机电一体化系统设计总

1、课程说明,第一章 绪论 第二章 机械系统设计 第三章 传感器检测及其接口电路 第四章 控制电机及其选择计算 第五章 工业控制计算机及其接口技术 第六章 机电一体化系统设计及应用举例,第1章 绪论,1.1 机电一体化的定义 1.2 机电一体化系统的功能要素 1.3 机电一体化系统的相关技术 1.4 机电一体化系统设计的目标与方法 1.5 本课程的目的和要求,1.1 机电一体化的定义,一 、机电一体化的定义 1971年起源于日本。 机械学（Mechanics）+ 电子学（Electronics） = 机电一体化 或 机械电子工程（Mechatronics）,机电一体化技术,机械技术（机械学、机构学

2、）,微电子技术（半导体、IC、LSI）,1.1 机电一体化的定义,一、 机电一体化的定义 定义：机电一体化技术是从系统工程观点出发，应用机械、电子、信息等有关技术，对它们进行有机的组织和综合，实现了整体的最佳化。 它不是机械与电子的简单的叠加，而是在信息论（利用传感技术）、控制论（利用控制理论）和系统论（“系统”整体筹划，机械和电子分别只是“环节”）的基础上建立起来的应用技术。 ,1.2 机电一体化的基本功能要素,1.2 机电一体化的基本功能要素,1.2 机电一体化的基本功能要素,一、机械本体 主要功能是使构造系统的各子系统、零部件按照一定的空间和时间关系安置在一定位置上，并保持特定的关系。包

3、括机械结构装置和传动装置。 二、动力单元 按照机电一体化系统的控制要求，为系统提供动力和能量以保证系统正常运行。用最小的动力输入获得尽可能大的功能输出。,1.2 机电一体化的基本功能要素,三、传感检测单元 主要功能是对系统运行过程中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，并转换成可识别信号，传输到控制信息处理单元，经过分析、处理产生相应的控制信息。由传感器和仪器仪表组成。,1.2 机电一体化的基本功能要素,四、执行单元 根据控制信息和指令完成所要求的动作。执行单元是运动部件，根据机电一体化系统的匹配要求，需要改善执行机构的工作性能，如提高刚性，减轻重量，实现组件化、标准化和系列化，以提

4、高系统整体工作可靠性等。,1.2 机电一体化的基本功能要素,五、驱动单元 在控制信息的作用下，驱动各执行机构完成各种动作和功能。机电一体化系统方面要求驱动单元具有高效率和快速响应性等，同时又要求其对外部环境的适应性和可靠性，还由于几何上，动作范围狭窄等限制，还需考虑维修方便和实行标准化等。,1.2 机电一体化的基本功能要素,六、控制与信息处理单元 控制与信息处理单元是机电一体化系统的核心单元。将来自各传感器的检测信息和外部输入指令进行集中、存储、分析、加工。根据信息处理结果，按照一定的程序发出相应的控制信号，通过输出接口送往执行机构，控制整个系统有目的地运行，并达到预期性能。一般由计算机，可编

5、程序控制器，数控装置等组成。,1.2 机电一体化的基本功能要素,七、接口单元 接口的作用是将各要素或子系统连接成为一个有机整体，使各个功能环节有目的地协调一致运动，从而完成机电一体化的系统工程。各个单元要完成物质，信息和能量的传递和交换，为此，各要素和子系统相接处必须具备一定的连接部件，这个部件就可称为接口。基本功能有三个：变换，放大，传递。,1.3 机电一体化的相关技术,1.3 机电一体化的相关技术,一、机械技术 机电一体化的机械产品与传统的机械产品的区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、性能更优越。现代机械要求具有更新颖的结构、更小的体积、更轻的重量，还要求精度更高、刚度更大、动态性能更

6、好。 在设计和制造机械系统时除了考虑静态、动态刚度及热变形等问题外，还应考虑采用新型复合材料和新型结构以及新型的制造工艺和工艺装置。,1.3 机电一体化的相关技术,二、传感检测技术 传感器检测是实现自动控制和自动调节的关键环节。传感检测技术的内容包括两方面，一是研究如何将各种被测量（包括物理量、化学量和生物量等）转换为与之成比例的电量；二是研究对转换的电信号的加工处理，如放大、补偿、标度变换等。 机电一体化系统要求传感检测装置能快速、准确、可靠的获取信息。,1.3 机电一体化的相关技术,三、信息处理技术 计算机技术包括计算机的软件技术、硬件技术、网络与通讯技术和数据技术。机电一体化系统中主要采

7、用工业控制机（包括可编程控制器，单、多回路调节器，单片微控制器，总线式工业控制机，分布式计算机测控系统）进行信息处理。信息处理的发展方向是提高信息处理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等都属于计算机信息处理技术的范畴。,1.3 机电一体化的相关技术,四、自动控制技术 自动控制所依据的理论是自动控制原理（包括经典控制理论和现代控制理论），自动控制技术就是在此理论的指导下对具体控制装置或控制系统进行设计；设计后进行系统仿真，现场调试；最后使研制的系统可靠地投入运行。 机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、最优控制、自适应控制以及模糊控制、神经网

8、络控制等。,1.3 机电一体化的相关技术,五、伺服传动技术 伺服驱动技术就是在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械的运动部件按照指令要求运动，并具有良好的动态性能。伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置。伺服驱动技术是直接执行操作的技术，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置和部件，对机电一体化系统的性能起决定性作用。常见的伺服驱动系统主要有电气伺服（如步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等）,液压伺服（如液压马达、脉冲油缸等）和气压伺服三类。,1.3 机电一体化的相关技术,六、系统总体技术 系统总体技术是以整体的概念组织应用各种相关技术的技术，从全局的角度和系统的目标出发，将系

9、统分解为若干个子系统，从实现整个系统技术协调的观点来考虑每个子系统的技术方案。 机电一体化系统是一个技术综合体，它利用系统总体技术将各有关技术协调配合、综合运用而达到整体系统的最佳化。,1.4 机电一体化系统设计的目标和方法,一、机电一体化产品和系统的分类 用途分类：产业机械，信息机械，民用机械； 机械和电子的含量分类：机械为主体的机电产品，电子为主体的机电产品； 机电结合的程度分类：功能附加型，功能替代型，机电融合型。,1.4 机电一体化系统设计的目标和方法,一、机电一体化产品和系统的分类,1.4 机电一体化系统设计的目标和方法,一、机电一体化产品和系统的分类,数控机床、机器人、自动生产设备

10、 生产用机电一体化产品 柔性生产单元、自动组合生产单元 FMS、无人化工厂、CIMS 微机控制汽车、机车等 交通运输工具 运输、包装及工程用机电一体化产品 数控包装机械及系统 数控运输机械及工程机 械设备，自动仓库 储存、销售用机电一体化产品 自动空调与制冷系统及设备,1.4 机电一体化系统设计的目标和方法,一、机电一体化产品和系统的分类,自动称量、分选、销售及现金处理系统， 自动化办公设备 社会服务性产品 动力、医疗、环保及公共服务自动化设备 文教、体育、娱乐用产品 微机或数控型耐用消费品 家庭用机电一体化产品 炊事机械，家庭用信息、服务设备 科研及过程控制用机电一体化产品 测试设备，控制设

11、备 农、林、牧、渔及其它民用机电一体化产品 航空、航天、国防用武器装备等机电一体化产品,1.4 机电一体化系统设计的目标和方法,二、现代机械的机电一体化目标,1、提高精度 2、增强功能 3、提高生产效率 4、节约能源、降低能耗 5、提高安全性、可靠性,1.4 机电一体化系统设计的目标和方法,二、现代机械的机电一体化目标,6、改善操作性和实用性 7、减轻劳动强度、改善劳动条件 8、简化结构、减轻重量 9、降低价格 10、增强柔性应用功能,1.4 机电一体化系统设计的目标和方法,三、机电一体化技术方向,1.机械的电子化 （1）在原有机械系统的基础上采用微型计算机控制装置，使系统的性能提高，功能增强

12、。例如，模糊控制洗衣机能根据衣物的洁净度自动控制洗涤过程，从而实现节水、节电、节时、节洗衣粉的功能；机床的数控化是另一个典型的例子。,1.4 机电一体化系统设计的目标和方法,三、机电一体化技术方向,1.机械的电子化 （2）用电子装置局部替代机械传动装置和机械控制装置，简化结构，增强控制灵活性。例如，数控机床的进给系统采用伺服系统，简化了传动链，提高了进给系统的动态性能；将传统电机的电刷用电子装置替代形成的无刷电机，具有性能可靠、结构简单、尺寸减小等优点。电子缝纫机和电子绣花机。,1.4 机电一体化系统设计的目标和方法,三、机电一体化技术方向,1.机械的电子化 （3）用电子装置完全替代原来执行信

13、息处理功能的机构，既减化了结构，又极大地丰富了信息传输的内容，提高了速度。例如，石英电子钟表、电子秤、按键式电话等。,1.4 机电一体化系统设计的目标和方法,三、机电一体化技术方向,1.机械的电子化 （4）用电子装置替代机械的主功能，形成特殊的加工能力。例如，电火花加工机床、线切割加工机床、激光加工机床，电子等。,1.4 机电一体化系统设计的目标和方法,三、机电一体化技术方向,2.机电技术完全融合形成新型机电一体化产品 生产机械中的激光快速成形机；信息机械中的传真机、打印机、复印机；检测机械中的CT（计算机断层扫描诊断装置）扫描诊断仪、扫描隧道显微镜等。,1.4 机电一体化系统设计的目标和方法

14、,四、机电一体化系统开发的设计思想 与方法,1. 取代法 取代法就是用电气控制取代原系统中的机械控制机构。该方法是改造旧产品、开发新产品或对原系统进行技术改造常用的方法,也是改造传统机械产品的常用方法。 如用电气调速系统取代机械式变速机构等。,1.4 机电一体化系统设计的目标和方法,四、机电一体化系统开发的设计思想 与方法,2. 整体设计法 整体设计法主要用于新产品的开发设计。在设计时完全从系统的整体目标出发,考虑各子系统的设计。 如某些激光打印机的激光扫描镜，其转轴就是电动机的转子轴。,1.4 机电一体化系统设计的目标和方法,四、机电一体化系统开发的设计思想 与方法,3.组合法 组合法就是选

15、用各种标准功能模块组合设计成机电一体化系统。,1.4 机电一体化系统设计的目标和方法,四、机电一体化系统开发的设计思想 与方法,3.组合法 例如,设计一台数控机床,可以依据机床的性能要求,通过对不同厂家的计算机控制单元、伺服驱动单元、位移和速度测试单元及主轴、导轨、刀架、传动系统等产品的评估分析,研究各单元间接口关系和各单元对整机性能的影响，通过优化设计确定机床的结构组成。,1.5 本课程的目的和要求,一、课程目的,本课程的目的是研究怎样利用系统设计原理和综合集成技巧，将控制电动机、传感器、机械系统、微机控制系统、接口及控制软件等机电一体化要素组成性能优良、可靠的机电一体化产品或系统。培养运用

16、基础理论解决实际问题的综合能力。,1.5 本课程的目的和要求,二、课程要求,1掌握机电一体化系统设计的基本概念、基本原理和基本知识。 2掌握机电一体化系统设计中常用的机械量检测传感器、控制电动机的原理、结构性能和应用。,1.5 本课程的目的和要求,二、课程要求,3掌握机电一体化系统设计中常用机械系统设计、工业控制、计算机控制、接口设计的基本方法。 4初步掌握机电一体化系统设计原理和综合集成技巧，进行总体方案的分析和设计。,第2章 机械系统设计,2.1 机械系统数学模型的建立 2.2 机械传动系统的特性 2.3 机械传动装置 ,2.1 机械系统数学模型的建立,一、机械移动系统 机械平移系统的基本

17、元件是质量、阻尼和弹簧。建立机械平移系统数学模型的基本原理是牛顿第二定律。 组合机床动力滑台铣平面为例说明平移系统的建模方法。,2.1 机械系统数学模型的建立,一、机械移动系统,设动力滑台的质量为m，液压缸的刚度为k，粘性阻尼系数为c，外力为f（t）。由牛顿第二定律知，系统的运动方称为,Mx+cx+kx=f(t),.,.,2.1 机械系统数学模型的建立,二、机械转动系统,简单扭摆的工作原理如图所示，图中J为摆锤的转动惯量；c为摆锤与空气间的粘性阻尼系数；k为扭簧的弹性刚度；T（t）为加在摆锤上的扭矩；（t）为摆锤转角。则系统的运动方称为：,J+ C+K=T(t),.,.,(s),T(s),=,

18、1,JS + CS + K,2,2.1 机械系统数学模型的建立,三、基本物理量的折算,在建立机械系统数学模型的过程中，经常会遇到基本物理量的折算问题，在此结合数控机床进给系统，介绍建模中的基本物理量的折算问题。,2.1 机械系统数学模型的建立,三、基本物理量的折算,2.1 机械系统数学模型的建立,三、基本物理量的折算,1、转动惯量的折算 将轴I、II、III上的转动惯量和工作台的质量都折算到轴I上，作为系统总转动惯量。设 、 、 分别为轴I、II、III的负载转矩，1、2、3分别为轴I、II、III的角速度，v为工作台的运动速度。 （1）轴I、II、III转动惯量的折算 根据动力平衡原理，对于

19、轴I有：,1,1,1,1,T,J,T,+,=,w,.,2.1 机械系统数学模型的建立,三、基本物理量的折算,1、转动惯量的折算 对于轴II有:,由于轴II的输入转矩是从轴I上的负载转矩获得的，且与他们的转速成反比，所以有:,.,2.1 机械系统数学模型的建立,三、基本物理量的折算,1、转动惯量的折算,对于轴III有:,2,2,1,1,2,2,1,2,1,T,z,z,z,z,J,T,+,=,w,.,.,2.1 机械系统数学模型的建立,三、基本物理量的折算,1、转动惯量的折算 （1）轴I、II、III转动惯量的折算,（2）工作台质量的折算,3,4,3,1,2,4,3,2,1,3,2,T,z,z,z

20、,z,z,z,J,T,+,=,w,.,.,2.1 机械系统数学模型的建立,三、基本物理量的折算,1、转动惯量的折算 （2）工作台质量的折算,.,2.1 机械系统数学模型的建立,三、基本物理量的折算,1、转动惯量的折算 （3）折算到轴I上的总转动惯量,.,.,2,2,4,2,3,1,2,4,2,3,1,3,2,1,2,+,+,+,=,p,L,z,z,z,z,m,z,z,z,z,J,J,J,J,2.1 机械系统数学模型的建立,三、基本物理量的折算,2、粘性阻尼系数的折算 机械系统的相对运动元件之间存在着粘性阻尼，并以一定的形式表现出来。在机械系统的数学建模过程中，粘性阻尼同样需要折算到某一部件上，

21、求出系统的当量阻尼系数。其基本方法是将摩擦阻力、流体阻力及负载阻力折算成与速度有关的粘性阻尼力，再利用摩擦阻力与粘性阻尼力所消耗的功相等这一原则，求出粘性阻尼系数，最后进行相应的当量阻尼系数折算。,2.1 机械系统数学模型的建立,三、基本物理量的折算,2、粘性阻尼系数的折算 当只考虑阻尼力时，根据工作台和丝杠之间动力关系有,即丝杠旋转一周所做的功，等于工作台前进一个导程时其阻尼力所做的功。,2.1 机械系统数学模型的建立,三、基本物理量的折算,2、粘性阻尼系数的折算,1,3,T,T,=,2.1 机械系统数学模型的建立,三、基本物理量的折算,3、刚度系数的折算 机械系统中各元件在工作时受到力和/

22、或力矩的作用，将产生伸长（或压缩）和/或扭转等弹性变形，这些变形将影响整个系统的精度和动态性能。在机械系统的数学建模中，需要将其折算成相应的当量扭转刚度系数和/或线性刚度系数。,2.1 机械系统数学模型的建立,三、基本物理量的折算,3、刚度系数的折算 1）轴向刚度系数的折算,2.1 机械系统数学模型的建立,三、基本物理量的折算,3、刚度系数的折算 1）轴向刚度系数的折算,L,d,=,L,k,d,p,=,2,=,=,T,=,D,3,3,q,=,1,2.1 机械系统数学模型的建立,三、基本物理量的折算,3、刚度系数的折算 2）扭转刚度系数的折算,=,q,2,=,=,=,=,2.1 机械系统数学模型

23、的建立,三、基本物理量的折算,3、刚度系数的折算 2）扭转刚度系数的折算 因为丝杠和工作台之间的轴向弹性变形，使得轴III产生了一个附加扭转角3，所以轴III上的实际扭转角III为：,III,=,+,2.1 机械系统数学模型的建立,三、基本物理量的折算,3、刚度系数的折算 2）扭转刚度系数的折算,III,=,+,=,+,1,=,1,+,2,+,III,2.1 机械系统数学模型的建立,三、基本物理量的折算,3、刚度系数的折算 2）扭转刚度系数的折算,2.1 机械系统数学模型的建立,三、基本物理量的折算,3、刚度系数的折算 2）扭转刚度系数的折算,2.1 机械系统数学模型的建立,三、基本物理量的折

24、算,4、系统的数学模型 将基本物理量折算到某一部件后，即可按单一部件对系统进行建模。在本例中，设输入量为轴I的转角xi，输出量为工作台的线位移xo，则可以得到数控机床进给系统的数学模型:,.,.,2.1 机械系统数学模型的建立,三、基本物理量的折算,4、系统的数学模型 对应于该二阶线性微分方程的传递函数为,对于机械系统而言，它们是由质量、阻尼系数和刚度系数等结构参数决定的。,G(S)=,XO(S),Xi(s),=,=,=,s,+,+,+,+,2,2,2,=,2,作业,1. 图所示为一进给工作台。电动机M、制动器B、工作台A、齿轮G1G4以及轴1、丝杠轴的数据如表所示。试求： 此装置换算至电动机

25、轴的等效转动惯量。,作业,2.2 机械传动系统的特性,一、机电一体化对机械传动的要求 1、高精度 2、快速响应 3、良好的稳定性,2.2 机械传动系统的特性,二、机械传动系统的特性 转动惯量小，摩擦小，阻尼合适，刚度大，抗振性能好，间隙小 （1）转动惯量的影响 转动惯量大会使机械负载增大、系统响应性能变慢、灵敏度降低、固有频率下降，容易谐振。同时，使电气驱动部件谐振频率降低，阻尼增大。,2.2 机械传动系统的特性,二、机械传动系统的特性（2） 摩擦的影响 粘滞摩擦，库伦摩擦，静摩擦三种。 静摩擦力尽可能的小。动摩擦力为尽可能小的正斜率，若为负斜率则易产生爬行，降低精度，减少寿命。,2.2 机械

26、传动系统的特性,二、机械传动系统的特性 （3） 阻尼的影响 阻尼越大，最大振幅越小，衰减越快。但定位精度降低，易产生爬行；稳态误差大，精度降低。 1）当阻尼比0时,系统处于等幅持续振荡状态，因此系统不能无阻尼。,2.2 机械传动系统的特性,二、机械传动系统的特性 2） 当 1时,系统为临界阻尼或过阻尼系统。此时,过渡过程无振荡,但响应时间较长。 3） 当01时,系统为欠阻尼系统。此时,系统在过渡过程中处于减幅振荡状态,其幅值衰减的快慢,取决于衰减系数n。在n确定以后, 愈小,其振荡愈剧烈,过渡过程越长。相反,越大,则振荡越小,过渡过程越平稳,系统稳定性越好,但响应时间较长,系统灵敏度降低。,2

27、.2 机械传动系统的特性,二、机械传动系统的特性 （4） 刚度的影响 刚度大，失动量小。提高刚度可增加闭环系统的稳定性。 （5） 固有频率 当机械系统的固有频率接近或落入伺服系统带宽之中时,系统将产生谐振而无法工作。因此为避免机械系统由于弹性变形而使整个伺服系统发生结构谐振,一般要求系统的固有频率n要远远高于伺服系统的工作频率。,2.2 机械传动系统的特性,二、机械传动系统的特性 （6） 间隙的影响 间隙将使机械传动系统中间产生回程误差，影响伺服系统中位置环的稳定性。有间隙时，应减小位置环增益。 在机电一体化系统中，为了保证系统良好的动态性能，要尽可能避免间隙的出现。,作业,1.机电一体化系统

28、对机械传动系统的基本要求是什么？,2.3 机械传动装置,一、齿轮 二、同步齿形带传动 三、滚动螺旋传动 四、谐波齿轮减速器,2.3 机械传动装置,机械传动是一种把动力机产生的运动和动力传递给执行机构的中间装置,是一种扭矩和转速的变换器,其目的是在动力机与负载之间使扭矩得到合理的匹配,并可通过机构变换实现对输出的速度调节。 在机电一体化系统中,伺服电动机的伺服变速功能在很大程度上代替了传统机械传动中的变速机构,只有当伺服电机的转速范围满足不了系统要求时,才通过传动装置变速。 ,一、齿轮传动 1、齿轮总传动比的确定 在伺服系统中,通常采用负载角加速度最大原则选择总传动比,以提高伺服系统的响应速度。

29、传动模型如图所示。图中： Jm电动机M的转子的转动惯量； m电动机M的角位移； JL负载L的转动惯量； L负载L的角位移； TLF 摩擦阻抗转矩； i齿轮系G的总传动比。,电机、传动装置和负载的传动模型,根据传动关系有 式中: 电动机的角位移、角速度、角加速度； 负载的角位移、角速度、角加速度。,.,.,.,.,m,m,m,q,q,q,、,、,.,.,L,L,L,q,q,q,、,、,.,.,TLF换算到电动机轴上的阻抗转矩为TLF / i ； JL换算到电动机轴上的转动惯量为JL/i2。 设Tm为电动机的驱动转矩,在忽略传动装置惯量的前提下,根据旋转运动方程,电动机轴上的合转矩Ta为,.,.,

30、.,上式中若改变总传动比i,则也随之改变。根据负载角加速度最大的原则,令 ,则解得 若不计摩擦,即TLF0, 则 ,.,.,得到传动装置总传动比i的最佳值的时刻就是JL换算到电动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯量Jm的时刻,此时,电动机的输出转矩一半用于加速负载,一半用于加速电动机转子,达到了惯性负载和转矩的最佳匹配。 2、齿轮传动链的级数和各级传动比的分配 （1）等效转动惯量最小原则 齿轮系传递的功率不同, 其传动比的分配也有所不同。 1）小功率传动装置,电动机驱动的两级齿轮传动,由于功率小,假定各主动轮具有相同的转动惯量J1,轴与轴承转动惯量不计,各齿轮均为实心圆柱齿轮,且齿宽b

31、和材料均相同,效率不计, 则有 式中： i1、 i2 齿轮系中第一、第二级齿轮副的传动比； i齿轮系总传动比, i = i1 i2。,同理,对于n级齿轮系,则有 由此可见, 各级传动比分配的结果应遵循“前小后大”的原则。,例2-1 设有i =80,传动级数n= 4的小功率传动, 试按等效转动惯量最小原则分配传动比。 解 验算I= i 1 i 2 i 3 i 480。,若以传动级数为参变量,齿轮系中折算到电动机轴上的等效转动惯量Je与第一级主动齿轮的转动惯量J1之比为Je/J1,其变化与总传动比i的关系如图所示。,小功率传动装置确定传动级数曲线,2）大功率传动装置 大功率传动装置传递的扭矩大,各

32、级齿轮副的模数、齿宽、直径等参数逐级增加,各级齿轮的转动惯量差别很大。传动比分配的基本原则仍应为“前小后大”。,1.大功率传动装置确定传动级数曲线,2.大功率传动装置确定第一级传动比曲线,i1,3.大功率传动装置确定各级传动比曲线,例2-2 设有i=256的大功率传动装置,试按等效转动惯量最小原则分配传动比。 解 查图1,得n=3,Je/J1=70； n=4, Je / J1 =35； n=5, Je / J1 =26。兼顾到Je / J1值的大小和传动装置的结构,选n4。查图2,得i13.3。查图3,在横坐标i k-1上3.3处作垂直线与A线交于第一点,在纵坐标ik轴上查得i23.7。通过该

33、点作水平线与B曲线相交得第二点i34.24。由第二点作垂线与A曲线相交得第三点i44.95。 验算i1 i2 i3 i 4256.26。满足设计要求。,（2）质量最小原则 1） 大功率传动装置 对于大功率传动装置的传动级数确定,主要考虑结构的紧凑性。在给定总传动比的情况下,传动级数过少会使大齿轮尺寸过大,导致传动装置体积和质量增大； 传动级数过多会增加轴、轴承等辅助构件,导致传动装置质量增加。设计时应综合考虑系统的功能要求和环境因素,通常情况下传动级数要尽量地少。,大功率减速传动装置按质量最小原则确定的各级传动比表现为“前大后小”的传动比分配方式。减速齿轮传动的后级齿轮比前级齿轮的转矩要大得多

34、,同样传动比的情况下齿厚、质量也大得多,因此减小后级传动比就相应减少了大齿轮的齿数和质量。大功率减速传动装置的各级传动比可以按图4和图5选择。,图4 大功率传动装置两级传动比曲线 （i10时,使用图中的虚线）,图5 大功率传动装置三级传动比曲线 （ i 100时,使用图中的虚线） ,例2-4 设n3,i202,求各级传动比。 解 查图5可得 i112，i25， i33.4,2） 小功率传动装置 对于小功率传动装置,按质量最小原则来确定传动比时,通常选择相等的各级传动比。 在假设各主动小齿轮的模数、齿数均相等的特殊条件下,各大齿轮的分度圆直径均相等,因而每级齿轮副的中心距也相等。这样便可设计成如

35、图6所示的回曲式齿轮传动链； 其总传动比可以非常大。显然,这种结构十分紧凑。 ,图6 回曲式齿轮传动链,（3） 输出轴转角误差最小原则 以图7所示四级齿轮减速传动链为例。四级传动比分别为 i1、 i2、 i3、 i4,齿轮18 的转角误差依次为18。,硬件环形分配电路原理图,三相六拍分配状态,2.步进电动机功率放大的形式,（1）单电压功率放大图 图4-45为该电路的原理图，是步进电动机控制中最简单的一种驱动电路，在本质上它是一个简单的功率反向器。单电压功率放大电路的最大特点是结构简单，缺点是工作效率低，在高频工作状态时，效率尤其差。 图4-46所示为恒流功放电路，它是单电压功率放大电路的一种改

36、进电路 。该电路的特点是用恒流源代替外接电阻RC,使功率大为降低，电源效率得到提高。,图4-45 单电压功率放大电路原理图,图4-46 恒流功放电路原理图,IL,ID,Ie,（2）双电压功率放大电路,双电源功率放大电路图,（3）斩波型功率放大电路 此类电路有两种：一种是斩波恒流型；另一种是斩波平滑型。前者应用较为广泛。 斩波恒流功放是利用斩波方法使电流恒定在额定值附近，典型电路如图4-47a所示。 从提高高频工作性能及店员效率的角度看，斩波恒流型功放电路可以用较高的电源电压，同时无需外接电阻来限定额定电流和减小时间常数，但是由于电流波形呈锯齿形，驱动时会有较大的电磁噪声。要消除电磁噪声，有两种措施：一是使斩波频率提高至超声波频率；另一种是使步进电动机各相采用同一个频率的斩波信号。,恒频脉宽调制功放电路就是按上述两个措施设计的一种常用的功放电路，其电路原理图及输入波形如图4-48所示。恒频脉宽调制功率放大电路不但有较好的高频特性，而且有效地减少了步进电动机的电磁噪声，同时还降低了功耗。但由于斩波频率较高，对功放管及续流二极管的频率响应要求较高。另外，这种电路的低频振荡较高。,US,UP,(a),uIN,ub,uL,t,t,t,(b),图4-47 斩波恒流功放电路,t,t,t,t,u1,u2,u3,iL,图4-48 恒流脉宽调制功放电路,4.4