机电一体化系统设计-西南科技大学网络教育学院.PPT

4 动力驱动及定位 4.1 动力驱动装置分析 4.1.1 驱动装置的技术特点 机电一体化系统的驱动装置，是实现系统主 要功能的重要环节，其动力源 (电动式、气动 式、液动式或综合式)应根据整个系统的具体技 术要求而定。驱动装置要快速完成预期的动作， 相应速度要快，动态性能好，此外，动作灵敏度 要高，便于集中控制。因此应具备效率高，体积 小，重量轻，自控性强，可靠性高等技术特点。 当前，驱动机构正朝标准化，系列化和智能化方 向发展。 4.1.2 驱动装置的技术要求 为了更好地达到系统目标，把完全确定的输 入量(即把物料、能量信息(指令))在一定空间和 时间条件下，完成所希望的转化效应(输出量)， 则要求执行装置能经济有效地达到主要性能指 标： 精度、稳定度、响应速度和可靠性。 4.1.2.1精度对于系统中的装置要求 其传动精度和定位精度要高，传动系统中的 传动误差和回程误差对控制系统性能的影响，按 其在系统中所处位置不同有所差异。如图4.1示 一般传动误差可视为两部分组成：低频分量 伺服带宽以内低频分量和伺服带宽以外高频分 量。闭环前的传动链G1的传动误差低频分量影响 伺服精度，而高频分量无影响。G2的传动误差高 频分量影响伺服精度，低频分量无影响。对于反 馈回路上的G3与G1类似。闭环后的 G4，其传动 误差量均影响数据的传递精度。 对于闭环前的传动链G1，回程误差将影响伺 服精度，而G2的回程误差不影响伺服精度，但稳 定性有很大影响。G3的回程误差对伺服精度稳定 性均有影响，而G4影响数据的传递精度。由于伺 服系统中的传动链误差的低频分量和高频分量对 伺服精度的影响不同，因此必须对传动误差进行 频谱分析。 在线性控制系统中，定位精度与快速响应两 者之间有相互矛盾的特性。 图4.2示为位置控制系统图，描述两者之间的定量关系。 该系统的输入输出的传递函数 G(S) ， 由下式表示 式中 — 固有频率( S-1 ) ； — 阻尼比； T v — 时间常数 ( S ) ； TP —系统回路增益 ( S-1 ) ； 对于阶跃输入的响应 图4.3所示为不产生超调时，整定后的临界控制 状态 ζ＝1 时的残余偏差(残差)与基准时间ωnt 关系曲线。由图可知，输入量为偏差，当残差为 0.01rad时，所达到的时刻 ωnt ≈65，求出控制参 数 K p 、T v 值，不难计算出该值变换后的实际时 间。当K p=50s-1 ，T v =0.002s时，则实际时间  若达到高精度同时 减小定位时间，则必须 提高系统的固有频率ωn。 增大ωn 就要提高 KP ， 降低TV ，提高系统的 增益。但是，对执行 机构或电动机，因共 振或磨损等因素， 阻止提高系统的增益。由于存在摩擦阻力和磨 损，又影响速度和精度两者同时达到理想效果。 若同时实现位置控制的高速化和高精度，要考虑 各环节以及整个系统的控制形式，并加以实施。 执行结构中的传动部分要消除磨损，间隙， 变形等，摩擦阻力要尽量低，同时各个部分结构 要合理配置。 4.1.2.2 稳定性 稳定性与振动，热效应以及其他环境因素有 关，要提高系统的抗震性，就必须增大执行装置 的固有频率，一般不应低于50~100，并需提高系 统的阻尼能力。 在机电一体化系统中，执行装置一般处于回 路之内(图4.4)，其结构、固有频率和回程误差 将影响系统的稳定性，而传动误差的低频分量 (指频率低于伺服带宽的那部分传动误差)就可得 到校正。 对图4.4所示的开环系统，无检测装置，不 对过程位置进行检查和反馈，执行装置的传动误 差和回程误差直接影响整个系统的精度，但不存 在稳定性问题。 图4.4 控制系统中的执行装置 （a）闭环控制系统 （b）开环控制系统 系统的稳定性还取决于系统的相对阻尼系数，它与执行装置的力矩放大系数有关。闭环系统的相对阻尼系数为： 式中 δ ——粘性阻尼系数 J∑ M ——所有传动件的转动惯性折算到输出轴上值 K ——系统的开环传递函数 K＝k t k D / it 式中 k t —执行装置之前的系统各环节传递系数 k D ——执行装置的力矩放大系数； It ——执行装置的总转速比。 it 的大小对控制系统性能有一定影响，既要 考虑对系