伺服电动缸的运行能耗测试与仿真研究

发布时间：2017-08-29 04:38

  本文关键词：伺服电动缸的运行能耗测试与仿真研究

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【摘要】：伺服电动缸是最常见的电动执行元件,具有定位点数多、定位精度高、传动效率高、节能省电等特点,在诸多领域得到广泛应用。目前伺服电动缸的生产厂商或者使用者都会对其控制性能、运行特性及运行能耗进行考虑,进而影响到伺服电动缸的设计、优化、选型及使用。采用机电一体化设计的伺服电动缸存在着结构复杂、零部件多、零部件耦合性强等特点,一方面会导致对其进行精确控制比较困难,另一方面会对其运行能耗分析与测试带来困难。因此,对伺服电动缸的运动控制模型进行分析与仿真研究、运行能耗分析与测试显得十分有必要。本文以日本SMC株式会社生产的LEFS25AB-500B-R16N型号的直线导轨式伺服电动缸为研究对象,其采用永磁同步电动机作为驱动电动机。本文的主要研究内容包括伺服电动缸仿真研究与伺服电动缸的运行能耗分析与测试。对伺服电动缸进行仿真研究,首先,对采用矢量控制策略的永磁同步电动机的数学模型进行了分析;其次,对基于id=0矢量控制方式的永磁同步电动机位置伺服控制系统的三闭环进行设计,电流环、速度环及位置环的调节器分别采用PI、PI、纯比例控制及在速度环与电流环前均增加位置前馈补偿控制,以解决永磁同步电动机位置伺服控制系统采用传统PID控制时存在着位置跟踪滞后、响应速度慢、超调量大等现象以致其往往不能满足高跟踪精度与高跟踪速度的要求的问题;再次,把伺服电动缸的机械传动部分等效为一个主要考虑其刚度、阻尼、惯量与延时效应的模型,推导出其数学模型及传递函数;最后,结合永磁同步电动机位置伺服控制系统的数学模型与机械传动部分的数学模型,推导出伺服电动缸的数学模型,并对伺服电动缸的数学模型进行了MATLAB/Simulink仿真。对于伺服电动缸的运行能耗测试的研究,首先,根据伺服电动缸的运行机理,分析了伺服电动缸运行能耗的机理及组成,从理论上推导出伺服电动缸的运行能耗的数学模型;其次,根据伺服电动缸运行特性、试验条件及试验需求,设计并搭建了基于LabVIEW的伺服电动缸运行能耗试验系统;再次,针对不同运行状况下的伺服电动缸的运行能耗进行全面的试验,包括数据采集、处理与分析;最后,根据试验结果,对从理论推导出的伺服电动缸运行能耗的数学模型进行修正,使根据该模型计算出的伺服电动缸的运行能耗预测值与实测值的误差率不超过10%,为伺服电动缸的设计、优化、选型及使用提供理论依据与试验数据。
【关键词】：伺服电动缸 永磁同步电动机 仿真研究 运行能耗 LabVIEW
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH-39;TM341
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 课题背景与研究意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-17
• 1.2.1 伺服电动缸简介12-14
• 1.2.2 伺服电动缸运行特性研究的国内外现状14-16
• 1.2.3 伺服电动缸的运行能耗测试研究的国内外现状16-17
• 1.3 课题研究内容与目标17-19
• 第二章 伺服电动缸的运动控制数学模型19-47
• 2.1 永磁同步电动机的数学模型20-26
• 2.1.1 永磁同步电动机的分类20-21
• 2.1.2 三个不同坐标系下的永磁同步电动机的数学模型21-26
• 2.2 永磁同步电动机位置伺服控制系统26-40
• 2.2.1 矢量控制方式26-27
• 2.2.2 id=0 矢量控制方式27-30
• 2.2.3 三闭环设计30-40
• 2.3 机械传动部分的数学模型40-45
• 2.4 伺服电动缸的数学模型45-46
• 2.5 本章小结46-47
• 第三章 伺服电动缸的运行能耗模型47-67
• 3.1 伺服电动缸的运行能耗简介47-51
• 3.1.1 伺服电动缸的运行能耗组成47-49
• 3.1.2 伺服电动缸的运行能耗的数学模型简介49-51
• 3.2 伺服驱动器内部电路的功率损耗2P模型51-56
• 3.2.1 伺服驱动器内部电路的功率损耗2P的组成51-52
• 3.2.2 通态损耗Pcon模型52-54
• 3.2.3 开关损耗Psw模型54-55
• 3.2.4 伺服驱动器内部电路的功率损耗2P模型55-56
• 3.3 永磁同步电动机的有功功率损耗P模型56-58
• 3.4 滑台（负载）的功率损耗mP及机械传动部分的功率损耗LP模型58-65
• 3.4.1 滚珠丝杠副的摩擦机理58-59
• 3.4.2 滑台（负载）的功率损耗mP模型59-62
• 3.4.3 机械传动部分的功率损耗LP模型62-65
• 3.5 伺服电动缸的运行能耗模型65-66
• 3.6 本章小结66-67
• 第四章 伺服电动缸的运行能耗测试系统设计67-82
• 4.1 伺服电动缸运行能耗测试方案制定67-70
• 4.1.1 试验对象、试验动作条件及负载运行状况67-68
• 4.1.2 伺服电动缸运行能耗试验的需求分析68-70
• 4.2 硬件测试平台70-75
• 4.2.1 霍尔电流传感器70-71
• 4.2.2 霍尔电压传感器71-72
• 4.2.3 激光位移传感器72-74
• 4.2.4 数据采集卡74-75
• 4.3 LabVIEW上位机软件设计75-78
• 4.3.1 LabVIEW软件简介75
• 4.3.2 测试程序流程图75-76
• 4.3.3 测试程序软件界面76-78
• 4.4 数据的采集、处理及分析78-81
• 4.4.1 伺服驱动器输入端的功率损耗P0数据采集、处理及分析78-79
• 4.4.2 再生制动回路的功率损耗P3的数据采集、处理及分析79
• 4.4.3 永磁同步电动机有功功率损耗P的数据采集、处理及分析79-81
• 4.4.4 滑台（负载）运行能耗mP的数据采集、处理及分析81
• 4.5 本章小结81-82
• 第五章 伺服电动缸的仿真研究与运行能耗测试82-96
• 5.1 伺服电动缸的仿真研究82-91
• 5.1.1 永磁同步电动机位置伺服控制系统的仿真研究82-86
• 5.1.2 机械传动部分的仿真研究86-89
• 5.1.3 伺服电动缸的仿真研究89-91
• 5.2 伺服电动缸的运行能耗测试91-93
• 5.3 伺服电动缸的运行能耗的数学模型93-94
• 5.4 本章小结94-96
• 第六章 总结与展望96-98
• 6.1 研究总结96-97
• 6.2 工作展望97-98
• 致谢98-99
• 参考文献99-103
• 附录103-113

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本文编号：751368