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双电机同步驱动转台中框建模与变形控制研究

作　者: 董景龙
导　师: 苗玉彬；陶建峰
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 电动转台建模变形分析偏差耦合控制双电机同步控制模糊PI控制
分类号: V216.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 264次
引　用: 2次
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内容摘要

三轴仿真转台作为航空、航天等领域中进行半实物仿真和测试的关键设备,在飞行器的研制过程中起着极其重要的作用。随着仿真转台的性能需求出现高精度、大功率、高频响趋势,对转台框架的抗变形能力提出了更高的要求,因此研究通常认为是刚体的转台框架在双电机同步驱动下的变形和应变问题就成为关键问题。由于双电机共同驱动同一负载,当双电机的输出不同步时会使系统的运动性能恶化,限制了系统的频宽,引起转台框架扭转变形。因此深入研究电动转台的同步驱动机理,研究同步驱动系统的控制策略对转台框架的变形抑制有着非常重要的现实意义。在查阅了大量国内外相关文献的基础上,本文综述了国内外仿真转台的发展概况;概述了转台框架变形以及同步控制研究现状;综述了双电机同步控制策略及控制算法的研究现状。在此背景下,本文首先分析了电动转台驱动元件的选型原则及方法,建立了各驱动元件的数学模型,并针对单通道电机驱动转台系统设计了电流环和速度环双闭环控制系统,进而建立了考虑传动轴刚度的双电机同步驱动转台中框的数学模型。由于考虑转台中框的柔性及变形,结合有限元分析软件ANSYS和虚拟样机动力学仿真软件ADAMS建立了转台中框的柔性体动力学数值模型,并在ADAMS软件中运用数值仿真方法研究了基于模态叠加法描述的柔性体转台中框在不同驱动力矩下的变形情况。在此基础上,提出基于模糊PI补偿器的双电机同步控制策略并设计了模糊PI控制器,将该策略应用于同步驱动转台中框以达到抑制框架变形的目的。在Matlab/Simulink环境下对双电机同步控制策略进行了仿真,针对利用偏差耦合的模糊PI控制策略控制双电机同步驱动柔性体转台中框从而抑制变形的情况,利用Matlab/Simulink建立的驱动机构以及控制器的数学模型和利用ADAMS中建立的柔性体数值模型对其进行了联合仿真。建模以及仿真结果表明:基于偏差耦合的模糊PI控制策略对控制双电机同步效果优于常规PI控制,并且对因电机参数不一致引起的负载扭转变形有明显的补偿和抑制效果。本文所建立的考虑柔性体及变形的双电机同步驱动转台中框的动力学模型,提出的基于ANSYS与ADAMS及MATLAB的联合仿真方法以及基于偏差耦合的模糊PI控制策略为进一步研究转台框架的变形抑制和振动主动控制系统奠定了基础。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-10
目录  10-13
第一章绪论  13-25
  1.1 课题来源及研究背景和意义  13-14
    1.1.1 课题来源  13
    1.1.2 课题研究的目的和意义  13-14
  1.2 三轴转台的发展概况及关键技术  14-16
    1.2.1 国内外转台的发展概况  14-15
    1.2.2 转台的分类及关键技术介绍  15-16
  1.3 转台框架变形及同步控制综述  16-18
    1.3.1 转台框架变形研究现状  16-17
    1.3.2 转台同步控制研究现状  17-18
  1.4 双电机同步控制研究现状  18-22
    1.4.1 双电机同步控制策略研究现状  18-22
    1.4.2 双电机同步控制算法研究现状  22
  1.5 论文的主要内容  22-25
第二章双电机驱动转台中框动力学建模与分析  25-51
  2.1 引言  25
  2.2 转台中框驱动元件及驱动方式选择  25-35
    2.2.1 电动仿真转台驱动元件选择原则及方法  25-26
    2.2.2 直流力矩电机的选型  26-31
    2.2.3 伺服驱动器的选型  31-34
    2.2.4 测角元件的选型  34-35
  2.3 转台中框驱动元件数学建模  35-41
    2.3.1 直流力矩电机数学建模  35-40
    2.3.2 直流PWM 功率放大器的数学模型  40
    2.3.3 光电编码器的数学模型  40
    2.3.4 速度和电流传感器的数学模型  40-41
  2.4 转台单通道电动驱动系统控制系统设计  41-46
    2.4.1 电流环设计与分析  42-44
    2.4.2 速度环设计与分析  44-46
  2.5 双电机驱动转台中框的系统建模  46-50
  2.6 本章小结  50-51
第三章转台中框的有限元建模与变形分析  51-62
  3.1 引言  51
  3.2 双电机驱动转台中框的有限元建模  51-55
    3.2.1 结构的有限元动力学方程  51-53
    3.2.2 转台中框的有限元建模  53
    3.2.3 转台中框的模态分析  53-55
  3.3 双电机驱动转台中框动态变形分析  55-60
    3.3.1 同步转矩下转台中框的变形  55-57
    3.3.2 不同步转矩引起的线位移弹性变形  57-58
    3.3.3 不同步转矩引起的角位移扭转变形  58-60
  3.4 本章小结  60-62
第四章基于模糊PI 控制的双电机同步控制系统  62-82
  4.1 引言  62
  4.2 双电机同步误差原因分析  62-63
  4.3 模糊控制算法  63-69
    4.3.1 模糊控制的组成和原理  63-65
    4.3.2 模糊控制器的特点  65
    4.3.3 模糊控制器的设计  65-69
  4.4 基于模糊PI 补偿器的双电机同步驱动  69-81
    4.4.1 双电机同步控制原理  70-73
    4.4.2 双电机同步控制模糊PI 补偿器设计  73-81
  4.5 本章小结  81-82
第五章系统的仿真与分析  82-100
  5.1 引言  82
  5.2 双电机同步控制仿真  82-90
    5.2.1 系统阶跃响应分析  85-86
    5.2.2 正弦响应分析  86-88
    5.2.3 扰动响应分析  88-90
  5.3 ANSYS 与ADAMS 及MATLAB 联合仿真  90-94
    5.3.1 联合仿真环境介绍  90-92
    5.3.2 联合仿真方法及步骤  92-94
  5.4 模糊PI 补偿器控制双电机同步抑制变形联合仿真  94-99
  5.5 本章小结  99-100
第六章结论与展望  100-103
  6.1 论文结论  100-101
  6.2 论文主要特点  101
  6.3 论文展望  101-103
参考文献  103-106
致谢  106-107
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  107-109

双电机同步驱动转台中框建模与变形控制研究

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