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数控机床双摆铣头力矩电机高刚度控制策略研究

作　者: 彭波
导　师: 夏加宽；孙宜标
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 直接驱动 永磁环形力矩电机 伺服刚度 H2/H∞速度控制
分类号: TM359.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


为了适应超高速和超精密加工的需要,双摆头的进给系统采用了直接驱动这种新型的进给方式。采用了力矩电机主轴和双摆头刚性连接的进给方式,同传统的蜗轮蜗杆副间接传动相比,直接驱动双摆头系统具有结构简单、加速度大、响应速度快以及定位精度高等优点。为了使双摆头系统在受到切削力等干扰时还能保证加工质量并使系统具有足够的加工精度。我们要充分利用直接驱动高响应的优点,在保证系统稳定的同时,提高系统的系统刚度。本文主要研究了力矩电机直接驱动双摆铣头系统的伺服刚度问题。首先解释了机械刚度和伺服刚度的定义,并给出了直接驱动双摆头伺服系统伺服刚度的定义。推导给出了直接驱动控制系统的数学模型和伺服刚度的数学模型,利用MATLAB软件对模型进行了仿真,分析了控制系统结构、参数以及机械特性对直接驱动双摆头系统伺服刚度的影响。为了解决直接驱动更容易受到转动惯量和切削力等因素的影响,同时为了提高控制系统的鲁棒性,减轻外来扰动对伺服系统的影响,提高伺服系统刚度,在第四章指出了直接驱动双摆头系统的鲁棒性能可以用H2和H∞范数来量度,将这两种方法结合起来进行控制系统的设计,既可以提高系统的快速性,又可以提高系统鲁棒性和抗扰性。本文采用基于Q参数的方法设计多目标混合H2/H。。速度控制器,利用连续系统与离散系统解的一致性,将连续系统转化为离散系统求解,保证了系统的稳定性、快速性和鲁棒性。本文以永磁环形力矩电机为控制对象,建立系统数学模型,并利用MATLAB软件对上述控制策略进行仿真研究及分析。仿真结果表明,所设计的多目标混合速度控制器满足高响应高精度双摆头伺服系统对鲁棒性和快速性的要求。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-14
  1.1 论文研究的目的和意义  10-11
  1.2 国内外发展现状  11
  1.3 论文研究的主要内容  11-14
第二章 直接驱动双摆头力矩电机伺服系统  14-29
  2.1 直接驱动技术  14-17
    2.1.1 直接驱动的基本方式  14-15
    2.1.2 直接驱动的优点  15-17
    2.1.3 直接驱动的缺点  17
  2.2 力矩电机直接驱动双摆头的基本方式  17-18
  2.3 环形永磁力矩电机  18-21
    2.3.1 环形力矩电机的结构及特点  18-19
    2.3.2 环形永磁力矩电机的数学模型  19-21
  2.4 环形永磁力矩电机伺服系统  21-28
    2.4.1 系统结构组成及工作原理  21-23
    2.4.2 系统的数学模型  23-26
    2.4.3 双摆头伺服系统的数学模型及简化  26-28
  2.5 本章小结  28-29
第三章 直接驱动双摆头伺服系统的刚度分析  29-41
  3.1 刚度的物理意义  29
  3.2 传统进给系统的刚度分析  29-31
    3.2.1 传统进给系统的机械刚度  29-30
    3.2.2 传统进给系统的伺服刚度  30-31
  3.3 力矩电机直接驱动数控双摆头系统的刚度分析  31-33
    3.3.1 系统的机械刚度  31-32
    3.3.2 系统的伺服刚度  32-33
  3.4 建立系统刚度的模型  33-35
  3.5 影响系统伺服刚度的因素分析  35-39
    3.5.1 位置环增益对动刚度的影响  35-36
    3.5.2 速度环增益对动刚度的影响  36
    3.5.3 速度环积分时间常数对动刚度的影响  36-37
    3.5.4 电流环比例放大系数对动刚度的影响  37-39
  3.6 伺服系统执行机构参数对伺服刚度的影响  39
  3.7 本章小结  39-41
第四章 直接驱动双摆头伺服系统混合H_2/H_∞控制  41-62
  4.1 PID控制  41-42
  4.2 H_∞控制  42-45
  4.3 H_2控制  45-46
  4.4 基于Q参数的混合H_2/H_∞控制器的设计  46-54
    4.4.1 标准的鲁棒控制问题  46-48
    4.4.2 混合H_2/H_∞标准控制问题  48-50
    4.4.3 基于Q参数的混合H_2/H_∞控制器设计原理  50-53
    4.4.4 基于Q参数的混合H_2/H_∞控制器的设计方法  53-54
  4.5 系统仿真结果及分析  54-61
    4.5.1 PID控制与H_∞控制仿真结果及对比分析  54-57
    4.5.2 混合H_2/H_∞控制与H_∞控制仿真结果及对比分析  57-61
  4.6 本章小结  61-62
第五章 结论  62-63
参考文献  63-66
在学研究成果  66-67
致谢  67

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电机 > 特殊电机 > 力矩电机（力矩马达）
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