第2章机电控制原理及应用.ppt

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第2章机电控制原理及应用

Tianjin University of Technology 第2章 受控机械系统动态模型 本章讨论受控机械系统的动态模型。受控机械可以有各种各样的结构形式。如果抽象为力学模型,可以分别表示为 2.1 质点平移系统 在这些机械元件中,阻尼耗散能量但不能储存能量,而质量和弹簧能储存能量但不消耗能量。当我们列写由这些机械元件通过内部连结而形成系统的方程时,通常需要应用牛顿定律,即作用于物体上的外力之和等于物体的质量与它的加速度之乘积。 在建立由质点-弹簧-阻尼器组成的质点平移系统的动态数学模型时,一般利用牛顿第二定律列写该系统的动力学微分方程。具体方法是: 例2-1 考虑单自由度质量-弹簧系统,质量为m的质点通 过刚度为K的弹簧和阻尼系数为b的阻尼器悬挂在机壳上, 如图2-2所示。试用牛顿定律建立质点平移系统数学模型。 解 系统的微分方程可列写如下: 拉氏变换后,可得 2.2 定轴旋转系统 线性转动系统与线性移动系统是类似的,列写线性移动方程的方法同样可适用于线性转动系统。线性转动系统的三个元件如图2-3所示。 根据旋转机械元件的定义方程(2-10)~(2-12), 利用绕旋转轴的转矩之和必须等于转动惯量与角 加速度乘积的原理,可以建立机械旋转系统的动 态模型。具体建模做法与质点平移系统完全类似, 只是将平移系统的质量m改为旋转系统的转动惯 量J,平移系统的线位移x、线速度及线加速度改 为旋转系统的角位移θ、角速度及角加速度以及 平移系统的力f改为旋转系统的力矩M。 例2-3 考虑打印机中的步进电动机—同步齿形带驱动装置。采用图2-4所示模型。图中,K、B分别表示同步齿形带的弹性和阻尼,M(t)为步进电动机的转矩,J m和JL分别表示步进电动机转子和负载的转动惯量,θi和θo分别表示输入轴和输出轴的转角。 解 本系统有两个转动自由度θi和θo,因此,必须列两个转矩平衡方程。 图2-5 例2-3驱动装置的传递函数方块图及其简化 进一步,通过简化方块图2-5(a)为图2-5(b),再为图2-5(c),或者联立求解方程(2-15)和方程(2-16),可得 2.3 机械传动装置 机械传动装置是许多伺服系统不可缺少的一个重要机 械部件,通常具有各种形式 : 2.3.1 旋转/直线变换 在运动控制问题中,经常需要将旋转运动转换为平移运动。例如,通过丝杠螺母副、小齿轮齿条副以及同步齿形带,由旋转的主动轴控制负载的直线运动,如图2-6所示。 负载质量与转动惯量的等价转换: (b)小齿轮齿条传动 (c)同步齿形带传动 2.3.2 速比折合 讨论齿轮传动系统。参考图2-7的一对齿轮的传动系统,主动轮1与从动轮2的转角分别为θ1和θ2,转动惯量分别为J1和J2,黏性阻尼系数分别为B1和B2,主动轴上的驱动力矩为Mi,从动轴上的负载力矩为Mo。 2.3.3 非刚性传动链 考虑转轴为非刚性的情况。如图2-8所示,z2,z3为一对啮合齿轮,转动惯量分别为J2,J3,飞轮J1,J4分别通过轴1及轴2与齿轮z2,z3 相连,轴1和轴2的扭转刚度分别为K1,K2,输入转矩为Mi,齿轮z2,z3传递的转矩为M2,M3。 将上列各式拉氏变换,整理后,可得: 由此可得系统传递函数如下: 对于一个无功率消耗的传动系统,从动轴上的转动惯量J、黏性阻尼系数B以及弹性系数K折合到主动轴上,都必须乘以由主动轴到从动轴的传动比的二次方n2,才能得到等效的转动惯量n2J、等效的黏性阻尼系数n2B以及等效的弹性系数n2K。而从动轴的转角θ和作用在从动轴上的转矩M折合到主动轴上,则必须分别除以和乘以传动比n。这样,主动轴和等效的从动轴可以串接起来,作为单轴的机械转动系统处理。 2.3.4 主谐振频率 在控制系统应用中,往往最感兴趣的是关于传动装置的主谐振频率。因此,将齿轮等效转动惯量分别与主动轴和从动轴的飞轮惯量合并。从而,图2-9的等效系统可以进一步简化为图2-10。 例2-4 考虑图2-11(a)所示的机床进给系统。它由 齿轮、轴、丝杠螺母副及直线运动工作台等组成。图中, Mi——驱动电动机输入转矩; x0(t)——工作台位移;z1,z2,z3,z4——齿轮齿数; J1,J2,J3——I轴、II轴、III轴上的转动惯量; K1,K2,K3——I轴、II轴、III轴的扭转刚度; K4——丝杠螺

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