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机电集成超环面传动的动态分析与控制研究

作　者: 刘欣
导　师: 许立忠
学　校: 燕山大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 机电集成超环面传动电磁啮合机电耦合二自由度控制状态空间最优控制运动方程
分类号: TH132
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 203次
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内容摘要

机电集成超环面传动是一种集超环面行星蜗杆传动和永磁同步电机于一体的复合空间传动。该传动实现了机、电和控制的有机集成,可以使机电系统的结构组成大为简化,在航空和航天等前沿技术领域具有潜在的应用前景。本文从传动输出特性、控制理论和控制实验等方面对机电集成超环面传动进行了深入系统的研究。采用转化机构法,推导了机电集成超环面传动中行星轮转角与行星架转角的函数关系,根据不同蜗杆极对数对应的环面定子永磁齿数,提出了六种常见的行星轮安装方式。给出了在不同的安装方式下,同时参与啮合齿数和啮合区与蜗杆包角的关系式。推导了电磁啮合输出力矩,讨论了其随系统参数的变化规律。得到了六种安装方式下该传动力矩和角速度的输出特性。建立了机电集成超环面传动系统的机电耦合动力学模型,推导了该传动输出角速度与输入电压间的传递函数,分析了传动参数对速度响应的影响规律。考虑该传动啮合齿对数变化引起的的波动,得到了系统的实际速度响应。设计了比例积分控制器,研究了控制系统对参数变化的鲁棒性。求得了速度扰动引起的响应,得到了补偿电压和理想的速度响应。推导了机电集成超环面传动的力矩传递函数,得到了考虑力矩波动的实际力矩响应规律。运用二自由度控制方法,设计了二自由度力矩控制系统,分析了参数变化对控制系统力矩响应的影响规律,提出了周期性力矩扰动的校正方案。根据期望的动态性能,设计了二自由度速度控制系统独立的控制器,给出了补偿电压,验证了对速度扰动校正的有效性。建立了机电集成超环面传动的状态空间模型,完成了最优调节器的设计,给出了状态变量的线性反馈控制规律,分析了权重系数选取对输出性能的影响规律。考虑该传动固有的波动规律,设计了最优伺服系统,分析了参数变化对伺服性能的影响规律。结合古典控制与现代控制原理,完成了带校正三阶系统最优控制器的设计,得到了平稳的最优控制律以及良好的跟踪响应特性,明显改善了系统的动态性能。运用电机学理论,分析了机电集成超环面传动空间螺旋的蜗杆绕组电流,建立了绕组电流与行星轮永磁齿的磁动势模型,给出了该传动电感的解析表达式,分析了电感随传动参数的变化规律。建立了磁链方程,得到了转速为常值时电压方程的电磁瞬态解。结合转矩方程得到了传动系统的运动方程和状态方程,利用数值方法求解了该传动系统的状态方程,对系统的启动过程进行了仿真计算,讨论了状态变量的响应随参数的变化规律。采用陀螺仪作为角速度传感器,设计并制作了偏置环节和运算放大电路,完成了机电集成超环面传动系统开环控制和闭环控制实验,通过与理论计算以及Simulink仿真结果对比,验证了理论分析的正确性,并为该传动系统控制理论的进一步研究和实验奠定了基础。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-16
第1章绪论  16-28
  1.1 引言  16-19
  1.2 国内外研究现状  19-26
  1.3 研究目的和主要内容  26-28
第2章机电集成超环面传动的电磁啮合与波动分析  28-54
  2.1 机电集成超环面传动的电磁啮合  28-39
    2.1.1 行星轮初始安装位置的计算  28-34
    2.1.2 行星轮安装方式的分类  34
    2.1.3 啮合齿对数分析  34-39
  2.2 机电集成超环面传动的力矩波动分析  39-50
    2.2.1 单齿啮合的力矩输出  41-44
    2.2.2 影响因素分析  44-46
    2.2.3 不同安装方式下的力矩输出  46-50
  2.3 机电集成超环面传动的速度波动分析  50-53
    2.3.1 输出角速度的计算  50-51
    2.3.2 角速度波动性  51-53
  2.4 本章小结  53-54
第3章机电集成超环面传动系统响应分析及PI 校正  54-77
  3.1 机电集成超环面传动系统的动力学模型  54-60
    3.1.1 模型建立  54-57
    3.1.2 模型分析  57-60
  3.2 机电集成超环面传动系统的时间响应  60-65
    3.2.1 阶跃响应  60-61
    3.2.2 速度扰动  61-64
    3.2.3 扰动与阶跃响应叠加  64-65
  3.3 机电集成超环面传动系统的PI 调节器设计  65-72
    3.3.1 调节器设计  66-70
    3.3.2 参数影响分析  70-72
  3.4 机电集成超环面传动系统的速度扰动补偿  72-76
    3.4.1 扰动引起的响应分析  72-74
    3.4.2 扰动的补偿  74-76
  3.5 本章小结  76-77
第4章机电集成超环面传动系统的二自由度控制  77-100
  4.1 二自由度力矩控制系统设计  77-89
    4.1.1 传递函数及输出力矩稳态误差  77-78
    4.1.2 力矩波动  78-79
    4.1.3 输出力矩响应分析  79-80
    4.1.4 二自由度力矩控制器的设计  80-86
    4.1.5 力矩扰动与校正  86-89
  4.2 二自由度速度控制系统设计  89-99
    4.2.1 速度控制系统及响应分析  89-90
    4.2.2 二自由度速度控制器的设计  90-97
    4.2.3 速度扰动与校正  97-99
  4.3 本章小结  99-100
第5章机电集成超环面传动系统的最优控制  100-125
  5.1 机电集成超环面传动二阶系统的最优控制  100-116
    5.1.1 状态空间表达  100-102
    5.1.2 调节器设计与仿真  102-107
    5.1.3 伺服机设计与仿真  107-116
  5.2 机电集成超环面传动加入PI 调节器的最优控制  116-124
    5.2.1 带PI 校正系统的状态空间表达  116-117
    5.2.2 带PI 校正系统的调节器设计  117-121
    5.2.3 带PI 校正系统的伺服机设计  121-124
  5.3 本章小结  124-125
第6章机电集成超环面传动系统的动态分析  125-163
  6.1 机电集成超环面传动电感参数的计算  125-139
    6.1.1 蜗杆绕组电流与永磁齿的等效电流  125-127
    6.1.2 蜗杆绕组的电感  127-136
    6.1.3 蜗杆绕组与行星轮永磁齿间的互感  136-139
  6.2 运动方程  139-150
    6.2.1 磁链方程  139
    6.2.2 电压方程  139-148
    6.2.3 转矩方程  148-150
  6.3 动态分析  150-162
    6.3.1 状态方程  150-151
    6.3.2 数值求解  151-162
  6.4 本章小结  162-163
第7章机电集成超环面传动的控制实验  163-174
  7.1 实验设备  163-164
  7.2 控制实验  164-172
    7.2.1 试运行  164
    7.2.2 开环实验  164-169
    7.2.3 闭环实验  169-172
  7.3 结果分析  172-173
  7.4 本章小结  173-174
结论  174-176
参考文献  176-187
攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果  187-189
致谢  189-190
作者简介  190

机电集成超环面传动的动态分析与控制研究

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