伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力.ppt

1,第七章伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方法設(shè)計(jì)計(jì)算,2,第一節(jié)概述,一、機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程：機(jī)電參數(shù)相互匹配、機(jī)電有機(jī)結(jié)合的過程1.首先要了解被控對象的特點(diǎn)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(shè)計(jì)方案：特點(diǎn)：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(bǔ)償方法、信號轉(zhuǎn)換的方式2.進(jìn)行定量的分析計(jì)算：穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算：使系統(tǒng)的輸出運(yùn)動(dòng)參數(shù)達(dá)到技術(shù)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(yàn)算各主要元部件的選擇與控制電路設(shè)計(jì)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(diǎn)：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(xué)模型，為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備2）動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)校正補(bǔ)償裝置，使系統(tǒng)滿足動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)要求通常要進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，或借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)特點(diǎn)：得到較詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案；近似；工程實(shí)踐的基礎(chǔ)3.樣機(jī)的試驗(yàn)和調(diào)試確定系統(tǒng)的實(shí)際電路及實(shí)際參數(shù),4,伺服系統(tǒng)：自動(dòng)控制系統(tǒng)（被控量：機(jī)械參數(shù)）,5,第二節(jié)機(jī)電有機(jī)結(jié)合之一機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)考慮方法,一、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)的力學(xué)參數(shù),6,二、機(jī)電伺服傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算的基本公式1.電動(dòng)機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)基本公式2.等加減速轉(zhuǎn)矩Ta和對應(yīng)的時(shí)間計(jì)算,總結(jié)：選擇和確定電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩、時(shí)間及相應(yīng)的位移和速度。檢查機(jī)械參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。,7,三、等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩和等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算,1.負(fù)載轉(zhuǎn)矩的分類按特性分：工作負(fù)載，摩擦轉(zhuǎn)矩，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩按與速度（轉(zhuǎn)速）的關(guān)系分：恒定負(fù)載轉(zhuǎn)矩：與速度無關(guān)，摩擦副中的靜摩擦轉(zhuǎn)矩或力。與速度成正比的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：粘性摩擦轉(zhuǎn)矩（在靜態(tài)設(shè)計(jì)忽略不計(jì)）與速度平方成正比的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：空氣阻力，液體的攪拌阻力與速度成反比的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：恒功率傳動(dòng)中2.典型機(jī)械系統(tǒng)的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩TeL和等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JeL的計(jì)算1)旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng):,8,2)螺旋進(jìn)給系統(tǒng)3)計(jì)算舉例教材P.219-P.220,9,四、執(zhí)行元件的匹配原則,電動(dòng)機(jī)的選擇：標(biāo)準(zhǔn)化元部件；電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率等參數(shù)應(yīng)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(yīng)是所需最大轉(zhuǎn)速；執(zhí)行元件的額定轉(zhuǎn)矩T（Nm)基本上應(yīng)大于所需的最大轉(zhuǎn)矩；T：電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩；TeL：等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩；T慣：慣性負(fù)載轉(zhuǎn)矩；JeL：等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；m：電動(dòng)機(jī)升降速時(shí)的角加速度；：機(jī)械的總傳動(dòng)效率初選電動(dòng)機(jī)的型號（最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax）：電動(dòng)機(jī)能帶動(dòng)負(fù)載正常起動(dòng)和定位停止，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq：TqT。4.執(zhí)行元件的功率匹配：1）預(yù)選電動(dòng)機(jī)的估算功率P：nmax，max：電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速(r/min)和最高角速度(rad/s)：考慮電動(dòng)機(jī)、減速器等的功率系數(shù)，一般取1.22,10,2)電動(dòng)機(jī)的過熱驗(yàn)算：當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為變量時(shí)，應(yīng)用等效法求其等效轉(zhuǎn)矩（均方根轉(zhuǎn)矩）Trms：三角形轉(zhuǎn)矩波矩形轉(zhuǎn)矩波電動(dòng)機(jī)不過熱的條件：TRTrms；PRPrms=(TrmsnN)/9.55TR：電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩；PR：電動(dòng)機(jī)的額定功率；Prms：由Trms換算的電動(dòng)機(jī)功率。3）電動(dòng)機(jī)的過載驗(yàn)算：瞬時(shí)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tmax與電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩TR的比值不大于電動(dòng)機(jī)的過載系數(shù)km（一般電動(dòng)機(jī)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(fù)載性質(zhì)、脈沖當(dāng)量和機(jī)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(dāng)輸入信號變化快、加速度又很大時(shí)最大輸出速度選擇方法：當(dāng)輸入信號近似恒速，即加速度又很小時(shí)f1：電動(dòng)機(jī)的粘性摩擦系數(shù)；f2：負(fù)載的粘性摩擦系數(shù)；滿足送進(jìn)系統(tǒng)傳動(dòng)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(shè)計(jì)系統(tǒng)的其余部分：初步方案具體化；,穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)1）從系統(tǒng)應(yīng)具有的輸出能力及要求出發(fā)，選定執(zhí)行元件和傳動(dòng)裝置2）從系統(tǒng)的精度要求出發(fā)，選擇和設(shè)計(jì)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(xué)模型，計(jì)算系統(tǒng)的主諧振頻率4）進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算：設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)男Ｕa(bǔ)償裝置、完善電源電路及其他輔助電路，從而達(dá)到機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。2.檢測傳感裝置的選擇與設(shè)計(jì)檢測傳感裝置的精度（分辨力）、不靈敏區(qū)要適應(yīng)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(yīng)具有固定的線性特性信號的轉(zhuǎn)換要迅速及時(shí)，信噪比要大，裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)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(shè)計(jì)應(yīng)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(shè)計(jì)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(shí)間常數(shù)要小。放大器應(yīng)為執(zhí)行元件的運(yùn)行狀態(tài)提供適宜條件。放大器應(yīng)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(fù)荷。放大器應(yīng)具有足夠的放大倍數(shù)，其特性應(yīng)穩(wěn)定可靠，便于調(diào)整。5.電源的選擇與設(shè)計(jì)放大器的電源為適應(yīng)各放大級的不同需要而進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)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(yīng)具有足夠的保護(hù)措施：（過電壓、掉電、過電流、短路）保護(hù),15,第三節(jié)直流伺服電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和調(diào)速特性,一、直流伺服電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型及傳遞函數(shù)1.電磁轉(zhuǎn)矩方程：(磁通一定，KT:電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)(Nm/A)2.轉(zhuǎn)矩平衡方程3.感應(yīng)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(gè)方程進(jìn)行拉氏變換，可得,17,5.在零初始條件下，將上述4個(gè)方程進(jìn)行拉氏變換，可得6.方塊圖：負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL：外部干擾；感應(yīng)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(shí)，m(S)和m(S)相對于Um(S)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：,19,引入電動(dòng)機(jī)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)tm和電氣時(shí)間常數(shù)te，(不考慮Bm)Um=0，JL=0時(shí)，m(S)相對于TL(S)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：總結(jié)（1）固有頻率與上述的固有頻率相同（2）負(fù)載擾動(dòng)TL(S)對電動(dòng)機(jī)角速度m(S)的響應(yīng)較快，超調(diào)量也較大。即突然加上負(fù)載干擾后，將會(huì)產(chǎn)生較大的穩(wěn)態(tài)誤差。,20,8.(二)直流伺服電動(dòng)機(jī)傳遞函數(shù)的近似計(jì)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(jì)時(shí)，即te=0時(shí)；,21,二、直流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和控制特性,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩Tm(S)與角速度m(S)的方程：機(jī)械特性曲線：Um一定時(shí)，Tm和m呈線形關(guān)系，,22,3.調(diào)速特性方程：Um一定時(shí)，m或nm與Tm的關(guān)系4.控制特性方程：轉(zhuǎn)速m或nm和控制電壓Um之間的關(guān)系三、直流伺服電動(dòng)機(jī)的選擇方法負(fù)載轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量固有頻率阻尼比,23,四、例子,趙松年：機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)P.243-P.252第三節(jié)伺服傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例一、激光加工機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟：1.根據(jù)已知條件的脈沖當(dāng)量確定總傳動(dòng)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(dòng)比3.計(jì)算工件的轉(zhuǎn)速4.等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩TeL計(jì)算5.等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JeL計(jì)算6.確定伺服電動(dòng)機(jī)7.定位精度的分析二、經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算,