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第7章 机电一体化系统 机电有机结合 分析与设计 第7章 机电系统有机结合分析与设计 重点学习： 机电有机结合的稳态设计考虑方法 机电有机结合的动态设计考虑方法 在机电位置/速度控制系统，一般可直接或者间接经机械变换机构（减速器、丝杠螺母机构）来驱动被控制对象。 主要任务：是围绕被控制对象的具体要求，采用合理的设计方法，寻求最终获取机械运动规律和运动性能指标参数。 学习方法：结合典型的机电控制系统设计，掌握机电系统设计的基本方法和手段。 7.1 机电一体化系统的稳态设计考虑方法 机电有机结合的稳态设计考虑方法 在机电伺服系统主要元件选择或设计、各部分之间连接方式、系统控制方式、所需能源供给形式、校正补偿方法、信号转换方式等初步确定的基础上，进行机电系统总体方案的稳定性设计——静态设计，为机电系统的动态设计创造条件。 重点研究：系统自身的稳态特性（假设无外界干扰） 系统稳定设计的目的： 使控制被控对象能完成所需要的机械运动即进行机械系统的运动学、动力学分析以及计算，保障整个机电一体化系统的整体性能。 典型机电一体化系统—工业机器人的组成与运动特征 工作空间 自由度 位姿 关节变量 稳态设计方法研究的主要内容或步骤： ⑤ 信号的有效传递。 ⑥ 各级增益的分配。 ⑦ 各级之间阻抗的匹配和所采取的抗干扰的措施。 ⑧ 系统总体方案的确定。 稳态设计方法学习的主要内容： （1）负载分析。 （2）执行元件匹配选择。 （3）机械传动比选择与各级减速比确定原则。 （4）检测传感装置、信号转换接口电路、放大电路、电源匹配与设计。 （5）机电系统数学模型的建立。 （6）分析研究系统的稳态特性。 7.1.1 负载分析 （1）典型负载形式 无论被控制对象的运动形式如何，负载形式及其特点千差万别，归纳起来具有一些共性负载——典型负载。 包括：惯性负载、外力负载、内力负载、弹性负载、摩擦负载 。 目的：获取负载特征参量。 方法：综合负载特性，进行有效组合，获取必要负载特征参量。为系统执行元件，机械变换机构等的选用或设计，系统进行稳定性设计和动态设计创造条件。 （2）惯量和负载的等效换算 惯量和负载转换的作用： 为使所选择执行元件（功率、力/力矩、运动参量）与被控对象的固有参数（质量、转动惯量、运动参数）等相匹配，将输出轴各部分的惯量和负载转换到执行元件的输出端，以便确定执行元件。 1）等效转动惯量的计算 无论机械传动或变换元件是直线运动还是回转运动，应用总动能不变的原理，可进行等效转动惯量的计算。 能量守恒：E = Ek 2）等效负载转矩的计算 无论外部或内部负载是力还是力矩，应用虚功原理，可进行等效负载转矩的计算。 7.1.2 执行元件的匹配选择 执行元件的匹配选择主要包括转矩匹配、功率匹配、过热保护系数和过载保护系数验算四部分。 （1）执行元件的转矩匹配 测算执行元件输出轴上的等效转矩 （摩擦负载和工作负载）和等效惯性转矩T惯的总和。 （2）执行元件的功率匹配 电机功率的合理确定是执行元件选择的重要参数之一。 主要依据电机的等效负载和最高转速确定。 常用下式进行预选。 （3）电机的过热验算 电机在一定工作时间范围内，负载转矩变化时，应用等效法（励磁磁通近似不变）计算电机的等效转矩（平均转矩）。 7.1.3 机械传动减速比的匹配选择与各级减速比的分配 减速比匹配的目的是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，主要依据是转动惯量最小、重量最轻、传动误差最小，以及综合考虑来确定各级传动的减速比。 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，减速比的确定既要满足被控制对象的调速范围并使在一定条件下综合指标参数达到最佳，也要满足脉冲当量（分辨率）与进给角之间的相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。 （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： 2）按输入速度恒定原则选择减速比 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 ： 5）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。 7.1.4 检测传感装置、信号转换接口电路、