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基于大型望远镜的双电机齿轮传动系统研究

作　者: 刘新玮
导　师: 李洪文
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 双电机齿轮传动系统偏置力矩差速负反馈伺服控制动力学分析控制精度
分类号: TH743
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着科技的发展以及人类对探索宇宙不息的热情,认识宇宙的工具也在不断进步。作为重要工具的天文望远镜也已经从20世纪70年代的米级发展到现在的十几米甚至几十米。本论文的研究内容属于所内参加的国际合作项目(TMT)的子系统,所里主要负责参与TMT望远镜三镜系统的研制,该论文的方向就是三镜方位轴系统的驱动。国际上的大型望远镜的轴系驱动方式主要有蜗轮蜗杆传动方式、摩擦传动方式、齿轮传动方式、直接驱动方式等,通过分析TMT对三镜系统体积、重量等要求后,本文决定采用齿轮传动系统完成方位轴承的驱动控制。首先,分析了整个三镜系统的工作过程,根据TMT项目对三镜方位轴旋转所提出的控制精度和控制时间的要求,分析出控制系统所要提供的控制参数,根据各部分的参数完成方位轴控制系统各个部分的选型,完成整个控制系统的搭建。其次,解决了在双电机同步联动系统中一个非常重要的问题,即电机输出转速同步的问题。由于在实际电机选择的过程中,即使选择相同型号的电机,实际的电机参数也不可能完全相同,这样在同样的控制指令下两电机的输出转速不一致,这样就会产生我们所说的差速振荡现象,会严重影响系统的控制精度。工程上采用两电机转速的差作为一种反馈,采用PI控制将反馈加入到电机的输入端,就可以很好的解决电机转速不一致的问题,使两电机保持同步联动。再次,在同步联动的基础上,采用预加偏置力矩的方式消除齿轮间隙对控制系统的影响。对整个三镜控制系统进行建模,在Simulink软件中建立带齿轮间隙的方位轴控制系统模型,通过对该模型的仿真实验可以清楚的看到,在加入偏置力矩环节时,可以很好的消除齿轮间隙对控制精度的影响,在仿真过程中证明了预加偏置力矩的可行性。最后,完成了伺服控制系统硬件电路板卡的设计,通过对其进行的功能验证,证明其完全可以胜任该双电机齿轮传动系统的控制任务,而且设计了丰富的通讯接口电路和一块液晶显示电路,这些功能可以很好的完成控制器与其他系统进行数据通信,还可以实时的显示相关的控制信息,该电路板卡能很好的完成后续硬件平台的控制实验。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-24
  1.1 大型望远镜轴系驱动方式发展  12-13
  1.2 多电机齿轮传动系统在TMT项目上的应用  13-18
    1.2.1 TMT项目的介绍  14-16
    1.2.2 三镜方位轴系统驱动方式的选择  16-17
    1.2.3 齿轮驱动方式的具体应用形式  17
    1.2.4 保证多电机系统中电机的同步联动  17-18
  1.3 多电机齿轮传动系统的研究现状  18-21
  1.4 论文的主要研究内容和论文结构安排  21-24
    1.4.1 研究对象  22
    1.4.2 论文工作的主要内容  22
    1.4.3 论文的结构安排  22-24
第2章系统整体分析以及器件选型  24-38
  2.1 三镜系统整体结构分析  24-25
  2.2 三镜系统方位轴分析  25-30
    2.2.1 三镜方位轴系统的结构分析  25-28
    2.2.2 三镜方位轴控制系统分析  28-30
  2.3 三镜系统动力学分析  30-33
    2.3.1 大齿轮轴承转矩平衡方程分析  31-32
    2.3.2 电机侧各种系统参数的分析  32-33
  2.4 关键部件选择及分析  33-37
    2.4.1 电机的选择  33
    2.4.2 减速器的选择  33-37
    2.4.3 轴承的选择以及分析  37
    2.4.4 位置检测元件的选择  37
  2.5 小结  37-38
第3章差速负反馈在多电机同步联动中的应用  38-52
  3.1 多电机传动系统电机转速同步问题分析  38
  3.2 用M/T法实现电机转速的测定  38-41
    3.2.1 伺服系统中的测速方法  39-41
  3.3 用差速负反馈法保证多电机的同步联动  41-45
  3.4 在MATLAB软件下对差速负反馈做仿真实验  45-51
    3.4.1 电机模型的建立  45-46
    3.4.2 差速负反馈仿真实验结果  46-51
  3.5 小结  51-52
第4章采用施加偏置力矩的方法消除齿隙非线性  52-64
  4.1 系统整体模型的分析  52-55
    4.1.1 方位轴系统的动力学分析  52-53
    4.1.2 带齿隙的传动系统模型建立  53-55
  4.2 偏置力矩施加的两种方式  55-56
  4.3 本系统所采用的偏置力矩方式  56-60
  4.4 施加偏置力矩系统的仿真实验结果  60-63
  4.5 小结  63-64
第5章齿轮传动系统伺服控制器的硬件电路设计  64-82
  5.1 伺服控制器介绍  64-67
  5.2 电源电路的设计  67-69
  5.3 CPLD与编码器ABZ码电路  69-72
    5.3.1 编码器硬件接口电路的设计  70-72
    5.3.2 PWM波输出电路的设计  72
  5.4 AD-DA转换电路的设计  72-75
    5.4.1 AD转换电路的设计  73-74
    5.4.2 DA转换电路的设计  74-75
  5.5 通讯接口电路的设计  75-78
    5.5.1 串行通讯接口电路的设计  75-76
    5.5.2 网口电路的设计  76-78
  5.6 硬件电路功能调试实验结果  78-80
  5.7 硬件电路板卡实物  80-81
  5.8 小结  81-82
第6章总结与展望  82-83
  6.1 总结  82
  6.2 展望  82-83
参考文献  83-87
在学期间学术成果情况  87-88
指导教师及作者简介  88-89
致谢  89-90

基于大型望远镜的双电机齿轮传动系统研究

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