1、機電系統設計機電系統設計22022-2-7v5.1 伺服驅動系統概述伺服驅動系統概述v5.2 驅動系統執行元件驅動系統執行元件v5.3 機械傳動機構機械傳動機構v5.4 電機驅動系統電機驅動系統機電系統設計機電系統設計32022-2-7 用來精確地跟隨或復現某個過程的反饋控制系統。又稱隨動系統。在很多情況下，伺服系統專指被控制量（系統的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統，其作用是使輸出的機械位移（或轉角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉角）。伺服系統的結構組成和其他形式的反饋控制系統沒有原則上的區別。 伺服系統-servomechanism 機電系統設計機電系統設計42022-2-7

2、伺服系統-servomechanism 伺服系統最初用于船舶的自動駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來逐漸推廣到很多領域，特別是自動車床、天線位置控制、導彈和飛船的制導等。采用伺服系統主要是為了達到下面幾個目的：以小功率指令信號去控制大功率負載。火炮控制和船舵控制就是典型的例子。在沒有機械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠處的輸出軸，實現遠距同步傳動。使輸出機械位移精確地跟蹤電信號，如記錄和指示儀表等。機電系統設計機電系統設計52022-2-7 機電一體化系統，通常是以機電一體化系統，通常是以機器機器或或機械機構機械機構為控制對象，以為控制對象，以微處理器微處理器為核心控制器，受控物為核心控制器，受控

3、物理量是理量是位移位移、速度速度、加速度加速度（力力）以及）以及工藝參數工藝參數或或生產過程生產過程等。等。 控制器控制器功率放大器功率放大器執行機構執行機構輸入量輸入量輸出量輸出量+ +檢測傳感器檢測傳感器- -伺服系統伺服系統機電系統設計機電系統設計62022-2-7 控制器的主要任務是按輸入信號和反饋信號決定控制策略，常用的控制算法有PID（比例、積分和微分）控制和最優控制等，由微處理器或專用集成電路組成。 控制器控制器功率放大器功率放大器執行機構執行機構輸入量輸入量輸出量輸出量+ +檢測傳感器檢測傳感器- -伺服系統伺服系統機電系統設計機電系統設計72022-2-7 功率放大器的作用是

4、接收控制器的信息，并將其放大，驅動執行機構完成某種運動，主要采用專用集成電路功率放大器。 控制器控制器功率放大器功率放大器執行機構執行機構輸入量輸入量輸出量輸出量+ +檢測傳感器檢測傳感器- -伺服系統伺服系統機電系統設計機電系統設計82022-2-7 執行機構是運動部件，由動力源（如液壓、氣壓和電氣動力源）和機械傳動機構等組成，根據控制信息和指令，完成要求的動作，也就是說，執行機構是將控制器發出的指令信號精確、快速地轉換為相應的機械運動，復現輸入信號的變化規律，完成所規定的動作。 控制器控制器功率放大器功率放大器執行機構執行機構輸入量輸入量輸出量輸出量+ +檢測傳感器檢測傳感器- -伺服系統

5、伺服系統機電系統設計機電系統設計92022-2-7 伺服驅動系統是指以機械位置、速度和加速度為控制對象，在控制命令的指揮下，控制執行機構工作，使機械運動部件按照控制命令的要求進行運動，并具有良好的動態性能。伺服驅動系統是機電一體化產品的一個重要組成部分，廣泛應用于工業控制、軍事、航空、航天等領域，如數控機床、工業機器人等。 控制器控制器功率放大器功率放大器執行機構執行機構輸入量輸入量輸出量輸出量+ +檢測傳感器檢測傳感器- -伺服系統伺服系統機電系統設計機電系統設計102022-2-7 分段復合制導飛行方案示意圖機電系統設計機電系統設計112022-2-7伺服驅動伺服驅動系統系統機電系統設計機

6、電系統設計122022-2-7分段復合制導控制回路原理框圖機電系統設計機電系統設計132022-2-71234xyzxyzxyzxyz機電系統設計機電系統設計142022-2-7 12101( )NyyyczzzNyyycczzNyyyczztKNNKHyHKNNKyKHyHKNNK2yH01()yNzzzcyytKNNKyH 01()xcxxtKKyH機電系統設計機電系統設計152022-2-7伺服系統的分類伺服系統的分類電氣電氣伺服系統伺服系統液壓液壓伺服系統伺服系統氣動氣動伺服系統伺服系統交流交流伺服系統伺服系統直流直流伺服系統伺服系統步進步進伺服系統伺服系統按按照照執執行行元元件件性性

7、質質的的不不同同機電系統設計機電系統設計162022-2-7開環開環伺服系統伺服系統閉環閉環伺服系統伺服系統半閉環半閉環伺服系統伺服系統無檢測無檢測反饋環節，精度低，反饋環節，精度低，抗干抗干擾能力差，成本低。擾能力差，成本低。有檢測有檢測反饋環節，精度高，反饋環節，精度高，抗干擾能抗干擾能力強，成本高，結構復雜，結構上與力強，成本高，結構復雜，結構上與半閉環半閉環伺服系統的區別是將整個機械伺服系統的區別是將整個機械裝置都包括到裝置都包括到反饋環中。反饋環中。有檢測有檢測反饋環節，精度較高，反饋環節，精度較高，性能居性能居中，結構上與中，結構上與閉環閉環伺服系統的區別是伺服系統的區別是只將部分

8、機械裝置都包括到只將部分機械裝置都包括到反饋環中。反饋環中。按按照照系系統統的的控控制制方方式式伺服系統的分類伺服系統的分類機電系統設計機電系統設計172022-2-7伺服系統的設計方法伺服系統的設計方法1. 1.設計方案分析，系統方案確定設計方案分析，系統方案確定 首先對伺服系統的設計要求進行分析，明確其應用首先對伺服系統的設計要求進行分析，明確其應用場合和目的、基本性能指標及其他性能指標，然后根場合和目的、基本性能指標及其他性能指標，然后根據現有技術條件擬定幾種技術方案，經過評價、對比據現有技術條件擬定幾種技術方案，經過評價、對比選定一種比較合理的方案。選定一種比較合理的方案。 方案設計應

9、包括下述內容：控制方式選擇；執行方案設計應包括下述內容：控制方式選擇；執行元件選擇、傳感器及其檢測裝置選擇、機械傳動及執元件選擇、傳感器及其檢測裝置選擇、機械傳動及執行機構選擇等。行機構選擇等。機電系統設計機電系統設計182022-2-7伺服系統的設計方法伺服系統的設計方法2. 2.系統性能分析系統性能分析 根據基本結構形式對其基本性能進行初步分析。根據基本結構形式對其基本性能進行初步分析。 首先畫出系統方框圖，列出系統近似傳遞函數，并對首先畫出系統方框圖，列出系統近似傳遞函數，并對傳遞函數及方框圖進行化簡，然后在此基礎上對系統穩定傳遞函數及方框圖進行化簡，然后在此基礎上對系統穩定性、精度及快

10、速響應性進行初步分析，其中最主要的是穩性、精度及快速響應性進行初步分析，其中最主要的是穩定性分析，如不滿足要求，應修改方案或增加校正環節。定性分析，如不滿足要求，應修改方案或增加校正環節。 3. 3.執行元件及傳感器的選擇執行元件及傳感器的選擇 方案設計只進行初步選型，本步應根據具體速度、方案設計只進行初步選型，本步應根據具體速度、負載機器精度要求具體確定執行元件及傳感器的參數負載機器精度要求具體確定執行元件及傳感器的參數和型號。和型號。機電系統設計機電系統設計192022-2-7伺服系統的設計方法伺服系統的設計方法4. 4.機械系統設計機械系統設計 機械系統設計包括機械傳動機構及執行機構的具

11、機械系統設計包括機械傳動機構及執行機構的具體結構及參數的設計，設計中應注意消除各種傳動間體結構及參數的設計，設計中應注意消除各種傳動間隙，盡量提高系統剛度、減少慣量及摩擦，尤其在設隙，盡量提高系統剛度、減少慣量及摩擦，尤其在設計執行機構的導軌時要防止產生爬行現象。計執行機構的導軌時要防止產生爬行現象。5. 5.控制系統設計控制系統設計 控制系統設計包括信號處理及放大電路、校正裝控制系統設計包括信號處理及放大電路、校正裝置、伺服電機驅動電路等的詳細設計，如果采用計算置、伺服電機驅動電路等的詳細設計，如果采用計算機數字控制，還應包括接口電路及控制器算法軟件的機數字控制，還應包括接口電路及控制器算法

12、軟件的設計。控制系統設計中應設計。控制系統設計中應 注意各環節參數的選擇及與注意各環節參數的選擇及與機械系統參數的匹配，以使系統具有足夠的穩定裕度機械系統參數的匹配，以使系統具有足夠的穩定裕度和快速響應性，并滿足精度要求。和快速響應性，并滿足精度要求。機電系統設計機電系統設計202022-2-76. 6.系統性能復查系統性能復查 所有機構參數確定后，可重新列出系統精確的傳遞所有機構參數確定后，可重新列出系統精確的傳遞函數，但實際系統一般都是高階系統，因而應適當簡化。函數，但實際系統一般都是高階系統，因而應適當簡化。如系統不理想，則可調整控制系統的參數或修改算法，如系統不理想，則可調整控制系統的

13、參數或修改算法，重新設計重新設計7. 7.系統測試實驗系統測試實驗 上述設計與分析在理論階段，實際系統還需試上述設計與分析在理論階段，實際系統還需試驗，可在模型試驗系統上進行或在樣機上進行驗，可在模型試驗系統上進行或在樣機上進行8. 8.系統設計定案系統設計定案伺服系統的設計方法伺服系統的設計方法主軸電機主軸電機伺服電機伺服電機刀庫刀具定位電機刀庫刀具定位電機機械手旋轉定位電機機械手旋轉定位電機帶制動器伺服電機帶制動器伺服電機加工中心加工中心伺服驅動系統伺服驅動系統（Servo System)CNC系統系統驅動電機驅動電機檢測裝置檢測裝置控制信號控制信號反饋信號反饋信號光柵尺光柵尺計算機數值控

14、制 機電系統設計機電系統設計242022-2-7執行元件執行元件是將控制信號轉換成機械運動和機械能量是將控制信號轉換成機械運動和機械能量的轉換元件。的轉換元件。執行元件的種類執行元件的種類執行元件電磁式電磁鐵及其他電動機液壓馬達液壓式油 缸氣壓馬達氣壓式氣 缸其 他與材料有關直流伺服電機雙金屬片壓電元件狀態記憶金屬其他電機交流伺服電機步進電機機電系統設計機電系統設計252022-2-7機電系統設計機電系統設計262022-2-7（1 1）慣量小，動力大。）慣量小，動力大。 （2 2）體積小，重量輕。）體積小，重量輕。 （3 3）安裝方便、便于維修維護。）安裝方便、便于維修維護。 （4 4）易于

15、實現自動化控制。）易于實現自動化控制。機電系統設計機電系統設計272022-2-7常用的控制電動機常用的控制電動機 步進電機（步進電機（Stepping MotorStepping Motor）直流伺服電機直流伺服電機(DC Servo Motor)(DC Servo Motor)交流伺服電機交流伺服電機(AC Servo Motor)(AC Servo Motor)轉角與數字脈沖成比例，可構成直接數字控制轉角與數字脈沖成比例，可構成直接數字控制構成廉價的開環系統構成廉價的開環系統控制系統控制較簡單控制系統控制較簡單機電系統設計機電系統設計282022-2-7常用的控制電動機常用的控制電動機

16、步進電機（步進電機（Stepping MotorStepping Motor）直流伺服電機直流伺服電機(DC Servo Motor)(DC Servo Motor)交流伺服電機交流伺服電機(AC Servo Motor)(AC Servo Motor)高響應、高功率密度高響應、高功率密度可實現高精度的數字控制可實現高精度的數字控制換向器件需維護換向器件需維護機電系統設計機電系統設計292022-2-7常用的控制電動機常用的控制電動機 步進電機（步進電機（Stepping MotorStepping Motor）直流伺服電機直流伺服電機(DC Servo Motor)(DC Servo Mot

17、or)交流伺服電機交流伺服電機(AC Servo Motor)(AC Servo Motor)具有具有DCDC伺服電機的全部優點伺服電機的全部優點需要磁極位置檢測器需要磁極位置檢測器無接觸換向器件，維護方便無接觸換向器件，維護方便機電系統設計機電系統設計302022-2-7系統對伺服電機的基本要求系統對伺服電機的基本要求（1 1）性能密度大。即功率密度）性能密度大。即功率密度 Pw=P/w Pw=P/w 或比功率或比功率 大。大。（2 2）快速性好。加速度大、響應特性好。）快速性好。加速度大、響應特性好。（3 3）位置控制與速度控制精度高、調速范圍大、低速平）位置控制與速度控制精度高、調速范圍

18、大、低速平穩性好、分辨率高以及振動噪音小。穩性好、分辨率高以及振動噪音小。（4 4）能適應頻繁啟動，可靠性高、壽命長。）能適應頻繁啟動，可靠性高、壽命長。（5 5）易于與計算機對接，實現計算機控制。）易于與計算機對接，實現計算機控制。步進電機開環控制步進電機開環控制機電系統設計機電系統設計312022-2-7控制電機的控制形式控制電機的控制形式 機電系統設計機電系統設計322022-2-7控制電機的控制形式控制電機的控制形式 伺服電機半閉環控制伺服電機半閉環控制機電系統設計機電系統設計332022-2-7控制電機的控制形式控制電機的控制形式 伺服電機閉環控制伺服電機閉環控制機電系統設計機電系統

19、設計342022-2-7控制電機的控制形式控制電機的控制形式 模擬信號驅動控制機電系統設計機電系統設計352022-2-7控制電機的控制形式控制電機的控制形式 脈沖信號驅動控制機電系統設計機電系統設計362022-2-7應用舉例：舵機控制應用舉例：舵機控制 舵機的英文名稱是Servo，舵機是一種位置伺服的驅動器，適用于那些需要角度不斷變化角度不斷變化并可以保持可以保持的控制系統。 在機器人機電控制系統中，舵機控制效果是性能的重要影響因素。舵機可以在微機電系統和航模中作為基本的輸出執行機構，其簡單的控制和輸出使得單片機系統非常容易與之接口。 舵機是一種位置（角度）伺服的驅動器。目前在高檔遙控玩具

20、，如航模，包括飛機模型，潛艇模型；遙控機器人中已經使用得比較普遍。舵機是一種俗稱，其實是一種伺服馬達。機電系統設計機電系統設計372022-2-7應用舉例：舵機控制應用舉例：舵機控制舵機實物圖舵機實物圖機電系統設計機電系統設計382022-2-7舵機的結構和工作原理舵機的結構和工作原理 舵機是伺服控制系統里最常用的執行機構,其內實際上也是下個閉環的控制系統。舵機只在一根信號線就可以實現機械角度的控制。舵機的結構和連線圖機電系統設計機電系統設計392022-2-7舵機的結構和工作原理舵機的結構和工作原理 標準的舵機有三條控制線，分別為：電源、地及控制。電源線與地線用于提供內部的直流馬達及控制線路

21、所需的能源，電壓通常介于4V-6V之間，該電源應盡可能與處理系統的電源隔離(因為伺服馬達會產生噪音)。甚至小伺服馬達在重負載時也會拉低放大器的電壓，所以整個系統的電源供應的比例必須合理。舵機的結構和連線圖機電系統設計機電系統設計402022-2-7舵機的結構和工作原理舵機的結構和工作原理 控制線輸入一個周期性的正向脈沖信號，這個周期性脈沖信號的高電平時間通常在1ms-2.5ms之間。而低電平時間應在5ms到20ms間，并不很嚴格。 一個典型的20ms周期性脈沖的正脈沖寬度與舵機的輸出臂位置的關系 如果一直以固定占空比的脈沖控制舵機，則舵機的角度一直保持不變（即角度保持）。機電系統設計機電系統設

22、計412022-2-7舵機的控制原理舵機的控制原理 控制信號由接收機的通道進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓。它內部有一個基準電路，產生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片決定電機的正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差為0，電機停止轉動。當然我們可以不用去了解它的具體工作原理，知道它的控制原理就夠了。就象我們使用晶體管一樣，知道可以拿它來做開關管或放大管就行了，至于管內的電子具體怎么流動是可以完全不用去考慮的。機電系統設計機電系統設計422022-2-7舵機的控制

23、原理舵機的控制原理 舵機的控制信號是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機的位置。舵機的控制一般需要一個20ms左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分的脈寬一般在0.5ms2.5ms范圍內，其實是利用調節固定周期內的占空比來控制角度的變化。以180度角度伺服為例，那么對應的控制關系是這樣的： 0.5ms-0度； 1.0ms-45度； 1.5ms-90度； 2.0ms-135度； 2.5ms-180度；注：這只是一種參考數值，具體的參數，需見舵機具體的技術參數。機電系統設計機電系統設計432022-2-7舵機的控制原理舵機的控制原理 小型舵機的工作電壓一般為4.8V或6V，轉速也不是很快，一般為0.2

24、2s/度或0.18s/度，所以假如你更改角度控制脈沖的寬度太快時，舵機可能反應不過來。如果需要更快速的反應，就需要更高的轉速了。 要精確的控制舵機，其實沒有那么容易，很多舵機的位置等級有1024個，那么，如果舵機的有效角度范圍為180度的話，其控制的角度精度是可以達到180/1024度約0.18度了，從時間上看其實要求的脈寬控制精度為2000/1024us約2us。如果你拿了個舵機，連控制精度為1度都達不到的話，而且還看到舵機在發抖，在這種情況下，只要舵機的電壓沒有抖動，那抖動的就是你的控制脈沖了。而這個脈沖為什么會抖動呢？當然和你選用的脈沖發生器有關了。機電系統設計機電系統設計442022-

25、2-7舵機的控制原理舵機的控制原理 小型舵機的工作電壓一般為4.8V或6V，轉速也不是很快，一般為0.22s/度或0.18s/度，所以假如你更改角度控制脈沖的寬度太快時，舵機可能反應不過來。如果需要更快速的反應，就需要更高的轉速了。 要精確的控制舵機，其實沒有那么容易，很多舵機的位置等級有1024個，那么，如果舵機的有效角度范圍為180度的話，其控制的角度精度是可以達到180/1024度約0.18度了，從時間上看其實要求的脈寬控制精度為2000/1024us約2us。如果你拿了個舵機，連控制精度為1度都達不到的話，而且還看到舵機在發抖，在這種情況下，只要舵機的電壓沒有抖動，那抖動的就是你的控制

26、脈沖了。而這個脈沖為什么會抖動呢？當然和你選用的脈沖發生器有關了。機電系統設計機電系統設計452022-2-7舵機的控制原理舵機的控制原理 可以使用FPGA、模擬電路、單片機來產生舵機的控制信號，但FPGA成本高且電路復雜。對于脈寬調制信號的脈寬變換，常用的一種方法是采用調制信號獲取有源濾波后的直流電壓，但是需要50Hz(周期是20ms)的信號，這對運放器件的選擇有較高要求，從電路體積和功耗考慮也不易采用。5mV以上的控制電壓的變化就會引起舵機的抖動，對于機載的測控系統而言，電源和其他器件的信號噪聲都遠大于5mV，所以濾 波 電 路 的 精 度 難 以 達 到 舵 機 的 控 制 精 度 要

27、求 。機電系統設計機電系統設計462022-2-7舵機的控制原理舵機的控制原理 也可以用單片機作為舵機的控制單元，使PWM信號的脈沖寬度實現微秒級的變化，從而提高舵機的轉角精度。單片機完成控制算法，再將計算結果轉化為PWM信號輸出到舵機，由于單片機系統是一個數字系統，其控制信號的變化完全依靠硬件計數，所以受外界干擾較小，整個系統工作可靠。 單片機系統實現對舵機輸出轉角的控制，必須首先完成兩個任務：首先是產生基本的PWM周期信號，本設計是產生20ms的周期信號；其次是脈寬的調整，即單片機模擬PWM信號的輸出，并且調整占空比。機電系統設計機電系統設計472022-2-7舵機的控制原理舵機的控制原理

28、 當系統中只需要實現一個舵機的控制，采用的控制方式是改變單片機的一個定時器中斷的初值，將20ms分為兩次中斷執行，一次短定時中斷和一次長定時中斷。這樣既節省了硬件電路，也減少了軟件開銷，控制系統工作效率和控制精度都很高。 具體的設計過程：例如想讓舵機轉向左極限的角度，它的正脈沖為2ms，則負脈沖為20ms-2ms=18ms，所以開始時在控制口發送高電平，然后設置定時器在2ms后發生中斷，中斷發生后，在中斷程序里將控制口改為低電平，并將中斷時間改為18ms，再過18ms進入下一次定時中斷，再將控制口改為高電平，并將定時器初值改為2ms，等待下次中斷到來，如此往復實現PWM信號輸出到舵機。用修改定

29、時器中斷初值的方法巧妙形成了脈沖信號，調整時間段的寬度便可使伺服機靈活運動。機電系統設計機電系統設計482022-2-7液壓伺服與比例控制系統液壓伺服與比例控制系統機電系統設計機電系統設計492022-2-7形狀記憶合金介紹形狀記憶合金介紹應用舉例：智能材料應用舉例：智能材料機電系統設計機電系統設計502022-2-75.3.1 典型載荷分析典型載荷分析5.3.2 負載的力矩特性負載的力矩特性機電系統設計機電系統設計512022-2-7 典型載荷典型載荷是指作用在機構上的是指作用在機構上的機械摩擦載荷機械摩擦載荷、慣性載慣性載荷荷、彈性載荷彈性載荷、外載荷外載荷以及各種以及各種環境載荷環境載荷

30、等。對具體系統等。對具體系統來說，來說，不一定不一定包含以上所有負載項目，可能是以上幾種典包含以上所有負載項目，可能是以上幾種典型負載的組合。型負載的組合。 當兩個相互接觸的物體在外力作用下，發生相當兩個相互接觸的物體在外力作用下，發生相對運動或具有相對運動的趨勢時，在接觸面間產生對運動或具有相對運動的趨勢時，在接觸面間產生的切向運動阻力叫的切向運動阻力叫摩擦載荷摩擦載荷。 機電系統設計機電系統設計522022-2-7速度速度力力0速度速度力力0速度速度力力靜摩擦力靜摩擦力動摩擦力動摩擦力（a）（b）（c） 不同摩擦阻力與速度的關系不同摩擦阻力與速度的關系vc-vc0（a）靜、動摩擦力；（）靜

31、、動摩擦力；（b）粘滯摩擦力；）粘滯摩擦力；（c）實際摩擦力）實際摩擦力靜摩擦載荷：是相互接觸物體間有相對運動趨勢，但仍處于靜止時所呈現的摩擦力，是常數 NfFss機電系統設計機電系統設計532022-2-7速度速度力力0速度速度力力0速度速度力力靜摩擦力靜摩擦力動摩擦力動摩擦力（a）（b）（c） 不同摩擦阻力與速度的關系不同摩擦阻力與速度的關系vc-vc0（a）靜、動摩擦力；（）靜、動摩擦力；（b）粘滯摩擦力；（）粘滯摩擦力；（c）實際摩擦力實際摩擦力動摩擦載荷是指兩運動物體的接觸面對運動所呈現的阻力（或阻力矩），是常數。 fNFf機電系統設計機電系統設計542022-2-7速度速度力力0速

32、度速度力力0速度速度力力靜摩擦力靜摩擦力動摩擦力動摩擦力（a）（b）（c） 不同摩擦阻力與速度的關系不同摩擦阻力與速度的關系vc-vc0（a）靜、動摩擦力；（）靜、動摩擦力；（b）粘滯摩擦力；（）粘滯摩擦力；（c）實際摩擦力實際摩擦力粘滯摩擦力是與物體運動速度成比例的摩擦力，其大小與速度的絕對值成正比，方向與速度的方向相反 ddfxFct機電系統設計機電系統設計552022-2-7速度速度力力0速度速度力力0速度速度力力靜摩擦力靜摩擦力動摩擦力動摩擦力（a）（b）（c） 不同摩擦阻力與速度的關系不同摩擦阻力與速度的關系vc-vc0（a）靜、動摩擦力；（）靜、動摩擦力；（b）粘滯摩擦力；（）粘滯

33、摩擦力；（c）實際摩擦力實際摩擦力實際摩擦力 實際摩擦特性較復雜，摩擦力與速度之間關系呈非線性。摩擦力的形式和大小取決于相互接觸兩物體表面的質量、結構和兩表面間壓力、相對速度、潤滑等因素。機電系統設計機電系統設計562022-2-7摩擦力模型的建立要根據具體結構確定 kyyftymtf)()()( 機電系統設計機電系統設計572022-2-7j j21NF21RF21fF12FG21NF12G(a)接觸面幾何形狀接觸面幾何形狀（a） 單一平面摩單一平面摩擦擦；（b）槽面摩槽面摩擦擦；（c）圓柱面摩圓柱面摩擦擦2/21NF2/21NFq qq q12GG12(b)(c)（1）移動副中的摩擦力 N

34、fFvf機電系統設計機電系統設計582022-2-7（2）轉動副中的摩擦力 NfFvfNrfMvf機電系統設計機電系統設計592022-2-7（3）摩擦對系統的影響 在機電一體化系統的在機電一體化系統的定位控制定位控制、低速低速和和速度變向速度變向等控制系統中，等控制系統中，由于摩擦的影響，會產生由于摩擦的影響，會產生“爬行爬行”現象。現象。 所謂所謂“爬行爬行”現象現象，是指機械系統在低速運行時，可能出現，是指機械系統在低速運行時，可能出現時啟時啟時停時停、時快時慢時快時慢的的不穩定不穩定運動，或運動，或跳躍式跳躍式運動。運動。產生產生“爬行爬行”的機理的機理，一般認為是由于系統的動、靜摩擦

35、系數不一致或摩擦系數存在非線性一般認為是由于系統的動、靜摩擦系數不一致或摩擦系數存在非線性和系統的剛度不足引起的。系統由靜止開始運動的瞬間，最大靜摩擦和系統的剛度不足引起的。系統由靜止開始運動的瞬間，最大靜摩擦力迅速轉變為相對較小的滑動摩擦力，對系統低速運行的平穩性產生力迅速轉變為相對較小的滑動摩擦力，對系統低速運行的平穩性產生極為不利的影響。因此，在機電一體化控制系統中，往往要求較小的極為不利的影響。因此，在機電一體化控制系統中，往往要求較小的動、靜摩擦力差值比要求較小的摩擦系數更重要。動、靜摩擦力差值比要求較小的摩擦系數更重要。 機電系統設計機電系統設計602022-2-7（3）摩擦對系統

36、的影響 圖示為某隨動系統的伺服系統結構圖，輸出軸為電動機軸圖示為某隨動系統的伺服系統結構圖，輸出軸為電動機軸 G 0 (t)i(t)+-Kae(t)Km+Mm M0sin0隨動控制系統結構圖M 如果不考慮負載的慣性力矩，僅考慮摩擦力矩的影響，則電動機轉矩Mm與偏轉角e(t)的關系為 tKeteKKMmam式中，K a為放大器放大倍數，Km為電動機轉矩系數，K=KaKm 機電系統設計機電系統設計612022-2-7（3）摩擦對系統的影響 圖示為某隨動系統的伺服系統結構圖，輸出軸為電動機軸圖示為某隨動系統的伺服系統結構圖，輸出軸為電動機軸 G 0 (t)i(t)+-Kae(t)Km+Mm M0si

37、n0隨動控制系統結構圖M 當電動機啟動轉矩大于驅動系統最大靜摩擦力矩Ms（折算到電動機軸上的驅動系統總靜摩擦力矩）時，電動機軸運動，則有 smMM sMtKe KMtes/機電系統設計機電系統設計622022-2-7（3）摩擦對系統的影響 圖示為某隨動系統的伺服系統結構圖，輸出軸為電動機軸圖示為某隨動系統的伺服系統結構圖，輸出軸為電動機軸 G 0 (t)i(t)+-Kae(t)Km+Mm M0sin0隨動控制系統結構圖M設電動機軸初始處于靜止狀態。當輸入軸以一定角速度轉動，輸入角滿足 KMtsi/q系統對輸入信號無反應其中， “Ms/K”角稱為死角。 此時，輸出軸仍處于靜止狀態，也就是說，當

38、KMtsi/q時，機電系統設計機電系統設計632022-2-7（3）摩擦對系統的影響 下圖為上述隨動系統出現下圖為上述隨動系統出現“爬行爬行”現象的示意圖。現象的示意圖。 低速爬行示意圖t10(t)(t)abcMc/KMs/Ki(t)=t(t)=t- Mc/K(t)=t- Ms/Kt0設系統輸入信號為 ttiq t = t1前，偏轉角e(t)很小，電動機的輸出轉矩不足以克服輸出軸靜摩擦力矩，故輸出保持靜止狀態。 機電系統設計機電系統設計642022-2-7（3）摩擦對系統的影響 下圖為上述隨動系統出現下圖為上述隨動系統出現“爬行爬行”現象的示意圖。現象的示意圖。 低速爬行示意圖t10(t)(t

39、)abcMc/KMs/Ki(t)=t(t)=t- Mc/K(t)=t- Ms/Kt0t = t1時，偏轉角e(t)為 KMtttttesii/)()()()(10qqq作用在電動機軸上的驅動力矩M為 sMtKeM)(機電系統設計機電系統設計652022-2-7（3）摩擦對系統的影響 下圖為上述隨動系統出現下圖為上述隨動系統出現“爬行爬行”現象的示意圖。現象的示意圖。 低速爬行示意圖t10(t)(t)abcMc/KMs/Ki(t)=t(t)=t- Mc/K(t)=t- Ms/Kt0 這時，電動機開始克服靜摩擦力矩而轉動。一旦電動機轉動以后，摩擦力矩立即降為庫侖摩擦力矩Mc，則t = t1+時，輸

40、出軸的慣性力矩Ma為 Ma= Ms- Mc 輸出軸在慣性力矩Ma作用下作加速運動，偏轉角e(t)逐漸減小，放大器（Ka）輸出電壓隨之降低，從而，執行電動機的輸出轉矩減小。 機電系統設計機電系統設計662022-2-7（3）摩擦對系統的影響 下圖為上述隨動系統出現下圖為上述隨動系統出現“爬行爬行”現象的示意圖。現象的示意圖。 低速爬行示意圖t10(t)(t)abcMc/KMs/Ki(t)=t(t)=t- Mc/K(t)=t- Ms/Kt0當0(t)=（t- Mc /K）時，偏轉角為 KMKMtttttecci/)()()(0qq 這時，電動機的輸出轉矩等于庫侖摩擦力矩Mc ，慣性力矩Ma等于0（

41、圖中a點）。 機電系統設計機電系統設計672022-2-7（3）摩擦對系統的影響 下圖為上述隨動系統出現下圖為上述隨動系統出現“爬行爬行”現象的示意圖。現象的示意圖。 低速爬行示意圖t10(t)(t)abcMc/KMs/Ki(t)=t(t)=t- Mc/K(t)=t- Ms/Kt0 此后，由于偏轉角 e(t)=i(t)-0(t) Mc /K，所以，輸出軸作減速運動， 當d0 (t) /d t=0時（圖中b點），偏轉角絕對值 e(t) Ms/K（圖中c點）時，電動機又將克服靜摩擦力矩而啟動，輸出軸又作加速運動，重復上述過程。 機電系統設計機電系統設計682022-2-7（4）減小摩擦載荷措施 減

42、小摩擦載荷有若干措施，如上所述，較有效的方法是減小動、靜摩擦系數的差值或摩擦系數。由摩擦力和摩擦力矩的基本計算公式知，減小正壓力、摩擦系數、作用力臂，也可以減小摩擦力和摩擦力矩。例如，為了減小摩擦系數可以用滾動摩擦系數代替滑動摩擦系數，用濕摩擦代替干摩擦；使用靜壓軸承也可以減小摩擦系數，靜壓軸承的當量摩擦系數僅為0.00010.0004，而且其動、靜摩擦十分接近，可有效地防止低速爬行。 機電系統設計機電系統設計692022-2-7慣性載荷慣性載荷是由于一定質量的物體具有加速度或角加速度才產生的。是由于一定質量的物體具有加速度或角加速度才產生的。直線運動直線運動慣性載荷為慣性載荷為慣性力慣性力。

43、旋轉運動旋轉運動慣性載荷為慣性載荷為慣性力矩慣性力矩，計算慣性力矩時，需要知道，計算慣性力矩時，需要知道角速度、角加速度和轉動慣量等參量。角速度、角加速度和轉動慣量等參量。 lJlihlhhJlh = Jl / ihl2低速軸向高速軸折算低速軸向高速軸折算下面簡單介紹等效轉動慣量的計算 對于一個傳動鏈裝置，通常對于一個傳動鏈裝置，通常將轉動慣量從一個軸折算到另一將轉動慣量從一個軸折算到另一個軸，見右圖所示。個軸，見右圖所示。 機電系統設計機電系統設計702022-2-7lJlihlhhJlh = Jl / ihl2低速軸向高速軸折算低速軸向高速軸折算下面簡單介紹等效轉動慣量的計算 設l為低速軸

44、；Jl為低速軸轉動慣量；h為高速軸；Jh為高速軸轉動慣量；Jl折算到高速軸h上的等效轉動慣量為Jlh。若忽略粘滯阻尼系數，傳動效率為100%，則高速軸h到低速軸l的傳動比為 1/lhhli 式中，ihl為高速軸h到低速軸l的傳動比；h為高速軸h的角速度，rad/s；l為低速軸l的角速度，rad/s 由能量平衡定律，得 222121hlhllJJ則有2/hlllhiJJ 機電系統設計機電系統設計712022-2-7下面簡單介紹等效轉動慣量的計算 lJlihlhhJlh = Jl / ihl2低速軸向高速軸折算低速軸向高速軸折算根據牛頓第二定律 慣性力F和慣性力矩M的計算公式分別為 JMamF因此

45、，可以采取以下措施，減小慣性載荷（減小慣性力或慣性力矩）： （1）減小運動零部件質量的方法，如為了減小質量或減小轉動慣量，可）減小運動零部件質量的方法，如為了減小質量或減小轉動慣量，可采用減輕孔、空心薄壁結構；選用比重小、強度高的材料，等等。采用減輕孔、空心薄壁結構；選用比重小、強度高的材料，等等。（2）合理布置回轉部分的質量，使重心盡量靠近回轉軸。）合理布置回轉部分的質量，使重心盡量靠近回轉軸。（3）對于減速傳動鏈，盡量提高傳動比，可以使折算到高速軸的等效轉）對于減速傳動鏈，盡量提高傳動比，可以使折算到高速軸的等效轉動慣量減小；動慣量減小； 減小高速軸的轉動慣量，減小高速軸的轉動慣量， 特別

46、是電動機轉子的轉動慣量也可特別是電動機轉子的轉動慣量也可以起到顯著的效果。以起到顯著的效果。 機電系統設計機電系統設計722022-2-7 物體運動時，除了摩擦載荷外，還可能受到外載荷作用。環境載荷是典型的外載荷，環境載荷的環境有空氣、風、溫度等。 外載荷的確定，要視具體情況而定，有的可以從理論上進行推導，有的需要借助實驗來測得。 機電系統設計機電系統設計732022-2-7 分析載荷的力矩特性的分析載荷的力矩特性的目的目的是為了選擇合適的是為了選擇合適的電動機電動機，使其滿，使其滿足足功率功率的要求。一般有的要求。一般有計算法計算法、類比法類比法和和實測法實測法三種計算力矩特性三種計算力矩特

47、性方法。下面僅對方法。下面僅對計算法計算法進行簡單敘述。進行簡單敘述。 1負載力矩計算 確定載荷時，應該根據系統功能要求和工作環境情況，逐項分析載荷的類型和大小，然后，進行載荷綜合。 電動機要克服的負載力矩有兩種情況： （1）負載的峰值力矩，它對應于電動機最嚴重的工作情況； （2）均方根力矩，它對應于電動機長期連續地在變載荷下工作的情況。 機電系統設計機電系統設計742022-2-7（1）負載的峰值力矩特性 設折算到電動機上的負載峰值力矩為設折算到電動機上的負載峰值力矩為mLpM，根據傳遞功率不變原則，有，根據傳遞功率不變原則，有 LpttlmGmtfptwpmLpiiJJJiMiMM2wpM

48、為作用在負載軸上的力矩峰值，為作用在負載軸上的力矩峰值，Nm； fpM為作用在負載軸上的摩擦力矩，為作用在負載軸上的摩擦力矩，Nm； Lp為負載軸的角加速度，為負載軸的角加速度，rad/s2； mJ為電動機上的轉動慣量，為電動機上的轉動慣量，kgm2； mGJ為傳動機構各轉動零件折算到電動機軸上的轉動慣量，為傳動機構各轉動零件折算到電動機軸上的轉動慣量，kgm2； lJ為負載軸上的轉動慣量，為負載軸上的轉動慣量，kgm2； 為傳動機構的效率；為傳動機構的效率； ti為從電動機軸到負載軸的總傳動比。為從電動機軸到負載軸的總傳動比。機電系統設計機電系統設計752022-2-7（2）負載均方根力矩特

49、性 折算到電動機軸上的負載均方根力矩mLrM為 TTTLttLmGmtfiWmLrtiiJJJTtiMTtiMTM0002222d1d1d1機電系統設計機電系統設計762022-2-72負載的等效換算 在設計驅動系統時，要根據執行元件的額定轉距（或力），進行加、減速控制及制動方案的選擇，進行被控對象的固有參數設計（如：質量、轉動慣量等）及匹配設計。因此，要將被控對象相關部件的固有參數及所受的負載（力、力矩等）等，換算到執行元件的輸出軸上，也就是要計算執行元件輸出軸承受的等效轉動慣量和等效負載力矩（對回轉運動），或計算等效質量和等效力（直線運動）。 設傳動系統運動部件的動能總和為 njjjmii

50、iJVME12122121機電系統設計機電系統設計772022-2-7njjjmiiiJVME12122121式中E為系統總動能，J； Mi為i軸上的運動零件質量，Nm；Vi為i軸上的運動零件速度，m/s；Jj為j軸上的轉動零件的轉動慣量，kgm2；j為j軸上的轉動零件角速度，rad/s。 機電系統設計機電系統設計782022-2-7設等效到執行元件輸出軸k上的總動能為 221kkkJEkEE njkjjmikiikJVMJ1212則可得等效轉動慣量為根據能量守恒定律，有Ek 是等效到執行元件輸出軸k上的總動能；Jk 是等效到執行元件輸出軸k上的等效轉動慣量。 工程上常用轉速n（r/min）來

51、計算，可將上式改寫為 2221114mnkjiijijkknVJMJnn式中，nk 為輸出軸k上的轉速。此式即為常用等效“等效轉動慣量”計算公式。 機電系統設計機電系統設計792022-2-7 由于在相同時間內系統克服負載所做的功等于執行元件所做的功，所以，由于在相同時間內系統克服負載所做的功等于執行元件所做的功，所以，上述系統在上述系統在t t時刻內克服負載所做的功的總和為時刻內克服負載所做的功的總和為 njjjmiiitTtVFW11式中W為系統在t時刻內克服負載所做的總功，J；Fi為作用于i 軸上的力，N；Ti為作用于i 軸上的力矩，Nm。 執行元件輸出軸在時間t內所做的功為 tTWkk

52、k式中Wk為k軸上的執行元件所作的功，J； k為k軸上的執行元件角速度，rad/s ；Tk為等效到執行元件輸出軸k上的等效負載轉矩，Nm。 機電系統設計機電系統設計802022-2-7由于WWk，所以，有 mimikjjkiikTVFT11此式即為等效負載轉矩計算公式 機電系統設計機電系統設計812022-2-7FL，MAJm VA, .123TLnm Z1 Z2 進給系統示意圖工作臺3的運動速度為VA電動機1轉子的轉動慣量Jm=410-5kgm2，轉速為nm求：等效到電動機軸上的等效轉動慣量Jm 和等效轉矩Tm。 已知：移動部件3（工作臺、夾具、工件等）的總質量MA=400kg沿運動方向的負

53、載力FL=800N，（包含導軌副的摩擦阻力）齒輪軸部件（包含齒輪）的轉動慣量J1=510-4 kgm2，齒輪軸部件（包含齒輪）的轉動慣量J2=710-4 kgm2；軸的負載轉矩TL=4Nm；齒輪Z1與齒輪Z2的齒數分別為20與40，模數為1。忽略齒條2所在軸的轉動慣量。機電系統設計機電系統設計822022-2-7FL，MAJm VA, .123TLnm Z1 Z2 進給系統示意圖解：求等效轉動慣量Jm njkjjmikiiknnJnVMJ1212241 mmmAmnnJJJnVMJ2212A241由其中 21122222222/22/VZnZinnnZmRRmmA、機電系統設計機電系統設計83

54、2022-2-7于是，得到 22445221221212mkg 1264. 0402010710510410001201400412/2V/2mmmmmAmnnJZnmZZmZnZZn求等效負載轉矩Tm根據式mimikjjkiikTVFT11 mN104100080021212112ZZnZnmnnTnVFTmmmLmALm機電系統設計機電系統設計842022-2-7概概 述述1直流電動機原理及特性直流電動機原理及特性2直流電動機的驅動電路直流電動機的驅動電路 3機電系統設計機電系統設計852022-2-7伺服系統是機電一體化控制系統的主要組成部分，伺服電動機是其關鍵部件。 伺服電動機又稱執行

55、電動機，在機電一體化控制系統中，用作執行元件，把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉現象，轉速隨著轉矩的增加而勻速下降，伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數）。 機電系統設計機電系統設計862022-2-7 伺服電動機的作用是跟蹤指令脈沖動作、輸出功率，使輸出量能夠準確、迅速地復現輸入量的變化，伺服電動機的工作性能將影響伺服系

56、統的調速性能、動態特性、運動精度等。伺服電動機響應頻帶寬，輸出功率大，調速范圍遠遠大于傳統的直流或交流調速電動機，伺服電動機的性能密度大，即功率密度和比功率大。電動機的功率密度定義為 WPPw/式中Pw為電動機的功率密度，表示單位重量W的輸出功率，W/N；P為輸出功率，W；W為重量，N。 機電系統設計機電系統設計872022-2-7電動機的比功率定義為 NTTNtTTttPdddddd式中T為電動機的實際轉矩，Nm；TN為電動機的額定轉矩，Nm；為電動機的角速度，rad/s。 電動機轉動方程為 tJTmNdd式中，Jm為電動機轉子轉動慣量，kgm2。 則有mNJTtP/dd2機電系統設計機電系

57、統設計882022-2-7 伺服電動機應能夠提供足夠的功率，使負載按需要的規律運動。因此，伺服電動機的輸出轉矩、轉速和功率應能滿足拖動負載運動的要求，其控制特性應保證所需調速范圍和轉矩變化范圍。 為此，在選擇伺服電動機時需要作以下計算。 1功率估算 如果要求電動機在峰值轉矩下以最高轉速不斷地驅動負載，則電動機的估算功率PM為 MMMMP)5 . 25 . 1 (式中PM為電動機估算功率，W；MM為負載峰值轉矩，Nm；M為負載峰值轉速，rad/s；為傳動效率，初步估算時取 =0.70.9。 機電系統設計機電系統設計892022-2-71功率估算 如果電動機長期連續地工作在變載荷之下時，按負載均方

58、根功率的電動機估算功率為 rrMMP)5 . 25 . 1 (式中PM 為電動機估算功率，W；Mr 為負載均方根轉矩，Nm；r 為負載均方根轉速，rad/s。 按功率估算值初步選定電動機后，額定轉矩、額定轉速、額定電壓、額定電流、轉子轉動慣量、過載倍數等技術數據可由產品目錄查得或經計算求得。 機電系統設計機電系統設計902022-2-72發熱校核 伺服電動機處于連續工作時的發熱條件與周期性負載的均方根力矩相對應，故初選電動機后，必須根據負載轉矩的均方根值來核對電動機的發熱情況。折算負載均方根轉矩M M r 為 tMTMTMLrMd120式中，MLM為折算到電動機軸上的負載轉矩，Nm。 為了滿足

59、發熱條件，要求電動機的額定轉矩大于或等于折算負載均方根轉矩，即 rMeMM 式中，M e 為電動機的額定轉矩，Nm。 機電系統設計機電系統設計912022-2-73轉矩過載校核 轉矩過載校核的公式為 examMMMxamMMxamLMM式中MxamLM 為折算到電動機軸上負載轉矩的最大值，Nm；M M max為電動機的峰值轉矩（過載轉矩），Nm；Me為電動機的額定轉矩，Nm；為過載倍數。 最大負載轉矩MxamLM的持續作用時間一定要在電動機允許過載倍數的持續時間之內。 機電系統設計機電系統設計922022-2-7U+NSIIFF電刷電刷換向片換向片磁極磁極電流方向：電流方向：上半邊向里，下半邊

60、向外上半邊向里，下半邊向外直流電源直流電源電刷電刷換向器換向器線圈線圈電磁力電磁力機電系統設計機電系統設計932022-2-7U+NSIIFFEE 由右手定則，線圈在磁場中旋轉，將在線圈中產生由右手定則，線圈在磁場中旋轉，將在線圈中產生感應電動勢，感應電動勢的方向與電流的方向相反。感應電動勢，感應電動勢的方向與電流的方向相反。機電系統設計機電系統設計942022-2-7勵磁式直流電動機結構勵磁式直流電動機結構轉子轉子磁極磁極勵磁勵磁繞組繞組機座機座機電系統設計機電系統設計952022-2-7根據根據勵磁線圈勵磁線圈和和轉子繞組轉子繞組的聯接關系，勵磁式的直流電機又可細分為：的聯接關系，勵磁式的