机电有机结合的分析与设计.ppt

第六章 机电有机结合的分析与设计 目录 6 1概述6 2机电有机结合之一 机电一体化系统的稳态设计考虑方法6 3机电有机结合之二 机电一体化系统的动态设计考虑方法6 3可靠性 安全性设计 6 1概述 机电一体化系统设计过程是机电有机结合即机电参数相互匹配的过程 设计步骤 1 了解被控对象的特点和对系统的具体要求 制定出系统的控制方案 方案包括 系统主要元部件的种类各部分之间的联接方式系统的控制方式所需能源形式校正补偿方法信号转换的方式等 2 进行稳态分析计算 包括 使输出参数达到技术要求 执行元件的参数选择 功率 或转矩 的匹配及过载能力的验算 主要元部件的选择与控制电路设计 信号的有效传递 各级增益的分配 各级之间阻抗的匹配和抗干扰措施 3 确定系统的数学模型 主要是设计补偿装置 4 进行动态设计计算 5 试验与调试 6 2机电有机结合之一 机电一体化系统稳态设计的考虑方法 数控机床机械进给伺服传动系统模型 一 负载分析 1 确定系统负载系统负载包括 惯性负载外力负载弹性负载摩擦负载等 2 负载的等效换算 目的 将系统全部负载折算到电机轴上 以确定所选电机的最大输出 系统由m个移动部件和n个转动部件组成Mj Vj Fj分别为第i移动部件的质量 kg 运动速度 m min 和所受的负载力 N Ji ni Ti分别为转动部件的转动惯量 kgm2 转速 r min 和所受负载力矩 N m 1 求等效转动惯量J 系统运动部件的动能总和为 等效到电机轴上的总动能为 根据能量守恒定理E Ek 则 工作台速度vj的计算 1 齿轮齿条传动 m 齿轮模数Z 齿轮齿数n 齿轮转速 2 丝杠传动 vj 工作台的移动速度 m min L0 丝杠的基本导程 m nj 丝杠的转速 转 min 2 等效力矩的计算T的计算 系统在时间t内克服负载作的功的总和为 折算到电机轴的功为 等效力矩为 例 设一进给系统如下图所示 电机从静止加速到1500r min所需时间为30ms 求转换到电机轴上的等效转动惯量和等效力矩 1 等效转动惯量的计算 等效转动惯量的计算 系统的等效转动惯量为 3 7525kg cm2 2 等效力矩的计算 1 965 N m 系统的等效力矩为 2 09 N m 二 执行元件的匹配选择 尽量选用标准化商品 执行元件的选择步骤 1 确定执行元件的类型2 选择与被控对象及其负载相匹配的执行元件 1 系统执行元件的转矩匹配 执行元件输出轴上总转矩包括 等效负载力矩 T 等效惯性负载力矩 电机轴上的总负载力矩为 T T T惯 考虑到机械系统效率时 电机轴上的总负载力矩为 T T 机械系统总的传动效率 若选择步进电机 为满足电机在带负载时能正常启动和定位停止 要求 步进电机的启动力矩与最大静态转矩之间具有下列关系 所选步进电机的最大静态转矩应为 例如假设所选电机为三相六拍电机 步距角为0 750 Tmax 2 5 N m 查表3 8 选择型号为110BF004的步进电机 进行校验 2 系统执行元件的功率匹配 直流 交流伺服电机 验算 1 过热验算当负载力矩为变量时 应用等效法求其等效转矩Tdx 在电机激磁磁通 近似不变时 t1 t2 时间间隔在此时间间隔内的负载力矩分别为T1 T2 所选电机的不过热条件为 nN 电机的额定转速 r min TN 电机的额定转矩 N m PN 电机的额定功率 W Pdx 由等效转矩Tdx换算的电机功率 2 过载验算 T max 瞬时最大负载转矩TN 电机的额定转矩K 为电机的过载系数 三 减速比的匹配选择与各级减速比的分配 减速比主要根据负载特性 脉冲当量和系统的综合要求来选择确定 在设计中供参考用 1 使加速度最大的选择方法 TLF 负载转矩Tm 额定转矩JL 负载惯量Jm 电机转动惯量 2 最大输出速度选择方法 f1 电机的粘性摩擦系数f2 负载的粘性摩擦系数 3 满足基本传动系统的选择方法 步进电机步距角L0 丝杠螺距 系统脉冲当量 四 检测传感装置 信号转换接口电路 放大装置和电源等的匹配选择与设计 伺服系统的稳态设计包括 1 从系统应具有的输出能力及要求出发 选定执行元件和传动装置 2 从系统的精度要求出发 选择和设计检测装置及信号的前向和后向通道 伺服系统的动态设计包括 设计适当的校正补偿装置 完善电源电路及其它辅助电路 1 检测传感装置的要求 满足传感器的基本要求 信号的转换要迅速及时 信噪比大 装置的转动惯量尽量小 性能要稳定可靠等 2 信号转换电路的要求 尽量选用商品化的集成电路要有足够的输入 输出通道要与传感器输出阻抗的匹配和与放大器的输入阻抗符合要求 4 伺服系统放大器的设计与选用 1 输出阻抗小 效率高 时间常数小 2 应为执行元件的运行状态提供适宜条件 3 放大器应有足够的线性范围 以保证执行元件的容量得以正常发挥 4 输入级的阻抗要大 以减轻检测传感装置的负荷 5 放大器应具有足够的放大倍数 其特性应稳定可靠 便于调整 5 对伺服系统的电源的要求 所有电源应具有足够的保护措施 要有为系统服务的自检电路 显示与操作装置 五 系统数学模型的建立及主谐振频率的计算 步骤 1 绘制系统框图2 建立系统传递函数3 确定系统主振频率 1 半闭环控制方式 系统的传递函数为 其中 K K KAKm i1 2 全闭环系统控制方式 系统的传递函数为 3 工作台进给系统的主谐振频率 主谐振频率为 式中 J m 系统等效到电机轴上的总转动惯量K 机械传动系统的总扭转刚度 机械传动系统的总扭转刚度K 系统的总扭转刚度的倒数等于各传动元件折算到电机轴的刚度的倒数之和 J1 第I根轴上的转动惯量J0 除了第I根轴外系统其它传动部件等效到电机轴上的转动惯量 例 直流伺服电机驱动的全闭环系统如下图所示 已知系统如下参数 求该机械系统的主谐振频率 直流伺服电机的转速n 1200 r min 转子转动惯量Jm 2 10 4 kgm2 齿轮箱减速比i 3 z1 17 z2 51 模数m 2 齿轮宽度B 15 mm 滚珠丝杠直径d 60mm 长度l 2 16m 基本导程l0 12mm 丝杠转速ns 400r min 工作台移动部件总质量W 2000N 最大进给速度为4 8m min 转动惯量的计算式 式中 d 转动体的直径 m B 转动体的宽度 m 齿轮箱减速比i 3 z1 17 z2 51 模数m 2 齿轮宽度B 15 mm 滚珠丝杠直径d 60mm 长度l 2 16m 2 599 10 3 kg m2 扭转刚度的计算 扭转刚度的计算式 式中 d 转动轴的直径 m l 转动轴的变形长度 m G 钢的弹性模量 G 8 1 1010Pa 设电机轴的输出直径dm 25mm 变形长为100mm 滚珠丝杠直径d 60mm 长度l 2 16m 机械系统的总扭转刚度 机械传动系统的扭转刚度引起的主谐振频率为 6 3机电有机结合之二 机电一体化系统动态设计的考虑方法 一 概述 动态设计包括 1 选择系统的控制方式和校正形式 机电伺服系统常用的控制方式有 反馈控制方式前馈和反馈相结合的复合控制方式 机电伺服系统常用的校正方式有 串联校正 反馈校正 前馈校正 校正方式取决于系统中信号的性质 技术方便程度 可供选择的元件 其它性能要求 抗干扰性 环境适应性等 经济性等诸因素 2 设计校正装置 有源校正无源校正 3 将校正装置有效地联接到稳态设计阶段所设计的系统中去 满足系统的各项动态指标 工程上常用对数频率法即借助Bode图 对数频率特性图 和根轨迹法进行设计 二 系统的调节方法 系统三大特性 稳定性快速性准确性 频域性能指标 稳定性指标 稳态误差ess动态性指标 快速性指标 c稳定性指标 c 和Kg g 开环增益越大 系统的稳态误差越小 比 稳态误差小 起始段斜率越大 系统的稳态误差越小 比 稳态误差小 穿越频率 c越大 系统的快速性越好 比 快速性差 相位裕量 c 或幅值裕量Kg g 越大 则系统的稳定性越好 该系统稳定 比 稳定性好 1 PID调节器及其传递函数 常用有源校正网络作为PID调节器 1 比例调节 P 比例校正函数Bode图 2 PI调节 PI校正函数Bode图 设KP 1 3 PD校正 Gc s Kp 1 Tds PD校正Bode图 设KP 1 4 PID校正 PID校正Bode图 L 0 20 90o 0o 90o 2 PID调节作用分析 1 比例调节作用 1 Kp 1 开环增益加大 稳态误差减小 幅值穿越频率增大 系统的快速性提高 系统稳定程度变差 只有原系统稳定裕量充分大时才采用比例控制 2 Kp 1 与Kp 1时 对系统性能的影响正好相反 2 PI调节的作用 系统型次提高 稳态性能改善 相位裕量减小 稳定程度变差 3 PD校正的作用 相位裕量增加 稳定性提高 c增大 快速性提高 Kp 1时 系统的稳态性能没有变化 高频段增益上升 可能导致执行元件输出饱和 并且降低了系统抗干扰的能力 4 PID校正的作用 在低频段 改善了系统的稳态性能 在中频段 有效地提高了系统的动态性能 由于含有微分作用 在要求响应快的系统或噪声比较大的系统不宜采用 3 速度反馈校正 为了改善电机的性能 常采用电流负反馈或速度负反馈 如加入测速发电机进行速度反馈 测速发电机的传递函数为 二阶系统 闭环传递函数为 采用速度反馈校正后 闭环传递函数为 校正前传递函数 超调量增加 系统的稳定程度增加 但快速性降低 校正后的传递函数 局部反馈校正的优点 1 反馈校正所用信号的功率水平较高 不需要放大 2 当 G s H s 1时 局部反馈部分的等效传递函数为 可改善系统性能的目的 三 机械结构弹性变形对系统的影响 由传动装置的弹性变形而产生的振动 称为结构谐振 或机械谐振 当结构谐振频率落到系统工作带宽以内时 将导致系统产生自激振荡而无法工作 或使机构损坏 闭环系统基本上不会受结构谐振的影响 但结构谐振对被控对象的实际运动还是有影响的 2 减小或消除结构谐振的措施 主要是增加传动系统的刚度减小负载的转动惯量合理的结构布置 1 提高传动刚度 方法 2 提高机械阻尼 采用粘性联轴器或在负载端设置液压阻尼器或电磁阻尼器 3 采用校正网络 4 应用综合速度反馈减小谐振 6 4可靠性 安全性设计 一 可靠性设计1 可靠性的基本概念是指产品在规定条件下和规定时间内 完成规定功能的能力 可靠性的概念包含产品的无故障性和耐久性两方面的含义 2 保证产品可靠性的方法 这是提高可靠性的最根本的方法 1 提高产品的设计和制造质量 采取的方法有 裕度法主要对关键性的产品采用 1 裕度法2 自动控制法 裕度法 KR 可靠性储备系数Ylim 某一输出参数Y在极限条件下达到的极值Ymax 某一输出参数Y达到失效时的参数值 当KR 1 称为具有可靠性储备 可靠性储备系数也可按下式计算 Y 为Y值不超过极限范围的概率为 时的值 自动控制 使产品具有自适应 自调整 自诊断甚至自修复的功能 应规定适当的环境条件 维护保养条件和操作规程 以保证产品在使用阶段的可靠性的问题 2 冗余技术 又称为储备技术 它是利用系统的并联模型来提高系统可靠性的一种手段 包括 工作冗余后备冗余 工作冗余 是一种两个或两个以上单元并行工作的并联模型 采用工作冗余时 只有当所有的单元都失效时系统才会失效 后备冗余 又称非工作储备或待机储备 采用后备冗余时 系统必须设置失效检测与转换装置 设计时选择冗余方法的原则 1 失效检测和转换装置的可靠性绝对可靠 则选择后备冗余不绝对可靠 就宁可采用工作冗余法 2 产品性能的要求 必须由多个单元同时完成同一工作的 就不能采用工作冗余法 3 环境条件和工作条件的影响 如温升 系统电源的影响 4 引起失效的可能原因 冗余技术能大大提高由于随机原因引起的失效 但对由于应力所引起的失效无效 如果某一环境条件是使并联各单元失效的共同因素 则冗余单元也不可靠 通常 机械系统常采用裕度法来提高可靠性 电气系统常采用冗余技术来提高可靠性 5 经济上的可行性和产品的体积和重量等因素 3 诊断技术 任务 1 出现故障时 迅速确定故障的种类和位置 2 在故障尚未发生时 确定产品中有关元器件距离极限状态的程度 采用维护措施或进行自动调整 防止发生故障 诊断过程是 1 测试诊断对象 得出诊断信号2 将诊断信号分析得到异常信号3 将异常信号与标准信号进行分析4 确定故障的种类和故障位置 1 测试 是在故障出现之前进行的 在在故障发生之后进行的 诊断测试故障监测 2 征兆 直接征兆间接征兆 直接征兆 在检测产品的输出参数时取得的异常性诊断信号 间接征兆 从那些与产品工作能力存在函数关系的间接参数中取出的异常性诊断信号 3 诊断 将测试取得的诊断信号与设定的标准数据相比较 或利用事先确定的征兆与故障之间的对应关系 来确定故障的种类与部位 裕度法主要是一种改进硬件的措施 自动控制法及冗余技术和诊断技术是用硬件 软件或两者结合来保证产品可靠性的措施 3 干扰和抗干扰措施 1 干扰源 2 抗干扰措施 1 供电系统的抗干扰措施 稳压 滤波 隔离 在可靠性要求很高的地方 可采用不间断电源 UPS 2 接口电路的抗干扰措施 首先采取吸收的方法 抑制其产生 然后采用隔