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提高含齿隙伺服系统运动精度的控制研究

作　者: 黄俊朋
导　师: 张卯瑞
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 齿隙角差反馈双电机偏置力矩消隙
分类号: TM921.541
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

齿隙非线性作为伺服系统的典型非线性,广泛存在于机器人、机床、雷达、炮塔、精密微型机械、转台等系统中,是制约高精度运动系统性能的重要因素。由于齿隙非线性属于不可微的强非线性,对它的补偿非常困难,同时越来越高的工程应用性能指标要求必须解决齿隙非线性问题。因此,研究齿轮消隙问题具有重要的理论和工程应用价值。本论文按照单电机齿隙补偿控制和双电机偏置力矩消隙控制进行分析,重点研究了双电机偏置力矩消隙控制方法,设计了多种偏置力矩施加方法,仿真结果表明了所采用方法的有效性。主要内容有:1)重点研究了齿隙弹性死区模型特性,采用描述函数法分析了齿隙大小对系统伺服带宽的影响。简单分析了摩擦非线性,建立了适于仿真使用的摩擦力模型。通过单电机含齿隙Simulink建模,分别采用迟滞模型和弹性死区模型,按从电机侧负反馈和从负载侧反馈两种方案仿真,对比了两种方案的优缺点,分析了从电机侧负反馈方案优于从负载侧反馈的原因。在此基础上,采用角差加惯性环节负反馈的补偿方法,分别对含迟滞模型和弹性死区模型的系统仿真,不但消除了极限环震荡,还显著提高了负载侧的定位精度,接着定性分析了这种方法能够提高定位精度的原因。对于低速运动的场合,采用切换控制策略来尽量减小齿隙对控制性能的影响,由于“bang-bang”控制没有考虑实际电机动态性能及末端加速度引起的碰撞,文中给出了更为实用的时间次优切换控制方法。2)根据工程上采用的双电机偏置力矩消隙的提法,详细分析了偏置力矩法消隙原理,建立了双电机偏置力矩消隙仿真模型。研究了具体的偏置力矩施加方法,在对仿真结果分析的基础上,指出了已有的偏置力矩消隙法存在的问题,提出了改进意见,给出了新的偏置力矩消隙方案。仿真结果表明了所用偏置力矩消隙方法的有效性。采用抗积分饱和控制器来解决电流环饱和问题,改善了控制性能。考虑到实际存在的摩擦非线性因素,为了提高系统带宽和控制精度,采用了基于模型的前馈补偿方案。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-19
  1.1 研究背景及意义  10-11
  1.2 含齿隙非线性运动控制系统研究现状  11-18
  1.3 论文的主要内容  18-19
第2章齿隙模型分析  19-28
  2.1 齿隙模型  19-23
    2.1.1 迟滞模型  19-21
    2.1.2 弹性死区模型  21-22
    2.1.3 冲击模型  22-23
  2.2 齿隙和摩擦对伺服系统性能的影响  23-26
    2.2.1 齿隙描述函数法分析  24-25
    2.2.2 摩擦非线性分析  25-26
  2.3 本章小结  26-28
第3章单电机消隙控制方法  28-44
  3.1 从电机侧反馈控制的优点  28-34
  3.2 角差加惯性环节的补偿控制  34-40
    3.2.1 采用齿隙迟滞模型建模仿真  34-37
    3.2.2 采用齿隙弹性死区模型建模仿真  37-40
  3.3 切换补偿控制  40-43
  3.4 本章小结  43-44
第4章双电机偏置力矩法消隙的控制方法  44-75
  4.1 偏置力矩法消隙原理  44-45
  4.2 定向驱动偏置力矩消隙  45-55
  4.3 固定偏置力矩消隙  55-58
  4.4 电流环动态偏置力矩消隙  58-67
  4.5 速度环偏置信号消隙  67-71
  4.6 定向驱动消隙法改进  71-72
  4.7 基于位置给定预补偿的消隙方法  72-74
  4.8 本章小结  74-75
结论与展望  75-76
参考文献  76-80
附录  80-81
攻读学位期间发表的学术论文  81-83
致谢  83

提高含齿隙伺服系统运动精度的控制研究

内容摘要

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