機電一體化技術(shù)全套教學(xué)課件

第1章緒論機電一體化技術(shù)1.1機電一體化概述全套PPT課件1.1機電一體化概述

2（1）機電一體化又稱為機械電子學(xué)（Mechatronics）1、基本概念FA:FactoryAutomationOA:OfficeAutomationHA:HomeAutomationLA:LaborataryAutomation（2）機電一體化技術(shù)1971年起源于日本的《機械設(shè)計》1.1機電一體化概述

31、基本概念（3）機電一體化的形式

從系統(tǒng)觀點出發(fā)，將機械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等在系統(tǒng)基礎(chǔ)上加以綜合，實現(xiàn)整個系統(tǒng)最佳化的多技術(shù)綜合應(yīng)用的一門新興邊緣學(xué)科。（4）機電一體化的發(fā)展

早期主要是機械技術(shù)與電子技術(shù)的相結(jié)合。后期“3C”技術(shù)與人工智能等新興技術(shù)的逐漸滲透豐富了機電一體化的內(nèi)容。機電一體化技術(shù)是多種技術(shù)的有機融合，而不是簡單疊加。1.1機電一體化概述

42、應(yīng)用領(lǐng)域（1）典型的機電一體化系統(tǒng)

在許多領(lǐng)域中都能找到機電一體化系統(tǒng)的應(yīng)用案例，如工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、倉儲物流、休閑娛樂、智能家居、科學(xué)研究、醫(yī)療器械、國防航天等。機器人數(shù)控機床生產(chǎn)線1.1機電一體化概述

51.1機電一體化概述

6（2）從“中國制造2025”看機電一體化系統(tǒng)優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域及發(fā)展原因

《中國制造2025》第一個十年行動綱領(lǐng)要求指出的典型機電一體化系統(tǒng)優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域與優(yōu)先發(fā)展原因。機電一體化技術(shù)的發(fā)展不僅受內(nèi)部技術(shù)水平的影響，同時還受到技術(shù)發(fā)展的需求程度與所能帶來的對社會發(fā)展的有益效果等外部條件的影響。應(yīng)根據(jù)我國實際情況，因地制宜地按層次、有重點、有步驟地發(fā)展的相關(guān)領(lǐng)域

1.1機電一體化概述

7優(yōu)先發(fā)展原因優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域計算機數(shù)控機未智能儀儀器儀表工業(yè)機器人家用電器節(jié)能與新能源汽羊智能機器人航空航天裝備海洋工程裝備及高技術(shù)船舶先進軌道交通裝備智能電網(wǎng)成套裝備農(nóng)業(yè)機械裝備高端診療設(shè)品增材制造技術(shù)機電一體化辦公設(shè)備短期或中期急需√√√√√√√√√√√√√

能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益提升技術(shù)及產(chǎn)品質(zhì)量√√√√√√√√√√√√√√減少原材料消耗√√

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有利于外貿(mào)√√√√√√√√√√√√√

提升相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量√√√

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提高管理效率√

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節(jié)藥能源√√√√√√

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具備前期發(fā)展必需的技術(shù)基礎(chǔ)√√√√√√√√√√√√√

能產(chǎn)生良好的社會效益促進產(chǎn)品國有化√√√√√√√√√√√√√√提高國際影響力

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1.2機電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成8

機電一體化系統(tǒng)各部分有三大交互方式，即“三流”：信息流，物質(zhì)流，能量流。

其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)如下。六大結(jié)構(gòu)要素：1、機電一體化系統(tǒng)的基本組成系統(tǒng)信息流控制系統(tǒng)物質(zhì)流操作對象能量流提供動力傳感檢測單元控制與信息處理單元動力及驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)機械本體接口單元接口單元接口單元接口單元接口單元接口接口將系統(tǒng)各部分按照設(shè)定的時間和空間關(guān)系安裝在某一位置，并保持特定的相互關(guān)系。①組成：一般包括機架，機械連接，機械傳動裝置等。1.2機電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成

（1）機械本體：機電一體化系統(tǒng)的基礎(chǔ)②功能：電能，氣能，液壓能①功能：按照系統(tǒng)控制要求，為系統(tǒng)提供能量與動力③要求：（2）動力及驅(qū)動:能量供應(yīng)環(huán)節(jié)②常見形式：高效率，良好可靠性，滿足動力需求9①功能：根據(jù)指令將各種能量轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動機械本體做功。③要求：1.2機電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成

（3）執(zhí)行機構(gòu)：系統(tǒng)的運動部件②方式：電氣驅(qū)動液壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動普通電動機，控制電動機液壓缸，液壓馬達氣缸，氣動馬達效率高，響應(yīng)速度快，維修方便對外部環(huán)境有良好的適應(yīng)性與高可靠性10包括各種傳感器及信號檢測電路①功能：1.2機電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成

（4）傳感檢測單元：自動控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)②組成：高精度、高靈敏度、高信噪比等③要求：信息轉(zhuǎn)化為可識別信號信息與控制處理單元監(jiān)測內(nèi)外參量變化（5）接口單元：重要組成部分傳遞機械接口、電氣接口、人機接口①定義：將系統(tǒng)各部分連接為一個有機整體②分類：

信息交互信號放大信號傳遞③要求：

高穩(wěn)定性、高傳輸速度、強抗干擾能力、標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議11系統(tǒng)軟件：根據(jù)要求編寫的相關(guān)程序，固化在儲存器內(nèi)。系統(tǒng)硬件：計算機、PLC、單片機、數(shù)控裝置等①功能：1.2機電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成

（6）控制與信息處理單元：核心部分②組成：軟件和硬件組成③要求：信息處理智能化、輕量化、標(biāo)準(zhǔn)化。六大基本要素并非簡單拼湊，而是通過接口實現(xiàn)有機結(jié)合，構(gòu)成機電一體化系統(tǒng)分析、處理、存儲、決策執(zhí)行元件傳感器信號及外部命令控制指令1213（1）伺服驅(qū)動技術(shù)：（2）傳感檢測技術(shù)：（3）接口技術(shù)：2、機電一體化系統(tǒng)的共性關(guān)鍵技術(shù)1.2機電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成

研究執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)，不同場合適合不同驅(qū)動方式機電一體化系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)構(gòu)成，接口性能影響深遠檢測精度影響性能關(guān)鍵：元器件靈敏度、傳感檢測結(jié)構(gòu)、抗干擾能力集機、電、光、聲、信息于一體機械與機械部分，機械與電氣部分、人與系統(tǒng)間、電信號傳輸14（4）計算機控制技術(shù)：（5）精密機械技術(shù)：（6）人機交互技術(shù)：2、機電一體化系統(tǒng)的共性關(guān)鍵技術(shù)1.2正弦量相量表示方法

人—計算機人—機器人—機器人語音和生物電信號豐富了交互方式剛?cè)狁詈?、良好靜動態(tài)特性隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等發(fā)展，有了更多智能控制的方法。發(fā)展趨勢：集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化計算機技術(shù)與控制技術(shù)的結(jié)合1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展15（1）系統(tǒng)的綜合性和高可靠性1、主要特征具體表現(xiàn)為故障率低、壽命長、安全性高高可靠性：機電一體化技術(shù)是各領(lǐng)域技術(shù)的集成，相互取長補短進而形成一個完整系統(tǒng)，達到“1+1>2”的效果。綜合性：1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展16（1）系統(tǒng)的綜合性和高可靠性1、主要特征故障率低：自動化裝置比例增加，運行穩(wěn)定性改善，故障率進一步降低壽命長：通過微電子技術(shù)的融入，可以實時監(jiān)測系統(tǒng)壽命。安全性高：在威脅狀況時會及時發(fā)出警報并停機；

具備程序互鎖，避免人員誤操作；

在特殊情況下可以通過遙控控制1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展17（2）控制智能化1、主要特征系統(tǒng)通過微機進行控制，通過設(shè)計相應(yīng)算法，實現(xiàn)自主運動、自動檢測等功能，并根需要實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)等自適應(yīng)、自動調(diào)節(jié)功能以隨時應(yīng)對環(huán)境與任務(wù)的變化（3）結(jié)構(gòu)緊湊化與輕量化機電一體化系統(tǒng)從整體出發(fā)，充分利用新技術(shù)、新方法的優(yōu)勢設(shè)計產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，在達到結(jié)構(gòu)緊湊化與輕量化的同時，不降低機械的靜剛度與動剛度1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展18（4）剛?cè)狁詈?、主要特征機電一體化系統(tǒng)具有剛性、柔性并存的特點，包括：1.對于不同的用戶需求具有可調(diào)整性與自適應(yīng)性；2.系統(tǒng)運行時對外界條件變化具有強抗干擾能力與適應(yīng)能力（5）運行的高速度和高精度機電一體化系統(tǒng)通過結(jié)合電子技術(shù)、精密機械技術(shù)等先進技術(shù)，采用精密硬件，保證了系統(tǒng)的整體精度，提高機構(gòu)運行速度。1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展19（1）智能化2、發(fā)展趨勢隨著人工智能的發(fā)展，機電一體化技術(shù)的智能化程度越來越高，但目前的系統(tǒng)還不具備人的思維，類人思維的機電一體化系統(tǒng)將是智能化發(fā)展的重要方向。無人駕駛汽車自動導(dǎo)航移動機器人情感陪護機器人1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展20（2）微型化2、發(fā)展趨勢機電一體化系統(tǒng)朝著小型化甚至微型化方向發(fā)展，逐漸形成微機電系統(tǒng)(MEMS)，具有輕巧便攜、低功耗、運動靈活等特點。仿蜻蜓機器人毫米級機器人1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展21（3）模塊化2、發(fā)展趨勢模塊化可以減少產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)成本，提高機電一體化系統(tǒng)各個模塊的通用程度，有助于降低其設(shè)計開發(fā)周期、維修難度、裝配難度等。（4）綠色化綠色化是機電一體化技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展模式，高性能、可拆卸、可維護、低能耗、可回收、無（低）污染等是其重要的特征，在設(shè)計階段就需要將其納入考慮之中。1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展22（5）網(wǎng)絡(luò)化2、發(fā)展趨勢網(wǎng)絡(luò)化是指將不同地點的計算機以及各類電子終端設(shè)備來連接起來，衍生而來的新技術(shù)使得機電一體系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)、控制方法以及人機協(xié)作方法等方面有了新的變化。遠程監(jiān)控遠程控制1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展23（5）人性化2、發(fā)展趨勢機電一體化系統(tǒng)最終使用對象是人，其技術(shù)發(fā)展更加注重與人之間的關(guān)系，要求實現(xiàn)人-機-環(huán)的共融，開發(fā)時要考慮人的情感、安全、舒適等要求。服務(wù)機器人人機協(xié)作1.4機電一體化系統(tǒng)的分類和設(shè)計機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）種類繁多，對此有不同的分類方式。1、機電一體化系統(tǒng)的分類（1）按照機械和電子的功能和所占比例可分為：

以機械裝置為主體的機械電子產(chǎn)品

以電子裝置為主體的機械電子產(chǎn)品（2）按照機電結(jié)合方式可分為：

功能附加型（體脂秤、防抱死制動系統(tǒng)）

功能替代型（掃地機器人、加濕器）

機電融合型（外骨骼機器人、數(shù)控機床）1.4機電一體化系統(tǒng)的分類和設(shè)計2、機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計（1）機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計類型

機電一體化系統(tǒng)設(shè)計類型大致可分為以下三種：①開發(fā)性設(shè)計

在無已有參考系統(tǒng)和具體設(shè)計方案的情況下，根據(jù)目標(biāo)功能要求，利用機電一體化系統(tǒng)設(shè)計，綜合運用機械技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)等各項技術(shù)，進行原創(chuàng)性的創(chuàng)新設(shè)計。該過程是從無到有的全新設(shè)計過程。②適應(yīng)性設(shè)計

在不改變原有機電一體化的原理的情況下，僅針對目標(biāo)功能需求，對其局部結(jié)構(gòu)和功能進行改進，以增加系統(tǒng)某些方面的功能，使其滿足設(shè)1.4機電一體化系統(tǒng)的分類和設(shè)計計目標(biāo)的需求，如提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量、降低成本或提高自動化程度等。③變異性設(shè)計

在原有機電一體化系統(tǒng)設(shè)計方案和功能結(jié)構(gòu)不變的前提下，僅調(diào)整現(xiàn)有產(chǎn)品的規(guī)格尺寸，或通過改變系統(tǒng)部分部件型號來對系統(tǒng)功率、速度、力等參數(shù)進行系列化設(shè)計，使其滿足市場需求。

變異性設(shè)計相比其他兩種設(shè)計較為容易，但需要注意防止因參數(shù)變化而產(chǎn)生的對產(chǎn)品性能、可靠性方面的影響。1.4機電一體化系統(tǒng)的分類和設(shè)計（2）機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計方法

機電一體化系統(tǒng)設(shè)計所考慮的方法通常分為取代法、結(jié)合法和組合法。通過合理運用各項技術(shù)，結(jié)合各領(lǐng)域優(yōu)勢，設(shè)計出最佳的機電一體化系統(tǒng)。①取代法

利用電子部件和自動控制系統(tǒng)取代原有傳統(tǒng)機械系統(tǒng)（產(chǎn)品）中的機械結(jié)構(gòu)和機械控制機構(gòu)，在簡化產(chǎn)品中機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的同時提高了產(chǎn)品可靠性與效率。1.4機電一體化系統(tǒng)的分類和設(shè)計②結(jié)合法

結(jié)合法主要應(yīng)用于全新產(chǎn)品的開發(fā)。從整體角度考慮，將各項技術(shù)有機結(jié)合起來，構(gòu)成一個系統(tǒng)中的子系統(tǒng)，其組成要素之間的結(jié)合度比較高。通過運用結(jié)合法，將運動機構(gòu)、執(zhí)行元件、傳感檢測單元、控制與信息處理單元等要素通過接口有機結(jié)合起來，形成新的機電一體化系統(tǒng)將變得完全有可能。②組合法

組合法將結(jié)合法制成的子系統(tǒng)或者各種標(biāo)準(zhǔn)功能模塊，像積木一樣組合在一起形成機電一體化系統(tǒng)。該方法有效縮短設(shè)計與研制周期，節(jié)省設(shè)備開發(fā)費用，且有利于模塊化生產(chǎn)、管理使用和維修。針對新產(chǎn)品的機電一體化改造中常應(yīng)用這種方法。第1章緒論機電一體化技術(shù)1.2機電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成1.2機電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成30

機電一體化系統(tǒng)各部分有三大交互方式，即“三流”：信息流，物質(zhì)流，能量流。

其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)如下。六大結(jié)構(gòu)要素：1、機電一體化系統(tǒng)的基本組成系統(tǒng)信息流控制系統(tǒng)物質(zhì)流操作對象能量流提供動力傳感檢測單元控制與信息處理單元動力及驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)機械本體接口單元接口單元接口單元接口單元接口單元接口接口將系統(tǒng)各部分按照設(shè)定的時間和空間關(guān)系安裝在某一位置，并保持特定的相互關(guān)系。①組成：一般包括機架，機械連接，機械傳動裝置等。1.2機電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成

（1）機械本體：機電一體化系統(tǒng)的基礎(chǔ)②功能：電能，氣能，液壓能①功能：按照系統(tǒng)控制要求，為系統(tǒng)提供能量與動力③要求：（2）動力及驅(qū)動:能量供應(yīng)環(huán)節(jié)②常見形式：高效率，良好可靠性，滿足動力需求31①功能：根據(jù)指令將各種能量轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動機械本體做功。③要求：1.2機電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成

（3）執(zhí)行機構(gòu)：系統(tǒng)的運動部件②方式：電氣驅(qū)動液壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動普通電動機，控制電動機液壓缸，液壓馬達氣缸，氣動馬達效率高，響應(yīng)速度快，維修方便對外部環(huán)境有良好的適應(yīng)性與高可靠性32包括各種傳感器及信號檢測電路①功能：1.2機電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成

（4）傳感檢測單元：自動控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)②組成：高精度、高靈敏度、高信噪比等③要求：信息轉(zhuǎn)化為可識別信號信息與控制處理單元監(jiān)測內(nèi)外參量變化（5）接口單元：重要組成部分傳遞機械接口、電氣接口、人機接口①定義：將系統(tǒng)各部分連接為一個有機整體②分類：

信息交互信號放大信號傳遞③要求：

高穩(wěn)定性、高傳輸速度、強抗干擾能力、標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議33系統(tǒng)軟件：根據(jù)要求編寫的相關(guān)程序，固化在儲存器內(nèi)。系統(tǒng)硬件：計算機、PLC、單片機、數(shù)控裝置等①功能：1.2機電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成

（6）控制與信息處理單元：核心部分②組成：軟件和硬件組成③要求：信息處理智能化、輕量化、標(biāo)準(zhǔn)化。六大基本要素并非簡單拼湊，而是通過接口實現(xiàn)有機結(jié)合，構(gòu)成機電一體化系統(tǒng)分析、處理、存儲、決策執(zhí)行元件傳感器信號及外部命令控制指令3435（1）伺服驅(qū)動技術(shù)：（2）傳感檢測技術(shù)：（3）接口技術(shù)：2、機電一體化系統(tǒng)的共性關(guān)鍵技術(shù)1.2機電一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)組成

研究執(zhí)行元件及驅(qū)動技術(shù)，不同場合適合不同驅(qū)動方式機電一體化系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)構(gòu)成，接口性能影響深遠檢測精度影響性能關(guān)鍵：元器件靈敏度、傳感檢測結(jié)構(gòu)、抗干擾能力集機、電、光、聲、信息于一體機械與機械部分，機械與電氣部分、人與系統(tǒng)間、電信號傳輸36（4）計算機控制技術(shù)：（5）精密機械技術(shù)：（6）人機交互技術(shù)：2、機電一體化系統(tǒng)的共性關(guān)鍵技術(shù)1.2正弦量相量表示方法

人—計算機人—機器人—機器人語音和生物電信號豐富了交互方式剛?cè)狁詈?、良好靜動態(tài)特性隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等發(fā)展，有了更多智能控制的方法。發(fā)展趨勢：集成化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化計算機技術(shù)與控制技術(shù)的結(jié)合第1章緒論機電一體化技術(shù)1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展趨勢1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展38（1）系統(tǒng)的綜合性和高可靠性1、主要特征具體表現(xiàn)為故障率低、壽命長、安全性高高可靠性：機電一體化技術(shù)是各領(lǐng)域技術(shù)的集成，相互取長補短進而形成一個完整系統(tǒng)，達到“1+1>2”的效果。綜合性：1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展39（1）系統(tǒng)的綜合性和高可靠性1、主要特征故障率低：自動化裝置比例增加，運行穩(wěn)定性改善，故障率進一步降低壽命長：通過微電子技術(shù)的融入，可以實時監(jiān)測系統(tǒng)壽命。安全性高：在威脅狀況時會及時發(fā)出警報并停機；

具備程序互鎖，避免人員誤操作；

在特殊情況下可以通過遙控控制1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展40（2）控制智能化1、主要特征系統(tǒng)通過微機進行控制，通過設(shè)計相應(yīng)算法，實現(xiàn)自主運動、自動檢測等功能，并根需要實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)等自適應(yīng)、自動調(diào)節(jié)功能以隨時應(yīng)對環(huán)境與任務(wù)的變化（3）結(jié)構(gòu)緊湊化與輕量化機電一體化系統(tǒng)從整體出發(fā)，充分利用新技術(shù)、新方法的優(yōu)勢設(shè)計產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，在達到結(jié)構(gòu)緊湊化與輕量化的同時，不降低機械的靜剛度與動剛度1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展41（4）剛?cè)狁詈?、主要特征機電一體化系統(tǒng)具有剛性、柔性并存的特點，包括：1.對于不同的用戶需求具有可調(diào)整性與自適應(yīng)性；2.系統(tǒng)運行時對外界條件變化具有強抗干擾能力與適應(yīng)能力（5）運行的高速度和高精度機電一體化系統(tǒng)通過結(jié)合電子技術(shù)、精密機械技術(shù)等先進技術(shù)，采用精密硬件，保證了系統(tǒng)的整體精度，提高機構(gòu)運行速度。1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展42（1）智能化2、發(fā)展趨勢隨著人工智能的發(fā)展，機電一體化技術(shù)的智能化程度越來越高，但目前的系統(tǒng)還不具備人的思維，類人思維的機電一體化系統(tǒng)將是智能化發(fā)展的重要方向。無人駕駛汽車自動導(dǎo)航移動機器人情感陪護機器人1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展43（2）微型化2、發(fā)展趨勢機電一體化系統(tǒng)朝著小型化甚至微型化方向發(fā)展，逐漸形成微機電系統(tǒng)(MEMS)，具有輕巧便攜、低功耗、運動靈活等特點。仿蜻蜓機器人毫米級機器人1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展44（3）模塊化2、發(fā)展趨勢模塊化可以減少產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)成本，提高機電一體化系統(tǒng)各個模塊的通用程度，有助于降低其設(shè)計開發(fā)周期、維修難度、裝配難度等。（4）綠色化綠色化是機電一體化技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展模式，高性能、可拆卸、可維護、低能耗、可回收、無（低）污染等是其重要的特征，在設(shè)計階段就需要將其納入考慮之中。1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展45（5）網(wǎng)絡(luò)化2、發(fā)展趨勢網(wǎng)絡(luò)化是指將不同地點的計算機以及各類電子終端設(shè)備來連接起來，衍生而來的新技術(shù)使得機電一體系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)、控制方法以及人機協(xié)作方法等方面有了新的變化。遠程監(jiān)控遠程控制1.3機電一體化技術(shù)的特征與發(fā)展46（5）人性化2、發(fā)展趨勢機電一體化系統(tǒng)最終使用對象是人，其技術(shù)發(fā)展更加注重與人之間的關(guān)系，要求實現(xiàn)人-機-環(huán)的共融，開發(fā)時要考慮人的情感、安全、舒適等要求。服務(wù)機器人人機協(xié)作第1章緒論機電一體化技術(shù)1.4機電一體化系統(tǒng)的分類和設(shè)計1.4機電一體化系統(tǒng)的分類和設(shè)計機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）種類繁多，對此有不同的分類方式。1、機電一體化系統(tǒng)的分類（1）按照機械和電子的功能和所占比例可分為：

以機械裝置為主體的機械電子產(chǎn)品

以電子裝置為主體的機械電子產(chǎn)品（2）按照機電結(jié)合方式可分為：

功能附加型（體脂秤、防抱死制動系統(tǒng)）

功能替代型（掃地機器人、加濕器）

機電融合型（外骨骼機器人、數(shù)控機床）1.4機電一體化系統(tǒng)的分類和設(shè)計2、機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計（1）機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計類型

機電一體化系統(tǒng)設(shè)計類型大致可分為以下三種：①開發(fā)性設(shè)計

在無已有參考系統(tǒng)和具體設(shè)計方案的情況下，根據(jù)目標(biāo)功能要求，利用機電一體化系統(tǒng)設(shè)計，綜合運用機械技術(shù)、電子技術(shù)、控制技術(shù)等各項技術(shù)，進行原創(chuàng)性的創(chuàng)新設(shè)計。該過程是從無到有的全新設(shè)計過程。②適應(yīng)性設(shè)計

在不改變原有機電一體化的原理的情況下，僅針對目標(biāo)功能需求，對其局部結(jié)構(gòu)和功能進行改進，以增加系統(tǒng)某些方面的功能，使其滿足設(shè)1.4機電一體化系統(tǒng)的分類和設(shè)計計目標(biāo)的需求，如提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量、降低成本或提高自動化程度等。③變異性設(shè)計

在原有機電一體化系統(tǒng)設(shè)計方案和功能結(jié)構(gòu)不變的前提下，僅調(diào)整現(xiàn)有產(chǎn)品的規(guī)格尺寸，或通過改變系統(tǒng)部分部件型號來對系統(tǒng)功率、速度、力等參數(shù)進行系列化設(shè)計，使其滿足市場需求。

變異性設(shè)計相比其他兩種設(shè)計較為容易，但需要注意防止因參數(shù)變化而產(chǎn)生的對產(chǎn)品性能、可靠性方面的影響。1.4機電一體化系統(tǒng)的分類和設(shè)計（2）機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計方法

機電一體化系統(tǒng)設(shè)計所考慮的方法通常分為取代法、結(jié)合法和組合法。通過合理運用各項技術(shù)，結(jié)合各領(lǐng)域優(yōu)勢，設(shè)計出最佳的機電一體化系統(tǒng)。①取代法

利用電子部件和自動控制系統(tǒng)取代原有傳統(tǒng)機械系統(tǒng)（產(chǎn)品）中的機械結(jié)構(gòu)和機械控制機構(gòu)，在簡化產(chǎn)品中機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的同時提高了產(chǎn)品可靠性與效率。1.4機電一體化系統(tǒng)的分類和設(shè)計②結(jié)合法

結(jié)合法主要應(yīng)用于全新產(chǎn)品的開發(fā)。從整體角度考慮，將各項技術(shù)有機結(jié)合起來，構(gòu)成一個系統(tǒng)中的子系統(tǒng)，其組成要素之間的結(jié)合度比較高。通過運用結(jié)合法，將運動機構(gòu)、執(zhí)行元件、傳感檢測單元、控制與信息處理單元等要素通過接口有機結(jié)合起來，形成新的機電一體化系統(tǒng)將變得完全有可能。②組合法

組合法將結(jié)合法制成的子系統(tǒng)或者各種標(biāo)準(zhǔn)功能模塊，像積木一樣組合在一起形成機電一體化系統(tǒng)。該方法有效縮短設(shè)計與研制周期，節(jié)省設(shè)備開發(fā)費用，且有利于模塊化生產(chǎn)、管理使用和維修。針對新產(chǎn)品的機電一體化改造中常應(yīng)用這種方法。第2章機電一體化系統(tǒng)模型機電一體化技術(shù)2.1.1機械系統(tǒng)模型2.1.1機械系統(tǒng)模型541、機械系統(tǒng)模型組成機械系統(tǒng)模型一般由彈簧、阻尼器和質(zhì)量塊等基本元件組成。一般情況下，彈簧代表系統(tǒng)的剛度特性；阻尼器表示系統(tǒng)的阻尼特性，如摩擦或者產(chǎn)生阻止運動的反向力；質(zhì)量塊表示慣性或?qū)铀俣鹊淖杩?。實際建模時，機械系統(tǒng)不一定由彈簧、阻尼器和質(zhì)量塊組成，但一定會存在剛度、阻尼和慣性的相關(guān)特性，因此根據(jù)相似性原理，這些基本元件都可以被視為以力作為輸入、位移作為輸出的系統(tǒng)。2.1.1機械系統(tǒng)模型551、機械系統(tǒng)模型組成——彈簧在機械系統(tǒng)中，彈簧的剛度定義為拉伸或壓縮彈簧的力F與拉伸或壓縮長度x之間的關(guān)系，在輸入力和伸縮量成正比，即彈噴為線性的情況下，滿足(2-1)式中，k為常數(shù)。k的值越大，則拉伸或者壓縮彈簧所需的力越大，即彈簧的剛度越大。根據(jù)牛頓第三定律，對彈簧施加力的物體同樣也受到彈簧的反作用力，方向相反，大小相同，即-kx。2.1.1機械系統(tǒng)模型561、機械系統(tǒng)模型組成——阻尼器阻尼器用于形象地表示液體阻力中推動物體，或者克服摩擦力推動物體所受的使物體減速的阻尼力的裝置，它可以表示為一個活塞在一個封閉的缸體中從一側(cè)流向另一側(cè)，從而產(chǎn)生阻力。理想情況下，阻尼力F與活塞速度v成正比例關(guān)系，從而有(2-2)式中，f為常量，在一定的速度下，f值越大，阻尼力越大。由于速度v是位移x的變化率，因此有(2-3)2.1.1機械系統(tǒng)模型571、機械系統(tǒng)模型組成——質(zhì)量快

質(zhì)量塊在機械系統(tǒng)中普遍存在，質(zhì)量越大，需要使其產(chǎn)生一定加速度的力越大。根據(jù)牛頓第二定律，力F和加速度成正比關(guān)系，滿足F=ma，其中比例常數(shù)稱為質(zhì)量m。由于加速度是速度的變化率，即a=dv/dt，速度v是位移x的變化率，即v=dx/dt，因此有(2-4)2.1.1機械系統(tǒng)模型582、機械移動系統(tǒng)建模方法由圖可得到質(zhì)量塊的數(shù)學(xué)模型為：(2-5)阻尼器的數(shù)學(xué)模型為：(2-6)彈簧的數(shù)學(xué)模型為：(2-7)2.1.1機械系統(tǒng)模型592、機械移動系統(tǒng)建模方法

下面通過距離說明機械移動系統(tǒng)的建模方法。如圖所示是組合機床動力滑臺。若不考慮運動體m與地面間的摩擦力，該系統(tǒng)可以抽象為右圖所示的力學(xué)模型，根據(jù)牛頓第二定律，整個系統(tǒng)方程可寫為(2-8)2.1.1機械系統(tǒng)模型602、機械移動系統(tǒng)建模方法

圖2.5所示是一個簡易的減震裝置示意圖、若不計運動體與地面之間的摩擦。根據(jù)牛頓第二定律、可以得到系統(tǒng)方程為（2-9）2.1.1機械系統(tǒng)模型612、機械移動系統(tǒng)建模方法

通過對比可知，式(2-8)和式(2-9)完全相同。對式(2-9)進行拉普拉斯變換，其減震系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖如圖2.6所示，傳遞函數(shù)為(2-10)2.1.1機械系統(tǒng)模型622、機械移動系統(tǒng)建模方法

2.1.1機械系統(tǒng)模型632、機械移動系統(tǒng)建模方法

2.1.1機械系統(tǒng)模型642、機械移動系統(tǒng)建模方法

分別對式(2-11)和式(2-12)的力平衡方程進行拉普拉斯變換，可得(2-13)(2-14)2.1.1機械系統(tǒng)模型652、機械移動系統(tǒng)建模方法

根據(jù)式(2-13)和式(2-14)可畫出系統(tǒng)方框圖，如圖2.8(a)所示。2.1.1機械系統(tǒng)模型662、機械移動系統(tǒng)建模方法

通過簡化得到系統(tǒng)方框圖，如圖2.8(b)和圖2.8(c)所示。2.1.1機械系統(tǒng)模型672、機械移動系統(tǒng)建模方法

將F(s)作為整個系統(tǒng)的輸入，分別以X(s)和X(s)作為輸出位移的傳遞函數(shù)如下:

（2-15）2.1.1機械系統(tǒng)模型682、機械移動系統(tǒng)建模方法(2-16)

式(2-15)和式(2-16)描述了該汽車支撐機械系統(tǒng)的動力特性，只要給定汽車的質(zhì)量、輪胎質(zhì)量、阻尼器及彈簧參數(shù)、車胎的彈性，便可決定汽車在行駛過程中的運動狀態(tài)。2.1.1機械系統(tǒng)模型693、機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)建模方法

彈簧、阻尼器和質(zhì)量塊是機械移動系統(tǒng)的基本元件，包含直線運動，但不包含旋轉(zhuǎn)運動。若存在旋轉(zhuǎn)，則需要對三個基本元件進行等效，替換為扭轉(zhuǎn)彈簧、旋轉(zhuǎn)阻尼器以及轉(zhuǎn)動慣量。圖2.9所示為扭轉(zhuǎn)彈簧、旋轉(zhuǎn)阻尼器和轉(zhuǎn)動慣量三個機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)基本元件的表示符號，圖中M(t)表示外力矩；θ(t)表示轉(zhuǎn)角；f表示黏滯阻尼系數(shù)；k表示彈簧剛度。

2.1.1機械系統(tǒng)模型703、機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)建模方法

2.1.1機械系統(tǒng)模型713、機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)建模方法

對于轉(zhuǎn)動慣量元件，轉(zhuǎn)動慣量J與旋轉(zhuǎn)加速度a成正比例關(guān)系，可得M(t)=Ja，由于旋轉(zhuǎn)加速度α是角速度的變化率，角速度是角位移的變化率，因此可得到轉(zhuǎn)動慣量的數(shù)學(xué)模型為(2-19)2.1.1機械系統(tǒng)模型723、機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)建模方法

下面通過扭擺說明機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的建模方法。圖2.10所示為扭擺工作原理圖。圖中，J表示擺錘的轉(zhuǎn)動慣量；f表示擺錘與空氣的黏滯阻尼系數(shù)；k表示扭轉(zhuǎn)彈簧的彈性剛度。加在擺錘上的力矩M(t)與擺錘轉(zhuǎn)角(t)之間的運動數(shù)學(xué)模型為(2-20)對式（2-20）進行拉普拉斯變換，傳遞函數(shù)為(2-21)2.1.1機械系統(tǒng)模型733、機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)建模方法

為了進一步解釋機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建模方法，以圖2.11所示的打印機步進電機--同步齒輪帶驅(qū)動裝置為例進行說明。其中，k、f分別為同步齒形帶的彈性與黏滯阻尼系數(shù)；M(t)為步進電機的力矩；JT和J分別為步進電機電機軸和負(fù)載軸的轉(zhuǎn)動慣量；6(t)和8(t)分別為輸入軸與輸出軸的轉(zhuǎn)角。2.1.1機械系統(tǒng)模型743、機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)建模方法

針對步進電機電機軸和負(fù)載軸，可以分別列出力短平衡方程：（2-22）（2-23）

對上兩式拉普拉斯變換得：（2-24）（2-25）2.1.1機械系統(tǒng)模型753、機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)建模方法

根據(jù)式(2-24)和式(2-25)可畫出步進電機--同步齒輪帶裝置的系統(tǒng)方框圖，如圖2.12(a)所示。2.1.1機械系統(tǒng)模型763、機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)建模方法

并以此簡化為圖2.12(b)和2.12(c)。2.1.1機械系統(tǒng)模型773、機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)建模方法

由圖2.12(c)可得該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為(2-26)2.1.1機械系統(tǒng)模型783、機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)建模方法綜上所述，很多機械系統(tǒng)都能通過彈簧、阻尼器和質(zhì)量塊的組合來建立數(shù)學(xué)模型,其本質(zhì)上是一個質(zhì)量塊、一個彈捧和一個阻尼器的組合，為了便于計算系統(tǒng)中力和位移的關(guān)系，可以認(rèn)為系統(tǒng)只有一個質(zhì)量塊，并且輸入力施加在質(zhì)量塊上。對于多個部分組合的機械系統(tǒng)，獲得描述輸入/輸出關(guān)系的微分方程可以按照如下步驟進行：(1)將系統(tǒng)中的不同部分進行分離，并畫出每個部分的受力分析圖；(2)根據(jù)每個部分的受力分析圖和各個基本元件的數(shù)學(xué)模型，列出受力方程；(3)聯(lián)立系統(tǒng)不同部分的方程得到系統(tǒng)的微分方程。第2章機電一體化系統(tǒng)模型機電一體化技術(shù)2.1.2電路系統(tǒng)模型2.1.2電路系統(tǒng)模型801.電路系統(tǒng)模型組成元件基本元件圖示描述方程能量/功率消耗電感電容電阻2.1.2電路系統(tǒng)模型2.各電路網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)模型1）RC有源電路網(wǎng)絡(luò)圖：RC有源電路網(wǎng)絡(luò)

由圖可知，RC電路網(wǎng)絡(luò)微分方程可以寫為或

進行拉普拉斯變換，得

變形，可得

2.1.2電路系統(tǒng)模型

RC有源網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)學(xué)關(guān)系可以用動態(tài)框圖表示

將兩動態(tài)框圖合并，輸入量置于左端，輸出量置于右端，并將同一個變量的信號通路接在一起，可構(gòu)成RC電路網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)框圖，如下圖所示2.1.2電路系統(tǒng)模型2）RC無源電路網(wǎng)絡(luò)

圖示為RC無源電路網(wǎng)絡(luò)，可以寫出以下關(guān)系

據(jù)以上關(guān)系，求出傳遞函數(shù)，并畫出動態(tài)框圖圖：RC無源電路網(wǎng)絡(luò)圖：RC無源電路網(wǎng)絡(luò)動態(tài)框圖2.1.2電路系統(tǒng)模型3）無源雙T形網(wǎng)絡(luò)

圖示為雙T形電路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用阻抗星形-三角形變換法知，雙T形網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上可以等效為簡單的Π形網(wǎng)絡(luò)，其傳遞函數(shù)為

令

，可得出頻率特性圖：無源雙T形電路網(wǎng)絡(luò)2.1.2電路系統(tǒng)模型其幅頻特性為其相頻特性為其中心頻率為{

由此可知，無源雙T形網(wǎng)絡(luò)是一個效果很好的帶阻濾波器，選擇合適的R和C，可以濾掉頻率為的干擾2.1.2電路系統(tǒng)模型4）運算放大器

運算放大器是一個內(nèi)含多級放大電路的電子集成電路，其輸入級是差分放大電路，具有高輸入電阻和抑制零點漂移的能力；中間級主要進行電壓放大，一般由共射級放大電路組成；輸出級于負(fù)載相連，具有帶負(fù)載能力強、輸出電阻低的特點。

通常情況下，由運算放大器組成的有源網(wǎng)絡(luò)可取代無源網(wǎng)絡(luò)，此時電路系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型可以通過求解各個運算放大器得到，可簡化計算。

由于運算放大器開環(huán)增益極大，具有高輸入電阻的特點，因此系統(tǒng)建模時，一般將A點看成是“虛地”，即,同時，有

圖：運算放大器工作原理2.1.2電路系統(tǒng)模型4）運算放大器據(jù)電路基本知識，有進行拉普拉斯變換，得故運算放大器傳遞函數(shù)為圖：運算放大器工作原理

2.1.2電路系統(tǒng)模型5）比例—積分調(diào)節(jié)器

比例—積分調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器），其積分作用是指調(diào)節(jié)器的輸出與輸入的偏差對時間的積分成比例的作用。其傳遞函數(shù)為2.1.2電路系統(tǒng)模型6）比例—微分調(diào)節(jié)器比例—微分調(diào)節(jié)器（PD調(diào)節(jié)器），其微微分的作用足能夠?qū)ο到y(tǒng)進行超前調(diào)節(jié)。其傳遞函數(shù)為2.1.2電路系統(tǒng)模型7）有源帶通濾波器

帶通濾波器（band-passfilter）是一個允許特定頻段的波通過同時屏蔽其他頻段的設(shè)備。如下，為一帶通濾波器原理圖2.1.2電路系統(tǒng)模型7）有源帶通濾波器據(jù)帶通濾波器原理圖，可以得出消去中間變量，得傳遞函數(shù)第2章機電一體化系統(tǒng)模型機電一體化技術(shù)2.1.3液壓、氣壓系統(tǒng)模型2.1.3液壓、氣壓系統(tǒng)模型93

1、液壓伺服馬達圖：四通閥控液壓缸系統(tǒng)

2.1.3液壓、氣壓系統(tǒng)模型94

2.1.3液壓、氣壓系統(tǒng)模型95

2.1.3液壓、氣壓系統(tǒng)模型96

圖：液壓滑閥特性曲線2.1.3液壓、氣壓系統(tǒng)模型97

2.1.3液壓、氣壓系統(tǒng)模型98

2.1.3液壓、氣壓系統(tǒng)模型99

2.1.3液壓、氣壓系統(tǒng)模型100

2.1.3液壓、氣壓系統(tǒng)模型101

2.1.3液壓、氣壓系統(tǒng)模型102

2.1.3液壓、氣壓系統(tǒng)模型103

2.1.3液壓、氣壓系統(tǒng)模型104

2.1.3液壓、氣壓系統(tǒng)模型105根據(jù)拉普拉斯變換式可分別建立其動態(tài)框圖，整理，最終可建立液壓缸系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框架圖，如下2.1.3液壓、氣壓系統(tǒng)模型106圖：閥控液壓缸系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.1.3液壓、氣壓系統(tǒng)模型107

2.1.3液壓、氣壓系統(tǒng)模型108

圖：實際滑閥控制系統(tǒng)2.1.3液壓、氣壓系統(tǒng)模型109圖：液壓缸系統(tǒng)框圖2.1.3液壓、氣壓系統(tǒng)模型110在實際中為了使問題簡化，往往忽略一些因素(與現(xiàn)場環(huán)境有關(guān)，例如外力F))或用簡單運動形式代替復(fù)雜運動(用直線運動參數(shù)代替旋轉(zhuǎn)運動參數(shù)),從而使整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)變得簡單。

表2.2列出了閥控液壓缸(氣動)忽略不同因素的傳遞參數(shù)。

氣動伺服馬達和液壓伺服馬達擁有相同的運動形式，因此在討論氣動伺服馬達的傳遞函數(shù)時，可參照也要伺服馬達的方法將壓力液體介質(zhì)改為壓力氣體介質(zhì)即可。

具體可參照書本第33頁

2、氣動伺服馬達的傳遞函數(shù)2.1.3液壓、氣壓系統(tǒng)模型111

3、液壓力矩放大器圖：四通閥控液壓缸系統(tǒng)2.1.3液壓、氣壓系統(tǒng)模型112

2.1.3液壓、氣壓系統(tǒng)模型113根據(jù)上式可得出液壓力矩放大器的動態(tài)框圖，如下圖所示圖：液壓力矩放大器系統(tǒng)框圖2.1.3液壓、氣壓系統(tǒng)模型114

第2章機電一體化系統(tǒng)模型機電一體化技術(shù)2.2機電耦合2.2機電耦合116原理分析：ei(t)為電機電樞輸入電壓，θ0(t)為電機輸出轉(zhuǎn)角，R為電樞繞組的電阻，L為電樞繞組的電感，i(t)為電樞繞組的電流強度，em(t)為電機的感應(yīng)電動勢，M(t)為電機的轉(zhuǎn)矩，J為電機及負(fù)載折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量，f為電機及負(fù)載折算到電機軸上的黏滯阻尼系數(shù)。2.2.1、電樞控制式直流電動機2.2機電耦合117原理分析：2.2.1、電樞控制式直流電動機2.2機電耦合118原理分析：ei(t)為激勵繞組輸入電壓，θ0(t)為電機輸出轉(zhuǎn)角，Rf為激勵繞組的電阻值，Lf為激勵繞組的電感值，if(t)為激勵繞組的電流大小，Ra為電樞電路的等效電阻，ia為電樞電流（常量），M(t)為電機轉(zhuǎn)矩，J為電機及負(fù)載折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量，f為電機及負(fù)載折算到電機軸上的黏滯阻尼系數(shù)。2.2.2、磁場控制式直流電動機2.2機電耦合119原理分析：2.2.2、磁場控制式直流電動機2.2機電耦合120原理分析：ei(t)為輸入控制電壓，e0(t)為發(fā)電機輸出電壓，Rf、Rg為發(fā)電機等效電阻，Lf、Lg為發(fā)電機等效電感，ZL為發(fā)電機負(fù)載阻抗，

eL(t)為負(fù)載電壓。2.2.3、直流發(fā)電機2.2機電耦合121

電動機、發(fā)電機以及很多機電一體化產(chǎn)品均耦合了電路系統(tǒng)和機械系統(tǒng)。電路系統(tǒng)與機械系統(tǒng)的基本元件的數(shù)學(xué)表達存在很多共同之處，如電流和力、電壓和速度的類比等等。2.2.4、電路系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的比較2.2機電耦合1222.2.4、電路系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的比較系統(tǒng)比較舉例：第2章機電一體化系統(tǒng)模型機電一體化技術(shù)2.3機電一體化系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模實例2.3機電一體化系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模實例124

數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)狀態(tài)的分布類型2.3.1、數(shù)學(xué)模型的分類2.3機電一體化系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模實例125建模原則2.3.2、數(shù)學(xué)模型的建模方法選擇數(shù)學(xué)模型功能及連接功能模塊數(shù)學(xué)模型組合數(shù)學(xué)模型建模方法①數(shù)學(xué)分析法：以各種物理原理建立系統(tǒng)參數(shù)或變量之間的關(guān)系，并獲得近似的數(shù)學(xué)描述（機理模型）②實驗分析法：根據(jù)合理的實驗結(jié)果進行分析獲得滿足系統(tǒng)輸入/輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)描述（辨識模型）2.3機電一體化系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模實例126相似性原理：不同的系統(tǒng)存在相似的數(shù)學(xué)抽象或物理相似2.3.2、數(shù)學(xué)模型的建模方法舉例：第3章伺服驅(qū)動技術(shù)機電一體化技術(shù)3.1伺服系統(tǒng)概述3.1伺服系統(tǒng)概述

伺服系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)的一類，它的輸出變量通常是機械或位置的運動，它的根本任務(wù)是實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)對給定指令的準(zhǔn)確跟蹤，即實現(xiàn)輸出變量的某種狀態(tài)能夠自動、連續(xù)。精確地復(fù)現(xiàn)輸入指令信號的變化規(guī)律。3.1.1伺服系統(tǒng)的構(gòu)成

從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分。檢測環(huán)節(jié)

比較環(huán)節(jié)控制器輸入指令執(zhí)行元件被控對象輸出量1301、比較環(huán)節(jié)3.1.1伺服系統(tǒng)的構(gòu)成比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較，以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié)，通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn)。

2、控制器

控制器通常是計算機或PID控制電路，其主要任務(wù)是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理，以控制執(zhí)行元件按要求動作。3、執(zhí)行環(huán)節(jié)

執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機械能，驅(qū)動被控對象工作。機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機或液壓、氣動伺服機構(gòu)等。1314、被控對象3.1.1伺服系統(tǒng)的構(gòu)成被控對象是指被控制的機構(gòu)或裝置，是直接完成系統(tǒng)目標(biāo)的主體，包括傳動系統(tǒng)、執(zhí)行裝置和負(fù)載，如工業(yè)機器人的手臂、數(shù)控機床的工作臺以及自動引導(dǎo)車的驅(qū)動輪等。5、檢測環(huán)節(jié)

檢測環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M行測量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置，一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路。1323.1.2伺服系統(tǒng)的類型伺服系統(tǒng)的種類有很多，采用不同的分類方法，可得到不同類型的伺服系統(tǒng)。1、按控制原理分類

按控制原理的不同分為開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)2、按驅(qū)動方式分類3、按控制對象和使用目的分類

按驅(qū)動方式的不同分為電氣、液壓和氣動伺服系統(tǒng)

按控制對象和使用目的的不同可分為進給、主軸、輔助等伺服系統(tǒng)1331、按控制原理分類（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類型開環(huán)伺服系統(tǒng)沒有位置檢測元件，伺服驅(qū)動元件為步進電動機或電液微沖馬達。1341、按控制原理分類（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類型這種系統(tǒng)對機床傳動機構(gòu)的傳動或工作臺移動的實際情況不進行檢測。沒有被控對象的反饋信息。輸入量和輸出量之間只有順向左右，沒有反向聯(lián)系，故稱為開環(huán)伺服系統(tǒng)。特點：（1）控制精度較低，只有0.01mm左右，且速度有一定限制。（2）結(jié)構(gòu)簡單，成本低，調(diào)整和維修都比較方便，且工作穩(wěn)定，可靠。應(yīng)用：廣泛應(yīng)用于一些對精度和速度要求不高的場合（如線切割機、辦公自動化設(shè)備等）。1351、按控制原理分類（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類型閉環(huán)伺服系統(tǒng)有位置檢測元件，位置檢測元件（如感應(yīng)同步器、光柵、磁尺、線紋尺等）不斷地檢測機床移動部件（如工作臺、溜板箱、刀架等）的位移情況。

1361、按控制原理分類（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類型閉環(huán)伺服系統(tǒng)輸出量不僅受到輸入量（指令）的控制，而且還受反饋信號的控制。輸出量與輸入量之間既有順向作用，又有反向聯(lián)系，所以稱其為閉環(huán)控制或反饋控制。特點：（1）精度高，但實現(xiàn)難度很大，而且存在穩(wěn)定性問題。（2）系統(tǒng)的控制和調(diào)試復(fù)雜，制造成本高應(yīng)用：高精密和大型機電一體化設(shè)備。1371、按控制原理分類（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類型半閉環(huán)伺服系統(tǒng)利用裝在絲杠軸或齒輪軸上的角位移測量元件（如編碼盤、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓形光柵、磁尺、感應(yīng)同步器、光電盤等）測量絲杠軸或齒輪軸的轉(zhuǎn)動來間接地測量工作臺位移。1381、按控制原理分類（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類型半閉環(huán)伺服系統(tǒng)利用裝在絲杠軸或齒輪軸上的角位移測量元件（如編碼盤、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓形光柵、磁尺、感應(yīng)同步器、光電盤等）測量絲杠軸或齒輪軸的轉(zhuǎn)動來間接地測量工作臺位移。1391、按控制原理分類（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類型半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的定位精度低于閉環(huán)伺服系統(tǒng)，高于開環(huán)伺服系統(tǒng)，介于兩者之間。特點：（1）慣性較大的工作臺在控制回路之外，故系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，調(diào)試比較容易。（2）角位移測量元件比線位移測量元件簡單、價格低廉。應(yīng)用：配以傳動誤差小的滾珠絲杠-螺母副和精密齒輪的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)比閉環(huán)伺服系統(tǒng)應(yīng)用更為普遍。1402、按驅(qū)動方式分類（1）電氣伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類型電氣伺服系統(tǒng)采用伺服電機為執(zhí)行元件，根據(jù)執(zhí)行元件的不同又分為直流伺服系統(tǒng)、交流伺服系統(tǒng)、步進伺服系統(tǒng)等。（2）液壓伺服系統(tǒng)液壓伺服系統(tǒng)常用的執(zhí)行裝置有液壓油缸、液壓馬達等。（3）氣動伺服系統(tǒng)氣動伺服系統(tǒng)以壓縮空氣為工作介質(zhì)，采用的執(zhí)行裝置包括氣缸、氣動馬達等。1413、按控制對象和使用目的分類（1）進給伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的類型進給伺服系統(tǒng)是指一般概念的伺服系統(tǒng)，它包括速遞控制環(huán)和位置控制環(huán)。進給伺服系統(tǒng)完成各坐標(biāo)軸的進給運動，具有定位和輪廓跟蹤功能。（2）主軸伺服系統(tǒng)主軸伺服系統(tǒng)主要實現(xiàn)主軸的旋轉(zhuǎn)運動，提供切削過程中的轉(zhuǎn)矩和功率，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，完成在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的無級變速。（2）輔助伺服系統(tǒng)輔助伺服系統(tǒng)控制刀庫、料庫等輔助系統(tǒng)的運動，多采用簡易的位置控制方式。1421、穩(wěn)定性好3.1.3伺服系統(tǒng)的基本要求

伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的干擾消失以后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定下運行，或者在輸入的指令信號作用下，能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。2、精度高

伺服系統(tǒng)精度是指輸出量復(fù)現(xiàn)指令信號的精確程度。伺服系統(tǒng)工作過程中通常存在著三中誤差，即動態(tài)誤差、穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差。3、快速響應(yīng)性好快速響應(yīng)性是衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)性能的一項重要指標(biāo)，其主要包含兩方面的含義：一是指動態(tài)響應(yīng)過程中，輸出量跟隨輸入指令信號變化的迅速程度；二是指動態(tài)響應(yīng)過程結(jié)束的迅速程度。1433.1.3伺服系統(tǒng)的基本要求4、可靠性高5、調(diào)速范圍寬調(diào)速范圍是指伺服系統(tǒng)所能提供的最高速度與最低速度之比，通常指轉(zhuǎn)速之比，即式中，為額定負(fù)載時最高轉(zhuǎn)速；

為額定負(fù)載時最低轉(zhuǎn)速；R為調(diào)速范圍。

系統(tǒng)各元件的參數(shù)變化都會影響系統(tǒng)的性能，如果對這些變化的適應(yīng)性與自我調(diào)節(jié)能力強，則系統(tǒng)的性能受元件參數(shù)變化的影響就小，可靠性就高。3.2伺服系統(tǒng)中的執(zhí)行元件3.2.1執(zhí)行元件的種類及特點

執(zhí)行元件是位于電氣控制裝置和機械執(zhí)行裝置接點部位的一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它能在控制裝置的作用下，將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)換為機械能。執(zhí)行元件的種類繁多，根據(jù)使用能量的不同，分為電氣式、液壓式和氣壓式等類型。1、電氣式執(zhí)行元件以電能為動力，利用電能產(chǎn)生位移或轉(zhuǎn)角，從而實現(xiàn)對被控對象的調(diào)整和控制。如交流電機、直流電機、力矩電機、步進電機等。2、液壓式執(zhí)行元件是將壓縮液體的能量轉(zhuǎn)換為機械能，拖動負(fù)載實現(xiàn)直線或回轉(zhuǎn)運動。做工介質(zhì)可以是水，但大多數(shù)用油。常見的液壓式執(zhí)行元件有液壓缸、液壓馬達等；3、氣壓式執(zhí)行元件與液壓式執(zhí)行元件的原理相同，只是介質(zhì)由液體改為氣體。3.2.1執(zhí)行元件的種類及特點3.2.2執(zhí)行元件的基本要求1、慣性小、動力大。為使伺服系統(tǒng)具有良好的快速響應(yīng)性能和足夠的負(fù)載能力，希望執(zhí)行元件具有小的慣量并輸出較大的功率；2、體積小、質(zhì)量輕。為使執(zhí)行元件易于安裝及與機械系統(tǒng)連接，是伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，常希望執(zhí)行元件具有較小的體積和較輕的質(zhì)量；3、便于計算機控制。機電一體化產(chǎn)品多采用計算機控制，因而希望執(zhí)行元件也可通過計算機控制；4、成本低、可靠性好、便于安裝和維修。3.2.3新型執(zhí)行元件1、高溫超導(dǎo)電機

高溫超導(dǎo)電采用超導(dǎo)勵磁繞組代替常規(guī)勵磁繞組，主要由定子、轉(zhuǎn)子、低溫冷卻系統(tǒng)和失超保護系統(tǒng)組成。其中定子由電樞、機座、軸承組成，轉(zhuǎn)子由冷媒傳輸裝置、高溫超導(dǎo)磁體、磁體支撐系統(tǒng)、轉(zhuǎn)軸、外轉(zhuǎn)子真空屏等組成。高溫超導(dǎo)磁體在低溫下具有載流密度大、產(chǎn)生磁場強、無損耗等特點，其強磁場特性降低了電機的體積和質(zhì)量，提高了電機功率密度和電機效率。（1）、高溫超導(dǎo)電機的組成3.2.3新型執(zhí)行元件（2）、高溫超導(dǎo)電機的特點a、低溫下具有零電阻特性，載流能力強；b、電機的體積和質(zhì)量小；c、具有高功率密度、高效率、低振動噪聲、過載能力強、無周期熱負(fù)載等。3.2.3新型執(zhí)行元件（3）、高溫超導(dǎo)電機的應(yīng)用

目前，在船舶電力推進、直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電、大功率電器傳動、工業(yè)發(fā)電、航天發(fā)射等許多大中型電機應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在對電機體積、質(zhì)量有嚴(yán)格要求的船舶電力推進和直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

我國高溫超導(dǎo)電機的研究起步研究較晚，研究的深度和廣度還不夠，基礎(chǔ)研究、技術(shù)水平與技術(shù)手段與美國和德國相比還存在明顯差距。3.2.3新型執(zhí)行元件

（2）超聲波電機的特點及應(yīng)用

超聲波電動機結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、力矩大、響應(yīng)快、控制精度高,可以運用于照相機的自動調(diào)焦、門式窗簾的直接驅(qū)動、機器人的關(guān)節(jié)控制等場合。2、超聲波電動機（1）超聲波電機的工作原理及組成

超聲波電動機是一種新的微型驅(qū)動電機,它沒有繞組和磁路,不以電磁相瓦作用來傳遞能量,而是基于壓電材科的逆壓電效應(yīng),利用超聲波振動來實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。超聲波電動機的基本結(jié)構(gòu)主要包括定子、轉(zhuǎn)子、壓力彈簧和轉(zhuǎn)軸等部件。3.2.3新型執(zhí)行元件（3）、超聲波電機分類

超聲波電動機的分類還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),按照驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動的機理可分為駐波型和行波型兩種。

a、駐波型是利用與壓電材料相連的彈性體內(nèi)激發(fā)的駐波來推動轉(zhuǎn)子運動,屬于間斷驅(qū)動方式;

b、行波型則是在彈性體內(nèi)產(chǎn)生單向的行波,利用行波表面質(zhì)點的振動軌跡來傳遞能量,屬于連續(xù)驅(qū)動方式。3.2.3新型執(zhí)行元件（4）、超聲波電機的速度控制

超聲波電動機的速度控制可通過變壓、變頻來實現(xiàn)，另外，改變定子兩相相位差也可對速度進行控制。變頻控制可以充分利用超聲波電動機低速、大轉(zhuǎn)矩、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點，且有較高效率，因而成為首選。相位差控制可平滑調(diào)速和改變轉(zhuǎn)向，適用于需要柔順驅(qū)動的系統(tǒng)。3.2.3新型執(zhí)行元件3、壓電式驅(qū)動器

壓電式驅(qū)動器是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)作微量位移。壓電材料具有雙向的壓電效應(yīng),正壓電效應(yīng)是指壓電材料在外力作用下產(chǎn)生應(yīng)變,在其表面上產(chǎn)生電荷;而逆壓電效應(yīng)是指壓電材料在外界電場作用下產(chǎn)生應(yīng)變,其應(yīng)變大小與電場強度成正比,應(yīng)變方向取決于電場方向。（1）、壓電式驅(qū)動器的工作原理3.2.3新型執(zhí)行元件（2）、壓電式驅(qū)動器的特點a、位移量大(行程可達數(shù)厘米);b、移動精度和分辨率極高(位移精度可達0.05um,分辨率可達0.006um每步);c、動作快(移動速度可達20mm/min);d、結(jié)構(gòu)簡單,尺寸小;易于遙控。3.2.3新型執(zhí)行元件（3）、典型的壓電式驅(qū)動器

當(dāng)壓電陶瓷管1通電時向左伸長,推動刀體中的滑柱2、方形楔塊4和圓柱楔塊8左移。借助于楔塊8的斜面,克服壓板彈簧5的彈力,將固定鏜刀6的刀套7項起,實現(xiàn)鏜刀6的一次微量位移。相反,當(dāng)對壓電陶瓷管通反向直流電壓時,則壓電陶瓷管1向右收縮,楔塊4右側(cè)出現(xiàn)空隙。在圓柱彈簧3的作用下,方形楔塊4向下移動,以填補由于壓電陶瓷管收縮時所騰出的空隙。3.2.3新型執(zhí)行元件4、磁致伸縮執(zhí)行器

磁致伸縮執(zhí)行器是利用某些材料在磁場作用下具有尺寸變化的磁致伸縮效應(yīng)來實現(xiàn)微量位移的一種執(zhí)行元件。磁致伸縮效應(yīng)是指某些材料在磁場作用下產(chǎn)生應(yīng)變,其應(yīng)變大小與磁場強度成正比。（1）、工作原理3.2.3新型執(zhí)行元件

圖3.8給出了磁致伸縮式微量進給的工作原理。磁致伸縮棒的左端固定在機座上,其右端與運動部件相連。當(dāng)繞在伸縮棒外的線圈通入勵磁電流后,在磁場作用下伸縮棒將產(chǎn)生相應(yīng)的變形,使運動部件實現(xiàn)微量移動。改變線圈的通電電流可改變磁場強度,使磁致伸縮棒產(chǎn)生不同的伸縮變形,從而使運動部件得到不同的微量位移。3.2.3新型執(zhí)行元件（2）、磁致伸縮執(zhí)行器的特點a、重復(fù)精度高,無間隙;b、剛性好,轉(zhuǎn)動慣量小,工作穩(wěn)定性好;c、結(jié)構(gòu)簡單、緊湊;d、進給量有限。3.2.3新型執(zhí)行元件5、電熱式驅(qū)動器（1）、工作原理

電熱式驅(qū)動器利用電熱元件(如金屬棒)通電后產(chǎn)生的熱變形來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的微小直線位移,可通過控制電熱器(電阻絲)的加入電流來改變位移量,利用變壓器或變阻器可調(diào)節(jié)傳動桿的加熱速度,以實現(xiàn)位移速度的控制。3.2.3新型執(zhí)行元件

（2）、電熱式驅(qū)動器的特點

電熱式驅(qū)動器具有剛度高、無間隙等優(yōu)點,但是存在熱慣性,且難于精確地控制冷卻速度,故只能用于行程較短、工作頻率不高的場合。3.2.3新型執(zhí)行元件

在圖3.10所示的熱變形微動裝置中,傳動桿的一端固定在機座上,另一端固定在沿導(dǎo)軌移動的運動件上。當(dāng)安裝在桿腔內(nèi)部的電阻絲通電加熱時,傳動桿受熱伸長,推動運動桿實現(xiàn)微量位移。

式中,?l為傳動桿的伸長量;

為傳動桿材料的線膨脹系數(shù);

為傳動桿長度;

為加熱前后的溫差。第3章伺服驅(qū)動技術(shù)機電一體化技術(shù)3.3電氣伺服系統(tǒng)3.3電氣伺服系統(tǒng)

164（1）直流伺服電動機的基本結(jié)構(gòu)及工作原理3.3.1、直流伺服系統(tǒng)圖3-3.1直流伺服電動機基本結(jié)構(gòu)直流伺服電動機與直流電動機結(jié)構(gòu)、原理相同。只是為減小轉(zhuǎn)動慣量，電機做得細(xì)長一些。直流伺服電動機主要由磁極、電驅(qū)、電刷、換向片等部分組成，如圖3-3.1所示。3.3電氣伺服系統(tǒng)

165（2）直流伺服電動機的類型及特點3.3.1、直流伺服系統(tǒng)直流伺服電動機具有穩(wěn)定性好、易控制、響應(yīng)快、控制功率低、損耗小、轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點，因此在工業(yè)中得到了較廣泛的應(yīng)用，但是電刷和換向器的使用增大了電動機維護的工作量，縮短了電動機的使用壽命。3.3電氣伺服系統(tǒng)

1663.3.1、直流伺服系統(tǒng)直流伺服電動機定子勵磁方式電磁式他勵式串勵式并勵式復(fù)勵式永磁式電驅(qū)的結(jié)構(gòu)與形狀平滑電驅(qū)型空芯電驅(qū)型有槽電驅(qū)型轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量大慣量（直流力矩伺服器）中慣量小慣量3.3電氣伺服系統(tǒng)

167（3）直流伺服電動機的穩(wěn)態(tài)特性3.3.1、直流伺服系統(tǒng)圖3-3.2電驅(qū)控制直流伺服電動機原理圖

3.3電氣伺服系統(tǒng)

168（3）直流伺服電動機的穩(wěn)態(tài)特性3.3.1、直流伺服系統(tǒng)

2）轉(zhuǎn)子切割磁力線時，電樞反電動勢Ea與轉(zhuǎn)速n之間關(guān)系為Ea=KeΦn式中，Ke是電動勢常數(shù)，僅與電動機結(jié)構(gòu)有關(guān)；Φ是定子磁場中每極的氣隙磁通量,n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。3.3電氣伺服系統(tǒng)

169（3）直流伺服電動機的穩(wěn)態(tài)特性3.3.1、直流伺服系統(tǒng)

3.3電氣伺服系統(tǒng)

170（3）直流伺服電動機的機械特性與調(diào)節(jié)特性3.3.1、直流伺服系統(tǒng)根據(jù)穩(wěn)態(tài)方程，可得出直流伺服電動機的兩種特殊運行狀態(tài)當(dāng)M=0，即空載時，有

當(dāng)n=0，即啟動或堵轉(zhuǎn)時，有

3.3電氣伺服系統(tǒng)

171（3）直流伺服電動機的機械特性與調(diào)節(jié)特性3.3.1、直流伺服系統(tǒng)

3.3電氣伺服系統(tǒng)

172（3）直流伺服電動機的機械特性與調(diào)節(jié)特性3.3.1、直流伺服系統(tǒng)可見，給定不同的Ua值和M值，可分別繪出直流伺服電動機的機械特性曲線和調(diào)節(jié)特性曲線如圖3-3.3所示。圖3-3.3直流伺服電動機的機械特性（左）和調(diào)節(jié)特性（右）3.3電氣伺服系統(tǒng)

173（3）直流伺服電動機的機械特性與調(diào)節(jié)特性3.3.1、直流伺服系統(tǒng)直流伺服電動機的機械特性是一組斜率相同的直線簇。每條機械特性和一種電樞電壓相對應(yīng)，與n軸的交點是該電樞電壓下的理想空載角速度，與M軸的交點則是該電樞電壓下的啟動轉(zhuǎn)矩。機械特性的斜率為負(fù)，說明在電樞電壓不變時，電動機轉(zhuǎn)速隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加而降低。直流伺服電動機的調(diào)節(jié)特性也是一組斜率相同的直線簇。每條調(diào)節(jié)特性和一種電磁轉(zhuǎn)矩相對應(yīng)，與Ua軸的交點是啟動時的電樞電壓。調(diào)節(jié)特性的斜率為正，說明在一定的負(fù)載下，電動機轉(zhuǎn)速隨電樞電壓的增加而增加。3.3電氣伺服系統(tǒng)

174（4）直流伺服電動機的控制驅(qū)動3.3.1、直流伺服系統(tǒng)直流伺服電動機的轉(zhuǎn)速和方向調(diào)節(jié)通過控制電驅(qū)直流電壓的大小和方向?qū)崿F(xiàn)，目前常用的驅(qū)動控制有晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動和晶體管脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation,PWM）。晶閘管直流調(diào)速驅(qū)動在低整流電壓時其輸出是很小的尖峰電壓的平均值，會造成電流的不連續(xù)性。脈寬調(diào)制驅(qū)動系統(tǒng)開關(guān)頻率高，伺服機構(gòu)能夠響應(yīng)的頻帶范圍也寬，與晶閘管相比，其輸出電流脈動非常小，接近于純真流。因此一般采取脈寬調(diào)制進行直流調(diào)速驅(qū)動。3.3電氣伺服系統(tǒng)

175（4）直流伺服電動機的控制驅(qū)動3.3.1、直流伺服系統(tǒng)脈寬調(diào)制原理：利用大功率晶體管的開關(guān)作用，將直流電源電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，加在直流電動機的電樞上，通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。PWM信號需要連接功率放大器才能夠驅(qū)動直流伺服電機。單極性驅(qū)動方式：通過占空比的改變控制電動機兩端的平均電壓雙極性驅(qū)動方式：采取四個功率開關(guān)構(gòu)成H橋電路，通過開關(guān)之間的配合作用可以實現(xiàn)電動機的制動和反向。3.3電氣伺服系統(tǒng)

176（1）交流伺服電動機的工作原理3.3.2、交流伺服系統(tǒng)交流伺服電動機按結(jié)構(gòu)和工作原理分為同步交流伺服電動機（SM）和異步交流伺服電動機（IM）。1）同步交流伺服電動機：三相交流電流通過定子繞組時，在定子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子磁場相互作用驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與定子繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的速度一致，轉(zhuǎn)速可表示為：

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177（1）交流伺服電動機的工作原理3.3.2、交流伺服系統(tǒng)2）異步交流伺服電動機：又稱為感應(yīng)式伺服電動機，轉(zhuǎn)子切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的相同方向旋轉(zhuǎn)，如圖3-3.4所示。轉(zhuǎn)速方程為：

圖3-3.4異步交流電動機工作原理圖3.3電氣伺服系統(tǒng)

178（2）交流伺服電動機的特性3.3.2、交流伺服系統(tǒng)交流伺服電動機的機械特性是指在一定的電源電壓和轉(zhuǎn)子電阻之下，電動機轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系n=f(M)或轉(zhuǎn)差率與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系s=f(M)，如圖3-3.5所示。圖3-3.5異步交流電動機的機械特性3.3電氣伺服系統(tǒng)

179（3）交流伺服電動機的控制與驅(qū)動3.3.2、交流伺服系統(tǒng)

3.3電氣伺服系統(tǒng)

180（3）交流伺服電動機的控制與驅(qū)動3.3.2、交流伺服系統(tǒng)為了使異步交流電動機具有與直流電動機一樣的控制特性，必須將定子電流分解磁場方向上的分量和與之正交方向的分量，磁場方向的分量相當(dāng)于勵磁電流，與之正交方向的分量相當(dāng)于轉(zhuǎn)矩電流，二者分別控制，使得三相異步電動機得到于直流電動機相似的控制特性?！ぷ冾l調(diào)速控制由異步交流電動機的轉(zhuǎn)速公式可知其調(diào)速方法有變頻調(diào)速、變級調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速三種，其中變頻調(diào)速是一種理想的調(diào)速方式。實現(xiàn)變頻調(diào)速的方法有很多種，可分為交-交變頻、交-直-交變頻、正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）變頻等。3.3電氣伺服系統(tǒng)

181（1）步進伺服電動機的結(jié)構(gòu)與分類3.3.3、步進伺服系統(tǒng)步進電機運動形式旋轉(zhuǎn)運動式直線運動式平面運動式工作方式功率式伺服式勵磁相數(shù)兩相三相……工作原理可變磁阻式步進電動機（VR）永磁式步進電動機（PM）混合式步進電動機（HB）3.3電氣伺服系統(tǒng)

182（2）步進伺服電動機的工作原理3.3.3、步進伺服系統(tǒng)三相反應(yīng)式步進電動機的定子上有6個齒，其上分別纏有A、B、C三相繞組，構(gòu)成三對磁極；轉(zhuǎn)子上則均勻分布著4個齒。步進電動機采用直流電源供電。當(dāng)A、B、C三相繞組輪流通電時，通過電磁力的吸引，步進電動機轉(zhuǎn)子一步一步地旋轉(zhuǎn)。圖3-3.6三相反應(yīng)式步進電動機示意圖3.3電氣伺服系統(tǒng)

183（2）步進伺服電動機的工作原理3.3.3、步進伺服系統(tǒng)步進電動機繞組每次通斷電使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱之為步距角。上述分析中的步進電動機步距角為30°。對于一個真實的步進電動機，為了減少每通電一次的轉(zhuǎn)角，在轉(zhuǎn)子和定子上開有很多定分的小齒。其中定子的三相繞組鐵心間有一定角度的齒差，當(dāng)A相定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒對正時，B相和C相定子上的齒則處于錯開狀態(tài)

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184（3）步進伺服電動機的運動特性3.3.3、步進伺服系統(tǒng)1)步進電動機矩-角特性圖3-3.7矩-角特性曲線

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185（3）步進伺服電動機的運動特性3.3.3、步進伺服系統(tǒng)2）步進電動機轉(zhuǎn)矩與工作頻率特性圖3-3.8步進電動機轉(zhuǎn)矩與工作頻率特性3.3電氣伺服系統(tǒng)

186（4）步進伺服電動機的驅(qū)動控制3.3.3、步進伺服系統(tǒng)2）步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)主要實現(xiàn)由弱電到強電的轉(zhuǎn)換和放大，即將邏輯電平信號轉(zhuǎn)換成電動機繞組所需要的具有一定功率的電流脈沖信號。驅(qū)動系統(tǒng)由環(huán)形分配器（又稱脈沖分配器）和功率放大器組成。圖3-3.9步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)3.4電液伺服系統(tǒng)187電液伺服閥既是電液轉(zhuǎn)換元件，又是功率放大元件。它能夠?qū)⑤斎氲奈⑿‰姎庑盘栟D(zhuǎn)換為大功率的液壓信號(流量與壓力)輸出，根據(jù)輸出液壓信號的不同，電液伺服閥可分為電液流量控制伺服閥和電液壓力控制伺服閥兩大類。在電液伺服系統(tǒng)中，電液伺服閥將系統(tǒng)的電氣部分與液壓部分連接起來，實現(xiàn)電、液信號的轉(zhuǎn)換與放大以及對液壓執(zhí)行元件的控制。電液伺服閥是電液同服系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，它的性能及正確使用，直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度，也直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性和壽命。3.4.1、電液伺服閥3.4電液伺服系統(tǒng)1883.4.1、電液伺服閥1電液伺服閥的組成電液伺服閥通常由力矩馬達（或力馬達）、液壓放大器、反饋機構(gòu)（或平衡機構(gòu)）三部分組成。力矩馬達的作用是把輸入的電氣控制信號轉(zhuǎn)換為力矩（或力)，控制液壓放大器的運動。而液壓放大器的運動又去控制液壓油源流向液壓執(zhí)行機構(gòu)的流量或壓力。力矩馬達的輸出力矩(或力)很小，在閥的流量比較大時，無法直接驅(qū)動功率級閥運動，此時需要增加液壓前置級，將力矩馬達的輸出加以放大，再去控制功率級閥，這就構(gòu)成二級或三級電液伺服閥。3.4電液伺服系統(tǒng)1893.4.1、電液伺服閥1電液伺服閥的組成第一級的結(jié)構(gòu)形式有單噴嘴擋板閥、雙噴嘴擋板閥、滑閥、射流管閥和射流元件等。功率級幾乎都采用滑閥。當(dāng)在二級或三級電液伺服閥中，通常采用反饋機構(gòu)將輸出級(功率級)的閥芯位移、輸出流量或輸出壓力以位移、力或電信號的形式反饋到第一級或第級的輸入端，也有反饋到力矩馬達銜鐵組件或力矩馬達輸入端的，平衡機構(gòu)一般用于單級同服閥或二級彈簧對中式伺服閥。平衡機構(gòu)通常采用各種彈性元件，是一個力-位移轉(zhuǎn)換元件。3.4電液伺服系統(tǒng)1903.4.1、電液伺服閥2電液伺服閥的分類電液伺服閥的結(jié)構(gòu)形式很多，可按不同的分類方法進行分類：按液壓放大器的級數(shù)分類：單級、兩級和三級伺服閥。按第一級閥的結(jié)構(gòu)形式分類：滑閥、單/雙噴嘴擋板閥和偏轉(zhuǎn)板射流閥等。按反饋形式分類：滑閥位置反饋、負(fù)載流量反饋和負(fù)載壓力反饋三種。按力矩馬