[硕士论文精品]双电机消隙伺服系统的研究与应用.pdf
《[硕士论文精品]双电机消隙伺服系统的研究与应用.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《[硕士论文精品]双电机消隙伺服系统的研究与应用.pdf(65页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、摘要 本文以某精密雷达转台伺服系统的研制为背景,在深入分析双电机消隙原理 的基础上,建立了双电机消隙伺服系统模型,并基于模型重点研究了伺服系统的 控制算法。同时,为了改善系统低速性能,对摩擦补偿的相关理论和方法做了初 步的探讨。 首先,论文介绍了双电机消隙伺服系统的技术指标与总体设计方案并对系统 涉及到的相关器件进行了简要说明。 其次,详细分析了双电机消隙原理,由此推导出消隙电流方程。并结合双电 机驱动系统的动力学特性以及实际系统的控制框图,建立了双电机消隙传动的伺 服系统模型。然后,基于伺服系统模型,设计了系统的控制算法。并通过M a t l a b 仿真对比分析了P I D 控制与复合控制
2、两种算法对系统的控制效果。仿真表明,复 合控制能够在保证系统稳定的情况下,很大程度地提高伺服系统的跟踪精度。 最后,分析了低速爬行产生的原因,并设计了加速度反馈控制器对其进行有 效抑制。 关键词:双电机消隙复合控制低速爬行 A b s t r a c t I nt h i sp a p e r , a n t i - b a c k l a s hs e r v os y s t e mb yd o u b l e m o t o ri ss t u d i e d I ti sb a s e do n t h ed e v e l o p m e n to fc e r t a i np r
3、 e c i s i o nr a d a rt u r n t a b l es e r v e r T h es y s t e mm o d e li s e s t a b l i s h e dt h r o u g hd e e pa n a l y s i st oa n t i - b a c k l a s hp r i n c i p l eb yd o u b l e 。m o t o ET h e n b a s e do nt h em o d e lt h ec o n t r o la l g o r i t h mi sd e s i g n e d M e a
4、 n w h i l e ,r e l a t e dt h e o r i e sa n d m e t h o d sa b o u tf r i c t i o nc o m p e n s a t i o na l ed i s c u s s e dp r e l i m i n a r i l yf o ri m p r o v i n gl o w s p e e dp e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m F i r s t ,t h et e c h n i c a li n d e xa n dt h ew h o l ed e s
5、 i g ns c h e m eo ft h es e r v e ra r ei n t r o d u c e d a n dt h er e l a t e dd e v i c e su s e di nt h es y s t e ma r ed e s c r i b e db r i e f l y N e x t ,A n t i b a c k l a s hC u n e n t - E q u a t i o ni sd e r i v e db yd e t a i l e da n a l y s i s t ot h e p r i n c i p l eo fd
6、 o u b l e m o W nF u r t h e r m o r e ,c o m b i n i n g t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f d o u b l e - m o t o rw i t hc o n t r o lb l o c kd i a g r a mo ft h ep r a c t i c a ls y s t e m ,t h em o d e li s b u i l t T h e n ,b a s e do nt h em o d e l ,c o n t r o la l g o r
7、 i t h mo ft h es y s t e mi sd e s i g n e d A n dt h ec o n t r o l e f f e c t so fP I Da n dc o m p o s i t ec o n t r o la r eg i v e nb ys i m u l a t i o n T h er e s u l ts h o w st h a t c o m p o s i t ec o n t r o lC a nh i g h l yi m p r o v et r a c k i n gp r e c i s i o nw i t h o u t
8、c h a n g i n gs t a b i l i t yo f t h es y s t e m F i n a l l y , t h er e a s o n so fl o ws p e e dc r a w l i n ga r ea n a l y z e d ,a n da n a c c e l e r a t i o n f e e d b a c kc o n t r o l l e ri Sd e s i g n e df o re f f e c t i v e l yi n h i b i t i n gf r i c t i o n K e y w o r d
9、 :a n t i b a c k l a s hc o m p o s i t ec o n t r o l l o ws p e e dc r a w l i n g 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德,本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果;也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。
10、申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切的法律责任。 本人签名:二匣薹五 日期:竺! ! :三:坠 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定,即:研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件,允许查阅和借阅论文;学校可以公布论文的全部或部分内 容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证,毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密,在一年解密后适用本授权书。 同期:塑! ! !
11、蔓 日期:圣! 竺:三怕 盈鳟 、泛一 ,毵一 越鱼 签 签 人 师 本 导 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 雷达伺服系统是雷达的重要组成部分,它对于雷达发现目标、跟踪目标以及 精确地测量目标位置和其它参数都起着重要的作用。雷达伺服系统的精度会直接 影响雷达的测角精度。随着科学技术的飞速发展,现代化战争对跟踪雷达伺服系 统提出了更高的指标要求较高的跟踪精度,良好的快速性,较好的低速平稳 性。然而由于齿隙、摩擦等非线性因素的存在对这些指标的提高产生了重大影响。 齿隙非线性是由于机械传动系统中齿轮轮齿之间存在的问隙而导致的非线性 位置误差。它既是机械传动正常进行不可缺少的要素,同时也是影
12、响系统动态性 能和稳态精度的重要原因。如果不能消除齿隙的影响,系统性能会因极限环或冲 击而降低,甚至变得不稳定。同时,齿轮的刚性碰撞会产生严重的振荡和噪音【l 】。 因此,在高精度运动控制领域,对齿隙非线性进行补偿一直是研究的重要内容之 一。 为了很好地克服齿隙对系统性能造成的影响,可以从控制手段出发来消除齿 隙。这种方法是通过建立系统的动力学模型,将齿隙视为非线性环节,研究非线 性系统的控制方法,探求提高闭环系统性能的控制算法,试图达到消除齿隙的目 的。目前可以借助现代控制理论的方法构造具有自适应、智能机制的控制器。例 如基于模型参考的自适应、基于P I D 控制策略的自校正控制器、变结构控
13、制、模糊 自适应控制、智能自适应控制等【2 】- 【6 1 。但这些控制算法只能在一定程度上改善非线 性系统的性能,并不能完全消除齿隙非线性对系统的影响。另外一种是机械消隙 法。机械消隙基本可以消除齿隙,但是增加了设备机械的复杂性,同时消隙也不 可靠【7 1 8 】。因此在实际应用中,尤其是在精密雷达天线驱动系统中,比较有效的办 法就是采用双电机驱动的方式,利用电气伺服控制达到消隙的目的。其实质是使 传动系统在启动和换向的过程中,由两套完全一致的减速机构的输出齿轮分别贴 紧在主轴大齿轮相反的啮合面上,使主轴大齿轮受到偏置力矩,不能在齿隙中来 回摆动,从而达到消除齿轮问隙的目的。 除了齿隙非线性
14、外,摩擦非线性是高精度控制系统中的另一类不可忽略的干 扰因素。众所周知,高精度位置伺服系统对低速平稳性有着严格的要求,即在给 定的低速运行状态下满足严格的低速跟踪精度和平稳性指标。当系统运转速度低 于某一临界值( 最低平稳速度) 时,其运动速度出现脉动现象,这种现象称低速 抖动或低速爬行。这正是由于机械系统中的非线性因素导致的,包括摩擦力矩、 电机波动力矩等,其中摩擦力矩是影响系统低速性能的主要原因,因此对摩擦力 2 双电机消隙伺服系统的研究与应片i 矩进行补偿是有效改善系统低速性能的关键【9 】。 本文将以某精密跟踪雷达转台伺服系统为背景,研究双电机消隙伺服系统。 通过对实际系统进行建模,研
15、究合适的控制算法,并通过仿真分析比较算法的优 劣,从而指导实际系统的开发,缩短其设计与调试周期。此外,还涉及到系统低 速性能的研究,针对伺服系统容易出现的低速爬行,分析其原因,并设计合理的 控制器对其进行抑制。 1 2 1 双电机消隙研究现状 1 2 研究现状 齿隙作为动力传动过程中一种常见的非线性,学者们对其进行了深入地研究。 然而大多都以单电机为研究对象,只能通过各种控制手段尽量予以毒 偿丽不可能 完全消除。双电机驱动则有可能完全消除齿隙的影响,因此在一些控制要求较高 的领域,采用双电机或多电机驱动成为消除齿隙非线性的有效手段,在工程上有 着广泛的应用。比如我国“远望号”远洋测量船的卫星通
16、信天线伺服系统,载人 宇宙飞船工程的地面相控阵测量雷达天线的伺服驱动,某型气象雷达、警戒雷达、 自动火炮系统等均有采用双电机消隙传动方式的案例。英国海军将M K 8 型1 1 4 毫米 口径舰炮作为2 0 0 0 年英海军主战舰艇的火炮,其方位也采用了双电机驱动【I 。而 在双电机或多电机消除齿隙影响的理论研究中,分柝甚少。文献【,7 l 埔1 2 】中论述 了双电机消隙的基本原理,提出对两个电机施加偏置力矩的方案。由于偏置力矩 的存在,所以由电机驱动的两个子系统不可能同时出现齿隙,从而实现了从动子 系统的无齿隙传动。文献 1 3 】 1 4 】进一步对施加常偏置力矩方案进行了探索,定性 说明
17、了齿隙大小与偏置力矩的关系。这种常偏置力矩方案,使得作用在从动子系 统上的总力矩成为具有近似线性特性的分段线性曲线,极大地改善了系统的非线 性特性。但是齿隙非线性对系统的影响仍然存在,会对系统产生一定的力矩扰动。 因而有必要对这种常偏置力矩方案进行改进、完善。 1 2 2 摩擦补偿研究现状 摩擦力矩的存在对伺服系统低速性能的提高产生了重大影响。近年来,研究 者对摩擦补偿的方法进行了深入地研究。 根据是否依赖于摩擦模型,摩擦补偿的方法分为两类【1 5 】【1 9 】:基于模型的补偿 和基于非模型的补偿。 基于模型的补偿是指根据己知的摩擦模型,在系统中旌加一个控制作用,使 第一章绪论 之抵消每一瞬
18、间的摩擦力,消除摩擦对系统性能的影响。目前常见的基于摩擦模 型的补偿方法有:基于库仑摩擦模型的补偿方法、基于静摩擦+ 库仑摩擦模型的补 偿方法、基于S t r i b e c k 摩擦模型的补偿方法、基于K a r n o p p 摩擦模型的补偿方法、基 于L u g r e 摩擦模型的补偿方法等。基于摩擦模型的补偿方法的不足之处在于摩擦模 型中摩擦参数的确定比较困难。同时,摩擦力矩是速度的函数,控制效果依赖于 速度信号的品质。因此,模型固定补偿的效果非常有限。目前许多学者用智能控 制来实现摩擦补偿,主要包括以下几个方面:重复控制方法、模糊控制方法、神 经网络控制方法。但各种基于智能控制的摩擦
19、补偿方法又各有其缺点如:神经网 络的训练时间较长、算法实时性差、系统的暂态响应难以保证;模糊规则的获取 难度大控制结果不理想等。 基于非模型的补偿方法具有悠久的历史,方法种类繁多。其主要思想是将摩 擦视为外干扰,通过改变控制结构或控制参数来提高系统抑制干扰的能力,从而 抑制摩擦。主要包括:P D 或P I D 控制、颤振信号、脉冲控制、力矩反馈控制、双模 态控制、变结构控制等。与基于模型的补偿相比,基于非模型的补偿原理简单, 不依赖于精确地模型;与智能控制补偿相比,控制算法相对简单,实时性好。因 此,有关基于非模型的研究仍是摩擦补偿领域的主流。 1 3 本文的主要研究内容 本文以某精密雷达转台
20、伺服系统的研制为背景,在深入分析双电机消隙原理 的基础上,建立了双电机消隙伺服系统模型,并基于模型重点研究了伺服系统的 控制算法。同时,为了改善系统低速性能,对摩擦补偿的相关理论和方法做了初 步的探讨。 本文各章节的主要内容如下: 第一章介绍了双电机消隙伺服系统的研究背景,简要概括双电机消隙与摩擦 补偿的研究现状,并说明本文的研究内容。 第二章介绍了伺服系统的主要技术指标及系统总体设计方案,并对相关关键 部件进行了简要说明。 第三章首先详细分析了双电机消隙的原理并推导出消隙电流方程,其次介绍 了双电机同步控制方法,最后利用机理分析法从简单到复杂建立了双电机消隙伺 服系统的模型,为系统控制算法的
21、研究奠定了基础。 第四章基于伺服系统模型对系统的控制算法进行了设计。并通过M a t l a b 仿真 对比分析了经典P 1 D 与复合控制( P I D + 前馈) 两种算法的控制效果。仿真表明, 在提高系统精度方面,后者更具有优势。同时,本章对双电机消隙的效果也进行 了验证。 4 双电机消隙伺服系统的研究与应用 第五章分析了低速爬行产生的原因,介绍了常用的摩擦模型,并结合本系统 的摩擦参数对爬行现象进行了仿真。同时,设计了加速度反馈控制器对其进行有 效抑制。 第六章对本文取得的成果进行了总结,并指出下一步要做的工作。 第二章双电机消隙伺服系统总体介绍 第二章双电机消隙伺服系统总体介绍 2
22、1 系统性能指标 转台伺服系统的主要技术指标包括角度范围、最大角速度、静态定位精度、 动态跟踪精度和频率响应等。该伺服系统的主要技术要求如下: 1 】角速度范围: 方位0 0 1 0 s 3 0 。s ;俯仰O 0 0 1 0 s - - 1 5 0 s : 【2 】最大加速度: 方位角1 5 0 0 s 2 ;俯仰角1 0 0 0 J 2 ; 【3 】动态跟踪误差:0 0 3 0 ( 最大值) ; 【4 】静态定位精度:O 0 1 0 ( 最大值) ; 【5 】频响 = 3 H z ; 6 】过渡过程品质:超调量 m ( p i A 足时, 从动轮才按纯= 1 i 。织的关系转动。当主动轮转
23、至识:时反向,由于齿隙的存在, 从动轮并不立刻反向转动,而是当主动轮转过整个齿隙角缈产2 A R 。时,从动轮 才反向,并按纯= 1 i c P i 的关系转动。所以在反向转动时,就造成回转角的滞后误 差。这样在齿轮传动装置的输出轴与输入轴之间就造成了如图3 2 所示的滞环形非 线性特性,会严重影响系统的稳定性和跟踪精度。所以我们必须采取一定的方法, 补偿齿隙对系统造成的影响。 补偿乃至消除传动齿隙常用的办法是采用机械消隙。在机械传动链中,用双 层齿轮的办法只要弹簧的变形力矩选择合适,几乎能够消除传动链的全部齿隙, 但是这种方法不能用于大的动力传动,只适用于数据传动。其它的机械消隙办法, 例如
24、预先在系统上加平衡锤或弹簧,也能消除齿隙,但是这些方法增加了机械设 备部分的复杂性,同时消隙也不可靠,比较有效地办法是采用双电机消隙传动。 3 2 双电机消隙原理 双电机驱动系统是由两台电动机分别连接两个完全相同的齿轮减速箱,两齿 轮箱又通过各自的一个小齿轮啮合到大齿轮上,从而带动负载转动,如图3 4 所示。 所谓消隙,则是在系统启动或换向时,在两个电机间建立个偏置电流,从而形 成一个偏置力矩来消除齿隙,如图3 5 所示【2 4 】【2 5 】【2 6 】。 图3 4 电机连接图 小齿轮 幽3 5 消隙原理图 为实现消隙控制,理想的方案是使两个电机分别作为正向驱动和反向驱动的 动力电机,正向电
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 硕士论文精品 硕士论文 精品 电机 伺服系统 研究 应用
链接地址:https://www.31doc.com/p-3331336.html