音圈电机位置伺服驱动系统研究与应用

发布时间：2020-11-22 04:46

　　 论文以医药企业包装机械中的数粒机为应用背景,采用音圈电机(Voice Coil Motor,VCM)为激振源,完成电磁式振动给料机的改进。传统的振动给料机基本以电磁结构为激振源,在数粒机中用于分散和传输物料。但电磁结构的激振存在受弹簧老化的影响严重、易受环境影响和振幅不能稳定可控等缺点,在送料效果和速度方面的稳定性不够,不利于数粒机快速和稳定工作。而音圈电机具有运动过程精确可控、抗干扰能力强和自动化程度高等特点,以音圈电机替代电磁结构的振动给料机,能精确控制振幅和频率,有利于提高送料速度和稳定性。论文主要工作内容如下:(1)首先介绍了音圈电机伺服系统的研究现状,描述了电磁式振动给料机的工作过程,分析了电磁结构存在的主要问题,选择采用音圈电机位置伺服驱动系统提供稳定可靠的激振,实现对振动给料机进行改进。(2)为了确立音圈电机的数学模型,从工作原理上进行分析,在等效的情况下,得到其模型的传递函数。由于音圈电机驱动振动给料机时需要做快速往复运动,介绍了音圈电机的复杂迟滞特性,说明高频运动下音圈电机呈现出不可忽略的非线性特性,是一个复杂的非线性被控对象,并通过振动给料机的动力学分析,确定音圈电机做高频往复运动时的位置伺服控制要求。(3)为了得到更优的控制效果,对H桥功率变换器进行了分析,并对音圈电机位置伺服驱动系统进行了研究和仿真验证。为进一步提升电流环动态性能,添加两种前馈补偿环节:反电动势扰动的前馈补偿、电流给定的前馈,组成“PI+前馈补偿”的复合控制方式。介绍了自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)方法并应用于位置环,用于适应音圈电机的复杂迟滞特性,同时能够提高位置环的控制精度。文中详细分析了电流环和位置环的控制算法,并列举了其参数设计的过程,最终通过Simulink平台进行了仿真验证。(4)介绍了音圈电机位置伺服驱动系统的硬件平台和软件结构,并对其中的主要部分进行说明。硬件包括功率电路、操作面板和控制电路,软件包括控制算法模块、面板通信模块和坐标旋转数字计算方法(Coordinate Rotation Digital Computer,CORDIC)。(5)以音圈电机位置伺服驱动系统为激振源,搭建了相应的振动给料机实验平台,并成功应用于包装机械的数粒机中。对所设计的音圈电机位置伺服驱动系统进行了带载测试,并通过与经典PID控制进行对比,验证了ADRC的控制性能。控制音圈电机产生高频振动,进行持续的平台送料测试,验证系统的稳定性。
【学位单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TM31
【部分图文】：

第一章绪论1第一章绪论1.1课题背景与研究意义精密工程作为先进科学技术的综合体现，涉及到光学测量、高精度定位、扫描显微镜等多种精密加工和精密测量领域，代表着国家制造业的综合实力[1]。在高精度定位系统中，通常采用压电陶瓷或音圈电机进行驱动，而音圈电机具有行程相对较大、容易控制和结构简单等优点，大有替代压电陶瓷的趋势，受到广泛的关注和研究[2]。音圈电机是一种特殊的直流直线电机，只有一个线圈绕组，且因其原理与扩音器相似而命名[3]，不需要任何传动机构就可获得直线或圆弧运动，具有结构简单、体积孝噪声低、高精度、高速度、高加速度等特点[4]。如图1.1所示，音圈电机从结构上主要分为定子和动子两部分[5]：定子为铁磁圆柱，内置有永磁体，形成刚性磁通回路；动子为缠绕有线圈绕组的绕组支架，支架顶端引出有线圈绕组的两根接线引脚。音圈电机种类繁多：从电磁原理上划分，音圈电机有传统式、集中通量式和磁力交叉存取式三种[6]；从运动部件上划分，有动线圈式和动永磁体式；从气隙长度上划分，有长线圈式和短线圈式。不同结构形式有各自的特点和相应的适用场合，能够满足不同应用场合的性能要求。图1.1音圈电机实物图随着控制理论的进步、永磁材料的突破和电子技术的创新，各种高性能伺服系统不断涌现，其性能也得到了全面的提升[7]。在设计音圈电机位置伺服驱动系统时，不仅要了解它的工作特性和数学模型，还要明确相应的控制策略和性能要求，必须要结合具体的应用场合，确定相应的控制指标，以便采取相应的软硬件控制策略以达到所需的性能指标[8]。

第三章音圈电机控制方法研究与仿真分析27图3.7电流环PI控制仿真模型图时间（秒）时间（秒）电流（安）电流（安）电流给定和响应电流误差图3.8电流环仿真结果图如图3.8为Simulink仿真的电流给定、电流响应以及电流误差的波形：电流响应从1s的时刻跟随电流给定的变化开始持续增大，经过0.5ms时电流响应第一次达到电流给定值，而后继续增大，产生超调；再经过0.5ms的时间电流响应稳定在电流给定值。在该PI控制下，电流环调节时间在1ms左右，存在较小的超调，达到稳态后的误差为0，基本满足电流环快速响应的要求，但电流响应仍存在较为明显的超调，动态性能上略显不足。（2）电流环前馈补偿设计电流环使用PI控制通过电流反馈进行校正的方式，对反电动势扰动的抑制和电流给定的跟踪总是有限的，会不可避免的产生超调。通过添加前馈补偿环节可以加快电流环调节速度、补偿反电动势的扰动、减小系统超调。在音圈电机高精度位置伺服控制中，要求电流响应能快速无超调的跟踪电流给定，而图3.8的仿真结果表明单纯的PI是难以达到系统控制要求的，因此电流环设计为“PI+前馈补偿”的控制方式。如图3.5的电流环结构框图。反电动势变化频率远低于电流环的执行频率32kHz，被视作电流环的低频扰动，通过1()环节对反电动势扰动进行补偿。同时通过2()环节对电流给定进行前馈控制，能够减小电流环PI调节器的调节压力，加快电流环调

第三章音圈电机控制方法研究与仿真分析28节速度。下面对分别这两种前馈环节进行计算：对反电动势扰动的前馈补偿，是希望通过1()的补偿使反电动势()不影响电流响应()，即从反电动势()到电流响应()的传递函数为零。()()=[11()()]()1+()()()()(3.21)从而得到：1()=1()=+1(3.22)对电流给定前馈补偿，是希望电流响应()能够完全复现电流给定()的变化，电流环“输入-输出”传递函数恒为1。()()=[2()+()()]()()1+()()()()(3.23)于是电流给定补偿环节的传递函数为：2()=1()()=(+1)(+)(3.24)根据式（3.22）、（3.24）两个前馈补偿环节的计算结果，两个前馈环节均涉及微分量的提龋而由于Simulink中无法单独建立纯微分模块，在建立两个前馈环节仿真模型时，采用“经典微分器”的思想，在微分通道上串联相应数量的小惯性滤波器，实现“降阶”和滤除微分环节引入的干扰噪声的作用。在图3.7的基础上建立如图3.9的电流环“PI+前馈补偿”的仿真模型图。图中的1()、2()、2()1分别为两个前馈通道上的微分器模型。图中以频率为50Hz、幅值为1的正弦波模拟反电动势对电流环的“低频扰动”，电流给定为阶跃波形。最终得到如图3.10的仿真结果。图3.9电流环“PI+前馈补偿”控制的仿真模型图对比如图3.10与图3.8两个电流环仿真结果可以看出，添加了前馈补偿的电流环响应波形不仅具有无超调的优点，电流环调节时间也大幅缩短至1ns左右，因此前馈补偿
【参考文献】

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本文编号：2894145