机电有机结合之一机电一体化系统稳态设计考虑方法.docx
- 文档编号:12840193
- 上传时间:2023-06-08
- 格式:DOCX
- 页数:12
- 大小:303.93KB
机电有机结合之一机电一体化系统稳态设计考虑方法.docx
《机电有机结合之一机电一体化系统稳态设计考虑方法.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《机电有机结合之一机电一体化系统稳态设计考虑方法.docx(12页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
机电有机结合之一机电一体化系统稳态设计考虑方法
机电有机结合之一---机电一体化系统稳态设计考虑方法
一、负载分析
机电伺服务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,它与系统执行元件的机械传动联系有多种形式。
负载的运动形式有直线运动、回转运动、间歇运动等,具体的负载往往比较复杂,为便于分析,常将它分解为几种典型负载,结合系统的运动规律再将它们组合起来,使定量设计计算得以顺利进行。
1.典型负载:
包括惯性负载、外力负载、弹性负载、摩擦负载(滑动摩擦负载、粘性摩擦负载、滚动摩擦负载)等。
具体系统的负载可能是以上一种或几种典型负载的组合。
2.负载的等效换算
在第二章/第三节齿轮传动比分配的“等效转动惯量最小原则”中曾提高过等效转动惯量的计算方法,本节将更详细地讨论。
为使执行元件的额定转矩(或力、功率)、加减速控制等,与被控对象的固有参数(如质量、转动惯量等)相互匹配,需要将被控对象相关部件的固有参数及其所受的负载(力或转矩等)等效换算到执行元件的输出轴上,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)。
下面以图示的机床工作台伺服进给系统为例加以说明。
所示系统由一个移动部件和n个转动部件组成。
M、v和F分别为移动部件的质量(kg)、运动速度(m/s)和所受的负载力(N);Jj、nj(j)和Tj分别为转动部件的转动惯量(kgm2)、转速(r/min或rad/s)和所受负载转矩(Nm)。
(1)求等效转动惯量Jeq,根据能量守恒定律有:
移动部分为丝杠螺母传动时:
跟丝杠连接的齿轮是第n个齿轮:
(2)求等效负载转矩Teq
上述系统在时间t内克服负载所作功的总和等于执行元件所做功,即:
速比之间的关系参见前面等效转动惯量部分。
二、执行元件的匹配选择
拟定系统方案时,要根据技术条件的要求进行综合分析,以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。
电动机的转速、转矩和功率等参数应和被控对象的需要相匹配,如冗余量大、易使执行元件价格贵,使机电一体化系统的成本升高,市场竞争力下降,在使用时,冗余部分用户用不上,易造成浪费。
如果选用的执行元件的参数数值偏低,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,如转速和额定转矩。
1.步进电机的匹配选择
(1)转矩与惯量匹配条件
电动机轴上的总负载转矩T包括:
等效负载转矩Teq(包括摩擦负载和工作负载)、等效惯性负载转矩T惯等,即
考虑到机械的总传动效率时,则
为保证电机带负载能正常起动和定位停止,起动和制动转矩Tq应满足:
此外,推荐Jeq/Jm<=4。
根据计算的T¢和Jm可初步选择步进电机的型号,并对电机其他的性能指标和参数进行验算,如
最快工作进给速度时电动机输出转矩校核;
最快空载移动时电动机输出转矩校核;
最快空载移动时电动机运行频率校核;
启动频率的校核。
(2)步距角的匹配条件
步距角的选择受脉冲当量等因素影响,应满足关系式
当然,步距角越小,误差越小,则精度越高。
2.直流、交流伺服电机的匹配选择
直流、交流伺服电机可根据估算功率进行预选。
功率的估算公式如下:
:
电动机的最高转速(r/min)
:
电动机的最高角加速度(rad/s)
:
功率系数,一般取=1.2~2,对于小功率伺服系统可取2.5。
在预选电动机功率后,应进行验算。
(1)过热验算
当负载转矩为变量时,应用等效法求其等效转矩和等效功率,在电动机励磁磁通Φ近似不变时:
t1,t2:
时间间隔,在此时间间隔内的负载转矩分别为T1,T2。
则所选电动机的不过热条件为:
---电动机的额定转矩(Nm);
---电动机的额定功率(W);
---电动机的额定转速(r/min)。
(2)过载验算
使电机瞬时最大负载转矩与电动机额定转矩的比值不大于某一系数,即
km:
电动机的过载系数,一般电动机产品目录中给出。
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性质、脉冲当量和机电一体化系统的综合要求来选择确定,既要使减速比达到一定条件下最佳,同时又要满足脉冲当量与步距角之间的相应关系,还要同时满足最大转速要求等。
当然要全部满足上述要求是非常困难的。
选择了总减速比之后,还要合理确定减速级数及分配各级的速比,其分配原则可参看第2章第三节的内容。
四、微机与检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路及电源等的匹配选择与设计
稳态设计过程中,确定了执行元件与机械传动系统之后,需要根据所拟系统的初步方案,选择和设计系统的其余部分,包括
1.选择或设计微机与检测传感装置;
2.选择或设计信号转换接口电路、放大电路;
3.选择或设计电源。
各部分的设计计算,必须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(防干扰措施)、输入/输出的阻抗匹配。
总之,要使整个系统在各种运行条件下,达到各项设计要求。
伺服系统的稳态设计要从两头人手:
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、速度要求出发,选择和设计微机与检测装置,并确定信号的前向和后向通道;
关于微机、传感器、执行元件的选择,前面的章节已有详细的叙述,下面着重提出两点:
1.伺服放大器的设计与选择:
伺服系统放大器的设计与选择主要考虑以下几个问题:
(1)功率输出级必须与所用执行元件匹配,其输出电压、电流应满足执行元件的容量要求,不仅要满足执行元件额定值的需要,而且还应该能够保证执行元件短时过载、短时快速的要求。
总之,输出级的输出阻抗要小,效率要高、时间常数要小。
(2)放大器应为执行元件(如电动机)的运行状态提供适宜条件。
例如:
为大功率电动机提供制动条件,为力矩电动机或永磁式直流电动机的电枢电流提供限制保护措施。
(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,即它的输入阻抗要大,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。
2.电源的设计与选择:
在一个系统中,所需电源一般很难统一,除了有动力电源外,还有各种类型的控制电源。
系统对电源及其频率的稳定度都有一定要求
(1)所使用电源应具有足够的保护措施,如过电压保护、掉电保护、过电流保护、短路保护等;
(2)应具有抗干扰措施,如滤波、隔离、屏蔽等;
(3)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
1.半闭环控制方式,传递函数如下:
当系统受到附加外扰动转矩Tr(如摩擦转矩)时,框图变为如下:
KT:
直流伺服电动机的转矩常数;
Ra:
直流伺服电动机转子的绕组阻抗;
Ro:
功率放大器的输出阻抗;
VD(S)对应于扰动力矩的等效扰动电压的拉氏变换。
则扰动与输出之间的传递函数为:
由上可知,在半闭环直流伺服系统中,无论是输入/输出间,还是扰动/输出间的传递函数都是二阶振荡环节。
2.全闭环控制方式
其中,k=kakAkm/i1
在考虑弹性变形的前提下,包含在闭环系统内的机械传动系统本身又是一个二阶振荡环节,这使得系统完整的传递函数必然是高阶的,从而导致系统具有多个谐振频率。
但在控制系统中,往往感兴趣的是其主谐振频率。
3.工作台进给系统的主谐振频率
K1,K2,K3—轴I、Ⅱ、Ⅲ的扭转刚度;
J1,J2,J3--轴I、Ⅱ、Ⅲ上运动零部件的转动惯量;M—工作台的总质量;J0—轴Ⅱ、Ⅲ及工作台等效到电动机轴上的总转动惯量;B0—工作台等效到电动机轴上的阻尼系数;K—机械传动系统的总扭转刚度。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 机电 有机 结合 之一 一体化 系统 稳态 设计 考虑 方法