發(fā)布時間：2020-11-22 04:46

　　 論文以醫(yī)藥企業(yè)包裝機械中的數(shù)粒機為應用背景,采用音圈電機(Voice Coil Motor,VCM)為激振源,完成電磁式振動給料機的改進。傳統(tǒng)的振動給料機基本以電磁結(jié)構(gòu)為激振源,在數(shù)粒機中用于分散和傳輸物料。但電磁結(jié)構(gòu)的激振存在受彈簧老化的影響嚴重、易受環(huán)境影響和振幅不能穩(wěn)定可控等缺點,在送料效果和速度方面的穩(wěn)定性不夠,不利于數(shù)粒機快速和穩(wěn)定工作。而音圈電機具有運動過程精確可控、抗干擾能力強和自動化程度高等特點,以音圈電機替代電磁結(jié)構(gòu)的振動給料機,能精確控制振幅和頻率,有利于提高送料速度和穩(wěn)定性。論文主要工作內(nèi)容如下:(1)首先介紹了音圈電機伺服系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀,描述了電磁式振動給料機的工作過程,分析了電磁結(jié)構(gòu)存在的主要問題,選擇采用音圈電機位置伺服驅(qū)動系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的激振,實現(xiàn)對振動給料機進行改進。(2)為了確立音圈電機的數(shù)學模型,從工作原理上進行分析,在等效的情況下,得到其模型的傳遞函數(shù)。由于音圈電機驅(qū)動振動給料機時需要做快速往復運動,介紹了音圈電機的復雜遲滯特性,說明高頻運動下音圈電機呈現(xiàn)出不可忽略的非線性特性,是一個復雜的非線性被控對象,并通過振動給料機的動力學分析,確定音圈電機做高頻往復運動時的位置伺服控制要求。(3)為了得到更優(yōu)的控制效果,對H橋功率變換器進行了分析,并對音圈電機位置伺服驅(qū)動系統(tǒng)進行了研究和仿真驗證。為進一步提升電流環(huán)動態(tài)性能,添加兩種前饋補償環(huán)節(jié):反電動勢擾動的前饋補償、電流給定的前饋,組成“PI+前饋補償”的復合控制方式。介紹了自抗擾控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)方法并應用于位置環(huán),用于適應音圈電機的復雜遲滯特性,同時能夠提高位置環(huán)的控制精度。文中詳細分析了電流環(huán)和位置環(huán)的控制算法,并列舉了其參數(shù)設(shè)計的過程,最終通過Simulink平臺進行了仿真驗證。(4)介紹了音圈電機位置伺服驅(qū)動系統(tǒng)的硬件平臺和軟件結(jié)構(gòu),并對其中的主要部分進行說明。硬件包括功率電路、操作面板和控制電路,軟件包括控制算法模塊、面板通信模塊和坐標旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算方法(Coordinate Rotation Digital Computer,CORDIC)。(5)以音圈電機位置伺服驅(qū)動系統(tǒng)為激振源,搭建了相應的振動給料機實驗平臺,并成功應用于包裝機械的數(shù)粒機中。對所設(shè)計的音圈電機位置伺服驅(qū)動系統(tǒng)進行了帶載測試,并通過與經(jīng)典PID控制進行對比,驗證了ADRC的控制性能�？刂埔羧﹄姍C產(chǎn)生高頻振動,進行持續(xù)的平臺送料測試,驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
【學位單位】：江西理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TM31
【部分圖文】：

第一章緒論1第一章緒論1.1課題背景與研究意義精密工程作為先進科學技術(shù)的綜合體現(xiàn)，涉及到光學測量、高精度定位、掃描顯微鏡等多種精密加工和精密測量領(lǐng)域，代表著國家制造業(yè)的綜合實力[1]。在高精度定位系統(tǒng)中，通常采用壓電陶瓷或音圈電機進行驅(qū)動，而音圈電機具有行程相對較大、容易控制和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，大有替代壓電陶瓷的趨勢，受到廣泛的關(guān)注和研究[2]。音圈電機是一種特殊的直流直線電機，只有一個線圈繞組，且因其原理與擴音器相似而命名[3]，不需要任何傳動機構(gòu)就可獲得直線或圓弧運動，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積孝噪聲低、高精度、高速度、高加速度等特點[4]。如圖1.1所示，音圈電機從結(jié)構(gòu)上主要分為定子和動子兩部分[5]：定子為鐵磁圓柱，內(nèi)置有永磁體，形成剛性磁通回路；動子為纏繞有線圈繞組的繞組支架，支架頂端引出有線圈繞組的兩根接線引腳。音圈電機種類繁多：從電磁原理上劃分，音圈電機有傳統(tǒng)式、集中通量式和磁力交叉存取式三種[6]；從運動部件上劃分，有動線圈式和動永磁體式；從氣隙長度上劃分，有長線圈式和短線圈式。不同結(jié)構(gòu)形式有各自的特點和相應的適用場合，能夠滿足不同應用場合的性能要求。圖1.1音圈電機實物圖隨著控制理論的進步、永磁材料的突破和電子技術(shù)的創(chuàng)新，各種高性能伺服系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，其性能也得到了全面的提升[7]。在設(shè)計音圈電機位置伺服驅(qū)動系統(tǒng)時，不僅要了解它的工作特性和數(shù)學模型，還要明確相應的控制策略和性能要求，必須要結(jié)合具體的應用場合，確定相應的控制指標，以便采取相應的軟硬件控制策略以達到所需的性能指標[8]。

第三章音圈電機控制方法研究與仿真分析27圖3.7電流環(huán)PI控制仿真模型圖時間（秒）時間（秒）電流（安）電流（安）電流給定和響應電流誤差圖3.8電流環(huán)仿真結(jié)果圖如圖3.8為Simulink仿真的電流給定、電流響應以及電流誤差的波形：電流響應從1s的時刻跟隨電流給定的變化開始持續(xù)增大，經(jīng)過0.5ms時電流響應第一次達到電流給定值，而后繼續(xù)增大，產(chǎn)生超調(diào)；再經(jīng)過0.5ms的時間電流響應穩(wěn)定在電流給定值。在該PI控制下，電流環(huán)調(diào)節(jié)時間在1ms左右，存在較小的超調(diào)，達到穩(wěn)態(tài)后的誤差為0，基本滿足電流環(huán)快速響應的要求，但電流響應仍存在較為明顯的超調(diào)，動態(tài)性能上略顯不足。（2）電流環(huán)前饋補償設(shè)計電流環(huán)使用PI控制通過電流反饋進行校正的方式，對反電動勢擾動的抑制和電流給定的跟蹤總是有限的，會不可避免的產(chǎn)生超調(diào)。通過添加前饋補償環(huán)節(jié)可以加快電流環(huán)調(diào)節(jié)速度、補償反電動勢的擾動、減小系統(tǒng)超調(diào)。在音圈電機高精度位置伺服控制中，要求電流響應能快速無超調(diào)的跟蹤電流給定，而圖3.8的仿真結(jié)果表明單純的PI是難以達到系統(tǒng)控制要求的，因此電流環(huán)設(shè)計為“PI+前饋補償”的控制方式。如圖3.5的電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖。反電動勢變化頻率遠低于電流環(huán)的執(zhí)行頻率32kHz，被視作電流環(huán)的低頻擾動，通過1()環(huán)節(jié)對反電動勢擾動進行補償。同時通過2()環(huán)節(jié)對電流給定進行前饋控制，能夠減小電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)壓力，加快電流環(huán)調(diào)

第三章音圈電機控制方法研究與仿真分析28節(jié)速度。下面對分別這兩種前饋環(huán)節(jié)進行計算：對反電動勢擾動的前饋補償，是希望通過1()的補償使反電動勢()不影響電流響應()，即從反電動勢()到電流響應()的傳遞函數(shù)為零。()()=[11()()]()1+()()()()(3.21)從而得到：1()=1()=+1(3.22)對電流給定前饋補償，是希望電流響應()能夠完全復現(xiàn)電流給定()的變化，電流環(huán)“輸入-輸出”傳遞函數(shù)恒為1。()()=[2()+()()]()()1+()()()()(3.23)于是電流給定補償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：2()=1()()=(+1)(+)(3.24)根據(jù)式（3.22）、（3.24）兩個前饋補償環(huán)節(jié)的計算結(jié)果，兩個前饋環(huán)節(jié)均涉及微分量的提齲而由于Simulink中無法單獨建立純微分模塊，在建立兩個前饋環(huán)節(jié)仿真模型時，采用“經(jīng)典微分器”的思想，在微分通道上串聯(lián)相應數(shù)量的小慣性濾波器，實現(xiàn)“降階”和濾除微分環(huán)節(jié)引入的干擾噪聲的作用。在圖3.7的基礎(chǔ)上建立如圖3.9的電流環(huán)“PI+前饋補償”的仿真模型圖。圖中的1()、2()、2()1分別為兩個前饋通道上的微分器模型。圖中以頻率為50Hz、幅值為1的正弦波模擬反電動勢對電流環(huán)的“低頻擾動”，電流給定為階躍波形。最終得到如圖3.10的仿真結(jié)果。圖3.9電流環(huán)“PI+前饋補償”控制的仿真模型圖對比如圖3.10與圖3.8兩個電流環(huán)仿真結(jié)果可以看出，添加了前饋補償?shù)碾娏鳝h(huán)響應波形不僅具有無超調(diào)的優(yōu)點，電流環(huán)調(diào)節(jié)時間也大幅縮短至1ns左右，因此前饋補償
【參考文獻】

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本文編號：2894145