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基于电子凸轮的多轴同步关键技术研究
其他题名Research on Key Technologies for Multi-axis synchronization System Based on Electronic Cam
王慎航
学位类型工学博士
导师王云宽
2014-05-29
学位授予单位中国科学院大学
学位授予地点中国科学院自动化研究所
学位专业控制理论与控制工程
关键词电子凸轮 无轴传动 电子凸轮曲线 多轴同步控制 非线性摩擦力 飞剪 Electronic Cam Shaftless Driving Electric Cam Curve Multi-axis Synchronous Control Nonlinear Friction Flying Shear System
摘要在现代机械制造中,多轴运动控制的应用已经越来越普遍。随着运动控制技术数字化、高精度化、高速化、柔性化、智能化,用电子凸轮的方式来实现运动轴之间协调同步,逐渐地取代了传统的机械凸轮。为了提高基于电子凸轮的多轴同步控制性能,不仅要考虑单个轴的控制精度,还要把各个轴之间的运动控制有机协调起来,同时还要考虑如何通过电子的方式建立同步关系。基于电子凸轮的多轴同步方式极大地简化了机械传动机构给机械制造带来了灵活性,同时也提高了整个同步系统的柔性促进了生产效率,是当前机械制造技术的一个重要发展方向。 本文以电子凸轮式多轴同步系统为研究对象, 采用时间作为电子凸轮的虚拟主轴方式,以实现基于电子凸轮的多轴同步为目标, 涉及永磁同步电机控制系统设计、电子凸轮轨迹规划、单轴跟踪、 多轴同步策略、多轴同步控制、非线性摩擦力补偿等关键技术。本文的具体工作可归纳如下: 第一,研究了永磁同步电机控制系统的设计。首先利用低频带,中频带,高频带与永磁同步电机静态和动态响应的性能关系进行了永磁同步电机控制系统设计,包括电流环、速度换、位置环的设计;然后,介绍了实验室所设计的永磁同步控制系统的软硬件。 第二,针对目前B样条轨迹优化中为了避免半无限约束把运动学约束转化为控制点约束而导致的控制点非全局最优问题,提出了一种基于非均匀B样条控制点全局最优的电子凸轮轨迹生成算法。通过计算预留控制点自由变量的区间取值范围,利用目标函数和运动学约束特性不断进行区间分割和验证,最终找到全局最优的控制点。相对于以往的控制点约束算法,该算法进一步优化了目标函数,并且提高了电子凸轮轨迹的光顺度。 第三,针对电子凸轮系统单轴轨迹跟踪控制问题,提出了一种变增益的P型离散迭代学习控制方法,给出了P型迭代学习的收敛条件,并对其进行了严格的数学证明。与传统的P型迭代学习控制相比,该变增益的P型迭代学习控制方法提高了迭代学习的收敛速度以及电子凸轮轨迹的跟踪能力。 第四,针对基于电子凸轮的多轴同步运动中主轴运行状态影响从动轴性能,多轴同步轮廓计算困难以及缺少一个联合的控制器等问题,本文提出了平行式跟踪控制和主从式轮廓同步控制策略,同时采用了变指数滑模控制解决了现存问题。该方法首先将电子凸轮主从式跟踪方案转换为平行式的跟踪方案,其次选择各个从动轴实际运行位置到由主轴实际运行点期望的从动轴位置之间的距离作为同步误差,最后建立了多轴数学模型并设计了基于变指数趋近律的滑模控制器。 第五,针对永磁同步电机速度调节器积分饱和导致动态品质变差的问题,提出了一种新型的AW(抗饱和)设计方法。该AW 方法首先把模型的不确定性视为系统的干扰,同时为了改善系统性能和提高抗干扰能力,在PI控制策略基础上,对速度环设计了一种基于摩擦模型补偿和扰动观测补偿的复合控制方法。然后把PI控制器退饱和后从P模式重新进入PI模式的系统响应看作是带有初始值的系统响应,同时利用时域下的系统误差动态响应方程推导出了系统无超调的误差和积分值条件。当系统进入饱和时,系统以最...
其他摘要Multi-axis motion control system application is increasingly popular in modern mechanical manufacturing. With the digitization, high-precision, high-speed, flexibility and intelligence of the motion control technology ,the synchronization between machine axes can be achieved by applying electrical cam, which has gradually replaced the traditional mechanical cam. In order to improve the multi-axis synchronous control performance of electrical cam, we should consider not only a single axis control accuracy and the coordination strategy between machine axes , but also how to express the synchronous relationship by electrical way.The multi-axis synchronous control of the electronic cam not only greatly simplifies the mechanical transmission mechanism which brings machinery manufacturing flexibility, but also improves the flexibility of the whole synchronization system and promotes the production efficiency.Therefore it is one important development direction of current mechanical manufacturing technology. This paper focuses on the research of the multi-axis systems based on electrical cam, with the method of using time as a virtual axis of electrical cam, and aims to realize multi-axis synchronization based on electronic cam. It involves permanent magnet synchronous motor(PMSM) control system design, electronic cam trajectory planning, single-axis tracking, multi-axis synchronization strategy, multi-axis synchronization control, nonlinear friction compensation and other key technologies. The specific work of this paper is summarized as follows: Firstly,the design of the control system of PMSM is studied.PMSM control system is first designed by utilizing the relationship between static and dynamic response performance of PMSM at low, middle and high frequency band, including the designs of the current loop, speed and position loop; Then the hardware and software of PMSM control system designed by our laboratory is introduced. Secondly,aiming at the problem of non-global optimization in existing B-spline trajectory optimization approaches caused by transferring kinematic constraints into control points constraints ,an electronic cam trajectory generation algorithm based on global optimal control points of quintic non-uniform B-spline is proposed. The interval ranges of the reserved free control point variables are calculated first, followed by partitioning and checking the smaller interval with the property of the objective function and kinematical...
馆藏号XWLW1974
其他标识符201018014628015
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/6647
专题毕业生_博士学位论文
推荐引用方式
GB/T 7714
王慎航. 基于电子凸轮的多轴同步关键技术研究[D]. 中国科学院自动化研究所. 中国科学院大学,2014.
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