第一章 緒論

1.1 課題研究背景和意義
受益于我國制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級的不斷推進(jìn)，我國伺服系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)巨大的市場。隨著數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、電子專用設(shè)備等行業(yè)繼續(xù)保持較好發(fā)展以及伺服技術(shù)的日益成熟，新興行業(yè)如新能源行業(yè)中的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)伺服技術(shù)的應(yīng)用也使得我國伺服市場快速發(fā)展。2011 年，我國交流伺服系統(tǒng)市場同比增長 16.3%，市場規(guī)模達(dá)到 45.5 億元，并且仍保持著每年 20%左右的增長速度，預(yù)計(jì)至 2015 年我國伺服系統(tǒng)行業(yè)市場規(guī)模有望突破 110 億元。近年來我國本土伺服企業(yè)得到較快的發(fā)展，但是目前我國伺服市場 80%左右的市場份額仍然被國外品牌占領(lǐng)著。在目前主流產(chǎn)品交流伺服系統(tǒng)市場中，日系品牌占據(jù)了高達(dá) 43%的市場份額，，其產(chǎn)品特點(diǎn)具有良好的性能價(jià)格比和較高的可靠性。歐美品牌在高端設(shè)備和生產(chǎn)線上有比較有競爭力，產(chǎn)品特點(diǎn)是技術(shù)先進(jìn)、功能齊全，市場占有率在 30%左右。另外，以東元和臺達(dá)為代表的臺系伺服也占據(jù)了較高的市場份額，其產(chǎn)品主打性價(jià)比優(yōu)勢[1]。國產(chǎn)伺服起步較晚，目前在產(chǎn)品性能上與國際先進(jìn)水平存在著一定的差距，隨著伺服系統(tǒng)的市場需求擴(kuò)張，極需提升國產(chǎn)伺服系統(tǒng)性能以提升國產(chǎn)伺服的競爭力。直線伺服系統(tǒng)是直接驅(qū)動進(jìn)給的伺服系統(tǒng)，在工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床以及各種需要直線運(yùn)動的機(jī)械裝置中都有較廣泛的應(yīng)用。在以數(shù)控機(jī)床為代表的直線伺服系統(tǒng)應(yīng)用中，由于運(yùn)動行程較短，要求瞬間達(dá)到高速狀態(tài)并且在達(dá)到給定位置時(shí)瞬間準(zhǔn)確停止以保證加工的精度，這就要求直線伺服系統(tǒng)具有高剛度、寬的調(diào)整范圍、高的動態(tài)特性以及定位精確等優(yōu)點(diǎn)[2]。在影響伺服系統(tǒng)性能的諸多因素中，系統(tǒng)剛度不足會造成運(yùn)動過程中由于位置突變所導(dǎo)致的諧振現(xiàn)象。在直線伺服系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)以及機(jī)械柔順性所導(dǎo)致的系統(tǒng)剛度不足制約著系統(tǒng)性能的提升，為了減小系統(tǒng)剛度不足造成的諧振現(xiàn)象對系統(tǒng)性能的影響，一方面可以通過采用更高性能的直線電機(jī)以增加系統(tǒng)剛度，另一方面通過設(shè)計(jì)合理的控制系統(tǒng)來補(bǔ)償系統(tǒng)位置偏差。因此，需要針對伺服系統(tǒng)諧振進(jìn)行分析和抑制研究以提升伺服系統(tǒng)的性能。
...........

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
上世紀(jì) 80 年代以來，國外的一些大公司，如美國的 AE 公司、德國的西門子、倫茨以及日本的松下、發(fā)那科和安川等公司對伺服系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，將納米插補(bǔ)產(chǎn)生的納米級的指令發(fā)送給伺服控制器，可使伺服控制器的位置指令更加平滑，從而提高了加工的表面平滑度。西門子將 80bit 浮點(diǎn)計(jì)算技術(shù)應(yīng)用到 828D 與 840D sl，使插補(bǔ)達(dá)到很高的輪廓控制精度以獲取很好的工件精度[3]。人工智能技術(shù)的發(fā)展也提升了伺服系統(tǒng)的智能化程度，采用某些智能算法將自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用到伺服系統(tǒng)能夠檢測到過程中的一些重要信息，根據(jù)檢測到的信息自動調(diào)整系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，以改善系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。如采用先進(jìn)控制技術(shù)的伺服系統(tǒng)能自動識別由于切削力導(dǎo)致的振動，從而產(chǎn)生反向力來消除振動。應(yīng)用主軸振動控制技術(shù)的伺服系統(tǒng)，在主軸嵌入位移傳感器，可以自動識別當(dāng)前的切削狀態(tài)并且自動調(diào)整切削參數(shù)，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[4]。國外對伺服系統(tǒng)的控制研究起步較早，目前已經(jīng)有較高的技術(shù)水平。針對伺服系統(tǒng)的諧振問題，很多學(xué)者也做了大量的研究工作，提出了諸多抑制方案并且取得了較好的效果。發(fā)那科公司的 Sogabe M 等人基于陷波濾波器技術(shù)將一種帶有可變阻尼以及多重頻率的濾波器技術(shù)用于直線電機(jī)直接驅(qū)動系統(tǒng)的諧振抑制中，針對直線電機(jī)直接驅(qū)動系統(tǒng)在高頻段存在的多階振動模態(tài)的抑制取得了很好的效果[5]。韓國首爾國立大學(xué)的 Bahn Wook 等人采用自適應(yīng)陷波濾波器法抑制伺服系統(tǒng)諧振有效的抑制了諧振，一種在線頻率估算法被用于估算諧振頻率以自整定陷波濾波器參數(shù)[6]。日本山口大學(xué)的 Yoshitsugu.J 等人提出了在帶有PI 補(bǔ)償控制的速度控制環(huán)的基礎(chǔ)上引入負(fù)載速度觀測器，利用負(fù)載速度反饋補(bǔ)償來抑制速度伺服系統(tǒng)的機(jī)械諧振和反諧振。基于模糊推理的方法實(shí)現(xiàn)控制增益參數(shù)的自動調(diào)整，通過設(shè)置系統(tǒng)最優(yōu)控制增益能抑制諧振和反諧振以提升控制性能 [7]。
..........

第二章 永磁同步直線電機(jī)基本原理及數(shù)學(xué)模型

2.1 永磁同步直線電機(jī)原理分析
直線電機(jī)的工作原理基于電機(jī)學(xué)基本原理，在直線電機(jī)的三相繞組中通入三相對稱電流會產(chǎn)生氣隙磁場，忽略縱向邊端效應(yīng)時(shí)氣隙磁場沿直線方向正弦分布，在三相變化電流的作用下氣隙磁場按 A、B、C 相序平移，因此稱氣隙磁場為行波磁場，如圖 2.4 所示[22-24]。直線電機(jī)的直線運(yùn)動是由行波磁場切割產(chǎn)生的次級電流在與氣隙磁場的相互作用下生成的作用于次級的電磁推力來驅(qū)動的。根據(jù)這一原理，通過對換直線電機(jī)任意兩相的電源線后會產(chǎn)生反向磁場，在反向磁場的作用下會產(chǎn)生反向的電磁推力，因此實(shí)現(xiàn)了直線電機(jī)的往復(fù)運(yùn)動。為了解決交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制問題，上世紀(jì) 70 年代西門子工程師 F.Blaschke提出了矢量控制理論。矢量控制的基本思路是：通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)模擬直流電機(jī)的控制方法來對電機(jī)進(jìn)行控制[25]。矢量控制包括間接型矢量變換控制和直接型矢量變換控制，兩者都是基于把三相電流等效變換成勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量的坐標(biāo)變換技術(shù)來有效控制瞬間轉(zhuǎn)矩。永磁同步直線電機(jī)存在兩種坐標(biāo)系，一種是相對我們靜止的兩相初級坐標(biāo)系(α-β坐標(biāo)系)，它的方向和三相初級電壓構(gòu)成的三相初級坐標(biāo)系(a，b，c 坐標(biāo)系)的位置相對固定。另一種是固定在次級上的兩相次級坐標(biāo)系(d-q 坐標(biāo)系)[26]。如示意圖 2.5 所示。
.........

2.2 永磁同步直線電機(jī)數(shù)學(xué)模型

在直線伺服系統(tǒng)中，系統(tǒng)控制策略的實(shí)現(xiàn)依賴于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的精確度直接影響系統(tǒng)的控制性能。在不考慮磁路飽和，忽略端部效應(yīng)，并且氣隙中的磁場在空間上按正弦分布的情況下，建立永磁同步直線電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。本章首先通過對比旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)介紹了直線電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。其次，分析了永磁同步直線電機(jī)的工作原理和矢量控制技術(shù)。最后，建立起了永磁同步直線電機(jī)的初級電壓方程、電磁推力方程、機(jī)械運(yùn)動方程。

............

第三章 直線伺服控制系統(tǒng)......11
3.1 直線伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)......11
3.1.1 電流環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)....... 12
3.1.2 位置環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì).......12
3.2 直線伺服控制系統(tǒng)調(diào)試......13
3.3 本章小結(jié)............14
第四章 直線伺服系統(tǒng)諧振原理研究........15
4.1 直線伺服系統(tǒng)機(jī)械諧振研究.......15
4.1.1 直線伺服系統(tǒng)機(jī)械諧振方程......... 15
4.1.2 直線伺服系統(tǒng)機(jī)械諧振實(shí)驗(yàn)分析.......... 17
4.2 直線伺服系統(tǒng)伺服動剛度研究............19
4.3 本章小結(jié)............27
第五章 直線伺服系統(tǒng)諧振抑制研究........28
5.1 直線伺服系統(tǒng)機(jī)械共振抑制研究........28
5.1.1 陷波濾波器抑振原理............ 28
5.1.2 陷波濾波器抑制機(jī)械共振實(shí)驗(yàn)..... 30
5.2 直線伺服系統(tǒng)負(fù)載質(zhì)量引起的諧振抑制研究......32
5.2.1 積分諧振抑制法抑振原理.... 32
5.2.2 負(fù)載質(zhì)量引起的諧振抑制實(shí)驗(yàn)..... 34
5.2.3 IRC 在線抑制諧振方案設(shè)計(jì)..........37
5.3 本章小結(jié)............37

第五章 直線伺服系統(tǒng)諧振抑制研究

直線伺服系統(tǒng)的諧振現(xiàn)象直接影響了系統(tǒng)性能，針對諧振的產(chǎn)生設(shè)計(jì)合理的抑制方案是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必需考慮的部分。本章諧振抑制的研究將采用陷波濾波器抑制機(jī)械共振，積分諧振抑制(IRC)法抑制負(fù)載質(zhì)量引起的諧振，結(jié)合理論分析、仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際平臺測試來評價(jià)諧振抑制效果，以為控制方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供參考。

5.1 直線伺服系統(tǒng)機(jī)械共振抑制研究
陷波濾波器主要用于消除某個特定頻率的干擾，其阻帶在理想情況下只有一個頻率點(diǎn)。陷波器抑制諧振屬于被動抑制方式，設(shè)計(jì)時(shí)只需要將其串聯(lián)到系統(tǒng)中，不用改變系統(tǒng)控制參數(shù)[38-40]。對于陷波濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)，可以通過在建立諧振模型的基礎(chǔ)上來實(shí)現(xiàn)。諧振峰值可以通過引入陷波濾波器零點(diǎn)來抵消諧振方程極點(diǎn)的作用，根據(jù)諧振模型極點(diǎn)可估計(jì)出陷波濾波器零點(diǎn)參數(shù)N? 和z?，陷波濾波器的幅值衰減深度由諧振峰值來估計(jì)，陷波頻率點(diǎn)的幅值衰減為式 5-2 所示。陷波深度參數(shù)p?根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置，在z?確定的情況下，陷波濾波器的陷波幅寬和衰減深度由陷波深度參數(shù)p?決定。在實(shí)際應(yīng)用中，由于在諧振頻率附近系統(tǒng)的振幅較高，陷波濾波器需要保證一定的幅寬來降低振幅[41-43]。
...........

總結(jié)

隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，伺服系統(tǒng)的應(yīng)用變得越來越廣泛，這也促進(jìn)了伺服系統(tǒng)產(chǎn)品的不斷發(fā)展。諧振是影響伺服系統(tǒng)性能的一個重要因素，諧振的抑制也成為伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必需考慮的方面。針對直線伺服系統(tǒng)，一方面機(jī)械剛度的不足會造成機(jī)械諧振；另一方面，控制參數(shù)和負(fù)載質(zhì)量決定著系統(tǒng)伺服動剛度，伺服動剛度的不足也會造成系統(tǒng)諧振。機(jī)械諧振是由于機(jī)械導(dǎo)板和結(jié)合面等柔性因素導(dǎo)致的，短期內(nèi)在機(jī)械特性不變化的情況下機(jī)械諧振基本不變，陷波濾波器是一種常用的抑制諧振的方法，通過設(shè)置合理的濾波器參數(shù)可有效抑制諧振。本文在詳細(xì)闡述陷波濾波器基本原理和數(shù)學(xué)模型后，將陷波濾波器用于機(jī)械諧振的抑制，通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際平臺實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，陷波濾波器對于抑制機(jī)械諧振具有較好的效果。伺服動剛度作為影響諧振的一個主要因素，通過推導(dǎo)出的伺服動剛度數(shù)學(xué)模型表明，伺服動剛度與控制系統(tǒng)參數(shù)以及負(fù)載質(zhì)量有直接的關(guān)系，同時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)表明了控制參數(shù)和負(fù)載質(zhì)量各自對伺服動剛度的影響。積分諧振抑制方法是一種反饋控制方法，本文根據(jù)控制結(jié)構(gòu)分析其基本原理，并且推導(dǎo)出其數(shù)學(xué)模型后，將積分諧振抑制方法用于負(fù)載質(zhì)量引起的系統(tǒng)諧振抑制，仿真實(shí)驗(yàn)和平臺實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，積分諧振抑制方法具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)方便的特點(diǎn)，并且對于諧振抑制有很好的效果。本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要包含以下幾方面：針對直線伺服系統(tǒng)結(jié)合機(jī)械因素和伺服動剛度分析對諧振的影響；通過仿真推出控制參數(shù)以及負(fù)載質(zhì)量與伺服動剛度的關(guān)系；將較新穎的積分諧振抑制方法用于抑制負(fù)載質(zhì)量引起的諧振，并且提出了針對積分諧振抑制方法的在線抑制方案。
.........
參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：86176