机电一体化系统设计：第六章 机电一体化系统机电有机结合的分析与设计

1、第六章 机电一体化系统的机电有机结合分析与设计第一节 机电一体化系统的稳态与动态设计第二节 机电有机结合之一 机电一体化系统稳态设计的考虑方法第三节 机电有机结合之二 机电一体化系统动态设计的考虑方法第四节 机电一体化系统的可靠性、安全性设计1以机电伺服系统为例说明机电一体化系统设计的一般考虑方法。位置伺服控制系统和速度伺服控制系统的共同点是通过系统执行元件直接或经过传动系统驱动被控对象，从而完成所需要的机械运动。工程上是围绕机械运动的规律和运动参数对它们提出技术要求的。6-1 机电一体化系统的 稳态与动态设计23设计动态补偿装置，满足动态性能指标。得到较详细的设计方案，结果是近似的，只能作为

2、工程实践的基础。实际电路及实际参数，要通过样机的试验与调试，才能最后确定下来。设计过程：输出参数达到要求执行元件的参数选择功率的匹配和过载能力的验算元件的选择与控制电路设计阻抗的匹配抗干扰措施建立数学模型初步设计方案定量的分析计算稳态设计计算动态设计计算建立系统数学模型计算机仿真4 包括使系统的输出运动参数达到技术要求、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、各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等，为后面动态设计中的校正补偿装置的引入留有余地。稳态设计动态设计经过设计计算后确定的方案，考虑了机电参数的有机结合与匹配，

3、有利于减少盲目性和加快样机的调试与电路参数的确定。为满足人们生活和生产安全、可靠地使用要求，在机电一体化有机结合分析与设计过程中，必须充分注意其可靠性、安全性设计要求。主要是设计校正补偿装置，使系统满足动态技术指标要求;通常要进行计算机仿真，或借助计算机进行辅助设计作用5伺服系统也称之为随动系统，是一种能够跟踪输入的指令进行动作，从而获得精确的位置、速度或力、力矩输出的自动控制系统。大多数伺服系统具有检测反馈回路，因而伺服系统是一种反馈控制系统。它是根据输入的指令值与输出的物理量之间的偏差进行动作控制的，其工作过程是一个偏差不断产生，又不断消除的动态过渡过程。调节元件执行元件被控对象测量、反馈

4、元件输入指令输出量控制器伺服系统基本结构方框图比较元件6电气控制装置部分机械执行装置部分 在控制信号传递路线上，以执行元件作为接口 在反馈信号传递路线上，以传感器作为接口由两部分组成：电气控制装置机械执行装置执行元件传感器伺服系统组成伺服系统是机电一体化产品的一个重要组成部分，而且往往是实现某些产品目的功能的主体。伺服系统离不开机械技术和电子技术的综合运用，其功能是通过机电结合才得以实现的，因此，它本身就是一个典型的机电一体化系统。76-1 机电有机结合之一 机电一体化系统的稳态设计考虑方法位置速度控制系统的被控对象作机械运动时，该被控对象就是系统的负载，与系统执行元件的机械传动联系有多种形式

5、。机械运动是组成机电一体化系统的主要组成部分，它们的运动学、动力学特性与整个系统的性能关系极大。一、典型负载81. 典型负载分析(1)典型负载 惯性负载 外力负载为便于分析，将具体的负载分解为几种典型负载，使定量设计计算得以顺利进行 弹性负载 摩擦负载负载分析的目的：获得负载的综合定量数值，为选择与之匹配的执行元件及进行动态设计分析打下基础。9被控对象的运动，有的是直线运动或旋转运动等；执行元件与被控对象有直接连接的，也有通过传动装置连接的。执行元件的额定转矩(或力、功率)、加减速控制及制动方案应与被控对象的固有参数(如质量、转动惯量等)相匹配。因此，要将被控对象相关部件的固有参数及其所受的负

6、载(力或转矩等)等效换算到执行元件(k)的输出轴上，即计算其输出轴承受的等效转动惯量和等效负载转矩(回转运动)或计算等效质量和等效力(直线运动)。 2.负载的等效换算10如图工作台伺服进给系统，有m个移动部件和n个转动部件组成， 分别为移动部件的质量、运动速度和所受的负载； 分别为转动部件的转动惯量、转速和负载转矩 111) 求等效转动惯量Jkeq。该系统运动部件的动能总和为设等效到执行元件输出轴上的总动能为由于E=Ek故用工程上常用的单位，可将上式改写为(6.1)(6.2)(6.3)(6.4)式中：nk_执行元件的转速(r/min)122) 求等效负载转矩Tkeq。设上述系统在时间t内克服负

7、载所作功的总和为同理，执行元件输出轴在时间t内的转角为由于W=Wk故用工程上常用的单位，可将上式改写为(6.5)(6.6)(6.7)(6.8)则执行元件所作的功为133) 计算举例。求等效到电动机轴上的等效转动惯量Jmeq和等效转矩Tmeq解：1)求Jmeq ，根据式(6.4)可得因为14所以2）求Tmeq，根据式(6.8)可知15伺服系统由若干元部件组成应尽可能选用标准化元部件拟定系统方案时，首先确定执行元件的类型，然后根据技术条件的要求进行综合分析，选择与被控对象及其负载相匹配的执行元件。下面以电动机的匹配选择为例简要说明执行元件的选择方法匹配选择原则：总原则：与被控对象的需要相适应。电动

8、机的额定转速n基本上是所需最大转速电动机的额定转矩T应大于所需最大转矩，即二、 执行元件的匹配选择16系统执行元件的转矩匹配系统执行元件的功率匹配过热保护系数过载保护系数验算如冗余量大，易使执行元件价格高，系统成本升高，市场竞争力下降，在使用时，易造成浪费；执行元件的参数值偏低，将达不到使用要求。所以，应选择与被控对象的需要相适应的执行元件。二、 执行元件的匹配选择17(1) 系统执行元件的转矩匹配设等效到电动机输出轴上的负载转矩为Tmeq，等效惯性负载转矩为T惯，则电动机轴上的总负载转矩为考虑到机械的总传动效率时，则为保证带负载能正常的起动 和定位停止，步进电动机的起动和制动转矩Tq应满足下

9、列要求(6.9)(6.10)(6.11)181920 （a）过热验算 对于连续工作负载不变的电动机，要求在整个转速范围内，负载转矩在额定转矩范围内。选择电动机应满足 式中 TN电动机额定转矩（Nm）； 折算到电动机轴上的负载方均根转矩(Nm)； t电动机工作循环时间； TLa折算到电动机转子上的等效惯性转矩； TLF折算到电动机上的摩擦力矩。21a)b)变转矩加减速控制计算模型一般伺服系统的计算模型。根据电动机发热条件的等效原则，这种三角形转矩波在加减速时的方均根转矩TLr 由下式近似计算 式中 tp个负载工作周期的时间， 即tp=t1+t2+t3+t4。Nm22常用的矩形波负载转矩、加减速计

10、算模型，其TLr由下式计算Nm2324（b）转矩过载验算 转矩过载校核的公式为 而 式中 折算到电动机轴上的最大负载力矩； 电动机输出转矩的最大值(过载转矩)； TN 电动机的额定力矩； km 电动机的转矩过载系数。对直流伺服电动机，一般取km2.02.5；对交流伺服电动机，一般取km1.53。25目的:可最终获得被控制对象的运动规律和运动速度要求。（1）减速比匹配选择的一般原则要求在第2章中，提到了机械传动减速比的分配原则 三、减速比的匹配选择与各级减速比的分配 转动惯量最小原则重量最轻原则传动误差最小原则综合考虑确定各级传动的减速比 26既要满足被控制对象的调速范围并在一定条件下综合指标参

11、数达到最佳，也要满足脉冲当量（分辨率）与进给角间的响应关系和在一定条件下输出转速最大或输出转矩最大等要求。本节提到的减速比匹配及分配，是以满足控制对象的运动特性、加速特性和动力特性为准则，即依据负载特性、脉冲当量（分辨率）、特殊要求等综合分析选择确定。27（2）各级减速比的分配原则与方法 1）按加速度最大原则选择减速比当要求输入信号变化快、响应快、加速度大时，应按下式决定减速比 i：282）按最大输出速度原则选择减速比在输入速度信号近似恒速时，有加速度最小，可按下式确定减速比 i ：3）满足脉冲当量、步距角、丝杠基本导程匹配关系选择减速比4）减速器输出轴转角误差最小原则选择减速比即 最小原则：

12、295）按速度和加速度规定要求选择减速比在速度和加速度有要求时，除按加速度最大原则选择减速比外，还应依据负载最大角速度与电机输出角速度之间的关系，最终确定减速比。注意：应用上述方法确定机械传动部分的减速比，不能单一应用某一种方法，应用多种方法，综合分析，结合被控制对象的具体情况，在依据减速比的分配原则（2章），最终确定机械传动总减速比和各级减速比。302.2.2.齿轮传动链的级数和各级传动比的选择 总原则：尽量采用较大传动比的单级传动多级传动时，各级传动比的分配遵循如下原则：1、重量最轻原则 小功率传动时， i 的分配各级相等； 大功率传动时， i 的分配先大后小。2、输出轴转角误差最小原则

13、传动比i 的分配先小后大，并且提高末一级齿轮副的精度，使输出轴转角误差最小。3、最小等效转动惯量原则 传动比 i 的分配先小后大，级数越多等效转动惯量越小，但级数太多时，结构复杂化，并且等效转动惯量降低不明显。对数减少传动精度提高31伺服系统的稳态设计从两头入手，一方面从系统应具有的输出能力和要求出发，选定执行元件和传动装置；另一方面是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。最后通过动态设计计算，设计适当的校正补偿装置、完善电源电路及其它辅助电路，从而达到机电一体化系统的设计要求。32初步方案逐步具体化：从系统总体要求出发，考虑相邻部分的广义接口、信号的有效传递、输入输

14、出的阻抗匹配等，四、检测传感装置、信号转换接口电路、 放大电路及电源等的匹配选择与设计 信号处理与转换、功率放大与驱动、系统电源匹配等。 信号检测、信号处理与误差传递、动态计算与调整电路设计（正补偿设计、辅助电路设计）等。 最终使系统在输入信号作用下，其输出具有收敛特性。331.检测传感器的精度、不灵敏区等要适应系统整体的精度要求，在系统的工作范围内，其输入输出应具有固定的线性特性，信号的转换要迅速及时，信噪比要大，装置的转动惯量及摩擦力矩尽可能小，性能要稳定可靠等。2.信号转换接口电路应尽量选用商品化的集成电路，要有足够的输入/输出通道，不仅要考虑与传感器输出阻抗的匹配，还要考虑与放大器的输

15、入阻抗符合匹配要求34磁栅位移传感器光电编码传感器测速发电机速度传感器光电脉冲转速传感器35压电式加速度传感器空气阻尼式加速度传感器应变片测力传感器光栅传感器的工作原理节距2（2mm）节距（0.5mm）绝缘粘胶铜箔铝箔耐切削液涂层基板(钢、铜)滑尺定尺同步感应器的工作原理364.伺服系统的能源（特别是电源）支持3.放大电路：通常分为信号处理与功率放大（提高信号品质为主），功率放大（增大能量为主）两类1）功率输出级必须与所用执行元件匹配2）放大器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）输入级应能与检测传感装置相匹配5）放大器应有足够的放

16、大倍数，其特性应稳定可靠，便于调整应尽可能地做到电源的输出类型要少，在电源参量输出具有足够稳定性（电压、频率）；防止外界干扰信号的进入和电源波动、掉电、欠压、过流、短路等非正常品质电源的输入对系统的影响。常用措施：滤波、隔离、屏蔽干扰信号；稳压、限压、限流、断电保护和短路保护。3738在稳态设计的基础上，利用所选元、部件的有关参数，可以绘制出系统框图，并根据自动控制理论基础课程所学知识建立各环节的传递函数，进而建立系统传递函数。分析在不同控制方式下工作台闭环伺服进给系统传递函数的建立方法。 1.半闭环控制方式:五、系统数学模型的建立及主谐振频率的计算39滚珠丝杠传动半闭环控制系统框图 Ka前置

17、放大器增益；KA功率放大器增益；Kv速度反馈增益； Tm直流伺服电机时间常数；i1、i1减速比；Kr位置传感器增益； Vi(s)输入电压的拉式变换；i(s)丝杠输出转角的拉式变换。 1）无外界干扰时的传递函数数学模型402）有外界干扰时的传递函数数学模型 附加扰动力矩（电压VD表示）的系统框图附加扰动力矩等效电压后的系统框图 412 全闭环控制系统传递函数数学模型：4243444546对于带非刚性轴的传动系统，上述完整的传递函数必然是高阶的。而在控制系统应用中，往往感兴趣的是机械传动系统的主谐振频率。 3. 工作台进给系统的主谐振频率机械传动系统的简化47式中： K为机械传动系统的总扭转刚度（

18、 Nm/rad） Jeqm为机械传动系统等效到电动机轴上的总转动惯量（kg.m2） Jeq为轴、转动惯量以及工作台总质量m等效到电动机轴上的总转动惯量（kg.m2） JI为轴I上运动零部件的转动惯量（kg.m2）机械传动系统的主谐振频率48495051525354小 结本小节掌握的主要内容是通过对系统负载和传动系统分析匹配，执行元件和传感元件等的合理选用与匹配设计，采用一定的总体设计方法和步骤，最终得到系统的传递函数稳态设计的数学模型。55 第三节 机电有机结合之二 机电一体化系统的动态设计考虑方法方 法： 稳态设计所建立的数学模型（传递函数）选择系统的控制方式和校正（或误差补偿）形式定量计算

19、分析找到所需补偿装置的对数幅频特性设计校正装置有效地连接到稳态设计阶段所设计的系统中去，达到稳定工作和满足被控制对象的各项动态指标要求。目 的：在稳态设计的基础上，保证系统的动态稳定性、过渡过程的品质（响应特性、振荡特性等）、动态稳定精度，动态响应特性等指标。一、机电伺服系统的动态设计561.反馈控制系统）定义：具有被控变量负反馈的闭环调节系统） 特点：按偏差进行调节 调节量小，失调量小 能随时了解被控变量变化情况 输出影响输入（闭环）存在问题： 必须有偏差才能进行调节，调节作用落后于干扰作用 调节不及时，被控变量总是变化的572、前馈控制系统：）问题提出：反馈系统最大缺点，在干扰作用下，必须

20、形成偏差，才能进行调节（或偏差即将形成）那么能否在干扰作用发生后，在未影响被控变量时，就开始调节，使被控变量保持不变。）定义：是按干扰进行调节的开环调节系统，在干扰发生后，被控变量未发生变化时，前馈控制器根据干扰幅值，变化趋势，对操纵变量进行调节，来补偿干扰对被控变量的影响，使被控变量保持不变的方法。3) 特点: 按干扰进行控制，控制及时，精度高。 仅仅对前馈量有控制作用 不能随时了解被控变量变化情况 输出影响输入（开环）58二、伺服系统的调节方法 （1）伺服系统动态稳定性分析与过渡过程 对于任何系统，动态稳定过程主要有三种情况。 即：指数规律上升平稳地趋于稳定值，系统输出发散没有稳定值，系统

21、输出振荡最终能趋于稳定值。 具体表征系统动态特性好坏的定量指标就是系统过渡过程的品质指标。在时域内，这种品质指标一般用单位阶跃响应过渡过程曲线的参数来表示。591）动态稳定过程的特点： 系统动态稳定性设计的主要指标是系统的稳态误差和系统在过渡阶段的性能参量。上述三种情况各有其特点。 第一种情况：系统直接趋于稳定，刚性大（加速度大），无振荡环节，系统过渡阶段误差大，不利于系统性能参量的调节。 第二种情况：系统振荡发散不稳定。 第三种情况：系统振荡收敛逐步衰减区域稳定，系统刚性较小，但惯量较大，过渡阶段误差教小，利于系统性能参数的调节匹配。 鉴于第三种情况的控制系统，最能保证系统稳定（硬件和软件保

22、证），利于系统性能参量的调节匹配，系统过渡阶段误差最小的控制系统，在实际应用的控制系统中最为常见。602）动态系统过渡阶段的主要性能指标动态特性参量或指标：上升时间Ts；延滞时间Ty；调整时间Tt；最大超调量%，如图所示。 61（2）伺服系统动态稳定性校正方法 若静态设计的控制系统性能不稳定或稳定系统的主要性能指标（过渡阶段和稳定阶段）不能满足使用要求。采取的主要措施是：第一步，设计调节器（校正器），调节系统稳态性能参数；第二步，设计反馈控制器，改善系统稳态性能参数。目的:达到系统的使用要求稳态和动态指标。尽管可用于系统调节和校正的理论（数学模型）方法和手段较多，但在实际应用控制系统中，应用最

23、为广泛和简单的是PID调节器。下面针对PID调节器的应用特点学习调节器的设计和使用方法。62(1) PID调节器及其传递函数图 6.15 有源调节器调节类型所对应的图传递函数备注Pa)Ib)PIc)PIDd)631）PID调节器及其传递函数（含调节电路） PID调节器无源阻容式调节器和有源阻容式调节器。 无源阻容式调节器具有结构简单，无须提供外界电源等特点，但存在衰减较大、不易与系统的其它环节相匹配，应用受到一定的限制。 有源阻容式调节器主要运算放大器与阻容电路组成。通过合理的配置，可达到不但能改善系统的稳定性能，也能改善系统动态性能的能力。有源阻容式调节器的电路构成64PID调节器的传递函数

24、和特点： a ) 比例( P )调节传递函数：Gc(s) = Kp= R2 /R1 特点：调节作用主要取决于增益Kp的大小 ，Kp值越大调节作用越强，但存在调节误差，且当Kp值太大时，可能引起系统不稳定。因此，对于干扰较大、惯性也较大的系统，不宜单独采用比例(P)调节。b ) 积分( I )调节传递函数：Gc(s) = 1/( Ti s )= 1/( R1C s ) 特点：可以减少或消除调节误差，但响应慢，因而较少单独使用。65c ) 比例积分Gc(s) = KP 1+1/(Ti s ) 其中：KP =R2/R1；Ti = R2C。特点：既克服了单纯比例( P )调节存在调节误差的缺点，又避免

25、了积分( I )调节响应慢的弱点，即稳态和动态特性都得到了改善，所以应用比较广泛。 PID调节器的传递函数和特点：66 d ) 比例积分微分( PID )调节传递函数：Gc(s) = KP1+1/(Ti s ) +Td s 其中：KP =(R1C1+R2C2)/( R1 R2)； Ti = R1C1 +R2C2； Td = R1C1R2C2/(R1C1+R2C2)。特点：不但能改善系统的稳定性能也能改善系统动态性能，它比( PI )调节能使系统具有更好的稳定性能和动态性能。但是，由于含有微分环节，在噪声比较大或系统要求响应快时，不宜采用PID调节。67在实际工程应用中，有源的PID调节器校正与

26、误差调整方法，通常不是依靠理论计算来确定系统参数的，而是通过观察输出响应波形是否满足使用要求，先调整比例时间常数KP；被控物理量在目标值附近振荡，首先加大积分时间 I ，如仍有振荡，可适当减小比例增益数KP；被控物理量在发生变化后难以恢复，首先加大比例增益 P ，如果恢复仍较缓慢，可适当减小积分时间 I ，还可加大微分时间 D。反复调整直到所观察到的输出波形能满足使用要求的输出波形为止，便可确定PID调节器控制的系统参数 PID调节器使用调整方法：68(2) PID调节器的控制作用基本控制作用有三种基本形式：比例作用、积分作用和微分作用m为调节器的输出；e为偏差信号；Kp为比例增益；Ti为积分

27、时间常数；Td为微分时间常数6970（3）PID调节器对伺服系统的调节校正性能分析 对于如图所示的典型闭环伺服控制系统，在有效输入信号和外界干扰信号作用下，为改善系统的性能，选择适合系统控制的调节器。PID调节器的目的：是使系统输出误差（与目标参量相比）最小和在外界干扰作用下产生输出误差最小。71典型闭环系统传递函数的构成在输入和干扰信号同时作用下，传递函数：在输入信号作用下，系统的传递函数：在干扰信号作用下，系统的传递函数：72（4）PID调节器对闭环控制系统性能改善的实例分析对闭环控制系统性能改善分析： 1）调节器为比例调节（P）输入信号与输出信号的传递函数：干扰信号与输出信号的传递函数：

28、闭环响应的传递函数：如图闭环控制系统，假设 ； ； ； ；A=1；比例调节器的比例系数 K0 = 1.5（无调节时，K0 = 1）。 73有无比例调节器时的性能比较 代入闭环控制系统各部分（元件）的性能参数有：（无比例调节器时为： ）；（无比例调节器时为： ）；（无比例调节器时为： ）；（无比例调节器前为： ）；（无比例调节器前为： ）； 系统总的响应为： 则有：74性能改善：由系统响应推导和响应仿真比较结果得出，闭环响应仍为一阶滞后，但时间常数比未加入调节器前的时间常数小，说明闭环系统响应快。 无PID调节的系统响应有PID调节的系统响应 75比例调节的特点： a) 当干扰信号为阶跃信号（幅

29、值为D0）时，拉氏变换D(s)=D0/s，依据拉氏变换终值定理，系统处于稳态(t)时，扰动信号输出，即误差Cssd为：表明系统在干扰信号的作用下，其输出全为误差，误差值大小由系数K2和幅值D0决定。b) 当输入信号也为阶跃信号（幅值为R0）时，其拉氏变换为R(s)=R0/s，依据拉氏变换的终值定理，系统处于稳态(t)时，输入信号输出，即误差Cssr为： 表明系统在输入信号作用下，其输出稳态值大小由系数K1和幅值R0决定。当K1=1时，即A=(1+K0KvKpKh)/( K0KvKp)，系统输出与目标值相等。 762）调节器为积分调节（I） 其闭环响应输出信号为：通过计算可知，积分调节闭环系统对

30、干扰信号为阶跃信号时的稳态响应为零，表明外界干扰信号不会影响系统的稳态输出。若输入信号的目标值也为阶跃信号时，闭环系统所具有的稳态输出为： 当A=Kh时，闭环系统输入阶跃信号的稳态输出信号为Cssr= R0，表明系统稳定输出等于目标输出。 77积分调节器的特点 : 积分调节器构成的闭环系统可完全消除误差，但是所需时间一般较长，系统响应慢。即调节器输出值与误差的存在有关，输出值随时间的推移逐渐增大，直到消除误差趋于稳态输出，达到稳态输出时的时间值与所存在误差值的大小有关，误差值越大，所需的时间越长；反之，则小。3）调节器为比例积分调节（PI） 闭环响应输出信号为：78比例积分调节（PI）的特点：

31、比例积分调节闭环系统对干扰信号为阶跃信号时的稳态响应为零，表明外界干扰信号不会影响系统的稳态输出。若输入信号的目标值也为阶跃信号时，闭环系统所具有的稳态输出为： 当A=Kh时，闭环系统输入阶跃信号的稳态输出信号为Cssr= R0，表明系统稳定输出等于目标输出。最大的特点是在改善闭环控制系统瞬时响应的同时，即可降低单纯比例调节存在的稳态误差，有可提高积分调节的响应速度。因而得到广泛的应用。 794）调节器为比例积分微分调节（PID） PID调节器的调节过程： 调整比例调节和微分调节提高系统的响应速度和动态过程过渡阶段的响应特性品质。 通过积分调节消除干扰信号产生的误差输出。 调节环节中微分调节（

32、D）的作用是调节系统动态过程过渡阶段响应特性的品质（减小超调量）。 重复上述过程，直到控制系统动态性能指标和稳态性能指标达到要求为止。80积分比例微分被控对象r(t) +u(t)c(t)e(t)PID控制器PID调节原理： P（Proportional）：控制信号的强弱及响应速度 I（Integral）：消除稳态误差，提高控制精度 D（Differential）：减小超调，提高动态特性及控制精度PID调节器传递函数：81（4）速度反馈校正（测速发电机局部负反馈）电机处于低速运转时，所带动的工作台往往会产生“爬行现象”，若系统功率放大增益线性相当差（非线性因素的作用），这种现象相当明显。为了改善

33、和提高系统的稳定性能，在控制系统中常采用电流负反馈或速度负反馈来提高系统低速稳定性。如图所示二阶速度负反馈控制系统。 J等效转动惯量；F等效粘性摩擦系数；K系统开环增益。 无负反馈时传递函数有负反馈时传递函数82系统有/无测速发电机负反馈的系统仿真 有测速发电机负反馈后，系统阻尼增加，系统的超调量明显减小，系统的相对稳定性得到了较大的提高。 83三、机械结构弹性变形对系统的影响简介 任何机械系统都是质量弹性振动系统。存在固有频率，一旦系统振荡频率接近机械系统的固有频率，机械系统将发生共振，损坏零部件。为了避开共振对机械系统的影响，常采用的方法：（1）依据机械系统的结构、尺寸大小、材料和承受的外

34、载荷等情况，应用结构力学、材料力学、振动力学、弹性力学等相关的理论知识，建立相应的数学模型，机械振动系统的运动和动力学方程。84 （2）依据机械振动系统的运动和动力学方程，从机械系统弹性变形出发简化系统，建立弹性变形时机械系统的运动和动力传递结构框图。 （3）由机械系统运动和动力传递结构框图，写出机械系统运动和动力传递的控制等效框图。 （4）建立机械系统的传递函数。 （5）应用根轨迹法等，对系统的传递函数进行因式分解，并分析系统的结构谐振频率分量，评价和判断系统的结构谐振频率分量是否对机械系统的控制频带产生影响，若系统存在自激振荡现象，应采取相应地措施避开自激振荡，从而使系统工作稳定可靠。85

35、(1) 机械传动间隙理想的齿轮传动的输入和输出转角之间是线性关系，即实际上，由于减速器的主动轮和从动轮之间间隙的存在和传动方向的变化，齿轮传动的输入转角和输出转角之间呈滞环特性，如图6.29所示图6.29 齿侧间隙三、机械结构弹性变形对系统的影响简介 86图6.30 多级齿轮传动已知：i1,i2, i3，1, 2, 3, R为主动轴，C为从动轴将所有的传动间隙都折算到输出轴C上，其总间隙如果将其折算到输入轴R上，其总间隙（6.64）（6.65）可见，最后一级齿轮的传动间隙 3影响最大为了减小间隙的影响，除尽可能地提高齿轮的加工精度外，装配时还应减小最后一级齿轮的传动间隙。多级齿轮传动中，各级齿

36、轮间隙的影响是不相同的，现以三级传动为例加以说明.87(2) 传动间隙的影响齿轮传动装置在系统中的位置不同，其间隙对伺服系统的影响也不同图6.31 传动间隙在闭环内的结构图闭环之内的动力传动链(G2)齿轮传动间隙影响系统的稳定性，不影响系统的精度2) 反馈回路上的传动链(G3)齿轮传动间隙既影响系统的稳定性 又影响系统的精度88可靠性-指“产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力”。“完成规定功能” ：是指能够连续地保持产品的工作能力，使各项技术指标符合规定值。如果产品不能完成规定功能，就称为失效。对于可修复的产品，也可称为故障。由平均无故障时间MTBF (Mean Time Betw

37、een Failure)标定。总的来看，可靠性的概念包括无故障性和耐久性两方面的含义。6.4 机电一体化系统的可靠性、安全性设计一、 可靠性设计无故障性 指产品在某一时期内（某一段工作时间内），连续不断 地保持其工作能力的性能。 耐久性 指产品在整个使用期限内和规定的维修条件下，保持其工 作能力的性能。892. 保证系统 (产品)可靠性的方法根本方法：提高产品的设计和制造质量，它的作用是消除 故障于发生之前，或者降低故障率。具体方法： 裕度法 自动控制法 冗余技术：掩蔽法 诊断技术：暴露法主要是一种改进硬件的措施用硬件、软件或两者相结合来保证产品可靠性的措施90例：某机电一体化产品的MTBF

38、高达 1000小时，保修半年。试说明该种产品可能出现故障的情况。答：产品故障少的就是可靠性高，产品的故障总数与寿命单位总数之比叫“故障率”（Failure rate），常用表示， MTBF=1/ 。该机电一体化产品的MTBF 高达 1000小时，并不是说该产品每个均能工作1000小时不出故障。由MTBF=1/可知=1/MTBF=1/1000h，即一小时内，该产品的平均故障率为0.1%，一小时内，平均1000个产品有1个会出故障。 91冗余技术：又称储备技术，是利用系统的并联模型来提高系统可靠性的一种手段。表现：它可以在故障发生之后把故障造成的影响掩蔽起来，使产品在一定时间内继续保持其工作能力，

39、是一种掩蔽法。冗余方法分类：工作冗余和后备冗余选择冗余方法的原则：采用冗余技术必须在充分进行可靠性分析的基础上采用，包括分析 1. 引起失效的真正原因 2. 经济上的可行性和产品的体积和重量等因素机械系统很少采用冗余技术，而常采用裕度法来提高可靠性。作用：推迟产品失效的时间基本思想：通过可靠性分析找出系统失效率高的薄弱环节，对此环节进行冗余结构设计，以此保证整个系统的可靠性。92诊断技术：是一种检测技术。用来取得有关产品中产生的失效(故障）类型和失效的位置信息。表现：它可以把已经出现的或将要出现的故障及时暴露出来，以便迅速修复。是一种暴露法。作用：及时发现故障，以便缩短修理时间，提高产品的有效

40、度。测试分类：1. 诊断测试故障出现之后 2. 故障监测故障发生之前 诊断过程：测试，取得诊断信号分离出症兆诊断症兆：表征故障种类与位置的异常性信号。可分为两类：1. 直接症兆检测产品整机或元部件的输出参数时取得的2. 间接症兆检测与产品工作能力存在函数关系的间接参数时取得的 诊断：将测试取得的诊断信号与标准数据比较，或利用事先确定的症兆与故障之间的对应关系，来确定故障的种类与部位。93自动控制：利用机电一体化技术的优势，使系统 (产品)具有自适应、自调整、自诊断甚至自修复的功能，可以大大提高系统 (产品)的可靠性。在设计阶段就应规定适当的环境条件、维护保养条件和操作规程。系统结构应具有良好的

41、维修性，如易损件应便于更换、故障应便于诊断、容易修复等。943.系统干扰和提高抗干扰能力的措施干扰的定义 干扰是指对系统的正常工作产生不良影响的内部或外部因素。从广义上讲，机电一体化系统的干扰因素包括电噪声干扰、温度干扰、湿度干扰、声波干扰和振动干扰等等。 电噪声干扰是指在工作过程中受环境因素的影响，出现的一些与有用信号无关的，并且对系统性能或信号传输有害的电气变化现象。 2）形成干扰的三要素 干扰源：产生干扰信号的设备被称为干扰源，如变压器、继电器、微波 设备、电机、无绳电话和高压电线等都可以产生空中电磁信号 传播途径：干扰信号从干扰源到接收载体的渠道。 干扰对象：指受影响的设备的某个环节吸

42、收了干扰信号，并转化为对系统造成影响的电气参数。 95供电干扰：从交流供电网传来的干扰信号可影响电源电压的稳定性，并经过整流电源窜入控制器。强电干扰：驱动电路中的强电元件如继电器、电磁铁和接触器等感性负载，在断电时会产生过电压和冲击电流。不仅影响驱动电路本身，通过电磁感应干扰其他信号线路。这种干扰信号能通过外部接口通道影响控制器内部I/O接口的状态，并通过I/O接口进入控制器。 干扰渠道示意图96辐射干扰：系统附近或系统中的感性负载是最常见的干扰源，它的开、停会引起电磁场的急剧变化，其触点的火花放电也会产生高频辐射。 接地干扰：接地干扰是由于接地不当、形成接地环路产生的。形成的电位差会产生一个

43、显著的电流而干扰电路的低电平。由于接地点远而形成的环路，因为不同位置的接地点一般不可能电位相同，因此形成图中所示的地电位差是采用公用地线串联接地而形成的环路，由于各设备负载不平衡、过载或漏电等原因，可能在设备之间形成电位差；97供电系统的抗于扰措施：针对交流供电网络这个干扰源所采取的抗干扰措施主要是稳(稳压)、滤(滤波)、隔(隔离)。 增加电子交流稳压器：在直流稳压电源的交流进线侧增加电子交流稳压器、用来稳定220V单向交流进线电压增加低通滤波器，用来滤去电源进线中的高频分量或脉冲电流加入隔离变压器:阻断干扰信号的传导通路，抑制干扰信号的强度2）提高系统抗干扰能力的措施针对不同类型的干扰信号，

44、采取的抗干扰措施也有所不同。98接口电路的抗干扰措施：在控制器与执行元件之间的驱动接口电路中，首先是采取吸收的方法抑制其产生，然后采取隔离的方法，阻断其传导。转换接口抵消隔离措施：差动式运算放大器或桥式电路、高频滤波整形电路。接地系统干扰措施：单点接地、并联接地、光电隔离接地采用光99100101常用的抗干扰措施 屏 蔽屏蔽:指利用导电或导磁材料制成的盒状或壳状屏蔽体，将干扰源或干扰对象包围起来，从而割断或削弱干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。可分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。 电场屏蔽:消除或抑制由于电场耦合引起的干扰。 磁场屏蔽:消除或抑制由于磁场耦合引起的干扰。 如图A所示

45、的变压器，在变压器绕组线包的外面包一层铜皮作为漏磁短路环。 在如图B所示的同轴电缆中，为防止信号在传输过程中受到电磁干扰，在电缆线中设置了屏蔽图B 同轴电缆示意图图A 变压器的屏蔽 102 隔离 1.光电隔离:以光作为媒介在隔离的两端之间进行信号传输的，所用的器件是光电耦合器。具有较强的隔离和抗干扰能力。 图C所示为一般光电耦合器组成的输入/输出线路。既可以用作一般输入/输出的隔离，也可以代替脉冲变压器起线路隔离与脉冲放大作用。 由于光电耦合器具有二极管、三极管的电气特性，使它能方便地组合成各种电路；又由于它靠光耦合传输信息，使它具有很强的抗电磁干扰的能力，因而在机电一体化产品中获得了极其广泛

46、的应用。图C 光电隔离1032.变压器隔离对于交流信号的传输,一般使用变压器隔离干扰信号的办法。隔离变压器也是常用的隔离部件，用来阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰信号的强度,如图D所示的变压器耦合隔离电路。隔离变压器把各种模拟负载和数字信号源隔离开来，也就是把模拟地和数字地断开。传输信号通过变压器获得通路，而共模干扰由于不形成回路而被抑制。图D 变压器隔离 共模干扰往往是指同时加载在各个输入信号接口端的共有的信号干扰 104带多层屏蔽的隔离变压器:当含有直流或低频干扰的交流信号从一次侧端输入时，根据变压器原理，二次侧输出的信号滤掉了直流干扰，且低频干扰信号幅值也被大大衰减，从而达到了抑制

47、干扰的目的。另外，在变压器的一次侧和二次侧线圈外设有静电隔离层S1和S2，其目的是防止一次和二次绕组之间的相互耦合干扰。变压器外的三层屏蔽密封体的内、外两层用铁，起磁屏蔽的作用；中间层用铜，与铁心相连并直接接地，起静电屏蔽作用。这三层屏蔽层是为了防止外界电磁场通过变压器对电路形成干扰而设置的，这种隔离变压器具有很强的抗干扰能力。图E 多层隔离变压器 1053.继电器隔离 继电器线圈和触点仅有机械上的联系，而没有直接的电的联系，因此可利用继电器线圈接收电信号，而利用其触点控制和传输电信号，从而可实现强电和弱电的隔离（如图F所示）。同时，继电器触点较多，且其触点能承受较大的负载电流，因此应用非常广

48、泛。图F 继电器隔离106 滤 波 滤波是抑制干扰传导的一种重要方法。由于干扰源发出的电磁干扰的频谱往往比要接收的信号的频谱宽得多，因而当接收器接收有用信号时，也会接收到那些不希望有的干扰。 图为计算机电源采用的一种LC低通滤波器的接线图。图G 低通滤波器107图(a)所示为触点抖动抑制电路，对抑制各类触点或开关在闭合或断开瞬间因触点抖动所引起的干扰是十分有效的。 图(b)所示电路是交流信号抑制电路，主要用于抑制电感性负载在切断电源瞬间所产生的反电势。这种阻容吸收电路可以将电感线圈的磁场释放出来的能量转化为电容器电场的能量储存起来，以降低能量的消散速度。 图(c)所示电路是输入信号的阻容滤波电

49、路，类似的这种线路既可作为直流电源的输入滤波器，也可作为模拟电路输入信号的阻容滤波器。图H 干扰滤波电路 108 接地 1.一点接地 图I所示是并联一点接地方式。这种方式在低频时是最适用的，因为各电路的地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关，不会因地电流而引起各电路间的耦合。这种方式的缺点是需要连很多根地线，用起来比较麻烦。图I 并联一点接地109多点接地所需地线较多，一般适用于低频信号。若电路工作频率较高，电感分量大，各地线间的互感耦合会增加干扰。如图J所示，各接地点就近接于接地汇流排或底座、外壳等金属构件上。2. 多点接地图J 多点接地 1103.地线的设计机电一体化系统设计时要综合考虑各种地线的布局和接地方法。图K所示是一台数控机床的接地方法。 图K 数控机床的接地 111 软件抗干扰设计1.软件滤波用软件来识别有用信号和干扰信号并滤除干扰信号的方法称为软件滤波。识别信号的原则有三种：（1）时间原则 （2）空间原则 （3）属性原则 1122.软件“陷阱” 从软件的运行来看，瞬时电磁干扰可能会使CPU偏离预定的程序指针，进入未使用的RAM区和ROM区，引起一些莫名其妙的现象，其中死循环和程序“飞掉”是常见的。为了有效地排除这种干扰故障，常采用软件“陷阱”法。 这种方法的基本指导思想是，把系统存储器（RAM和ROM）中没有使用的单元用某一种重新启动的代码指令填满，作为软件“陷阱