（机械电子工程专业论文）现代机械系统的构成及其控制方法研究—在组合模型上的应用.pdf

昆明理工夫学硕：l 学位论文 摘要 摘要 现代机械作为一种跨学科、跨专业的产物，是机械和电子的有机结合体， 是机电一体化技术在机械领域中的一个具体应用。以实现特定工艺动作运动 功能为主功能的现代机械是本文研究的重点。本文认为这类现代机械仍是机械， 和传统机械技术相比其最大的不同是实现功能的手段、方式不同，运动功能仍 是其主功能。现代传感检测技术、信息处理技术是辅助实现主功能的保证，计 算机控制技术是其核心。因此，本文围绕着这个研究重点对现代测试技术、信 息处理技术和计算机控制技术在机械设备中的应用进行了探讨和研究。 本文在查阅了大量国内外研究文献的基础上，全面分析了现代机械技术的 发展历史与现状，提出了现代机械系统设计中的关键问题是：执行机构，传感 检测机构和信息处理及控制机构，并针对这些关键问题从理论、实现方法和应 用等方面进行了系统、深入的研究。概括来讲，本文主要的研究内容和结论有： ( 1 ) 现代机械系统设计过程中涉及的内容： 为了处理现代机械运动方案的设计，给出了功能、行为、结构在机械运动 系统中的表达方式。 ( 2 ) 运动控制系统设计及多传感器融合模型： 现代机械执行机构输出运动的可控性是由控制器来保证的。文中结合实例 讨论了传统的串行时序设计方法和并行的结构控制一体化设计方法。传感器 作为现代机械中信息检测与采集的功能载体，存在着一个信息融合的问题，特 别是在较复杂的系统中。文中对传感器模型、多传感器集成模型等进行了描述 与研究。 ( 3 ) 在上述理论研究成果的指导下，采用慧鱼模型构建了双工作台制造流 水线模型和物料自动输送生产线，对现代机械系统的结构创新设计进行了探索， 使用慧鱼专用软件l l w i n 对模型编写控制程序。通过硬件和软件两方面的论述 对现代机械系统的设计，仿真和试验情况做出了一些创新和探索。模型的运动 控制达到了预先设计的控制要求，对在实际生产活动中应用相应的现代机械提 供了实验依据。 关键词：现代机械计算机控制机电一体化慧鱼模型 昆明理工大学硕l 学位论文 a b g n u ( 了 a b s t r a c t t h em o d e r nm a c h i n e ，a st h er e s u l to fi n t e g r a t i o no fm u l t i d i s c i p l i n e ，s h o u l d b eg i v e ns p e c i a la t t e n t i o n i ti st h ei n t e g r a t i o no fm e c h a n i c sa n de l e c t r o n i c s t h e e m p h a s i s o ft h i st h e s i si st h em o d e mm a c h i n ew h o s em a i nf u n c t i o ni st h e s a t i s f a c t i o no fk i n e m a t i c s r e q u i r e m e n t t h ed e f e r e n c eb e t w e e nm o d e r nm a c h i n e a n dt r a d i t i o nm a c h i n ei st h em e a n so fr e a l i z a t i o no ft h ec i n e m a t i cr e q u i r e m e n t i n m o d e r nm a c h i n es y s t e m ，t h ek i n e m a t i c s f u n c t i o ni si nt h el e a d i n gp o s i t i o n ，a n dt h e i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n di n f o r m a t i o nh a n d l i n ga r et h ea i d st oi t s ot h ef o c u so f t h i st h e s i si st h ec o n c e p t u a ld e s i g no fm e c h a n i c a lk i n e m a t i c s s c h e m e a f t e rc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z i n gt h er e l a t e dh i s t o r y ，n o wa n df u t u r e o f c o n c e p t u a ld e s i g no ft h em o d e mm a c h i n e ，t h ek e yp r o b l e m sw h i c he s t a b l i s ht h e p l a t f o r mo fc o m p u t e ra i d e dc o n c e p t u a ld e s i g na r ep u tf o r w a r d ，a n dt h er e l a t i v e t h e o r y a p p l i c a t i o n sa r ed i s c u s s e dc o m p r e h e n s i v e l y t h em a i nc o n t e n t so ft h i s d i s s e r t a t i o nc o v e rt h et h e o r i e s ，i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h em a i nc o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 i no r d e rt of a c i l i t a t et h ec o m p u t e rh a n d l i n g ，t h er e l a t e dk n o w l e d g et h e k n o w l e d g ei sc a t e g o r i z e da n dm o d e l e d i nt h es e c t i o n s ，t h ef u n c t i o n 、b e h a v i o ra n d s t r u c t u r ei se x p r e s s e di nt h ef o r mo fk n o w l e d g ed a t a b a s e ，a n df o r m a t i o na b o u tt h e m e c h a n i s ma n ds e n s o ri sa l s oi n c l u d e d 2 t h ec o n t r o ls t r a t e g yf o rm e c h a n i c a lk i n e m a t i c ss c h e m ea n ds e n s o rm o d e l t h ed e s i g no fc o n t r o l l e ri st h ei n d i s p e n s a b l ep a r ti nm o d e r nm a c h i n e ，a n dt h i s m a k e st h ed i f f e r e n c eb e t w e e nm o d e r nm a c h i n ea n dt r a d i t i o nm a c h i n e t h e t r a d i t i o n a l t i m e - c o n s e q u e n c ed e s i g nm e t h o d o l o g y a n dc o n c u r r e n t d e s i g n m e t h o d o l o g yi sp r o p o s e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h i sp a p e r t h ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o ni s c a r r i e do u tb ys e n s o r ；t h es e n s o rm o d e li sd i s c u s s e dj nt h i ss e c t i o n 3 a p p l i c a t i o n ap r o t o t y p ei s d e v e l o p e du n d e rt h eg u i d eo ft h ep r i n c i p l e s a n dm e t h o d s p r e s e n t e di n t h i sd i s s e r t a t i o n i ti se x p l o r e dt h a ts t r u c t u r a li n n o v a t i o nd e s i g no f m o d e r nm a c h i n e s y s t e m o nt h ef o u n d a t i o no fm o d e lo ft h em a n u f a c t u r i n g a u t o m a t i o nl i n eo ft w om a c h i n i n gs t a t i o n st h a tc o m e st of o u n dt h r o u g hf i s c h e r l l ! 幽堡三奎兰婴! ：堂些笙壅笪篁里塑 m o d e l ，a n dh a v ea n a l y z e dt h ec o n t r o lm e t h o do ff l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e mo n t h ef o u n d a t i o nt h a tu s i n gt h es o f t w a r el l w i ns p e c i a lf o rf i s c h e rm o d e lc o m p i l e s c o n t r o lp r o g r a mf o rm o d e l i tm a k e ss o m ee x p l o r ei nt h ed e s i g n ，e m u l a t i o na n dt e s t o ff l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e mt h r o u g hb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e k e y w o r d ：m o d e r n m e c h a n i s m s y s t e m ，c o m p u t e rc o n t r o l ，t h ei n t e g r a t i o n o f m e c h a n i c sa n de l e c t r o n i c s ，f i s e h e rm o d e l n i 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 良个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 壑外，本论文不合任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 j 学位论文作者张移奶旋 日 期：疗年印月1 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：生摹毯鉴论文作者签名：墨鹞绽 日 期：疗年幻月，日 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究课题意义及选题背景 机械电子学( m e c h a t r o n i c s ) 一又称为机电一体化，是日本人于7 0 年代 初通过截取机械学( m e c h a n i c s ) 词首，配合电子学( e l e c t r o n i c s ) 的词尾组成 的新词，目前已经在世界范围内得到了普遍承认和接受。机械电子学是在机械， 电子，信息处理等技术的相互渗透，融合过程中形成和发展起来的一门新兴边 缘学科，它体现了学科融合的思想，从这个角度上讲，机电一体化的内涵是机 械产品的信息化。作为一种技术，其在机械领域中的具体应用就是现代机械。 该概念的提出是为了强调与传统机械的区别川。 由于机电一体化技术具有高精度、高效率、智能化的性能特点，具有小型 化、多功能化的功能特点，它已经渗透到国民经济和日常生活的各个领域。概 括来讲机电一体化技术的发展和应用主要有三种形式1 2 l ： 功能附加：在原有机械产品基础上采用现代电子技术，使产品功能增加和 增强，性能得到提高，如经济型车床，电子秤，数显量具等； 功能替代：采用电子技术及装置取代原产品中的机械控制功能，信息处理 功能，使得机构简化，性能提高，柔性增加。如自动照相机、电子缝纫机、线 切割机等； 机电融合：在更深层次上实现机与电的有机融合，根据产品功能和性能要 求采用专用集成电路，实现控制和信息处理等功能，因而使产品结构更加紧凑， 设计更加灵活。如传真机、复印机、摄像机等1 3 j ； 机电一体化产品覆盖砸极其广泛，为了便于研究，本文主要以第二种应用 为研究对象，以完成特定工艺动作为主功能的现代机械作为切入点迸行研究。 机电一体化技术的应用产生了一些单纯由机械或电子技术都难以实现的新 产品，同时由于多学科融合的特点也给现代机械产品的设计提出了更高的要求， 产品设计问题较传统机械更为突出。资料表明，设计在产品的整个生命周期中 占据越来越大的比重。它从根本上决定了产品的内在和外在的品质。因此，对 现代机械设计进行深入，系统的研究迫在眉睫。概括来讲，当前在该领域内存 在的主要问题有： 现代机械是由计算机进行信息处理和控制的机械系统，最终目的是实现 昆明理t 大学硕士学位论文 第一章绪论 一定的机械运动和动作，而目前对其运动系统模型及其内涵的研究并不完善， 如何深刻理解，构建以运动功能为主功能的现代机械运动系统的设计体系迫在 眉睫。 尽管由于计算机技术，信息控制与检测等技术的融入简化了执行机构的 形式，但特定的工艺动作仍然要执行机构来完成。如何结合现代机械的特点， 通过功能分析，工艺动作过程的合理构思和描述，机构选型及组合来完成性能 优良，结构简单的创新设计方案是一个值得深入研究的课题。 现代机械执行机构的运动输出应是与驱动元件特性和机构类型有关的， 而不是单纯的取决于机构类型。现代驱动元件包括各类电机、液压缸和气缸、 光电驱动器等多种形式，因此，其驱动特性不同于传统简单的动力源，将机构 扩大为驱动元件与机构的集合体将会十分有利于机构的刨新和运动控制的研究 和应用。 现代机械中的执行机构具有单自由度或多自由度，是可控的。只要对驱 动元件进行可编程控制即可实现复杂多交的输出运动，使原来“刚性化”输出 发展成“柔性化”输出，如何通过设计控制系统完成这种转变是研究的关键。 1 2 国内外现代机械相关研究的综述 1 2 1 现代机械的定义 机械电子技术在机械领域中的应用产生了现代机械，它是以机械、电子技 术为主的多门技术学科相互渗透，结合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴 边缘技术学科。由于该领域一直处于不断发展和完善的过程中，到目前为止， 学术界还没有一个统一的定义。各个学派从各自的角度提出了自己的观点，当 前较具有代表性的观点如下f 3 l ： 日本学派： 对机械电子学的定义最早是由日本机械振兴协会经济研究所于1 9 8 1 年提 出的：“在机械的主功能，动力功能，信息与控制功能的基础上引进了电子技术， 并将机械装置与电子设备以及软件等有机结合而成的系统的总称”。其目的是研 究怎样将机械装置，电子设备和软件等组成一个功能完善的，柔性自动化的工 程系统，从而为人类的生产和生活等各个领域的自动化服务。 欧美学派： 美国机械工程师协会( a s m e ) 对现代机械的定义是：“由计算机网络协调 与控制的，用于完成包括力1 4 1 ，运动和能量流等多动力学任务的机械和( 或) 2 昆叫理t 大学硕十学位论文 第一章绪论 机电部件相互联系的系统”。这一含义实质上是指多个计算机控制和协调的复杂 机电一体化产品。 德国工程师协会，德国电气工程技术人员协会及精密工程技术协会是将其 定义为由光、机、电组成的一体化综合技术。它包括机械( 含液压，气动及微 机械) ，电工与电子，光学及其不同技术的组合( 电工与电子机械，光电子技术 与光学机械) ，其核心为精密工程技术。 中国学派： 中国学派认为它是机电技术及其产品的总称，包括柔性制造系统( f m s ) 和计算机集成制造系统( c m s ) 等自动化生产线和自动化制造工程。并概括了 六大关键技术：精密机械技术( 机电一体化技术的基础) ，信息处理技术( 控制 的基础技术) ，自动控制技术( 计算机控制的关键技术) ，系统总体技术( 包括 系统的总体设计和接口技术) ，即用跨学科的思维能力来进行综合集成。 综合以上观点，现代机械是机械电子技术在传统机械领域的一个具体应用。 以完成工艺动作为主功能的现代机械，采用电子技术及装置取代原产品中的机 械控制功能、信息处理功能，使得结构简化、性能提高、柔性增加。机构在整 个系统中的作用是不可替代的，它是完成工艺动作的主体，而电子和控制部分 则是实现工艺动作要求，达到运动要求精确性的保证。 1 2 2 关于现代机械系统组成部分的认识 现代机械运动系统框架模型的建立，其出发点和归宿是系统组成。根据文 献归纳起来，对系统的组成有几种看法【5 】： 五块论： 德国学者提出系统是由控制功能、动力功能、传感检测功能、操作功能、 结构功能等五大功能模块组成。将系统通俗地类比于人的大脑、内脏、五官、 四肢及躯体。该模型认为，系统中由传感器检测信息，控制器处理信息并发出 控制指令，从而构成信息流：由动力源供给，流经驱动器及机械执行部分的能 量流；并由信息流控制能量流。因此他们将对系统的研究重点放在了控制方面， 并将控制系统按层次划分为控制层，监视层，管理层和处理层。从他们的观点 看来，机电系统中的驱动器，传感器及机械部分都是作为控制系统的外界环境 而存在的，而控制系统是主体。因此，在他们的设计中，较少考虑到机械部分 的特性，传感器的特性及驱动器的特性。也较少考虑到几个部分之间的融合设 计的问题。 三环论 3 昆明理工大学碗上学位论文 第一章绪论 丹麦学者提出机械、电子、软件三个相关圆环，以此表示了系统的组成和 相互关联。该模型的特点是将功能按机械、电子和软件三个方面进行分配，而 不是按几大功能部件进行分配，而该方法的新意在于按不同的科学门类方法有 助于后来的模型表达，使产品错综复杂的关系可以按学科门类理顺。三环论中 电子含义比较含糊；软件是指实现信息处理和控制的程序【矾。这种观点同样无 法使人们对真实系统作科学和明确的组成划分。 两子系统论： 挪威学者提出将系统划分为物理系统与控制系统两大子系统。物理系统包 括各种驱动装置、执行机构、传感器等；控制系统包括软、硬件。两子系统论 从功能划分来看，比前一种看法更趋完善，有利于对控制系统进行深入研究。 但是将驱动装置、执行机构、传感器等统称为物理系统i ，同样使设计无从下 手。说明这种分法对设计存在一定的缺陷。 三个子系统论： 上海交通大学的邹慧君教授从现代机械运动方案设计需要出发，认为以完 成工艺动作为主的机械系统，其组成部分应从广义的运动功能原理出发来进行 划分。提出了系统主要由执行机构子系统、信息处理及控制子系统、传感检测 子系统组成的观点。执行机构予系统由驱动元件和执行件( 或执行机构) 组成， 用来传递动力、完成运动。信息处理及控制子系统由电子计算机来完成。传感 检测子系统由传感器来实现，它们是系统重要的特征l 趴。 1 3 本文拟研究的主要内容 本论文主要针对以满足工艺动作要求为主功能的现代机械，从运动功能的 角度分析了系统中的执行、信息处理与控制、传感检测三部分。执行元件的仿 真、传感检测功能的确定和信息处理及控制功能的确定成为研究的重点。本文 在实验“双工作台流水线模型的计算机控制及仿真”及“物料自动输送生产线” 的背景下，针对前文所提出的问题，具体来讲主要开展了以下几方面的研究工 作： 1 3 1 理论方面的工作 ( 1 ) 系统论述了以实现工艺动作为主功能的现代机械系统，讨论了该系统 的计算机控制系统，并对该模型进行了适于计算机的形式化描述。 ( 2 ) 现代机械执行机构的运动输出与驱动元件特性和机构类型有关，而不 是单纯的取决于机构类型，其驱动特性不同于传统简单的动力源。通过合理的 4 昆明理工大学硕士学位论文 第一章绪论 控制器设计即可实现复杂多变的输出运动，使原来“刚性化”输出发展成“柔 性化”输出，本文从驱动执行一体化的角度系统讨论了运动控制系统的设计。 结合实例，论述了串行时序控制系统设计方法和并行机构控制一体化设计方法 在该领域的应用。 ( 3 ) 传感检测系统是现代机械运动系统重要的组成部分，文中讨论了现代 机械中的传感器模型。 1 3 2 实践方面的工作 采用慧鱼模型构建了“双工作台的制造流水线”和“物料自动输送生产线” 模型，对现代机械系统的机构创新设计进行了探索，使用慧鱼专用软件l l w i n 对模型编写控制程序。实验并分析了现代机械制造系统的控制方法。 1 4 本文研究的目的及意义 传统的机械系统通常研究的是单台设备或单个机械系统，对于两台或两台 以上设备组成的完成某一特定生产加工任务的制造系统的计算机控制，是在单 台设备控制的基础上实现的。这时计算机控制还需实现设备之间控制的协调、 节拍的配合、运行状态的监控和运行过程的管理等功能，这是比单机复杂的多 的控制，在实际生产自动化中也有更强的现实意义。本文以双工作台的制造流 水线模型和物科自动输送生产线模型为实例，叙述了现代机械制造系统的模型 及控制方法。 1 5 本章小结 本章是本论文的绪论部分，主要介绍了现代机械的产生、发展、特定、当 前应用状况及发展趋势，同时也阐述了现代机械的软、硬件特点，重点提出了 本文研究目的、意义及主要研究内容。 本文研究目的、意义及主要研究内容。 昆明理t 大学硕士学位论文 第二章执行机构子系统 2 1 引言 第二章执行机构子系统 机械与电子的结合，机械技术与控制技术、信息技术、传感技术的结合，使 新型现代机械层出不穷，也为机构内涵的扩充提供了更大的深度和广度更加科 学地、合理地对机构进行重新定义，不但必要也有可能。 现代机构由于融合了控制技术，使驱动元件的输出机械特性更加符合机构多 变的输出需要。现代机构最突出的特征是具有柔性和可控性，因此在现代机械中 被广泛采用。它是实现机械运动和动力变换，传递功能的载体，从实现功能来看 它与传统的传动、执行机构并没有不同驱动元件与执行件( 或执行机构) 的集 成应用使机电一体化系统更加有效地工作。例如：步进电机可直接控制执行件实 现可控的步进运动；又如伺服电机与执行件集成可以实现可控的复杂多变的运动； 还有伺服电机与执行机构集成实现各种可控运动，使机械系统运动更具柔性。由 此可见，现代机械系统覆盖的内容相当丰富，涉及的知识面相当广阔1 9 j 。 根据机械系统的运动是否具有可控性，可以将机械划分为“刚性机械系统” 与“柔性机械系统”。如果机械系统的运动具有可控性，称为“柔性机械系统”， 反之。如果机械系统的运动不具有可控性，称为“刚性机械系统”。需要指出，此 处的“刚性”和“柔性”是指可控性或可调节性，而与表示构件力学特质的剐性、 柔性或弹性无关。 2 2 步进电机和驱动电源 步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移韵机电执行元 件。步进电机可以按特定指令进行角度控制，也可以进行速度控制。角度控制时， 每输入一个脉冲。定子绕组换接一次，输出轴转过一个角度。其步数与脉冲数一 致，输出轴转动的角位移与输入脉冲数成正比f 1 0 l 。速度控制时，各相绕组不断地 轮流通电，步进电动机就连续转动。步进电动机转速取决于脉冲频率、转子齿数 和拍数，与电压、负载、温度等因素无关，当步进电动机的通电方式选定后，其 转速只与输入脉冲频率成正比，改变脉冲频率就可以改变转速，故可以进行无级 调速，调速范围很宽。 6 昆明理工大学硕士学位论文 第二章执行机构子系统 2 2 1 步进电机的基本特性 1 矩角特性 当步进电机不改变通电状态，即保持一相( 单拍) 或几相( 双拍) 绕缎通电 的条件下。此时转子的齿与某相定子的齿对齐，转子静止不动。当转予轴上加一 负载转矩，则转予将转过。角，此时转子上所受到的电磁转矩m 称为静态转矩， 转过的0 角称为失调角【1 1 1 。 2 启动频率 步进电机能够不失步启动的最高脉冲频率。所谓失步是转子前进的步数不等 于输入的脉冲数，包括丢步和越步两种情况。 3 最高工作频率 步进电机启动后，将脉冲频率逐步升高，在额定负载下，电机能不失步正常 运行的极限频率为最高工作频率。 4 转矩一工作频率特性 步进电机转动后，其输出转矩随工作频率增高而下降，当输出转矩下降到一 定程度，电机即不能正常工作1 12 1 。 5 步距角精度 当步进电机空载时，以单脉冲输入，步进电机的实测步距角与理论步距角之 差，称为静态步距角误差，反映了步进电机的制造精度。 2 2 2 步进电机驱动电源 1 步迸电机驱动电源的要求 步迸电机需要驱动电源对其各相绕组按一定的运行方式输入脉冲电流，才能 正常地工作。所以步进电机和驱动电源是一个有机的整体。对步进电机驱动电源 的要求如下： ( 1 1 相数、通电状态、电压、电流要符合所选用的步进电机的技术参数要求。 ( 2 ) 供给步进电机绕组的脉冲电流要有足够的幅值( 影响步进电机的转矩大 小) 和较陡前后沿( 影响步进电机的启动、制动频率) 。 f 3 ) 3 2 作可靠，抗干扰能力强，而且安装、维修方便，价格便宜1 1 3 】。 2 步进电机驱动电源的组成 步进电机驱动电源的组成包括变频信号源、脉冲分配器和功率放大器三部分。 变频信号源是一个脉冲频率能由几赫到几十千赫连续变化的脉冲信号发生 器，常见的有多谐振荡器和单结晶体管构成的弛张振荡器，它们都是通过调节电 7 昆明理工大学硕士学位论文 第二章执行机构子系统 阻r 和电容c 的大小，以改变充放电的时间常数，得到各种频率的脉冲信号【1 0 】。 脉冲分配器又称环形分配器，它根据运行指令按一定的逻辑关系分配脉冲， 通过功率放大器加到步进电机的各相绕组，使步进电机按一定的方式运行，并实 现正、反转控制和定位。 脉冲分配器输出的功率极小，只有几毫安电流，不能驱动步进电机工作，必 须通过功率放大器进行放大。给步进电机相绕组提供足够的电流。相绕组一般需 要几安至十几安的电流。 2 2 3 步进电机的计算机控制 计算机对步进电机的控制组成框图2 一l 所示，计算机通过步迸电机控制接 口模板，控制步进电机驱动电源的脉冲输出，从而控制步进电机启动、运行、停 止、和换向。设计的步进电机控制接口模板的功能不尽相同，简单的只具有步进 电机启动、停止和换向控制，软件产生指令脉冲等功能；高级的智能型( 自带微 处理器) 的接口模板除了上述功能外，还具有自动升降速控制、脉冲分配器、刀 具和齿隙补偿、故障检测与报警等功能，此时步进电机驱动电源只需功率放大的 功能i 】。 。：址控制机i i m i 塞盖量竺l i - g l 裹翥耄銎l r t l 步进电机 ：址控制机 掩l 鹊接n 瓤动电源 步进甩矶 图2 1 步进电机计算机控制组成框图 工业控制计算机的输入、输出模板已发展成标准化、系列化、模块化，因此 在实际中对步进电机实现计算机控制较为方便、快捷的方式是：根据所选用的工 业控制机的类型、实际的控制要求以及所能投入的资金，选用合适的步进电机控 制接口模板，并进行安装、调试和软件开发。 2 3 直流伺服电机及其控制 “伺服”一词是跟随的意思，即被控的龟机忠实地执行频繁变化的位置或速 度指令，精确地控制机械系统运动的位移或角度，这种自动系统称为伺服或随动 系统。以直流伺服电机为驱动元件的伺服系统，称直流伺服系统1 1 5 1 。伺服系统的 工作过程是：接受控制器( 如计算机) 的指令信息，经变换和放大后，通过驱动 元件准确控制机械系统执行机构的位移或角度。不仅能控制执彳亍机构的位移和角 8 昆明理工大学硕士学位论文 第二章执行机构子系统 度，而且能控制位置和一系列位置所形成的轨迹，同时保证动作快速，准确和高 效率。 2 3 1 直流伺服电机结构和速度控制原理 直流伺服电机结构如图2 2 所示，它由定子、转子( 电枢) 、换向器、和机 壳组成。定子的作用是产生磁场，它分为永久磁铁和线圈绕组组成的电磁铁两种 形式；转子由铁芯、线圈组成，用于产生电磁转矩；换向器由整流子、电刷组成， 用于改变电枢线圈的电流方向，保证电枢在磁场作用下连续旋转l “l 。 图2 2 直流伺服电机的结构示意图 直流伺服电机的工作原理与普通直流电机基本相同，给电机定予的励磁绕组 通以直流电，会在电机中产生极性不变的磁场。当电枢绕组两端加直流控制电压 u a 时，电枢绕组中便产生电枢电流i a 。电枢通过导件在磁场中受到电磁力的作用， 产生电磁转矩m ，驱动电机转动起来。电机旋转后，电枢导件切割磁场磁力线产 生感应电势e a ，其极性与u a 为反极性串联，称为反电势。当电机稳定运行时， 电磁转矩与空载阻转矩m o 和负载转矩m 相平衡。当电枢控制电压u a 或负载转矩 m 发生变化时，电机输出的电磁转矩随着发生变化，电机将由一种稳定运行状态 过渡到另一种稳定运行状态，达到一种新的平衡l l ”。 根据直流电机电路方程，稳定运行时，其基本方程为： 9 昆明理工丈学硕士学位论文 第二章执行机构子系统 u 。t e + i 。也 e - c 。巾 m q m m m o + m 当直流电机从种稳定运行状态，过渡到另一种稳定运行状态的动态过程的 基本方程为 u e + 疋( f ) + t 堕磐 e 。e 。锄 ( 2 3 - 2 ) m 1 c ，圣f m m m o + m l + j d o d f , q ) 动态过程的基本方程是微分方程，其，栉均是变化的，它体现了电磁惯性和 机械惯性综合交织影响的物理过程 1 s l 。 以上各式中，也为电枢电阻，l 为电枢电流l 为电枢电感，e 为电枢反屯 动势，以为加到电枢两端的控制电压，中为磁遵，玎为电机转速，m 为电机输出 的电磁转矩， f 。为电机空载阻转矩，主要产生于运动部分的摩擦阻力，j l f 。为负 载转矩，为电机的转动惯量与传动链及负载转动馁量韵折算值之和，为电机 角速度。电势系数e ，力矩系数c 取决于电机本身的结构和技术参数其表达式 如下： 式中：电枢绕组匝数； p 一一磁极对数； a 一一电枢绕组支路数。 从式中( 1 ) ，( 3 ) 可以知道，直流电机的输出电磁转矩的表达式为： m 。e 垂i 婴垂i ( 2 3 - 4 ) z 即直流电机的结构和技术参数确定后，其输出电磁转矩j i f 是磁通垂和电枢电 流，。的函数，对直流伺服电机电磁转矩和速度的控制方法有两种：一种是改变电 枢电压u 即改变电枢电流i 的方法，另一种是改变励磁电流7 ，即改变磁通中的方 法1 19 1 。 ” 卜 但 肿一鼢肝一撕 q q 昆明理工大学硕士学位论文 第二章执行机构子系统 采用调节励磁电流来调节电机电磁转矩和转速的方法，又称弱磁调速。由于 励磁线圈匝数多，电感大，对应励磁电压的变化，电流变化慢，即响应速度慢， 所以，这一方法在直流伺服系统中只作为辅助方法被使用。 在大多数情况下，直流伺服电机的速度控制都采用调节电枢电压的方法，即 保持励磁电流，即磁通不变，此时电磁转矩m 为： m - c 。西i 。- k i t k - q 中竺m 2 3 5 j i f 是电枢电流，的一元函数，不仅控制方便，而且响应速度快、输出转矩大，并 且线性较好【2 们 2 3 2 直流伺服电机的基本特性 直流伺服电机有如下基本特性： 1 机械特性 在输入的电枢电压u 保持不变时，电机的转速n 随电磁转矩膨变化而变化的 规律，称直流电机的机械特性。机械特性曲线如图2 3 所示其关系可以由下面 的关系式表示【2 1 1 ； 厅告一嘉m 一汜。嘞 图2 3 步进电机的机械特性 图2 3 中，n 。为电磁转矩m = 0 时的转速，称为理想空载转速；m ，是转速n l l 昆明理工大学硕士学位论文 第二章执行机构子系统 = 0 时的电磁转矩，称为电机的堵转转矩。斜率k ( k 一心c 。c 。中2 ) 反映了电机 电磁转矩变化引起电机转速变化的程度。k 值大表示电磁转矩的变化引起电机转 速的变化大，这种情况称直流电机的机械特性软；反之，斜率x 值小，电机的机 械特性硬。在直流伺服系统中，总是希望电机的机械特性硬一些，这样，当带动 的负载变化时，引起的电机转速变化小，有利于提高直流电机的速度稳定性和工 件的加工精度。另外，从斜率k - r c , c 圣2 的关系式可以看出，斜率蜀与电枢 电阻置成正比，在电枢回路串入电阻，或功率放大器的输出电阻增大时，必然使 直流电机的机械特性变软，而且功耗增大。 2 调节特性 直流电机在一定的电磁转矩m ( 或负载转矩) 下，电机的稳态转速靠随电枢 的控制电压玑变化而变化的规律，被称为喜流电机的调节特性。直流电机的调节 特性曲线如图2 - - 4 所示，其关系表达式如下： 竹生一旦 e 中c q 垂2 一毒一耐m r ( 2 3 - 7 ) 一k a l u 。) f 之- 图2 4 步进电机的调节特性 图2 - - 4 中，u 为启动电压，即电机处于待转动而未转动的啦界状态的控制 电压。从式( 2 3 - 7 ) 中可以看出，u 。与电磁转矩( 或负载转矩) 成正比，当负载 越大时，其启动电压也需越大直流电机启动时，控制电压从零到u 。这一段范围 内，电机不转，这一区域称为电机的死区1 2 2 1 。 昆明理工大学硕士学位论文 第二章执行机构于系统 斜率k ( k - i c , 中) 反映了电机转速n 随控制电压u 。的变化而变化快慢的关 系，其值大小与负载大小无关，仅取决于电机本身的结构和技术参数。 3 动态特性 在直流电机电枢控制时，如果电枢控制电压u 突然变化( 升高或降低) 时， 则电机的转速r l 也要相应地变化( 升高或降低) 。但由于存在电磁惯性和机械惯性， 因此电机转速只能渐渐跟着变化，从原来地稳定状态到新的稳定状态，存在一个 过渡过程【2 3 1 。 根据式( 2 3 - 7 ) 电枢回路动态过程的电路方程为 以- e + r f o ) + l 警 解微分方程得：o ) 一k u 。( 1 一e 。佤) ( 2 3 8 ) 式中也为系数，取决于电机本身的参数，l 为时间常数。可以看出，电机的 转速按指数规律变化。时间常数l 的表达式为 r _ 堡黑( 2 3 - 9 ) 6 0c t c _ 垂2 一 式( 2 3 9 ) 表明，决定时间常数的主要因素有： ( 1 ) 惯性，的影响，惯性，包括电磁惯性和负载本身、传动链的机械惯性。 ( 2 ) 电枢回路电阻也的影响，电阻应包括电枢的内阻、电枢回路串连的电阻 和功率放大器的输出电阻。 ( 3 ) 机械特性硬度的影响，机械特性的斜率为置- 也c 。c 。垂2 ，机械特性越硬， 斜率鬣越小，时间常数l 也就越小，电机的动态性能也就越好 2 3 3 直流伺服电机的速度控制 1 直流伺服电机速度控制技术指标 在实际应用中，有许多机械设备和仪器需要保持速度恒定，而且具有较高的 精度要求。速度控制的技术指标有 2 4 l ： ( 1 ) 调速范围d 指电机在额定负载下最高转速以。与最低转速n 。之比，即： d 鳖( 2 3 1 0 ) m 式中最高转速 。一般为电机的额定转速n 。 ( 2 ) 静差度s 指电机由理想空载增加到额定负载时的转速降落抽。与理想空载转速之 量婴查堂堡主堂堡丝苎 苎三兰垫堑垫塑量墨竺 比，即 s 堑生。坐( 2 3 - 1 1 ) 再0 n 0 静差度s 用来衡量直流伺服电机调速系统在负载变化时转速的稳定度。它与 电机的机械特性的软硬度有关，机械特性越硬，静差度越小转速稳定度也就越 高i 】。 ( 3 ) 调速的平滑性q 用两个相近转速之比表示，即： q 旦( 2 3 1 2 ) h i - | q 值越按近1 ，表示调速平滑性越好。 2 直流伺服电机调速 对直流伺服电机进行功率驱动，即调速方法可分为如下3 种类型： ( 1 ) 线性型 使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机，其工作原理为一般的 三极管放大电路，集电极输出电压的大小正比于基援的控制信号线性型驱动的 电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特剐是低速大转矩 运行时，通过电阻r 的电流大，发热厉害，7 耗损大这一形式的驱动一般适用予 小功率低惯量直流电机。 ( 2 ) 开关型 对直流电机采用脉冲方式供电，通过改变供电脉冲的宽度，即改变供电电压 脉冲的宽度( 占空比) ，来调节电机的转速，即脉冲宽度调制调速。这一方法功率 损耗小，运行效率高，加减速性能好，尤其是在要求低速大转矩下连续运行的场 合，已普遍用于中小惯量的直流电机调速 ( 3 ) 晶闸管型( 可控硅型) 使用可控硅作为功率驱动元件，控制其导通的相位角，来改变输出的直流电 压，从而调节电机的转速。直流电机可控硅驱动电路分单相、三相、可逆式和不 可逆式。由于可控硅元件输出功率大、电流大。因此这一方式适用于大功率大惯 量的直流电机的调速【2 5 1 。 3 直流伺服电机闭环速度控制系统 直流伺服电机速度开环控制，其速度调节精度差，调速范围窄。为了得到较 高的控制精度，通常采用闭环控制系统，其原理框图如图2 5 所示。图中，电机 照明理工大学预士学位论文 第= 章执行机构子系统 的转速用测速传感器进行检测，测速传感器常用的有测速发电机、旋转变压器、 光电编码器等，测量的速度信号与速度指令值进行比较，其差值a u 送入速度控 制器，按预先规定的控制规律，如比例、微分、积分，输出控制电流，经过功率 放大器放大后，驱动电机工作。如此循环，直至电机的转速与给定的速度指令值 相等，达到平衡状态【2 6 1 。 指令 乩 图2 5 单环负反馈速度控制系统 在实际应用中，当电机的实际转速与速度指令值相差较大时，例如电机启动 时，功放主回路的电流大。往往超过功率三极管的最大允许电流，造成功率三极 管的损坏。为了保证设备的运行安全，并有较好的过渡过程和动态特性，较多采 用加入电流负反馈的双环速度调节系统。其原理框图如图2 6 所示。从功率放大 器的主电路取出电流信号反馈，与速度控制器输出信号u 1 进行比较，然后输至电 流控制器进行处理，输出的控制信号以进行功放后，驱动电机工作1 2 ”。 兰竺竺竺竺降 u i 。 l ，7 f 遮寝检嚣 图2 6 双环负反馈速度控制系统 昆明理工大学硕士学位论文 第二章执行机构子系统 2 3 。4 直流电机位置伺服控制系统 直流电机的位置控制，通常在速度控制系统的基础上，加上位置信号检测和 负反馈环节，如图2 7 为广泛使用的位置伺服控制系统的组成框图1 2 引，称为三 环负反馈位置控制系统。速度控制选用速度控制单元，位置控制使用计算机软件 来实现，如运动轨迹的插补运算，位置检测传感器一般选用光电编码器、旋转变 压器等。图中w t 为位置控制器。 图2 7 直流电桃位置控制系统组成框图 当实际检测的位置值与指令值不相等讨，位置控制器首先计算出犏差( 指令 值减检测值) ，然后计算出速度指令值，并输出到速度控制器。根据位置偏差计算 速度指令时，可以将偏差分为如图所示的4 个区域1 2 引。 ( 1 ) 大偏差区域( 远离目标位置) 偏差位于该区域时，电机启动后，加速到最大速度，并以该速度进行恒速控 制，以得到较高的工作效率。 ( 2 ) 中偏差区域( 离目标位置较近) 该区域为减速区域，速度指令。的计算公式可由如下过程推导出。 当电机以减速度，减速时，时刻t 的转速为： 一( f o f ) 卢( 2 3 1 3 ) 式中t 。为达到目标位置的时刻。偏差： 一妄卢( f o f ) 2 ( 2 3 1 4 ) 将式( 2 3 - 1 3 ) 代入式( 2 3 一1 4 ) 。可得速度指令印。计算公式： ，一2 卢( 2 3 一1 5 ) 减速度卢的大小取决于伺服放大器、电机的额定电流、电机和负载的转动惯 量，根据运动方程可知： 昆明理工大学硕士学位论文 第二章执行机构子系统 m p 。+ 警( 2 3 _ 1 6 ) 一v ，+ j l ) 卢 式中：肼一一电机产