5 机电一体化系统的元、部件特性分析(2).ppt

第五章机电一体化系统的元部件特性分析 第三节传感器的动态特性分析 机电一体化中传感器输入量多为机械物理量 位移 速度 加速度 力等 最终输出物理量为电量 电压 电流等 与控制系统相匹配的电信号物理量 在此过程中要经过一定的参量变换 即需传递函数 动态特性 转换 传感器的基本特性 传感器的输入 输出关系特性 是传感器内部结构参数作用关系的外部表现输入信号分为 稳态 动态对应传感器特性 静态特性 动态特性对传感器的要求 高精度 信号 或能量 无失真转换 反映被测量的原始特征 输入量与电信号输出量之间的变换关系 传递函数 Gs GmGmeGe除此之外 有时还需整形滤波 模数转换的处理变换等信号转换过程 传感器检测信号的一般变换过程 传感器变换器的变换类型传感器变换器的变换过程 依据所选用传感器的类型和所转换物理量的处理过程及要求不同 通常分为以下几种形式 1 机械物理量变换加速度 速度 位移等机械物理参量之间的变换 2 电 磁变换机械 电 磁变换 电 磁变换 动电式 静电式 磁阻式 霍尔效应式等 3 应变 电阻转换机械位移 阻抗转换 应变片 半导体应变片等 4 光电变换光信号 电信号转换 光电二极管 光敏晶体管 5 热电转换热能 电信号转换 赛贝克效应 热电偶 热敏电阻等 6 化学能 电变换化学能 电信号转换 电池效应 传感器的输入 输出间成线性关系的程度非线性特性的线性化处理 静态特性 线性度 静态特性 灵敏度 传感器在稳态信号作用下输出量变化对输入量变化的比值 静态特性 迟滞 在相同测量条件下 对应于同一大小的输入信号 传感器正 反行程的输出信号大小不相等的现象产生原因 传感器机械部分存在摩擦 间隙 松动 积尘等 动态特性 动电式变换器的特性 动电式变换器 将回转或平移机械量转换成电信号的一种变换器 动电式变换器的变换式为 或 传递函数 是将压电元件在外力F作用下生产的位移x所形成的电荷Q转换成电信号的变换元件 变换关系 特性 传递函数 式中 电容量 感应系数 动态特性 压电式变换器的特性 若RCs足够小 则Gme Rs d 即得到的力与输入的位移成比例 但是当固有振动周期较小的情况不能准确求出 因此采用压电式加速度传感器 只能测量信号频率足够高的情况 如果信号频率较小 则测量过程就会出现失真 传递函数 具有其他平滑特性变换器 传感器 这类传感器变换器指在一定检测范围内输入与输出之间近似地成正比 传递函数 Gm K 1 差动变压器 2 静电式变换器 3 应变应力变化变换器 4 光电编码器 传感检测系统的特性 将被检测量x变换成机械变量y的过程中 在力或位移的变化速度较快时 若要满足一定的变换精度 变换器的频率使用范围将受到一定的限制 即避免变换器产生共振 变换器固有频率wn应为使用最高频率的10倍以上 这一特性是传感检测系统的重要特性 1 对于典型的质量 弹簧 阻尼系统 检测对象为位移x 运动方程 固有频率 阻尼比 传递函数 振幅频率特性曲线 2 对于典型的质量 弹簧 阻尼系统 检测对象为加速度 运动方程 振幅频率特性曲线 传递函数 传感器的标定与校准 传感器的标定是利用某种标准仪器对新研制或生产的传感器进行技术检定和标度 它是通过实验建立传感器输入量与输出量间的关系 并确定出不同使用条件下的误差关系或测量精度 传感器的校准是指对使用或储存一段时间后的传感器性能进行再次测试和校正 校准的方法和要求与标定相同 静态标定 传感器的静态标定是在输入信号不随时间变化的静态标准条件下确定传感器的静态特性指标 如线性度 灵敏度 迟滞 重复性等 静态标准是指没有加速度 没有振动 没有冲击 如果它们本身是被测量除外 及环境温度一般为室温 20 5 相对湿度不大于85 大气压力为7kPa的情形 动态标定 动态标定主要是研究传感器的动态响应特性 常用的标准激励信号源是正弦信号和阶跃信号 根据传感器的动态特性指标 传感器的动态标定主要涉及到一阶传感器的时间常数 二阶传感器的固有角频率和阻尼系数等参数的确定 第五章机电一体化系统的元部件特性分析 第四节执行元件的动态特性分析 常用执行元件有电气式 液压式 气压式 输入信号尽管有所不同 但输出均为机械量 位移 力等 由此所具有的工作特性也有所不同 下面简要介绍电气执行元件的工作特性 电气执行元件系统一般组成 驱动信号输入 驱动电路 整形 滤波放大电路和功率放大电路 电 机变换器 伺服电动机 机械量变换器 减速器 丝杠螺母机构 连杆机构等 电气式执行元件的工作特点分析 由于执行元件系统各转换器之间存在信号或状态反馈 其传递函数确定不是简单的乘积组合 它不仅与本身的静态特性相关 还与整个系统的动态特性相关 因而在分析确定执行元件系统的工作特性时 应将两者的特性有机结合才能得出合理的结论 具体方法应依据不同的执行元件系统综合分析而定 电气式执行元件控制图 直流伺服电动机动态特性 电枢控制时直流伺服电动机的动态特性 是指在电动机的电枢上外加阶跃电压时 电机转速的增长过程 即或 为满足自动控制系统快速响应的要求 直流伺服电动机的机电过渡过程越短越好 即电动机的转速变化能够迅速跟上控制信号的改变 若电动机的电枢在外加电压前是停转状态 当电枢外加阶跃电压后 由于电枢绕组有电感 电枢电流不能突然增长 有一个电气过渡过程 相应的电磁转矩有一定的转动惯量 由零增加稳定转速又需要一定的时间 因而有一个机械过渡过程 电气的和机械的过渡过程交叠在一起 形成了电机的机电过渡过程 一 直流伺服电动机的基本方程式 Ra电枢电阻La电枢电感ia电枢电流Ua电枢电压 Tg电磁转矩Tf摩擦转矩Tj惯性转矩TL负载转矩 Ke电势常数Ki转矩常数B粘滞阻尼 一 直流伺服电动机的基本方程式 对基本方程组取拉普拉斯变换 二 直流电动机的传递函数 方块图表示一个双端输入系统 它以角速度 或角位移为输出量 或同时以它们二者为输出量 二 直流电动机的传递函数 二 直流电动机的传递函数 二 直流电动机的传递函数 总的输入电功率为电枢电压回路和电枢电流瞬时值的乘积 功率表达式 电枢电流损耗 粘滞摩擦损耗 其它摩擦损耗 实际输出功率 存储动能 电感能量 直流电动机作为能量转换装置时 其效率为输出机械功率与总输入平均功率的比值 机械转换效率可用输出机械功率与产生的总机械功率的比值求得 电磁变换执行元件的特性 开环特性 闭环控制电磁变换