动态设计
初步确定系统的主回路各部分特性、参数已初步确定，便可着手建立系统的 数学模型，为系统的动态设计做好准备。 主要是设计校正补偿装置，使系统满足动态技术指标要求，通常要进行计算 机仿真，或借助计算机进行辅助设计。
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
五、系统数学模型建立
在稳态设计的基础上，利用所选部件的有关参数，可以绘制出系统框图，以 建立系统的传递函数。以工作台为列，建立不同控制方法的传递函数模型。
1. 闭环控制方式
滚珠丝杠传动的传动系统
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-1
机电一体化系统的稳态与动态设计
机电一体化系统（产品）的设计过程是机电参数相互匹配，即机电有机结 合的过程。
机电伺服系统是典型的机电一体化系统。本章将以机电伺服系统为例，说 明机电一体化系统设计的一般考虑方法。伺服系统中的位置伺服控制系统 和速度伺服控制系统的共同点是通过系统执行元件直接或经过传动系统驱 动被控对象，从而完成所需要的机械运动。因此，工程上是围绕机械运动 的规律和运动参数对它们提出技术要求的。
三、减速比匹配
使加速度最大的选择方法。当输入信号变化快、加速度又很大时，
应使：
i TLF Tm
TLF Tm
J LF Jm2 源自 最大输出速度选择方法。当输入信号近似恒速，即加速度很小时，
应使：
1/ 2
i TLF Tm
TLF Tm
f2 f1
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
五、系统数学模型建立
3. 工作台进给系统的主谐振频率
根据拉氏方程，画系统框图
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
五、系统数学模型建立
3. 工作台进给系统的主谐振频率
根据传递函数，计算机械系统的谐振频率
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-3
机电有机结合之二：动态设计的考虑方法
一、机电伺服系统的动态设计
机电一体化系统的伺服系统的稳态设计只是初步确定了系统的主回路，
还很不完善。在稳态设计基础上所建立的系统数学模型一般不能满足
系统动态品质的要求，甚至是不稳定的。为此，必须进一步进行系统
一、被控对象分析 1. 典型负载分析
所谓典型负载，是指惯性负载、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)。
对具体系统而言，其负载可能是以上几种典型负载的组合，不一定均 包含上述所有负载项目。
在设计系统时，应对被控对象及其运动作具体分析，从而获得负载的 综合定量数值，为选择与之匹配的执行元件及进行动态设计分析打下 基础。
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
一、被控对象分析 2.负载的等效换算 执行元件的额定转矩(或力、功率)、加减速控制及制动方案的选择，应
与被控对象的固有参数(如质量、转动惯量等)相互匹配。 因此，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)
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
三、减速比匹配
满足送进系统传动基本要求的选择方法。
i
l0 360o
减速器输出轴转角误差最小原则。 对速度和加速度均有一定要求的选择方法
• 应按（1）选择减速比i • 然后验算是否满足条件
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§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
一、被控对象分析 2.负载的等效换算
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
二、执行元件的匹配
由若干元部件组成的伺服系统，其中有些元部件已有系列化商品供选用。 为降低机电一体化系统的成本，缩短设计与研制周期，应尽可能选用标准 化零部件。拟订系统方案时，首先确定执行元件的类型，然后根据技术条 件的要求进行综合分析，选择与被控对象及其负载相匹配的执行元件。
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
五、系统数学模型建立
当系统受到附加扰动转矩时
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
五、系统数学模型建立
当系统受到附加扰动转矩时（等效框图）
Ka
Kr
1/i2
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§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
输出角速度为： 加减速时间为：
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§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
二、执行元件的匹配
➢ 计算惯性转矩
➢ 总转矩
选用的电机的额定转矩应该大于 6.5 N. m，才能满足使用的要求。 2. 功率匹配 ➢ 预选电机的功率计算
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
以电动机的匹配选择为例简要说明执行元件的选择方法。被控对象由电动 机驱动，因此电动机的转速、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，易使执行元件价格高，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。
五、系统数学模型建立 2. 全闭环控制方式
传感器安装在工作台导轨上，形成全闭环控制系统，如图所示。
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§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
五、系统数学模型建立 2. 全闭环控制方式 系统框图为：
Kb 传递函数为：
Gj（s）= ？
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
三、减速比匹配
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。
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§ 6-2
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五、系统数学模型建立
半闭环伺服控制系统的系统框图
E(s) Ka Vi (s)
G1
1
KA
Km s(1 Tms)
i1
G2
G3
G4
i (s)
G7
G6
Kvs
G5
Kr
1
i2
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机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
五、系统数学模型建立
系统传递函数
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§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
五、系统数学模型建立 2. 全闭环控制方式
伺服进给系统的分析
折算到Ⅲ轴上的刚度，为
总的扭转刚度，为
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§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
五、系统数学模型建立 移动距离等效到各轴的转角分别为：
,
,
等效到Ⅲ轴质量和阻尼分别为：
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
二、执行元件的匹配
验算
➢ 过热验算 计算等效转矩，满足：
➢ 过载验算
TN Teq PN Peq
T12t1 T22t2 ... t1 t2 ...
过载系数：
T max
TN
km
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§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
等效换算到执行元件(k)的输出轴上。
（1）等效转动惯量 （2）等效负载转矩
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§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
一、被控对象分析 2.负载的等效换算
已知：移动部件(工作台、夹具、工件等)的总质量 mA = 400 kg；运动方向的负载 力FL =800N(包含导轨副的摩擦阻力)；电动机转子的转动惯量Jm =4*10-5 kg.m2， 转速为 nm ；齿轮轴部件I (包含齿轮)的转动惯量JI =5*10-4 kg.m2;齿轮轴部件II (包 括齿轮)的转动惯量JII =7*10-4 kg.m2；轴II的负载转矩TL=4 N.m;齿轮Z1与齿轮 Z2的 齿数分别为20与40，模数为 1 。
• 首先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;
• 其次是从系统的精度要求出发，选择和设计检测装置及信号的前向和后向通 道；
• 最后通过动态设计计算，设计适当的校正补偿装置、完善电源电路及其他辅 助电路，从而达到机电一体化系统的设计要求。
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
Gj (s)
xi (s) θi (s)
Jeq s2
KPh /
B
2 i1i2
Phi1i2
2
2
s
K
第 6 章 机电有机结合的分析与设计
§ 6-2
机电有机结合之一：稳态设计的考虑方法
五、系统数学模型建立
3. 工作台进给系统的主谐振频率
对于带非刚性轴的传