机电一体化技术总结

机电一体化技术

第一章机电一体化技术导论 1.1概述：（1）核心：机械技术、微电子技术 支柱学科：力学、机械学、制造工艺学、控制学

（2）概念：机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术、信号变换技术及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织结构目标合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术：①机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合性技术，而不是机械技术、微电子技术以及其他新技术的简单组合、拼凑，与机械电气化的主要区别在于：

i)电气机械在设计过程中不考虑或很少考虑电器与机械的内在联系，基本上是根据机械的要求，选用相应的驱动电动机或电气传动装置；ii)机械和电气之间界限分明，它们之间的连接以机械连接为主，整个装置是刚性的；iii)装置所需的控制以基于电磁学原理的各种电器，如接触器、继电器等来实现，=T2/J ；②体积小、重量轻：功率密度P/G，比功率密度=（T2/J）/G；③便于维修、安装；④易于计算机控制；

（2）微动执行机构：①热变形式：L=2Lt ；运动误差：S=±cL/EA ；位移相对误差：S/L=±c/EA2t；②磁致伸缩式：

L=±2L ；

（3）工艺机械手：①机械夹持器：圆弧开合、圆弧平行开合、直线平行开合；②特种末端执行器：真空吸附手、电磁吸附手；③灵巧手

传感器是一种以一定精度将被测量（如位移、力、加速度等）转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置（敏感元件、转换元件、转换电路） 2.3.2 分类及特性：（1）分类：①按被测量物理量：位移、速度、加速度、力、温度；②按工作原理：机械式、电阻式、电感式、磁电式、压电式、电容式、光电式；③转换能量情况：能量转换、能量控制；④变换特征：结构型：电感、电容、光栅；物性型：光电管、半导体、压电式；⑤转换过程：Pε

9º。若定子每个磁极上制成5个小齿，当转子齿A相磁极小齿轮对齐时，B相磁极小齿沿反时针超强转子1/3齿距角，即超前3º，而C相磁极小齿则超前转子2/3齿距角，即超前6º。以三相单三拍通电时，步距角为3º，以三相六拍通电时，步距角为1.5º。e、结论：步进电机定子绕阻的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个步矩角α；改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；步进电机的步矩角α与相数m、通电方式k（单拍时k=1,双拍时k=2）、转子的齿数z有关：α=360º/kmz。

4步进电动机的特点：a、步进电动机受数字脉冲信号控制，输出角位移与○

输入脉冲数成正比：θ=Nβ；b、转速与输入脉冲的频率成正比：n=βf/60；c、转向可以通过改变通电顺通点顺序来改变；d、具有自锁能力；e、不易受各种干扰因素影响；f、步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累计误差，但转子转过一转之后，其累积误差为零，不会长期积累；g、易于直接与微机的I/O接口相连，构成开环位置伺服系统。 5步进电机的运行特性：a.最高连续运行频率及矩—频特性：

○ 属强电范畴，其主要支撑技术是电工技术。

②机电一体化产品既不同于传统的机械产品，也不同于普通的电子产品，它是机械系统和微电子系统的有机结合，从而赋予其新的功能和性能的一种新 ；③储存（保持、积蓄、记录）。

●输入物质、能量、信息，输出物质，称加工机，如机床、交运机械、食品加工机械、起重机械、纺织机械、印刷机械、轻工机械。

●输入能量、信息，输出不同能量，称动力机，如电动机、水能、内燃机 ●输入信息和能量，输出某种信息，称信息机，如各种仪表、计算机等。 1.2.2 构成要素：（1）机械本体；（2）动力系统；（3）传感与检测系统；（4）信息处理及控制系统；（5）执行装置 1.3 机电一体化的作用：（1）精度提高；（2）生产能力和工作质量提高；（3）使用安全性和可靠性提高；（4）调整和维护方便，使用性能改善；（5）具有符合功能，适用面广；（6）改善劳动条件，有利于自动化生产；（7）节约能源，减少耗材；（8）增强柔性 1.4 机电一体化的发展趋势：

智能化、模块化、网络化、微型化、绿色化、人性化、自适应化 第2章机电一体化的单元技术 （1）机械系统的组成：传动机构、寻向机构、执行机

①高精度；②良好稳定型；③快速响应性。 （1）概述：

平稳，响应速度快，传递转矩大，高谐振频率以及与伺服电动机等其他环节的动态性能相匹配：a.系统传动部件的静摩擦力尽可能小，动摩擦力应是尽可能小的正斜率，若为负斜率则易产生爬行，精度降低，寿命减少；b.缩短传动链，提高传动与支撑刚度；c.选用最佳传动比，以提高系统分辨率，减少等效执行传动元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力；d.缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙，减少支撑变形等措施；e.适当的阻尼比。

②传动机构：螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动、各种非线性传动、杆杠传动、连杆传动、凸轮、摩擦轮、万向节、软轴、蜗轮蜗杆、间歇机构、流体传动等。

③发展：a.精密化；b.高速化；c.小型化、轻量化。

（2）特征：①转动惯量：a.影响：i)使机械负载增加，功耗增加；ii)

响应速度变慢，灵敏度降低；iii)系统固有频率下降，容易产生谐振；iv)电气驱动部件谐振频率降低，阻尼增大等。b.计算：i)圆柱体：公式J=1/8md2;ii)直线运动物体：导程L0，工作台工件质量mr,折算到丝杠上：Jcr=mr(L0/2π)2；齿轮齿条驱动，折算到节圆半径为r0小齿轮上mr02

②阻尼：i)阻尼越大，最大振幅越小，衰减越快，失动量增大，稳态误差增大，精度降低，适当阻尼可提高系统稳定性；ii)系统粘性摩擦阻尼越大，稳态误差越大，精度降低；iii)系统的粘性阻尼摩擦会对系统快速响应性产生不利影响；iv)如果系统刚度低而质量大，则系统的固有频率较低，此时应增大系统的粘性摩擦阻尼，

减小振幅，加快衰减，ξ=B/2√mk0(B-粘性阻尼系数，NS/m………

③刚度：a.i)失动量：刚度越大，失动量越小；ii)固有频率：刚度大，固有频率高；iii)稳定性：刚度大，稳定性增加；b.计算：i)一端轴向支承的丝杠：

k=πd2E/4L；ii)两端轴向支承：k=πd2E11

4(L+L−l；丝杠轴承的支承刚度：kB与轴承类型结构有关，预紧为原来两倍；丝杠螺母轴向接触刚度kN与尺寸和结构有关，预紧可提高；丝杠螺母总拉压刚度：1111

k=k+k+k；iii)丝杠

πd2G/32l

l

b

w

扭转刚度：k

t=④传动精度：i)传动误差：输入轴单向回转时，输出轴转角的实际值相对于理论值的变动量：∅0=∅i/it；ii)回程误差：当输入轴由正向回转变为反向回转时，输出轴在转角上的滞后量；

●减小传动误差措施：i)提高零部件本身精度；ii)合理设计传动链：合理选择传动形式；合理确定传动级数和分配各级传动比；合理布置传动链；iii)采用消除间隙结构；

（3）丝杠螺母传动：①分类：i)按功能：传递能量、传递运动、调整位置；ii)摩擦机制：滑动：结构简单，加工方便，成本低，自锁，摩擦阻力距大，效率低；滚动：结构复杂，成本高，摩擦力矩小，效率高；

②四种形式：a.螺母固定，丝杠转动并移动；b.丝杠转动，螺母移动；

c.螺母转动，丝杠移动；d.丝杠固定，螺母转动并移动；

③滚珠丝杠螺母副的组成及特点：轴向刚度高，运转平稳，传动精度高，不易磨损使用寿命长，不能自锁，传动可逆，升降需制动；

④主要参数尺寸：公称直径d0，基本导程l0，行程l，丝杠螺纹大径d，丝杠螺纹小径d1，滚珠直径db,螺母螺纹大径D，小径D1，丝杠螺纹全长ls； ⑤间隙的调整和预警：a.双螺母预警：i)双螺母螺纹调隙预警式；ii)双螺母垫片调隙预警式；b.单螺母预警:i)增大滚珠直径法；ii)偏置导程法；

⑥选择：a.结构：防尘防护条件，调隙及预警要求；b.尺寸：d0,l0,ls/d0

hfwFmax ;ii)压杆稳定：Fk= fkπ3I/(kl3s) ；iii)刚度：△L=±

FlMl20±

p

（4）精密齿轮传动：

①传动比的最佳选择及其分配原则：i)最佳选择：i=θm

步进电机：脉冲当量 i=∂l0/3600

θδ ； L

>1 ii)传动比分配：a.等效转动惯量最小原则：J=

πBr32g

d4，先小后大，可使结构

紧凑；b.重量最轻：先大后小；c.输出轴转角最小：先小后大；

iii)选择：a.体积小、重量轻用b原则；b.运动平稳、起停频繁、动态性能好用a、c原则；c.提高传动精度，减小回程误差用c原则；d.传动比大，用混合轮系；e.传动比相当大，传动精度，效率高，平稳，体积小，重量轻用谐波齿轮

ii)轴向垫片；iii)双片薄齿轮错齿。

耐磨性、疲劳和压溃、刚度、低速运动平稳性、结构工艺性、对温度敏感性；

（2）分类：滑动导轨，滑动摩擦，结构简单，刚度好，抗振性好；滚动：磨损小，寿命长，精度高，灵敏度高，平稳，抗振性差，成本高。

（3）滚动直线导轨：承载能力大，刚性强，寿命长，传动平稳，具有自调能力；塑料导轨：摩擦系数低而稳定，动静摩擦系数相近，吸振，耐磨，化

1）基本要求：①惯量小，动力大：p=wT,ε=T

J,T=Jε 。

单向、双向；⑥输出信号形式：开关型、模拟型、数字型；

（2）特性：①静态特性：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率、零漂；i）最高连续运行频率fmax：步进电机在连续运行时所能接②动态特性：幅频特性：稳态输出和输入信号的幅值比；相频特性：稳态输受的最高控制频率

ii）矩—频特性：M=F(f) 连续稳定运行时输出转矩与连续（1）位移检测传感器：①线位移检测传感器：i)

光栅的运行频率之间的变化关系

光电器件、光源；ii)工作原理：莫尔条纹特点：iii）动态转矩：在不同控制频率下电动机所产生的转矩。 a.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例；b.莫尔条纹具有唯一放大作用B=

b.空载启动频率与惯—频特性： WB1

空载启动频率fq：空载状态下，转子从静止状态下能够不失步2sin

≈

W地起动时的最大控制频率,与负载惯量有关，随其增长而下降。 2

,K=

≈ ；c.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用；

②角位移检测传感器：i)旋转变压器：a.构造和工作原理：激磁绕组、辅助

○

6步进电机驱动器：a、环形脉冲分配器：使电机绕组的通电绕组、余弦输出绕组、正弦输出绕组；ii)光电编码器：a.增量式编码器：主顺序按一定规律变化；b、功率放大器。

码盘、鉴向盘、光学系统、光电变换器。两组透明检测窄缝彼此错开1/4节

○

7步进电动机的驱动与控制：a、微机控制：并行控制：用微机的数个端口距，输出信号在相位上相差90。

。主码盘上不透明区与鉴向盘透明窄缝对齐，去控制步进电机各相驱动电路的方法；串行控制。b、速度控制：引起步进光线被遮，输出最小；b.绝对式编码器：光电式、接触式、电磁式：分辨率：

电机的失步的原因有两种，一种是由于过载所致，另一种是启、停过程中的α=360。

/n

升速运动。c、位置控制。

（2）速度、加速度检测传感器：①速度检测传感器：a.直流测速发电机。○

8步进电动机的选用：a、步距角是由脉冲当量等因素决定的；b、转矩和惯根据定子励磁激励方式不同分为电磁式、永磁式；以电枢结构来分：无槽电JL/Jm≤4，fL=。 枢、有槽电枢、空心杯电枢、圆盘电枢。负载电阻RL应尽量大。特点是输出特性曲线斜率大，线性好，但由于电刷和换向器，其构造和维护比较复杂，：主磁极：建立电机内部磁场，永磁、励磁；机摩擦转矩较大。

座：电机外壳和底座，固定电机、磁通路；换向级：相邻主磁极之间，改善（3）力、力矩检测传感器：○

1测力传感器：a、柱式弹性元件；b、悬臂梁换向平稳性；电刷：与换向器配合整流 式弹性元件。○

2压力传感器：a、模式压力传感器；b、筒式压力传感器。○3转子（转动部分）：电枢铁芯：嵌置绕组、磁通路；电枢绕组：通电流产生 转矩；换向器：与电刷配合整流。 ○2工作原理：通过电刷和转换器产生的整流作用，使磁场磁动势和电枢电流2安全磁动势正交，从而产生转动力矩。使用直流供电，实现速度和方向调节控制，可靠、寿命长；○

3对环境条件适应能力强；○4不易受被测对象（如电阻、磁主要通过对直流电压/电流的大小和方向进行调节来实现。

导率）的影响，也不影响外部环境；○

5便于与计算机连接；○6结构简单、体○

3分类及特点：a、传统型直流伺服电机：永磁式、电磁式；低惯量型直流积小、重量轻，使用维护方便，功耗低，对整机的适应性好；○

7低成本。 伺服电机：盘形电枢、空心杯电枢永磁式、无槽电枢。b、特点：稳定性好；（2）使用：○

1线性化处理与补偿；○2传感器的标定；○3抗干扰措施。 可控性好；响应迅速；控制功率低，损耗小；转矩大。 2.3.5传感器的测量电路

○

4直流伺服电动机的特性：a、稳态方程和机械特性： （1）测量电路：○

1模拟型；○2数字型；○3开关型。 i）稳态方程：电压平衡方程：Ea

Ua

Ia

Ra

（2）转换电路：○

1电桥；○2放大电路；○3调制与解调电路；○4A/D与D/A电枢反电势平衡方程：当电枢转动时，电枢中会感应反电势Ea，其值正比于转动的角速度，Φ为定子磁通，即 伺服驱动系统是指以机械位置、速度和加速度为控制对Ea

Ke

n（Ke为反电势常数） 转矩方程：当激磁磁场不变时，转矩M正比于电枢电流，

令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。 即M=KmΦIa（Km为转矩常数）

2.4.1伺服系统概述：

n

UaRa

（1）伺服系统及其组成：

转速方程：直流电机的机械特性：

KK2

MeeKm

○

1概念：伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变量通常是机械或位置的运动，根本任务是实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量）机械特性：转速与转矩之间的关系，即n=f（M）曲线：nna

ii0

RKKM

em2

的某种状态能够自动、连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。 ○

2组成：控制器、功率放大器、执行机构、检测装置。 是理想空载转速，n=0时，称

（2）伺服系统的分类：

为堵转转矩或起动转矩。

○

1按控制原理：a、开环：机构简单，成本低，调整和维修方便，工作稳定可靠，但精度不高，适用于线切割机，办公自动化设备中。

b、调节特性： b、全闭环：调试复杂，精度高，制造成本高，用于高精密大型机械。 ○5直流电动机的常用参数：电枢电压Ua:电枢两端所加的电压；电枢电阻Ra：c、半闭环：结构简单，调整维护方便，调试简单，稳定性好，性价比高。 电枢绕组分布电阻的总和；电枢感应电动势Ea：电枢旋转所产生的反向电动○

2按信号传递不同：连续控制系统、采样控制系统。 势；电磁转矩TM：：转子受磁场力所产生的初始转矩；理想空载转速n0：不采样控制系统优点：a、数字元件比模拟元件具有更高的可靠性和稳定性；受任何负载和摩擦情况下的理想转速；额定功率PN：电机输出的额定机械功b、受到扰动时，经过几个采样周期即可快速达到稳定，受扰动影响小；c、率；电磁功率PM：电机电枢从电源吸收的电功率；输入功率P0：电机的输具有更大的灵活性，实现控制规律的精度高。 入电功率；

○

3按驱动方式：电气、液压、气动等。 ○6直流伺服电动机的动态特性：直○4被控量物理性质：位置、速度、加速度、力、力矩、速度位移同步控制。

流伺服电机的控制信号或外负载○

变化时电机输出的变化过程。设输5控制过程：点控制、轮廓控制系统等。 （3）伺服系统的总体要求：

入电压：Ui，电枢电阻：Ra，电枢○电感：L1稳定性：作用在系统上的扰动消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下a，电枢反电势：Ug，电机运行或者在输入指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态。 转速ω，电磁转矩：Tg，摩擦力转○

2精度：它是指其输出量复现输入指令信号的精确程度。 矩：Tf，负载转矩：TL，转动惯量：○3快速响应性：系统输出量快速跟随输出指令信号变化的能力，主要取决于J。拉氏变换：

系统的阻尼比和固有频率，减小阻尼比或增加固有频率可以提高快速响应性，Ua(s)Ug(s)(RaLas)Ia(s)U但对系统的稳定性和最大超调量有不利影响，它有两方面含义，一是指动态g(s)Ke(s)Tg(s)KIa(s)

响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度，二是指动态响应过Tg(s)T(s)TL(s)(BJs)(s)

程结束的迅速程度。

系统简化后的传递函数：直流伺服电机的功率方程：

G(s)

Km

1(s)Us)

a(s1Ra

G(s)



KKm

P(t)R2aia(t)

K2eB(t)Ke(t)T(t)Ke(t)TL2(s)

Ts)T

(L(s)

s1

K(t)

KK

K

RaJ

e角，包括控制用电动机、静电电动机、磁致伸缩器件、压电元件、超声波电RJ(t)d(t)Ldia(t)aBKKe

Kaia(t)dtdt

动机以及电磁铁等，优点是操纵简便、适宜编程、响应快、伺服性能好、易○

7直流电动机的调速：a、改变电枢电压：与微机相接、体积小、无污染，缺点是功率小、过载能力差。 常用驱动控制有：晶闸管直流驱动、晶体管脉宽调制。 ○2液压式：按密封连通器的原理，靠油液通过密闭容积变化的压力来传递能i）脉宽调制（PWM）调速原理：在给定供量。包括往复运动的油缸、回转油缸、液压马达等。优点是输出功率大、转电电压U，由控制脉冲信号Ud控制晶体管矩大、承载能力强、适合重载的高加减速驱动。缺点是需要相应的液压源、VT的通断，从而使直流电动机得到脉冲驱占地面积大、污染严重、控制性能不如伺服电动机。

动信号，改变脉冲控制信号的每一周期通电

○

3气压式：以压缩空气为工作介质，有气缸、气压马达等。优点是有较大的时间，就可改变直流电动机的平均工作电压

U

a达驱动力、行程和速度、成本低、无污染，缺点是体积大、噪声大、远距离传调速的目的；改变供电压和续流二极管的

到输困难、定位精度不高。

极性，便可改变直流电动机的转向。

U1T

○

d

4其他执行元件：压电元件逆压电效应原理，磁致伸缩、电致伸缩。 Udt

U

（2）伺服系统对执行元件的要求 ii）开关功率放大器： H桥

○

iii）PWM控制的特点：功耗低，开关器件

1体积小，输出功率大；○2快速性能好；○3便于计算机控制；○4便于维修，少，线路简单，体积小，维护方便且工作5运行平稳，分辨率高；○6振动和噪声小。 可靠；调速范围宽；频带宽，快速性好；

电流脉动小，接近直流，电机运行更平稳。2快速性好，即加速转矩大，频率特性好；○

b、改变磁场磁通：通过控制励磁电压实现，一般采用弱磁调速方式。 3位置控制精度高，调速范围宽，低速运行平稳无爬行现象，分辨率高，振动噪声小；○

c、改变电枢回路电阻：在电枢回路中串联或者并联电阻，电阻损耗增加。 4适应启停频繁的工作要求；○5可靠○

8性高，寿命长。

直流位置伺服系统： （1）步进电动机：将输入脉冲信号转换成相应的旋转或直线位移的运动执a、电流环：电流值由电流传感器取自伺服电机行元件，可实现高精度位移，可开环控制，无需反馈；无稳定问题；无累计的电枢回路，使动态电流定位误差；适合计算机控制；输出有脉动；承受大惯性负载能力有限。 按要求的规律变化。这样○

1种类与特点：a、可变磁阻式：制造成本高、效率低、转子阻尼差、噪声在电动机负载突变时，电

大、但材料费用低、结构简单、步距角小。b、永磁式：励磁功率小、效率流负反馈引入起到了过载保护的作用。

高、造价便宜、步距角较大、转子惯量也较大。c、混合式。

○

b、速度环：伺服电动机的转速可由测速发电机或光电编码器获得。调节速2运行特性及性能指标：a、分辨力：步距角越小分辨力越高。b、矩-角特度误差，增加了系统的动态阻尼比，减小超调，使电机运行更加平稳。 性：静态转矩越大，自锁力矩越大，静态误差就越小。c、起动频率：不失步起动的最高脉冲频率。d、最高工作频率：在额定负载下，电机能够不失c、位置环：对转角或直线位移进行测量，将系统的实际位置转换成具有一定精度的电信号，与指令信号比较产生偏差控制信号，控制电机向消除误差步正常运行的极限频率。e、转矩-工作频率特性：

○

3工作原理：a、三相单三拍：单相励磁；b、三相双三拍：双向励磁； c、三线六拍：1-2相励磁；d、转子上面有40个齿，相邻两个齿的齿距角是

1异步交流伺服电机组成:定子：机壳、绕组（两相、90度）○；

转子：鼠笼型转子（励磁电流较小，体积较小，机械强度高，低速运行不够平稳，有时快时慢的抖动现象）；非磁性杯型转子（转动惯量小，运行平稳无抖动现象，但是励磁电流较大，体积也较大）；转轴、转子铁芯、转子绕组。

2工作原理：定子绕组通入三相交流电后，产生旋转磁场，旋转磁场切割转○

子中金属导体产生电流，有电流通过的铜条在磁场中受力的作用，使转子产生旋转力矩，驱动转子旋转，转子的旋转方向与旋转磁场的旋转方向相同。 3特点：a、调速范围宽，交流伺服电动机的转速随着控制电压改变，能在○

较宽的范围内连续调速；b、转子惯量小，能够实现迅速起动、停止；c、控制功率小，过载能力强，可靠性好。 4速度控制：a、交流同步伺服电动机 ○

i

）特点：电机转速与旋转磁场保持同步，不存在转速差，n=60f/p；f：电源频率，p：极对数

机械特性和调节特性都呈非线性；功率范围：0.1W~100W；频率：

50Hz~100Hz。 ii）控制方式：幅值控制：改变控制电压幅值；相位控制：改变控制电压与激磁电压相位角；幅值-相位控制（电容控制）：调节控制电压，由于电容的存在，同时也改变了相位；频率控制

iii）机械特性：转速随转矩的增加而下降；下降趋势呈非线性。 iv）调节特性：调节特性都不是线性关系；小范围内可看成线性。

制系统或局域网；d、A/D、D/A接口。

（3）PLC的编程语言：语句表、梯形图、控制系统流程图、高档PLC提供专用的高级语言和通用计算机程序设计语言。

1梯形图：I：输入映像寄存器寻址；输入映像寄存器；Q：输出映像寄存器○

寻址；M：位存储区寻址 2梯形图组成：○线圈代表逻辑“输出”结果；触点代表逻辑“输入”条件；盒（方框）代表附加指令。 3画梯形图要求：○每一个逻辑行必须从起始母线画起；寄存器线圈不能直接接在左边的母线上；在梯形图中寄存器线圈只能使用一次，而其触点无限使用；梯形图按照执行程序时的顺序依次画出；梯形图中线圈不能串联，只能并联，触电即可串联也可以并联。

1位逻辑指令：a、标准（4）PLC的基本指令：○

触点指令；b、立即触电指

令；c、输出操作指令；d、立即输出指令；e逻辑与操作指令；f、逻辑或操作指令；g、取非操作指令；h、串联电路的并联操作指令；i、并联电路的串联操作指令；j、置位与复位操作指令；k、上微分操作指令。

2

定时器和计数器指令：定时器可分为接通○

延时定时器（TON）、断开延时定时器（TOF）

和带有记忆接通延时定时器（TONR）；计数器可分为增计数器（CTU）、减计数器（CTD）和增减计数器（CTUD）。

3程序控制指令：a、结束指令；b、暂停指令；c、跳转操作指令；d、子程○

序调用与返回指令；e、循环操作指令。

4PLC控制系统设计原则：a、最大限度地满足被控对象的控制要求；b、在○

满足控制要求的条件下，力求使PLC控制系统简单、经济和使用及维护方便；c、保证控制系统稳定、可靠；d、在选择PLC容量时，应适当留有裕量便于发展生产和改进工艺的需要。 Kn(s)

v）动态特性：交流异步伺服电机传递函数：；与直流伺服电机

的二阶模型很相似；理想时交流异步伺服电机与直流伺服电机动态特性相同。 1de(t)

例）I（积分）D（微分）调节器。 (

t)e(t)dtT]vi）转速方程：n=60f(1-s)/p=(1-s)n0，n0=60f/p是空载转速，s=(n0-n)/ n0为转Tdt

TT

差率，感应式电动机的速度控制有通过改变转差率调速、变频调速和改变磁1微分方程式：○ u(k)K[e(k)e(j)(e(k)e(k

1))]极对数调速三种方法。 差分方程：

改变定子电压的速度控制优点：速度控制范围为1:10，可以进行制动控其中比例调节起迅速纠正偏差的作用，减小误差，但Kp过大，系统不稳定； 制；缺点：随转速的降低，损失增加，效率降低。改变定子频率f调速（感积分调节能消除静差，改善系统静态特性，但过强，超调增大，系统振荡； U/f控制）。 微分调节有利于减少超调，克服振荡，系统稳定性提高，加快系统动态响应

1分类：直线直流电动机、直线同步电动机、直线感应○速度，减小响u(k)u(k)u(k1)d0e(k)d1e(k1)d2e(k2)

直线伺服电动机。按工作原理分为：交流感应式、交流同步式、直流式、步进式、振荡式、压电式。按结构形式分：扁平形、圆筒形、圆盘形、圆弧形。 2特点：结构简单，不需要中间转换传动机构，可实现直接驱动，使系统得○b、在进行手动/自动切换时，控制量冲击小，平滑过渡； 到了简化，提高了可靠性，易于维护；没有离心力作用，具有较高的直线运c、节约计算机的内存和计算时间。 动速率；具有较高的精度；推力大，反应速度快，加速性能好；适应性强，○2PID控制器的参数选择：a、凑试法；b、实验经验法：扩充临界比例法、初级铁心密封后可工作于恶劣环境；存在端部效应，使磁场波形畸变，导致阶跃曲线法。 损耗增加，气隙大，低速时效率和功率因数下降较明显。 3采样周期的选择：根据香农采样定理，采样周期只需满足：T≤π/ωmax ○f为频率，τ为极距），转差率s= (v0-v)/v。 ωmax为采样信号的上限角频率 a、调节品质的要求，采样周期小些； b、从执行元件的要求来看，有时需要输出信号保持一定的宽度； 动平稳、系统刚度大，易实现过载保护等优点之外，还具有响应速度快、动c、从控制系统随动和抗干扰的性能要求来看，则要求采样周期短些； 态性能好、伺服精度高等特点。 d、从计算机的工作量和每个调节回路的计算成本看，要求采样周期大些； 1分类：按控制信号：机、电、气液伺服系统；按控制元件：节流式控制系○e、从计算机的精度看，过短的采样周期是不合适的。 统（阀控式：阀控液压缸、阀控液压马达）、容积式控制系统（泵控式：伺3.6计算机控制系统的设计 服变量泵系统、伺服变量马达系统）。 3.6.1计算机控制系统的选择：专用与通用的抉择；硬件与软件的权衡。 3组成部分：液压伺服控制元件：开关控制阀、电液伺服阀（核心）○、电液3.6.2计算机控制系统的内容和步骤：（1）确定系统的整体控制方案；（2）比例阀；液压执行元件：液压缸、液压马达、液压摆动马达；反馈检测元件。 建立数学模型并确定控制算法；（3）选择微型计算机：较完善的中断系统、（2）气压伺服系统：工作介质是压缩空气，液压伺服系统是液压油或水，足够的存储容量、完备的输入/输出通道和实时时钟、字长、速度、指令、其余与液压相同，驱动装置有气缸和气动马达，控制阀主要有开关和比例控成本、程序编制难易、扩充输入/输出接口是否方便；（4）控制系统总体设制阀。特点：气源充足，无污染；空气黏性小，易于远距离传输；工作压力计：接口设计、通道设计、操作控制台设计；（5）软件设计：模块化程序设低，适合开环控制；相对液压动作迅速，响应快；但工作频率和响应速度较计法、结构化程序设计法；（6）系统调试。 低，系统精度较低，噪声大，不易获得较大的推力。 第四章机电一体化系统的建模与仿真

第三章机电一体化的计算机控制技术 3.1概述 1硬件：计算机主机（核心）（1）计算机控制系统的组成：○、接口、输入/

输出通道（桥梁）、外部设备（操作台）。 系统模型：物理模型、数学模型和描述模型三种。 2软件：实时软件（系统软件、应用软件）○、开发软件 物理模型：相似原理，真实系统按比例放大或缩小，其状态变量与原系统完3特点：完善的I/O通道；实时控制功能；可靠性高；具有丰富、完善、正○全相同。 确反映运动规律并有效控制的软件系统。 数学模型：用数学方程(或信号流程图、结构图等)来描述系统性能的模型， 3.2计算机在控制系统中的应用 静态模型：若变量中不含时间因素；

1按照计算机在控制系统中的作用：过程控（1）计算机控制系统的分类：○动态模型：与时间有关。

2按计算机在控制中的制系统、伺服系统、顺序控制系统、数字控制系统；○描述模型：抽象的（无实体的），不能或很难用数学方法描述，而只能用语

应用方式：操作指导控制系统、直接数字系统控制、监督计算机控制系统、分级计算机控制系统。 1计算机过程控制系统；○2微型计算机（2）典型的机电一体化控制系统：○

3计算机数字程序控制系统；○4工业机器人。 （2）仿真的分类及特点

1物理模型:（全）物理仿真；○2数学模型:数学仿真、计算机仿真 ○ （3）计算机仿真的基本内容： （2）常用类型： 计算机仿真包括三个基本要素，即实际系统、数学模型与计算机。

三个基本活动：模型建立、仿真实验与结果分析。

将实际系统抽象为数学模型，为一次模型化，涉及系统辨识问题，统称为建模；将数学模型转换为可在计算机上运行的仿真技术问题，称为仿真实验，二次模型化。

4.2 机电一体化系统的数学模型 4.2.1 数学模型的表现形式

外部描述或输入-输出描述：输入-输出的微分方程或传递函数表示各物理量之间的相互制约关系；

内部描述或状态描述：现代控制理论中，通过设定系统的内部状态变量，建立状态方程来表示各物理量之间的相互制约关系。 （1）微分方程

设线性定常系统输入、输出量是单变量，分别为u(t)、y(t)，则两者关系描述为线性常系数高阶微分方程形式

nn1'm

a0ya1yan1yanyb0ubmu （2）状态空间描述

3.3.3单片微型计算机

现代控制理论：用时域状态变量（状态空间）描述和研究系统的动态行为。

高集成度、高运行速度、低功耗、小体积、使用方便灵活，无自开发能

作用：

描述系统输入输出之间的关系；

可在任何初始条件下揭示系统内部的动态行为；

：可靠性高；环境适应性强；灵活通用；使用方便，用向量微分方程描述系统，使系统的数学表达式简介明了，易于计算机求

维护简单。

解。

2基本性能指标：a、输入/输出点数；b、扫描速度；c、内存容量；d、指○

3.传递函数

令条数；e、内部寄存器；f、高功能模块。

基本概念：通过输入与输出间信息传递关系，描述系统动态特性

3分类：a、按结构形式：整体式、组合式；b、按控制规模：小型机（I/O○

4.2.2数学模型的建立

点数在128点以下，有逻辑运算、定时、计数等功能，适开关量控制的场合）、1确定模型的结构，建立系统的约束条件，确定系统的实体、属性与活动；○中型机（I/O点数在128～512点，增加数据处理功能，配置模拟量输入输出2测取有关的模型数据；3运用适当理论建立系统的数学描述，○○即数学模型；模块，适小规模系统）、大型机（I/O点数在512～896点）、超大型机（I/O4检验所建立的数学模型的准确性。 ○点数在896点以上）。

数学模型的建立方法：机理模型法、统计模型法、混合模型法

1中央处理器CPU：CPU是PLC的运算和控制核心，控制其它（2）组成：○

4.2.3系统微分方程的建立

部件运行，相当人的大脑，CPU由运算器、控制器和寄存器组成。

（1）机械系统

2存储器：○具有记忆功能的半导体（只读存储器（ROM），读写存储器（RAM），）。

部件运动：直线或转动，用达朗贝尔原理：作用于每一个质点上的合力，同

3输入/输出接口：输入/输出接口是PLC主机和外部设备之间的连接电路。 ○

质点惯性力系形成平衡力系

4电源；○5编程器 ○i(t)xfi(t)0 mi6其它接口电路：a、I/O扩展接口：将主机与I/O扩展单元连接起来； ○1直线运动：直线运动中包含的要素是：质量、弹簧和粘性阻尼。 ○b、智能I/O接口：独立的微处理器和控制软件，适应和满足复杂控制要求；c、通信接口：用于PLC 与计算机、打印机等外部设备相连，也构成集散控

k

M

E

Bxkxfmx

2转动：回转运动中包含的要素是：惯量、扭转弹簧和回转粘性阻尼。 ○

BJJkJT

p

0d

k

d

p

0

（2）电网络系统

1基尔霍夫电流定律：若电路有分支路，它就有节点，则汇聚到某节点的所○

有电流值代数和应等于零（即所有流出节点的电流之和等于所有流进节点的电流之和）。

2基尔霍夫电压定律：○电网络的闭合回路中电势的代数和等于沿回路的电压降的代数和：。 ERi

4.2.4状态空间表达式的建立 （1）状态空间的基本概念

①状态变量：能完全描述系统动态行为（运动状态）的一组最小变量的每一个变量。

②状态向量:若完全描述一个给定系统的动态行为，需要n个状态变量x1, x2,…, xn，用这n个状态变量作为分量所构成的向量，即该系统的状态向量。 ③状态空间：以各状态变量x1, x2,…, xn为坐标轴所组成的n维空间称为状态空间。状态向量可用状态空间中的一个点来表示。

（2）状态空间表达式：用状态空间描述系统的动态行为时，所采用的数学模型是状态空间表达式。是输入状态-输出之间关系的数学表达式。 第6章 机电一体化系统设计

6.1 设计阶段：产品概念、概念设计、详细设计、设计实施、设计定型 6.2设计思想：（1）机电互补法：用电子部件取代传统机械功能部件；（2）融合法（又称结合法）：将各组成要素有机结合为一体，构成专用或通用的部件（子系统），要素之间的机电参数的有机匹配比较充分；（3）组合法：将结合法制成的功能部件（子系统）、功能模块，像搭积木那样组合成机电一体化系统（产品） 6.3 设计类型：（1）开发性设计：工作原理、结构等完全未知，无参照产品，用成熟的科技或经验验证可行的新技术，设计出质量和性能方面满足目的和要求的新产品；（2）适应性设计：总方案原理基本保持不变，对现有产品局部更改，，或用微电子技术代替原机械结构，或为微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，使产品性能质量增加附加价值；（3）变型设计：针对已有产品原缺点或新工作要求，从工作原理、功能结构、执行机构类型和尺寸等进行变异，设计出适应市场需求，增强竞争力。 6.4 设计准则：用户降使用，厂家降设计与制造成本； 6.5 概念设计内涵与特征：（1）内涵：①在设计理念上融入智慧与经验的创新灵感与设计哲理；②设计内容更加广泛，根据各阶段要求进行需求分析、功能分析等；③方法上更全面融合现代设计方法，寻求全局最优方案；（2）特征：①创新性；②多样性；③层次性；（3）过程：明确设计任务、求总功能、总功能分解、寻找子功能解、原理解组合、评价与决策、概念产品 6.6 产品的功能设计：确定总功能、总功能分解、确定子功能结构 6.7 产品的原理设计：子功能求解，寻找子功能结构 6.8 产品的结构设计：（1）结构设计任务；（2）功能载体的确定：功能载体的组合；（3）结构设计总体布局 6.9 设计方案的评价与筛选：初步设计方案的初选；初步设计方案的具体化；对初步设计方案进行技术经济评价

6.10 系统决策：发现问题，确定目标，制定方案，评价与决策，反馈

例1：某带光电编码器的的伺服电机通过齿轮对与滚珠丝杠相连，光电编码器每周的条纹数n=1024，齿轮传动比i=10，丝杠螺距t=8mm，在数控系统伺服中断时间内计数脉冲为m=128个脉冲，则在这段时间内工作台移动的位移为多少。（α=360˚/n，s=αmt/(360˚*i)）

例2：已知数控机床的进给工作台采用齿轮和丝杠螺母传动机构，工作台的行程为S=250mm，丝杠的导程为p=4mm，齿轮的传动比i=10，要求测量精度为0.005mm，试确定测量方案和选择传感器。（光电编码器同上；光栅：1/0.005=200条）

例3：PN=96kW，UN=440V，IN=250N，nN=500r/min。Ra=0.078Ω。试求： 1额定运转时输出转矩TN，电磁转矩TM；1833.5Nm，2008Nm ○

PN=TNωN；Ea=UN-INRa，TM=PM/ωM=EaIN/ωN，

2理想空载转速n0，堵转电流Id；523.25r/min， ○

n0=UN/Keφ，Ea=Keφn，Ea=0，Id=Ea/nN

3于额定运行时突然在电枢回路中串入R=0.122Ω电阻，则R刚串入时电枢○

电流与转速为多少？97.5A，不变 Ea=Keφn，I=（UN-Ea）/（Ra+R）

4保持额定运行时总负载转矩不变，○则串入R稳定后的电枢电流与转速各为多少？Ea=UN-IN（Ra+R）=390V，Ea=Keφn，n=Ea/Keφ=463.7r/min



机电一体化技术

第一章机电一体化技术导论 1.1概述：（1）核心：机械技术、微电子技术 支柱学科：力学、机械学、制造工艺学、控制学

（2）概念：机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术、信号变换技术及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织结构目标合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术：①机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合性技术，而不是机械技术、微电子技术以及其他新技术的简单组合、拼凑，与机械电气化的主要区别在于：

i)电气机械在设计过程中不考虑或很少考虑电器与机械的内在联系，基本上是根据机械的要求，选用相应的驱动电动机或电气传动装置；ii)机械和电气之间界限分明，它们之间的连接以机械连接为主，整个装置是刚性的；iii)装置所需的控制以基于电磁学原理的各种电器，如接触器、继电器等来实现，=T2/J ；②体积小、重量轻：功率密度P/G，比功率密度=（T2/J）/G；③便于维修、安装；④易于计算机控制；

（2）微动执行机构：①热变形式：L=2Lt ；运动误差：S=±cL/EA ；位移相对误差：S/L=±c/EA2t；②磁致伸缩式：

L=±2L ；

（3）工艺机械手：①机械夹持器：圆弧开合、圆弧平行开合、直线平行开合；②特种末端执行器：真空吸附手、电磁吸附手；③灵巧手

传感器是一种以一定精度将被测量（如位移、力、加速度等）转换为与之有确定对应关系的、易于精确处理和测量的某种物理量（如电量）的测量部件或装置（敏感元件、转换元件、转换电路） 2.3.2 分类及特性：（1）分类：①按被测量物理量：位移、速度、加速度、力、温度；②按工作原理：机械式、电阻式、电感式、磁电式、压电式、电容式、光电式；③转换能量情况：能量转换、能量控制；④变换特征：结构型：电感、电容、光栅；物性型：光电管、半导体、压电式；⑤转换过程：Pε

9º。若定子每个磁极上制成5个小齿，当转子齿A相磁极小齿轮对齐时，B相磁极小齿沿反时针超强转子1/3齿距角，即超前3º，而C相磁极小齿则超前转子2/3齿距角，即超前6º。以三相单三拍通电时，步距角为3º，以三相六拍通电时，步距角为1.5º。e、结论：步进电机定子绕阻的通电状态每改变一次，它的转子便转过一个步矩角α；改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变；步进电机定子绕组通电状态的改变速度越快，其转子旋转的速度越快，即通电状态的变化频率越高，转子的转速越高；步进电机的步矩角α与相数m、通电方式k（单拍时k=1,双拍时k=2）、转子的齿数z有关：α=360º/kmz。

4步进电动机的特点：a、步进电动机受数字脉冲信号控制，输出角位移与○

输入脉冲数成正比：θ=Nβ；b、转速与输入脉冲的频率成正比：n=βf/60；c、转向可以通过改变通电顺通点顺序来改变；d、具有自锁能力；e、不易受各种干扰因素影响；f、步距角有误差，转子转过一定步数以后也会出现累计误差，但转子转过一转之后，其累积误差为零，不会长期积累；g、易于直接与微机的I/O接口相连，构成开环位置伺服系统。 5步进电机的运行特性：a.最高连续运行频率及矩—频特性：

○ 属强电范畴，其主要支撑技术是电工技术。

②机电一体化产品既不同于传统的机械产品，也不同于普通的电子产品，它是机械系统和微电子系统的有机结合，从而赋予其新的功能和性能的一种新 ；③储存（保持、积蓄、记录）。

●输入物质、能量、信息，输出物质，称加工机，如机床、交运机械、食品加工机械、起重机械、纺织机械、印刷机械、轻工机械。

●输入能量、信息，输出不同能量，称动力机，如电动机、水能、内燃机 ●输入信息和能量，输出某种信息，称信息机，如各种仪表、计算机等。 1.2.2 构成要素：（1）机械本体；（2）动力系统；（3）传感与检测系统；（4）信息处理及控制系统；（5）执行装置 1.3 机电一体化的作用：（1）精度提高；（2）生产能力和工作质量提高；（3）使用安全性和可靠性提高；（4）调整和维护方便，使用性能改善；（5）具有符合功能，适用面广；（6）改善劳动条件，有利于自动化生产；（7）节约能源，减少耗材；（8）增强柔性 1.4 机电一体化的发展趋势：

智能化、模块化、网络化、微型化、绿色化、人性化、自适应化 第2章机电一体化的单元技术 （1）机械系统的组成：传动机构、寻向机构、执行机

①高精度；②良好稳定型；③快速响应性。 （1）概述：

平稳，响应速度快，传递转矩大，高谐振频率以及与伺服电动机等其他环节的动态性能相匹配：a.系统传动部件的静摩擦力尽可能小，动摩擦力应是尽可能小的正斜率，若为负斜率则易产生爬行，精度降低，寿命减少；b.缩短传动链，提高传动与支撑刚度；c.选用最佳传动比，以提高系统分辨率，减少等效执行传动元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力；d.缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙，减少支撑变形等措施；e.适当的阻尼比。

②传动机构：螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动、各种非线性传动、杆杠传动、连杆传动、凸轮、摩擦轮、万向节、软轴、蜗轮蜗杆、间歇机构、流体传动等。

③发展：a.精密化；b.高速化；c.小型化、轻量化。

（2）特征：①转动惯量：a.影响：i)使机械负载增加，功耗增加；ii)

响应速度变慢，灵敏度降低；iii)系统固有频率下降，容易产生谐振；iv)电气驱动部件谐振频率降低，阻尼增大等。b.计算：i)圆柱体：公式J=1/8md2;ii)直线运动物体：导程L0，工作台工件质量mr,折算到丝杠上：Jcr=mr(L0/2π)2；齿轮齿条驱动，折算到节圆半径为r0小齿轮上mr02

②阻尼：i)阻尼越大，最大振幅越小，衰减越快，失动量增大，稳态误差增大，精度降低，适当阻尼可提高系统稳定性；ii)系统粘性摩擦阻尼越大，稳态误差越大，精度降低；iii)系统的粘性阻尼摩擦会对系统快速响应性产生不利影响；iv)如果系统刚度低而质量大，则系统的固有频率较低，此时应增大系统的粘性摩擦阻尼，

减小振幅，加快衰减，ξ=B/2√mk0(B-粘性阻尼系数，NS/m………

③刚度：a.i)失动量：刚度越大，失动量越小；ii)固有频率：刚度大，固有频率高；iii)稳定性：刚度大，稳定性增加；b.计算：i)一端轴向支承的丝杠：

k=πd2E/4L；ii)两端轴向支承：k=πd2E11

4(L+L−l；丝杠轴承的支承刚度：kB与轴承类型结构有关，预紧为原来两倍；丝杠螺母轴向接触刚度kN与尺寸和结构有关，预紧可提高；丝杠螺母总拉压刚度：1111

k=k+k+k；iii)丝杠

πd2G/32l

l

b

w

扭转刚度：k

t=④传动精度：i)传动误差：输入轴单向回转时，输出轴转角的实际值相对于理论值的变动量：∅0=∅i/it；ii)回程误差：当输入轴由正向回转变为反向回转时，输出轴在转角上的滞后量；

●减小传动误差措施：i)提高零部件本身精度；ii)合理设计传动链：合理选择传动形式；合理确定传动级数和分配各级传动比；合理布置传动链；iii)采用消除间隙结构；

（3）丝杠螺母传动：①分类：i)按功能：传递能量、传递运动、调整位置；ii)摩擦机制：滑动：结构简单，加工方便，成本低，自锁，摩擦阻力距大，效率低；滚动：结构复杂，成本高，摩擦力矩小，效率高；

②四种形式：a.螺母固定，丝杠转动并移动；b.丝杠转动，螺母移动；

c.螺母转动，丝杠移动；d.丝杠固定，螺母转动并移动；

③滚珠丝杠螺母副的组成及特点：轴向刚度高，运转平稳，传动精度高，不易磨损使用寿命长，不能自锁，传动可逆，升降需制动；

④主要参数尺寸：公称直径d0，基本导程l0，行程l，丝杠螺纹大径d，丝杠螺纹小径d1，滚珠直径db,螺母螺纹大径D，小径D1，丝杠螺纹全长ls； ⑤间隙的调整和预警：a.双螺母预警：i)双螺母螺纹调隙预警式；ii)双螺母垫片调隙预警式；b.单螺母预警:i)增大滚珠直径法；ii)偏置导程法；

⑥选择：a.结构：防尘防护条件，调隙及预警要求；b.尺寸：d0,l0,ls/d0

hfwFmax ;ii)压杆稳定：Fk= fkπ3I/(kl3s) ；iii)刚度：△L=±

FlMl20±

p

（4）精密齿轮传动：

①传动比的最佳选择及其分配原则：i)最佳选择：i=θm

步进电机：脉冲当量 i=∂l0/3600

θδ ； L

>1 ii)传动比分配：a.等效转动惯量最小原则：J=

πBr32g

d4，先小后大，可使结构

紧凑；b.重量最轻：先大后小；c.输出轴转角最小：先小后大；

iii)选择：a.体积小、重量轻用b原则；b.运动平稳、起停频繁、动态性能好用a、c原则；c.提高传动精度，减小回程误差用c原则；d.传动比大，用混合轮系；e.传动比相当大，传动精度，效率高，平稳，体积小，重量轻用谐波齿轮

ii)轴向垫片；iii)双片薄齿轮错齿。

耐磨性、疲劳和压溃、刚度、低速运动平稳性、结构工艺性、对温度敏感性；

（2）分类：滑动导轨，滑动摩擦，结构简单，刚度好，抗振性好；滚动：磨损小，寿命长，精度高，灵敏度高，平稳，抗振性差，成本高。

（3）滚动直线导轨：承载能力大，刚性强，寿命长，传动平稳，具有自调能力；塑料导轨：摩擦系数低而稳定，动静摩擦系数相近，吸振，耐磨，化

1）基本要求：①惯量小，动力大：p=wT,ε=T

J,T=Jε 。

单向、双向；⑥输出信号形式：开关型、模拟型、数字型；

（2）特性：①静态特性：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、分辨率、零漂；i）最高连续运行频率fmax：步进电机在连续运行时所能接②动态特性：幅频特性：稳态输出和输入信号的幅值比；相频特性：稳态输受的最高控制频率

ii）矩—频特性：M=F(f) 连续稳定运行时输出转矩与连续（1）位移检测传感器：①线位移检测传感器：i)

光栅的运行频率之间的变化关系

光电器件、光源；ii)工作原理：莫尔条纹特点：iii）动态转矩：在不同控制频率下电动机所产生的转矩。 a.莫尔条纹的位移与光栅的移动成比例；b.莫尔条纹具有唯一放大作用B=

b.空载启动频率与惯—频特性： WB1

空载启动频率fq：空载状态下，转子从静止状态下能够不失步2sin

≈

W地起动时的最大控制频率,与负载惯量有关，随其增长而下降。 2

,K=

≈ ；c.莫尔条纹具有平均光栅误差的作用；

②角位移检测传感器：i)旋转变压器：a.构造和工作原理：激磁绕组、辅助

○

6步进电机驱动器：a、环形脉冲分配器：使电机绕组的通电绕组、余弦输出绕组、正弦输出绕组；ii)光电编码器：a.增量式编码器：主顺序按一定规律变化；b、功率放大器。

码盘、鉴向盘、光学系统、光电变换器。两组透明检测窄缝彼此错开1/4节

○

7步进电动机的驱动与控制：a、微机控制：并行控制：用微机的数个端口距，输出信号在相位上相差90。

。主码盘上不透明区与鉴向盘透明窄缝对齐，去控制步进电机各相驱动电路的方法；串行控制。b、速度控制：引起步进光线被遮，输出最小；b.绝对式编码器：光电式、接触式、电磁式：分辨率：

电机的失步的原因有两种，一种是由于过载所致，另一种是启、停过程中的α=360。

/n

升速运动。c、位置控制。

（2）速度、加速度检测传感器：①速度检测传感器：a.直流测速发电机。○

8步进电动机的选用：a、步距角是由脉冲当量等因素决定的；b、转矩和惯根据定子励磁激励方式不同分为电磁式、永磁式；以电枢结构来分：无槽电JL/Jm≤4，fL=。 枢、有槽电枢、空心杯电枢、圆盘电枢。负载电阻RL应尽量大。特点是输出特性曲线斜率大，线性好，但由于电刷和换向器，其构造和维护比较复杂，：主磁极：建立电机内部磁场，永磁、励磁；机摩擦转矩较大。

座：电机外壳和底座，固定电机、磁通路；换向级：相邻主磁极之间，改善（3）力、力矩检测传感器：○

1测力传感器：a、柱式弹性元件；b、悬臂梁换向平稳性；电刷：与换向器配合整流 式弹性元件。○

2压力传感器：a、模式压力传感器；b、筒式压力传感器。○3转子（转动部分）：电枢铁芯：嵌置绕组、磁通路；电枢绕组：通电流产生 转矩；换向器：与电刷配合整流。 ○2工作原理：通过电刷和转换器产生的整流作用，使磁场磁动势和电枢电流2安全磁动势正交，从而产生转动力矩。使用直流供电，实现速度和方向调节控制，可靠、寿命长；○

3对环境条件适应能力强；○4不易受被测对象（如电阻、磁主要通过对直流电压/电流的大小和方向进行调节来实现。

导率）的影响，也不影响外部环境；○

5便于与计算机连接；○6结构简单、体○

3分类及特点：a、传统型直流伺服电机：永磁式、电磁式；低惯量型直流积小、重量轻，使用维护方便，功耗低，对整机的适应性好；○

7低成本。 伺服电机：盘形电枢、空心杯电枢永磁式、无槽电枢。b、特点：稳定性好；（2）使用：○

1线性化处理与补偿；○2传感器的标定；○3抗干扰措施。 可控性好；响应迅速；控制功率低，损耗小；转矩大。 2.3.5传感器的测量电路

○

4直流伺服电动机的特性：a、稳态方程和机械特性： （1）测量电路：○

1模拟型；○2数字型；○3开关型。 i）稳态方程：电压平衡方程：Ea

Ua

Ia

Ra

（2）转换电路：○

1电桥；○2放大电路；○3调制与解调电路；○4A/D与D/A电枢反电势平衡方程：当电枢转动时，电枢中会感应反电势Ea，其值正比于转动的角速度，Φ为定子磁通，即 伺服驱动系统是指以机械位置、速度和加速度为控制对Ea

Ke

n（Ke为反电势常数） 转矩方程：当激磁磁场不变时，转矩M正比于电枢电流，

令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。 即M=KmΦIa（Km为转矩常数）

2.4.1伺服系统概述：

n

UaRa

（1）伺服系统及其组成：

转速方程：直流电机的机械特性：

KK2

MeeKm

○

1概念：伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变量通常是机械或位置的运动，根本任务是实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量）机械特性：转速与转矩之间的关系，即n=f（M）曲线：nna

ii0

RKKM

em2

的某种状态能够自动、连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。 ○

2组成：控制器、功率放大器、执行机构、检测装置。 是理想空载转速，n=0时，称

（2）伺服系统的分类：

为堵转转矩或起动转矩。

○

1按控制原理：a、开环：机构简单，成本低，调整和维修方便，工作稳定可靠，但精度不高，适用于线切割机，办公自动化设备中。

b、调节特性： b、全闭环：调试复杂，精度高，制造成本高，用于高精密大型机械。 ○5直流电动机的常用参数：电枢电压Ua:电枢两端所加的电压；电枢电阻Ra：c、半闭环：结构简单，调整维护方便，调试简单，稳定性好，性价比高。 电枢绕组分布电阻的总和；电枢感应电动势Ea：电枢旋转所产生的反向电动○

2按信号传递不同：连续控制系统、采样控制系统。 势；电磁转矩TM：：转子受磁场力所产生的初始转矩；理想空载转速n0：不采样控制系统优点：a、数字元件比模拟元件具有更高的可靠性和稳定性；受任何负载和摩擦情况下的理想转速；额定功率PN：电机输出的额定机械功b、受到扰动时，经过几个采样周期即可快速达到稳定，受扰动影响小；c、率；电磁功率PM：电机电枢从电源吸收的电功率；输入功率P0：电机的输具有更大的灵活性，实现控制规律的精度高。 入电功率；

○

3按驱动方式：电气、液压、气动等。 ○6直流伺服电动机的动态特性：直○4被控量物理性质：位置、速度、加速度、力、力矩、速度位移同步控制。

流伺服电机的控制信号或外负载○

变化时电机输出的变化过程。设输5控制过程：点控制、轮廓控制系统等。 （3）伺服系统的总体要求：

入电压：Ui，电枢电阻：Ra，电枢○电感：L1稳定性：作用在系统上的扰动消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下a，电枢反电势：Ug，电机运行或者在输入指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态。 转速ω，电磁转矩：Tg，摩擦力转○

2精度：它是指其输出量复现输入指令信号的精确程度。 矩：Tf，负载转矩：TL，转动惯量：○3快速响应性：系统输出量快速跟随输出指令信号变化的能力，主要取决于J。拉氏变换：

系统的阻尼比和固有频率，减小阻尼比或增加固有频率可以提高快速响应性，Ua(s)Ug(s)(RaLas)Ia(s)U但对系统的稳定性和最大超调量有不利影响，它有两方面含义，一是指动态g(s)Ke(s)Tg(s)KIa(s)

响应过程中，输出量跟随输入指令信号变化的迅速程度，二是指动态响应过Tg(s)T(s)TL(s)(BJs)(s)

程结束的迅速程度。

系统简化后的传递函数：直流伺服电机的功率方程：

G(s)

Km

1(s)Us)

a(s1Ra

G(s)



KKm

P(t)R2aia(t)

K2eB(t)Ke(t)T(t)Ke(t)TL2(s)

Ts)T

(L(s)

s1

K(t)

KK

K

RaJ

e角，包括控制用电动机、静电电动机、磁致伸缩器件、压电元件、超声波电RJ(t)d(t)Ldia(t)aBKKe

Kaia(t)dtdt

动机以及电磁铁等，优点是操纵简便、适宜编程、响应快、伺服性能好、易○

7直流电动机的调速：a、改变电枢电压：与微机相接、体积小、无污染，缺点是功率小、过载能力差。 常用驱动控制有：晶闸管直流驱动、晶体管脉宽调制。 ○2液压式：按密封连通器的原理，靠油液通过密闭容积变化的压力来传递能i）脉宽调制（PWM）调速原理：在给定供量。包括往复运动的油缸、回转油缸、液压马达等。优点是输出功率大、转电电压U，由控制脉冲信号Ud控制晶体管矩大、承载能力强、适合重载的高加减速驱动。缺点是需要相应的液压源、VT的通断，从而使直流电动机得到脉冲驱占地面积大、污染严重、控制性能不如伺服电动机。

动信号，改变脉冲控制信号的每一周期通电

○

3气压式：以压缩空气为工作介质，有气缸、气压马达等。优点是有较大的时间，就可改变直流电动机的平均工作电压

U

a达驱动力、行程和速度、成本低、无污染，缺点是体积大、噪声大、远距离传调速的目的；改变供电压和续流二极管的

到输困难、定位精度不高。

极性，便可改变直流电动机的转向。

U1T

○

d

4其他执行元件：压电元件逆压电效应原理，磁致伸缩、电致伸缩。 Udt

U

（2）伺服系统对执行元件的要求 ii）开关功率放大器： H桥

○

iii）PWM控制的特点：功耗低，开关器件

1体积小，输出功率大；○2快速性能好；○3便于计算机控制；○4便于维修，少，线路简单，体积小，维护方便且工作5运行平稳，分辨率高；○6振动和噪声小。 可靠；调速范围宽；频带宽，快速性好；

电流脉动小，接近直流，电机运行更平稳。2快速性好，即加速转矩大，频率特性好；○

b、改变磁场磁通：通过控制励磁电压实现，一般采用弱磁调速方式。 3位置控制精度高，调速范围宽，低速运行平稳无爬行现象，分辨率高，振动噪声小；○

c、改变电枢回路电阻：在电枢回路中串联或者并联电阻，电阻损耗增加。 4适应启停频繁的工作要求；○5可靠○

8性高，寿命长。

直流位置伺服系统： （1）步进电动机：将输入脉冲信号转换成相应的旋转或直线位移的运动执a、电流环：电流值由电流传感器取自伺服电机行元件，可实现高精度位移，可开环控制，无需反馈；无稳定问题；无累计的电枢回路，使动态电流定位误差；适合计算机控制；输出有脉动；承受大惯性负载能力有限。 按要求的规律变化。这样○

1种类与特点：a、可变磁阻式：制造成本高、效率低、转子阻尼差、噪声在电动机负载突变时，电

大、但材料费用低、结构简单、步距角小。b、永磁式：励磁功率小、效率流负反馈引入起到了过载保护的作用。

高、造价便宜、步距角较大、转子惯量也较大。c、混合式。

○

b、速度环：伺服电动机的转速可由测速发电机或光电编码器获得。调节速2运行特性及性能指标：a、分辨力：步距角越小分辨力越高。b、矩-角特度误差，增加了系统的动态阻尼比，减小超调，使电机运行更加平稳。 性：静态转矩越大，自锁力矩越大，静态误差就越小。c、起动频率：不失步起动的最高脉冲频率。d、最高工作频率：在额定负载下，电机能够不失c、位置环：对转角或直线位移进行测量，将系统的实际位置转换成具有一定精度的电信号，与指令信号比较产生偏差控制信号，控制电机向消除误差步正常运行的极限频率。e、转矩-工作频率特性：

○

3工作原理：a、三相单三拍：单相励磁；b、三相双三拍：双向励磁； c、三线六拍：1-2相励磁；d、转子上面有40个齿，相邻两个齿的齿距角是

1异步交流伺服电机组成:定子：机壳、绕组（两相、90度）○；

转子：鼠笼型转子（励磁电流较小，体积较小，机械强度高，低速运行不够平稳，有时快时慢的抖动现象）；非磁性杯型转子（转动惯量小，运行平稳无抖动现象，但是励磁电流较大，体积也较大）；转轴、转子铁芯、转子绕组。

2工作原理：定子绕组通入三相交流电后，产生旋转磁场，旋转磁场切割转○

子中金属导体产生电流，有电流通过的铜条在磁场中受力的作用，使转子产生旋转力矩，驱动转子旋转，转子的旋转方向与旋转磁场的旋转方向相同。 3特点：a、调速范围宽，交流伺服电动机的转速随着控制电压改变，能在○

较宽的范围内连续调速；b、转子惯量小，能够实现迅速起动、停止；c、控制功率小，过载能力强，可靠性好。 4速度控制：a、交流同步伺服电动机 ○

i

）特点：电机转速与旋转磁场保持同步，不存在转速差，n=60f/p；f：电源频率，p：极对数

机械特性和调节特性都呈非线性；功率范围：0.1W~100W；频率：

50Hz~100Hz。 ii）控制方式：幅值控制：改变控制电压幅值；相位控制：改变控制电压与激磁电压相位角；幅值-相位控制（电容控制）：调节控制电压，由于电容的存在，同时也改变了相位；频率控制

iii）机械特性：转速随转矩的增加而下降；下降趋势呈非线性。 iv）调节特性：调节特性都不是线性关系；小范围内可看成线性。

制系统或局域网；d、A/D、D/A接口。

（3）PLC的编程语言：语句表、梯形图、控制系统流程图、高档PLC提供专用的高级语言和通用计算机程序设计语言。

1梯形图：I：输入映像寄存器寻址；输入映像寄存器；Q：输出映像寄存器○

寻址；M：位存储区寻址 2梯形图组成：○线圈代表逻辑“输出”结果；触点代表逻辑“输入”条件；盒（方框）代表附加指令。 3画梯形图要求：○每一个逻辑行必须从起始母线画起；寄存器线圈不能直接接在左边的母线上；在梯形图中寄存器线圈只能使用一次，而其触点无限使用；梯形图按照执行程序时的顺序依次画出；梯形图中线圈不能串联，只能并联，触电即可串联也可以并联。

1位逻辑指令：a、标准（4）PLC的基本指令：○

触点指令；b、立即触电指

令；c、输出操作指令；d、立即输出指令；e逻辑与操作指令；f、逻辑或操作指令；g、取非操作指令；h、串联电路的并联操作指令；i、并联电路的串联操作指令；j、置位与复位操作指令；k、上微分操作指令。

2

定时器和计数器指令：定时器可分为接通○

延时定时器（TON）、断开延时定时器（TOF）

和带有记忆接通延时定时器（TONR）；计数器可分为增计数器（CTU）、减计数器（CTD）和增减计数器（CTUD）。

3程序控制指令：a、结束指令；b、暂停指令；c、跳转操作指令；d、子程○

序调用与返回指令；e、循环操作指令。

4PLC控制系统设计原则：a、最大限度地满足被控对象的控制要求；b、在○

满足控制要求的条件下，力求使PLC控制系统简单、经济和使用及维护方便；c、保证控制系统稳定、可靠；d、在选择PLC容量时，应适当留有裕量便于发展生产和改进工艺的需要。 Kn(s)

v）动态特性：交流异步伺服电机传递函数：；与直流伺服电机

的二阶模型很相似；理想时交流异步伺服电机与直流伺服电机动态特性相同。 1de(t)

例）I（积分）D（微分）调节器。 (

t)e(t)dtT]vi）转速方程：n=60f(1-s)/p=(1-s)n0，n0=60f/p是空载转速，s=(n0-n)/ n0为转Tdt

TT

差率，感应式电动机的速度控制有通过改变转差率调速、变频调速和改变磁1微分方程式：○ u(k)K[e(k)e(j)(e(k)e(k

1))]极对数调速三种方法。 差分方程：

改变定子电压的速度控制优点：速度控制范围为1:10，可以进行制动控其中比例调节起迅速纠正偏差的作用，减小误差，但Kp过大，系统不稳定； 制；缺点：随转速的降低，损失增加，效率降低。改变定子频率f调速（感积分调节能消除静差，改善系统静态特性，但过强，超调增大，系统振荡； U/f控制）。 微分调节有利于减少超调，克服振荡，系统稳定性提高，加快系统动态响应

1分类：直线直流电动机、直线同步电动机、直线感应○速度，减小响u(k)u(k)u(k1)d0e(k)d1e(k1)d2e(k2)

直线伺服电动机。按工作原理分为：交流感应式、交流同步式、直流式、步进式、振荡式、压电式。按结构形式分：扁平形、圆筒形、圆盘形、圆弧形。 2特点：结构简单，不需要中间转换传动机构，可实现直接驱动，使系统得○b、在进行手动/自动切换时，控制量冲击小，平滑过渡； 到了简化，提高了可靠性，易于维护；没有离心力作用，具有较高的直线运c、节约计算机的内存和计算时间。 动速率；具有较高的精度；推力大，反应速度快，加速性能好；适应性强，○2PID控制器的参数选择：a、凑试法；b、实验经验法：扩充临界比例法、初级铁心密封后可工作于恶劣环境；存在端部效应，使磁场波形畸变，导致阶跃曲线法。 损耗增加，气隙大，低速时效率和功率因数下降较明显。 3采样周期的选择：根据香农采样定理，采样周期只需满足：T≤π/ωmax ○f为频率，τ为极距），转差率s= (v0-v)/v。 ωmax为采样信号的上限角频率 a、调节品质的要求，采样周期小些； b、从执行元件的要求来看，有时需要输出信号保持一定的宽度； 动平稳、系统刚度大，易实现过载保护等优点之外，还具有响应速度快、动c、从控制系统随动和抗干扰的性能要求来看，则要求采样周期短些； 态性能好、伺服精度高等特点。 d、从计算机的工作量和每个调节回路的计算成本看，要求采样周期大些； 1分类：按控制信号：机、电、气液伺服系统；按控制元件：节流式控制系○e、从计算机的精度看，过短的采样周期是不合适的。 统（阀控式：阀控液压缸、阀控液压马达）、容积式控制系统（泵控式：伺3.6计算机控制系统的设计 服变量泵系统、伺服变量马达系统）。 3.6.1计算机控制系统的选择：专用与通用的抉择；硬件与软件的权衡。 3组成部分：液压伺服控制元件：开关控制阀、电液伺服阀（核心）○、电液3.6.2计算机控制系统的内容和步骤：（1）确定系统的整体控制方案；（2）比例阀；液压执行元件：液压缸、液压马达、液压摆动马达；反馈检测元件。 建立数学模型并确定控制算法；（3）选择微型计算机：较完善的中断系统、（2）气压伺服系统：工作介质是压缩空气，液压伺服系统是液压油或水，足够的存储容量、完备的输入/输出通道和实时时钟、字长、速度、指令、其余与液压相同，驱动装置有气缸和气动马达，控制阀主要有开关和比例控成本、程序编制难易、扩充输入/输出接口是否方便；（4）控制系统总体设制阀。特点：气源充足，无污染；空气黏性小，易于远距离传输；工作压力计：接口设计、通道设计、操作控制台设计；（5）软件设计：模块化程序设低，适合开环控制；相对液压动作迅速，响应快；但工作频率和响应速度较计法、结构化程序设计法；（6）系统调试。 低，系统精度较低，噪声大，不易获得较大的推力。 第四章机电一体化系统的建模与仿真

第三章机电一体化的计算机控制技术 3.1概述 1硬件：计算机主机（核心）（1）计算机控制系统的组成：○、接口、输入/

输出通道（桥梁）、外部设备（操作台）。 系统模型：物理模型、数学模型和描述模型三种。 2软件：实时软件（系统软件、应用软件）○、开发软件 物理模型：相似原理，真实系统按比例放大或缩小，其状态变量与原系统完3特点：完善的I/O通道；实时控制功能；可靠性高；具有丰富、完善、正○全相同。 确反映运动规律并有效控制的软件系统。 数学模型：用数学方程(或信号流程图、结构图等)来描述系统性能的模型， 3.2计算机在控制系统中的应用 静态模型：若变量中不含时间因素；

1按照计算机在控制系统中的作用：过程控（1）计算机控制系统的分类：○动态模型：与时间有关。

2按计算机在控制中的制系统、伺服系统、顺序控制系统、数字控制系统；○描述模型：抽象的（无实体的），不能或很难用数学方法描述，而只能用语

应用方式：操作指导控制系统、直接数字系统控制、监督计算机控制系统、分级计算机控制系统。 1计算机过程控制系统；○2微型计算机（2）典型的机电一体化控制系统：○

3计算机数字程序控制系统；○4工业机器人。 （2）仿真的分类及特点

1物理模型:（全）物理仿真；○2数学模型:数学仿真、计算机仿真 ○ （3）计算机仿真的基本内容： （2）常用类型： 计算机仿真包括三个基本要素，即实际系统、数学模型与计算机。

三个基本活动：模型建立、仿真实验与结果分析。

将实际系统抽象为数学模型，为一次模型化，涉及系统辨识问题，统称为建模；将数学模型转换为可在计算机上运行的仿真技术问题，称为仿真实验，二次模型化。

4.2 机电一体化系统的数学模型 4.2.1 数学模型的表现形式

外部描述或输入-输出描述：输入-输出的微分方程或传递函数表示各物理量之间的相互制约关系；

内部描述或状态描述：现代控制理论中，通过设定系统的内部状态变量，建立状态方程来表示各物理量之间的相互制约关系。 （1）微分方程

设线性定常系统输入、输出量是单变量，分别为u(t)、y(t)，则两者关系描述为线性常系数高阶微分方程形式

nn1'm

a0ya1yan1yanyb0ubmu （2）状态空间描述

3.3.3单片微型计算机

现代控制理论：用时域状态变量（状态空间）描述和研究系统的动态行为。

高集成度、高运行速度、低功耗、小体积、使用方便灵活，无自开发能

作用：

描述系统输入输出之间的关系；

可在任何初始条件下揭示系统内部的动态行为；

：可靠性高；环境适应性强；灵活通用；使用方便，用向量微分方程描述系统，使系统的数学表达式简介明了，易于计算机求

维护简单。

解。

2基本性能指标：a、输入/输出点数；b、扫描速度；c、内存容量；d、指○

3.传递函数

令条数；e、内部寄存器；f、高功能模块。

基本概念：通过输入与输出间信息传递关系，描述系统动态特性

3分类：a、按结构形式：整体式、组合式；b、按控制规模：小型机（I/O○

4.2.2数学模型的建立

点数在128点以下，有逻辑运算、定时、计数等功能，适开关量控制的场合）、1确定模型的结构，建立系统的约束条件，确定系统的实体、属性与活动；○中型机（I/O点数在128～512点，增加数据处理功能，配置模拟量输入输出2测取有关的模型数据；3运用适当理论建立系统的数学描述，○○即数学模型；模块，适小规模系统）、大型机（I/O点数在512～896点）、超大型机（I/O4检验所建立的数学模型的准确性。 ○点数在896点以上）。

数学模型的建立方法：机理模型法、统计模型法、混合模型法

1中央处理器CPU：CPU是PLC的运算和控制核心，控制其它（2）组成：○

4.2.3系统微分方程的建立

部件运行，相当人的大脑，CPU由运算器、控制器和寄存器组成。

（1）机械系统

2存储器：○具有记忆功能的半导体（只读存储器（ROM），读写存储器（RAM），）。

部件运动：直线或转动，用达朗贝尔原理：作用于每一个质点上的合力，同

3输入/输出接口：输入/输出接口是PLC主机和外部设备之间的连接电路。 ○

质点惯性力系形成平衡力系

4电源；○5编程器 ○i(t)xfi(t)0 mi6其它接口电路：a、I/O扩展接口：将主机与I/O扩展单元连接起来； ○1直线运动：直线运动中包含的要素是：质量、弹簧和粘性阻尼。 ○b、智能I/O接口：独立的微处理器和控制软件，适应和满足复杂控制要求；c、通信接口：用于PLC 与计算机、打印机等外部设备相连，也构成集散控

k

M

E

Bxkxfmx

2转动：回转运动中包含的要素是：惯量、扭转弹簧和回转粘性阻尼。 ○

BJJkJT

p

0d

k

d

p

0

（2）电网络系统

1基尔霍夫电流定律：若电路有分支路，它就有节点，则汇聚到某节点的所○

有电流值代数和应等于零（即所有流出节点的电流之和等于所有流进节点的电流之和）。

2基尔霍夫电压定律：○电网络的闭合回路中电势的代数和等于沿回路的电压降的代数和：。 ERi

4.2.4状态空间表达式的建立 （1）状态空间的基本概念

①状态变量：能完全描述系统动态行为（运动状态）的一组最小变量的每一个变量。

②状态向量:若完全描述一个给定系统的动态行为，需要n个状态变量x1, x2,…, xn，用这n个状态变量作为分量所构成的向量，即该系统的状态向量。 ③状态空间：以各状态变量x1, x2,…, xn为坐标轴所组成的n维空间称为状态空间。状态向量可用状态空间中的一个点来表示。

（2）状态空间表达式：用状态空间描述系统的动态行为时，所采用的数学模型是状态空间表达式。是输入状态-输出之间关系的数学表达式。 第6章 机电一体化系统设计

6.1 设计阶段：产品概念、概念设计、详细设计、设计实施、设计定型 6.2设计思想：（1）机电互补法：用电子部件取代传统机械功能部件；（2）融合法（又称结合法）：将各组成要素有机结合为一体，构成专用或通用的部件（子系统），要素之间的机电参数的有机匹配比较充分；（3）组合法：将结合法制成的功能部件（子系统）、功能模块，像搭积木那样组合成机电一体化系统（产品） 6.3 设计类型：（1）开发性设计：工作原理、结构等完全未知，无参照产品，用成熟的科技或经验验证可行的新技术，设计出质量和性能方面满足目的和要求的新产品；（2）适应性设计：总方案原理基本保持不变，对现有产品局部更改，，或用微电子技术代替原机械结构，或为微电子控制对机械结构进行局部适应性设计，使产品性能质量增加附加价值；（3）变型设计：针对已有产品原缺点或新工作要求，从工作原理、功能结构、执行机构类型和尺寸等进行变异，设计出适应市场需求，增强竞争力。 6.4 设计准则：用户降使用，厂家降设计与制造成本； 6.5 概念设计内涵与特征：（1）内涵：①在设计理念上融入智慧与经验的创新灵感与设计哲理；②设计内容更加广泛，根据各阶段要求进行需求分析、功能分析等；③方法上更全面融合现代设计方法，寻求全局最优方案；（2）特征：①创新性；②多样性；③层次性；（3）过程：明确设计任务、求总功能、总功能分解、寻找子功能解、原理解组合、评价与决策、概念产品 6.6 产品的功能设计：确定总功能、总功能分解、确定子功能结构 6.7 产品的原理设计：子功能求解，寻找子功能结构 6.8 产品的结构设计：（1）结构设计任务；（2）功能载体的确定：功能载体的组合；（3）结构设计总体布局 6.9 设计方案的评价与筛选：初步设计方案的初选；初步设计方案的具体化；对初步设计方案进行技术经济评价

6.10 系统决策：发现问题，确定目标，制定方案，评价与决策，反馈

例1：某带光电编码器的的伺服电机通过齿轮对与滚珠丝杠相连，光电编码器每周的条纹数n=1024，齿轮传动比i=10，丝杠螺距t=8mm，在数控系统伺服中断时间内计数脉冲为m=128个脉冲，则在这段时间内工作台移动的位移为多少。（α=360˚/n，s=αmt/(360˚*i)）

例2：已知数控机床的进给工作台采用齿轮和丝杠螺母传动机构，工作台的行程为S=250mm，丝杠的导程为p=4mm，齿轮的传动比i=10，要求测量精度为0.005mm，试确定测量方案和选择传感器。（光电编码器同上；光栅：1/0.005=200条）

例3：PN=96kW，UN=440V，IN=250N，nN=500r/min。Ra=0.078Ω。试求： 1额定运转时输出转矩TN，电磁转矩TM；1833.5Nm，2008Nm ○

PN=TNωN；Ea=UN-INRa，TM=PM/ωM=EaIN/ωN，

2理想空载转速n0，堵转电流Id；523.25r/min， ○

n0=UN/Keφ，Ea=Keφn，Ea=0，Id=Ea/nN

3于额定运行时突然在电枢回路中串入R=0.122Ω电阻，则R刚串入时电枢○

电流与转速为多少？97.5A，不变 Ea=Keφn，I=（UN-Ea）/（Ra+R）

4保持额定运行时总负载转矩不变，○则串入R稳定后的电枢电流与转速各为多少？Ea=UN-IN（Ra+R）=390V，Ea=Keφn，n=Ea/Keφ=463.7r/min

