 25 . 1 (式中PM 為電動(dòng)機(jī)估算功率,W;Mr 為負(fù)載均方根轉(zhuǎn)矩,Nm;r 為負(fù)載均方根轉(zhuǎn)速,rad/s。 按功率估算值初步選定電動(dòng)機(jī)后,額定轉(zhuǎn)矩、額定轉(zhuǎn)速、額定電壓、額定電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、過(guò)載倍數(shù)等技術(shù)數(shù)據(jù)可由產(chǎn)品目錄查得或經(jīng)計(jì)算求得。 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)902022-3-172發(fā)熱校核 伺服電動(dòng)機(jī)處于連續(xù)工作時(shí)的發(fā)熱條件與周期性負(fù)載的均方根力矩相對(duì)應(yīng),故初選電動(dòng)機(jī)后,必須根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的均方根值來(lái)
59、核對(duì)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱情況。折算負(fù)載均方根轉(zhuǎn)矩M M r 為 tMTMTMLrMd120式中,MLM為折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩,Nm。 為了滿(mǎn)足發(fā)熱條件,要求電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩大于或等于折算負(fù)載均方根轉(zhuǎn)矩,即 rMeMM 式中,M e 為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩,Nm。 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)912022-3-173轉(zhuǎn)矩過(guò)載校核 轉(zhuǎn)矩過(guò)載校核的公式為 examMMMxamMMxamLMM式中MxamLM 為折算到電動(dòng)機(jī)軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩的最大值,Nm;M M max為電動(dòng)機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩(過(guò)載轉(zhuǎn)矩),Nm;Me為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩,Nm;為過(guò)載倍數(shù)。 最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩MxamLM的持續(xù)作用時(shí)間一定要在電動(dòng)機(jī)允許過(guò)載倍數(shù)的
60、持續(xù)時(shí)間之內(nèi)。 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)922022-3-17U+NSIIFF電刷電刷換向片換向片磁極磁極電流方向:電流方向:上半邊向里,下半邊向外上半邊向里,下半邊向外直流電源直流電源電刷電刷換向器換向器線(xiàn)圈線(xiàn)圈電磁力電磁力機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)932022-3-17U+NSIIFFEE 由右手定則,線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn),將在線(xiàn)圈中產(chǎn)生由右手定則,線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn),將在線(xiàn)圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與電流的方向相反。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與電流的方向相反。機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)942022-3-17勵(lì)磁式直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)勵(lì)磁式直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子磁極磁極勵(lì)磁勵(lì)磁繞組繞組機(jī)座機(jī)座
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