基于高速高加（减）速直线电机轮廓误差控制技术的研究

发布时间：2020-04-07 07:15

【摘要】：在“中国制造2025”的潮流下,国内制造业正朝着高速高精高自动化的方向发展,直线电机以其独有的优势,逐渐取代传统的“旋转电机+滚珠丝杠”的结构,并正被广泛应用于高档数控机床、包装和码垛机器人、拾取和放置机器人、光刻机等行业。直线电机驱动的二维平面运动是数控机床为代表的自动化生产制造设备实现定位和进给的最基本的运动之一,其最重要的性能指标是轮廓精度。本文以二维XY直线电机工作台作为实验平台,对单轴位置跟踪性能和双轴轮廓控制性能两方面进行了研究,意在设计一种可以有效提高系统轮廓精度和自适应性能的轮廓误差控制方案。首先,本文阐述了课题的国内外研究现状和研究意义,介绍了二维XY直线电机平台的软硬件结构和工作原理;其次,分析了模糊控制和鸡群优化算法理论,为直线电机单轴伺服系统设计了位置环控制器;再次,分析并建立了实时轮廓误差估算模型,采用变增益模糊交叉耦合控制,实现对轮廓误差的实时补偿,提高二维工作台的轮廓精度;最后,针对本文所提出的单轴控制策略和双轴控制方案,分别在给定条件下进行对比实验验证,为多轴直线电机伺服系统的轮廓误差控制提供新思路。本文的主要研究成果有以下几点:(1)针对二维XY直线电机平台各单轴伺服系统的控制,在传统PID控制的基础上,设计了基于改进鸡群优化算法的模糊PID控制器(ICSO-Fuzzy-PID),并通过仿真和实验验证了所提出的ICSO-Fuzzy-PID控制在单轴跟踪性能、自适应性和鲁棒性等方面都优于传统PID控制;(2)研究二维XY直线电机平台的轮廓误差控制算法,在各单轴采用ICSO-Fuzzy-PID控制策略的基础上,设计了变增益模糊交叉耦合控制器(CCC-Fuzzy-PID),并将其应用于多轴直线电机伺服系统的轮廓误差控制中;(3)结合仿真分析和实验测试方法,验证了本文所提出的ICSO-Fuzzy-PID和CCC-Fuzzy-PID控制方法,可有效降低二维XY直线电机平台的轮廓误差,从而有效提高系统的轮廓精度。
【图文】：

策略的控制精度是建立在已知被控对象的精确数学模型之上，而在实际工业应用中，外界环境的变化是无法避免的，几乎不可能建立直线电机的精确数学模型，所以当直线电机应用在不确定的环境中，传统 PID 控制方法已经不能很好地满足直线电机高精度的要求。在第二章的内容里，本文建立了永磁同步直线电机系统的简化数学模型，，并分析了影响直线电机运行效果的诸多主要因素。本章将对直线电机实验平台的基本结构和工作原理进行探究，同时为了方便课题的后续研究，根据实验平台的实际情况，在 Matlab/Simulink 中搭建各单轴伺服系统的仿真模型，并对各轴的控制效果进行了仿真分析。 3.1直线电机实验平台结构研究3.1.1实验平台总体结构本文所研究的直线电机实验平台是一套高速高精度直线电机龙门系统。该系统为三轴联动，其中X、Y轴为永磁同步直线电机，行程分别为750mm和1000mm；Z 轴为交流伺服电机，通过配置行程为 200mm 的 KK86 模组（滚珠丝杠）安装在 X 轴电机上，具体实物图如图 3.1 所示。

具有较强的计算处理能力，良好的闭环控制能力，而且提供开的运动控制卡库函数，可自定义伺服算法控制电机、支持复杂运动关系算法及行开发平台的控制界面等特性。PMAC 运动控制卡连接着型号为 DTC-8B 的转板，以便控制 X、Y 轴永磁同步直线电机及 Z 轴交流伺服电机；平台的末端检装置采用的是英国 Renishaw 公司生产的型号为 RGH22Y 的直线光栅尺，分辨为 0.1um，正常读数的最大允许速度为 4m/s；驱动器选用的是以色列 MEGA-FAB公司生产的 D1 型 MD-36-S 产品，频率范围在 47~63HZ；X 轴的直线导轨与滑是来自台湾 HIWIN 公司的具有自润滑性能的 QHH15H1026Z-1082+QH15 产品Y 轴采用的是与 X 轴同公司的另一种型号为 QHH20H1026Z-5068+QH20 的直导轨与滑块；X 轴永磁同步直线电机来自台湾 HIWIN，型号为 LMCB6，行程750mm；Y 轴永磁同步直线电机来自台湾 HIWIN，型号为 LMCC8，行程1000mm；极限开关应用的是日本 OMRON 的型号为 EE-SX674 的产品；同时包括一台 PC 上位机，一个工业电气控制柜。 本实验平台所用软件为 PMAC 配套的 PEWIN32PRO2 ，软件界面如图 3.2所示。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM359.4;TP273

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 徐亮;赵文祥;吉敬华;陈前;刘国海;;往复式永磁直线电机实验教学平台[J];电气电子教学学报;2019年06期

2 陈世坤;;直线电机研究现状[J];国际学术动态;1996年05期

3 刘高坤;;直线电机地铁车辆浅谈[J];铁道勘测与设计;2017年01期

4 武杨滨;罗丹;;直线电机的特点和应用[J];农家参谋;2019年09期

5 安兵锡;安建华;张玉军;;直线电机模型[J];教学仪器与实验;2007年12期

6 李军奇;;浅谈直线电机的维护与保养[J];时代农机;2018年08期

7 岳非弘;李争;王群京;;U型无铁芯直线电机的振动模态计算与分析[J];日用电器;2018年11期

8 陈永波;燕延;王伟明;闪明才;;磁悬浮直线电机三维有限元分析及优化设计研究[J];组合机床与自动化加工技术;2017年01期

9 刘伟;周志全;刘海旭;;永磁同步直线电机混沌杂草自抗扰控制研究[J];吉林大学学报(信息科学版);2017年04期

10 刘卫星;赵世伟;曹江华;;永磁同步直线电机小行程高精度定位控制[J];工业仪表与自动化装置;2017年03期

相关会议论文 前10条

1 张婷婷;崔皆凡;;无铁心永磁同步直线电机电磁设计研究[A];第十五届沈阳科学学术年会论文集（理工农医）[C];2018年

2 韦福东;崔皆凡;;永磁同步直线电动机推力的优化[A];第十四届沈阳科学学术年会论文集（理工农医）[C];2017年

3 武瑞兵;;基于S函数的永磁同步直线电机的仿真研究[A];煤矿自动化与信息化——第19届全国煤矿自动化与信息化学术会议暨中国矿业大学（北京）百年校庆学术会议论文集[C];2009年

4 刘星桥;陈功;韩辉;;基于端口受控哈密顿的永磁同步直线电机控制方法研究[A];中国自动化学会控制理论专业委员会D卷[C];2011年

5 曹荣敏;周惠兴;陈现敏;文华强;;基于永磁直线电机的倒立摆创新实验平台设计[A];第九届全国信息获取与处理学术会议论文集Ⅰ[C];2011年

6 王杰;;基于重复控制的永磁直线电机跟踪控制[A];第十届沈阳科学学术年会论文集（信息科学与工程技术分册）[C];2013年

7 郑财晖;;直线电机车辆技术在北京机场线的应用[A];第八届中国智能交通年会优秀论文集——轨道交通[C];2013年

8 张杰;王丽梅;;永磁直线电机模糊扰动补偿控制研究[A];第十一届沈阳科学学术年会暨中国汽车产业集聚区发展与合作论坛论文集（信息科学与工程技术分册）[C];2014年

9 叶云岳;;国内外直线电机技术的发展与应用综述[A];直线电机与自动化——2002年全国直线电机学术年会论文集[C];2002年

10 陈永校;;微特直线电机[A];第七届中国小电机技术研讨会论文集[C];2002年

相关重要报纸文章 前10条

1 通讯员 蔺媛 冯钿芳;直线电机开辟深井排液采气新路径[N];中国石油报;2017年

2 陈大伟;直线电机轨道车试制成功[N];安徽经济报;2010年

3 清科集团 赵晓泊;直线电机将升级传统制造业[N];中国证券报;2010年

4 记者 薛婧;我国首列直线电机轨道车试制成功[N];黑龙江日报;2009年

5 李丽云;泰富杨天夫：四年迈上国际舞台[N];科技日报;2005年

6 袁芳邋记者 赵凤华;中日专家北京交大研讨直线电机轨道交通新技术[N];科技日报;2007年

7 记者 张荣文;第一个直线电机牵引车辆段安家广州[N];中国铁道建筑报;2005年

8 常科;国内首列自动无人驾驶直线电机城轨车辆下线[N];人民铁道;2007年

9 本报记者 林刚 通讯员 窦新;我国首列直线电机地铁车辆在青问世[N];青岛日报;2005年

10 本报记者 代桂云;我国首列直线电机地铁车辆下线[N];中国工业报;2005年

相关博士学位论文 前10条

1 孙梦馨;非共振式压电直线电机的研究及其在多自由度平台中的应用[D];南京航空航天大学;2018年

2 郑继贵;自由活塞斯特林发电系统的基础研究[D];哈尔滨工业大学;2018年

3 付东山;新型横向磁通永磁直线电机模型建立和优化设计研究[D];山东大学;2019年

4 卞芳方;初级永磁型直线电机的磁场调制机理与拓扑结构研究[D];江苏大学;2019年

5 李奎;斯特林机用三相永磁直线电机研究[D];华中科技大学;2016年

6 愪能;低推力波动组合铁芯永磁同步直线电机的特性分析与优化[D];华中科技大学;2016年

7 孟高军;磁通切换永磁直线电机推力波动的抑制及控制系统的设计[D];东南大学;2016年

8 潘东华;面向超精定位系统无铁心直流直线电机精确建模与优化研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

9 张颖;永磁同步直线电机磁阻力分析及控制策略研究[D];华中科技大学;2008年

10 潘开林;永磁直线电机的驱动特性理论及推力波动优化设计研究[D];浙江大学;2003年

相关硕士学位论文 前10条

1 孟凡;馈能型直线电机式混合悬架的设计及性能研究[D];华中科技大学;2019年

2 陈秀萍;基于终端滑模控制的永磁同步直线电机位置伺服控制系统研究[D];合肥工业大学;2019年

3 李国奇;直线电机输出受限问题的自适应鲁棒控制研究[D];北京交通大学;2019年

4 陈佳槟;基于RCM的直线电机车辆维修决策系统研究[D];北京交通大学;2019年

5 李传阳;基于直线电机的倒立摆系统自动起摆与稳摆控制算法研究[D];合肥工业大学;2019年

6 程仕祥;基于高速高加（减）速直线电机轮廓误差控制技术的研究[D];合肥工业大学;2019年

7 王若愚;直线电机型风电机组仿真模拟研究[D];华北电力大学(北京);2019年

8 胡凯;自由活塞内燃发电机系统中直线电机的研究[D];上海交通大学;2018年

9 胡致远;基于全局优化算法MVO的永磁同步直线电机的优化设计[D];华南理工大学;2019年

10 李翔;高速高精度直线电机伺服控制系统设计[D];华南理工大学;2019年

本文编号：2617614