論文以醫(yī)藥企業(yè)包裝機(jī)械中的數(shù)粒機(jī)為應(yīng)用背景,采用音圈電機(jī)(Voice Coil Motor,VCM)為激振源,完成電磁式振動(dòng)給料機(jī)的改進(jìn)。傳統(tǒng)的振動(dòng)給料機(jī)基本以電磁結(jié)構(gòu)為激振源,在數(shù)粒機(jī)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(yán)重、易受環(huán)境影響和振幅不能穩(wěn)定可控等缺點(diǎn),在送料效果和速度方面的穩(wěn)定性不夠,不利于數(shù)粒機(jī)快速和穩(wěn)定工作。而音圈電機(jī)具有運(yùn)動(dòng)過程精確可控、抗干擾能力強(qiáng)和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn),以音圈電機(jī)替代電磁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)給料機(jī),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(jī)伺服系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀,描述了電磁式振動(dòng)給料機(jī)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(jī)位置伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的激振,實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)給料機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。(2)為了確立音圈電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,從工作原理上進(jìn)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(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)給料機(jī)時(shí)需要做快速往復(fù)運(yùn)動(dòng),介紹了音圈電機(jī)的復(fù)雜遲滯特性,說明高頻運(yùn)動(dòng)下音圈電機(jī)呈現(xiàn)出不可忽略的非線性特性,是一個(gè)復(fù)雜的非線性被控對(duì)象,并通過振動(dòng)給料機(jī)的動(dòng)力學(xué)分析,確定音圈電機(jī)做高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的位置伺服控制要求。(3)為了得到更優(yōu)的控制效果,對(duì)H橋功率變換器進(jìn)行了分析,并對(duì)音圈電機(jī)位置伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究和仿真驗(yàn)證。為進(jìn)一步提升電流環(huán)動(dòng)態(tài)性能,添加兩種前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié):反電動(dòng)勢(shì)擾動(dòng)的前饋補(bǔ)償、電流給定的前饋,組成“PI+前饋補(bǔ)償”的復(fù)合控制方式。介紹了自抗擾控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)方法并應(yīng)用于位置環(huán),用于適應(yīng)音圈電機(jī)的復(fù)雜遲滯特性,同時(shí)能夠提高位置環(huán)的控制精度。文中詳細(xì)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(jì)的過程,最終通過Simulink平臺(tái)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。(4)介紹了音圈電機(jī)位置伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)和軟件結(jié)構(gòu),并對(duì)其中的主要部分進(jìn)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(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算方法(Coordinate Rotation Digital Computer,CORDIC)。(5)以音圈電機(jī)位置伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為激振源,搭建了相應(yīng)的振動(dòng)給料機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并成功應(yīng)用于包裝機(jī)械的數(shù)粒機(jī)中。對(duì)所設(shè)計(jì)的音圈電機(jī)位置伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了帶載測(cè)試,并通過與經(jīng)典PID控制進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了ADRC的控制性能。控制音圈電機(jī)產(chǎn)生高頻振動(dòng),進(jìn)行持續(xù)的平臺(tái)送料測(cè)試,驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
【學(xué)位單位】：江西理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)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(jìn)科學(xué)技術(shù)的綜合體現(xiàn)，涉及到光學(xué)測(cè)量、高精度定位、掃描顯微鏡等多種精密加工和精密測(cè)量領(lǐng)域，代表著國(guó)家制造業(yè)的綜合實(shí)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(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而音圈電機(jī)具有行程相對(duì)較大、容易控制和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，大有替代壓電陶瓷的趨勢(shì)，受到廣泛的關(guān)注和研究[2]。音圈電機(jī)是一種特殊的直流直線電機(jī)，只有一個(gè)線圈繞組，且因其原理與擴(kuò)音器相似而命名[3]，不需要任何傳動(dòng)機(jī)構(gòu)就可獲得直線或圓弧運(yùn)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積孝噪聲低、高精度、高速度、高加速度等特點(diǎn)[4]。如圖1.1所示，音圈電機(jī)從結(jié)構(gòu)上主要分為定子和動(dòng)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(dòng)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(jī)種類繁多：從電磁原理上劃分，音圈電機(jī)有傳統(tǒng)式、集中通量式和磁力交叉存取式三種[6]；從運(yùn)動(dòng)部件上劃分，有動(dòng)線圈式和動(dòng)永磁體式；從氣隙長(zhǎng)度上劃分，有長(zhǎng)線圈式和短線圈式。不同結(jié)構(gòu)形式有各自的特點(diǎn)和相應(yīng)的適用場(chǎng)合，能夠滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的性能要求。圖1.1音圈電機(jī)實(shí)物圖隨著控制理論的進(jìn)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(jì)音圈電機(jī)位置伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，不僅要了解它的工作特性和數(shù)學(xué)模型，還要明確相應(yīng)的控制策略和性能要求，必須要結(jié)合具體的應(yīng)用場(chǎng)合，確定相應(yīng)的控制指標(biāo)，以便采取相應(yīng)的軟硬件控制策略以達(dá)到所需的性能指標(biāo)[8]。

第三章音圈電機(jī)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(shí)間（秒）時(shí)間（秒）電流（安）電流（安）電流給定和響應(yīng)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(yīng)以及電流誤差的波形：電流響應(yīng)從1s的時(shí)刻跟隨電流給定的變化開始持續(xù)增大，經(jīng)過0.5ms時(shí)電流響應(yīng)第一次達(dá)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(shí)間電流響應(yīng)穩(wěn)定在電流給定值。在該P(yáng)I控制下，電流環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)間在1ms左右，存在較小的超調(diào)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的誤差為0，基本滿足電流環(huán)快速響應(yīng)的要求，但電流響應(yīng)仍存在較為明顯的超調(diào)，動(dòng)態(tài)性能上略顯不足。（2）電流環(huán)前饋補(bǔ)償設(shè)計(jì)電流環(huán)使用PI控制通過電流反饋進(jìn)行校正的方式，對(duì)反電動(dòng)勢(shì)擾動(dòng)的抑制和電流給定的跟蹤總是有限的，會(huì)不可避免的產(chǎn)生超調(diào)。通過添加前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)可以加快電流環(huán)調(diào)節(jié)速度、補(bǔ)償反電動(dòng)勢(shì)的擾動(dòng)、減小系統(tǒng)超調(diào)。在音圈電機(jī)高精度位置伺服控制中，要求電流響應(yīng)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(dá)到系統(tǒng)控制要求的，因此電流環(huán)設(shè)計(jì)為“PI+前饋補(bǔ)償”的控制方式。如圖3.5的電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖。反電動(dòng)勢(shì)變化頻率遠(yuǎn)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(dòng)，通過1()環(huán)節(jié)對(duì)反電動(dòng)勢(shì)擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。同時(shí)通過2()環(huán)節(jié)對(duì)電流給定進(jìn)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(jī)控制方法研究與仿真分析28節(jié)速度。下面對(duì)分別這兩種前饋環(huán)節(jié)進(jìn)行計(jì)算：對(duì)反電動(dòng)勢(shì)擾動(dòng)的前饋補(bǔ)償，是希望通過1()的補(bǔ)償使反電動(dòng)勢(shì)()不影響電流響應(yīng)()，即從反電動(dòng)勢(shì)()到電流響應(yīng)()的傳遞函數(shù)為零。()()=[11()()]()1+()()()()(3.21)從而得到：1()=1()=+1(3.22)對(duì)電流給定前饋補(bǔ)償，是希望電流響應(yīng)()能夠完全復(fù)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(bǔ)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(gè)前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)的計(jì)算結(jié)果，兩個(gè)前饋環(huán)節(jié)均涉及微分量的提齲而由于Simulink中無法單獨(dú)建立純微分模塊，在建立兩個(gè)前饋環(huán)節(jié)仿真模型時(shí)，采用“經(jīng)典微分器”的思想，在微分通道上串聯(lián)相應(yīng)數(shù)量的小慣性濾波器，實(shí)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(bǔ)償”的仿真模型圖。圖中的1()、2()、2()1分別為兩個(gè)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(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)的“低頻擾動(dòng)”，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(bǔ)償”控制的仿真模型圖對(duì)比如圖3.10與圖3.8兩個(gè)電流環(huán)仿真結(jié)果可以看出，添加了前饋補(bǔ)償?shù)碾娏鳝h(huán)響應(yīng)波形不僅具有無超調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，電流環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)間也大幅縮短至1ns左右，因此前饋補(bǔ)償
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2894145