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含换相转矩波动的小型伺服驱动系统机电耦合模型及动态特性分析

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机械工程学报 2024年

作者：周长江夏宁伟方安舒侯圣文湖南大学整车先进设计制造技术全国重点实验室陕西法士特齿轮有限责任公司陕西省齿轮传动重点实验室

小型伺服驱动系统是小型无人机、服务机器人、智能医护等精密智能装备的核心部件，其动态特性直接影响整机运动精度、灵敏度和振动噪声。针对以无刷直流电机为动力源的小型伺服驱动系统，提出计及电机换相转矩波动和齿轮时变啮合刚度的... 详细信息

小型伺服驱动系统是小型无人机、服务机器人、智能医护等精密智能装备的核心部件，其动态特性直接影响整机运动精度、灵敏度和振动噪声。针对以无刷直流电机为动力源的小型伺服驱动系统，提出计及电机换相转矩波动和齿轮时变啮合刚度的机电耦合动力学模型。基于电流-速度双闭环比例积分(PI)控制策略，研究机械参数、电气参数和驱动控制参数对系统动态特性的影响。构建小型伺服驱动系统动态响应测试平台，分析母线电流变化规律，验证模型的正确性。结果表明：无刷直流电机非理想换相是小型伺服驱动系统输出轴振动和转矩波动的重要因素，受换相转矩波动影响，系统振动随转速升高、负载减小而加剧；适当增大传动轴扭转刚度和逆变器载波频率、减小电机绕组电感，有利于加快系统响应速度并抑制振动。

关键词：伺服驱动系统换相转矩波动机电耦合 PI控制动态特性

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数控机床伺服驱动系统的多电机同步控制策略

电机与控制应用 2024年第3期51卷 95-107页

作者：白梓岑陈少华大连交通大学自动化与电气工程学院辽宁大连116028

以数控机床伺服驱动系统的多电机同步控制为研究对象,提出了一种基于多交流伺服电机的同步控制策略。此策略将虚拟主轴和偏差耦合的同步控制方式相结合,并加入反向传播神经网络比例积分微分控制以及自适应鲁棒控制。通过搭建Matlab/Simu... 详细信息

以数控机床伺服驱动系统的多电机同步控制为研究对象,提出了一种基于多交流伺服电机的同步控制策略。此策略将虚拟主轴和偏差耦合的同步控制方式相结合,并加入反向传播神经网络比例积分微分控制以及自适应鲁棒控制。通过搭建Matlab/Simulink仿真平台模拟了系统的运行状态。结果表明,所提同步控制策略具有良好的同步性能和伺服效果,在提高多电机联动系统的控制精度和响应速度、减少摩擦和齿隙的影响以及增强系统鲁棒性方面表现出优越性。

关键词：数控机床伺服驱动系统多电机同步控制自适应鲁棒控制

基于USB-OTG端口的交流伺服驱动系统应用设计

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工业控制计算机 2024年第2期37卷 50-52页

作者：王志豪张平均李光炀程威福建工程学院电子电气与物理学院福建福州350118

阐述了一种基于STM32F407微控制器的交流伺服驱动系统USB-OTG串口通信端口设计方案。基于STM32F407芯片内嵌的USB-OTG内核,实现了USB-OTG串口通信端口的硬件和软件设计。其中,硬件设计部分包括USB接口、静电保护芯片和相关的外围电路设... 详细信息

阐述了一种基于STM32F407微控制器的交流伺服驱动系统USB-OTG串口通信端口设计方案。基于STM32F407芯片内嵌的USB-OTG内核,实现了USB-OTG串口通信端口的硬件和软件设计。其中,硬件设计部分包括USB接口、静电保护芯片和相关的外围电路设计;软件实现部分则包括USB设备驱动程序和串口通信程序的设计。最后,通过测试验证了USB-OTG串口通信端口可以正常工作。该设计方案可用于实现微控制器与计算机之间的高速数据传输和通信。

关键词：伺服驱动系统 USB-OTG STM32F407

全闭环伺服驱动系统位置控制通信延时补偿技术

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电工技术学报 2022年第10期37卷 2513-2522页

作者：倪启南杨明李云嵩徐殿国哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨150001 北京机械设备研究所北京100854

现代数控系统通常采用数控装置负责计算、伺服驱动器负责执行的结构理念,二者间的总线数据交互不可避免地存在通信延时,尤其在高速进给的应用场合中,为了避免由通信延时引起的超调及控制精度降低的问题,该文对全闭环数控系统时延问题展... 详细信息

现代数控系统通常采用数控装置负责计算、伺服驱动器负责执行的结构理念,二者间的总线数据交互不可避免地存在通信延时,尤其在高速进给的应用场合中,为了避免由通信延时引起的超调及控制精度降低的问题,该文对全闭环数控系统时延问题展开研究。首先,基于双位置反馈控制架构,建立含通信延时的全闭环伺服驱动系统模型,采用频率根轨迹分析方法,分析通信延时对系统稳定性的影响,指出延时补偿的必要性。为了更好地对通信延时进行补偿,研究并设计Smith预估补偿器,分析Smith预估补偿器在应用中存在的模型失配问题,在此基础上,总结模型误差来源。最后,结合扰动观测器理论,设计基于扰动观测器的通信扰动观测补偿策略,解决模型失配问题在通信延时补偿中的影响,提高延时补偿方法的适用性和简易性。通过仿真验证所提算法的有效性。

关键词：伺服驱动系统全闭环控制通信延时补偿

伺服驱动系统参数辨识及控制器参数自整定研究

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伺服驱动系统参数辨识及控制器参数自整定研究

作者：莘乐凯深圳大学

学位级别：硕士

伺服驱动系统广泛应用于医疗设备、航空航天、智能制造等各个领域,然而伺服驱动系统中电机与负载间传动装置的弹性形变,直接导致系统中电机转速及转矩产生持续振荡。伺服系统的持续振荡不仅影响系统控制精度和动态响应,严重时造成传动... 详细信息

伺服驱动系统广泛应用于医疗设备、航空航天、智能制造等各个领域,然而伺服驱动系统中电机与负载间传动装置的弹性形变,直接导致系统中电机转速及转矩产生持续振荡。伺服系统的持续振荡不仅影响系统控制精度和动态响应,严重时造成传动装置损坏,引发传动安全。本文以提高伺服驱动系统的传动安全为目的,通过对伺服驱动系统进行参数辨识和结构辨识,设计参数自整定控制算法,避免激发系统振荡且同时保证系统的最佳动态性能。首先,本文以永磁同步电机交流伺服驱动系统作为研究对象,建立伺服系统结构模型,根据伺服系统的结构特性将模型分为单惯量刚性系统和双惯量弹性系统。对于未知结构特性的伺服驱动系统,通过含遗忘因子的递推最小二乘法辨识系统机械参数。基于精确的参数辨识结果,分析伺服系统的自然振荡特性和幅频特性,设计系统结构辨识准则。根据参数辨识和结构辨识结果,研究伺服驱动系统的双重辨识策略,为基于模型的控制算法提供精确结构模型。其次,基于辨识的结构特性,以避免激发系统振荡为目标,设计参数自整定控制算法,同时控制器参数可根据系统动态响应性能指标进行实时调整。本文提出的参数调节算法包括剪切频率和相位裕度自整定两部分,具体包括:分析系统的振荡特性以提取系统振荡频率,结合系统带宽与截止频率的定量关系,进而设计可避免系统振荡的剪切频率;分析系统时域指标与频域指标的关系,由动态性能指标设计最佳的相位裕度,保证系统最优的动态特性。最后,将Speedgoat作为系统控制器,永磁同步电机对拖平台为被控对象,构建伺服驱动系统。通过改变对拖平台的控制刚度,模拟伺服驱动系统的不同结构特性。将双重辨识方法分别应用于不同刚度的伺服驱动系统,实验结果表明:参数辨识的误差均在10%以下,且准确辨识伺服系统的结构特性。将本文设计的控制器自整定算法应用该实验平台,实验结果表明,未激发伺服系统振荡,且系统超调量在20%以内,满足动态性能指标的要求。

关键词：伺服驱动系统单惯量双惯量系统辨识控制器参数自整定

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伺服驱动系统机械谐振分析及抑制方法研究

重庆理工大学学报（自然科学） 2022年第2期36卷 257-265页

作者：王晶晶陆宇刘永康谢长贵重庆工程职业技术学院智能制造与交通学院重庆402260 重庆理工大学车辆工程学院重庆400054

为提高伺服驱动系统控制品质,简化典型伺服驱动系统结构,建立了包含电机和负载的双惯量伺服驱动系统模型;分析了双惯量伺服驱动系统机械谐振产生的原因,分别讨论了惯量比、传动轴刚度系数和传动轴阻尼系数对双惯量伺服驱动系统机械谐振... 详细信息

为提高伺服驱动系统控制品质,简化典型伺服驱动系统结构,建立了包含电机和负载的双惯量伺服驱动系统模型;分析了双惯量伺服驱动系统机械谐振产生的原因,分别讨论了惯量比、传动轴刚度系数和传动轴阻尼系数对双惯量伺服驱动系统机械谐振的影响。采用模型预测控制方法对系统的机械谐振进行抑制控制,设计了基于状态空间表达式的模型预测控制器,通过仿真和对比常规PID控制方法进行验证。结果表明:利用模型预测控制方法能有效的抑制伺服驱动系统的机械谐振,可为多惯量伺服驱动系统的机械谐振分析及抑制方法研究提供参考。

关键词：伺服驱动系统机械谐振分析模型预测控制双惯量

伺服驱动系统机电耦合动力学分析与控制方法研究

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伺服驱动系统机电耦合动力学分析与控制方法研究

作者：刘永康重庆理工大学

学位级别：硕士

伺服驱动系统中电机与机械传动系统呈强耦合、时变等非线性特性,是一类典型的机电耦合系统。机械、电气参数激励会导致伺服驱动系统产生耦合振动现象,严重影响系统可靠运行寿命。针对传统机电耦合系统建模过程中,机械系统与电气系统融... 详细信息

伺服驱动系统中电机与机械传动系统呈强耦合、时变等非线性特性,是一类典型的机电耦合系统。机械、电气参数激励会导致伺服驱动系统产生耦合振动现象,严重影响系统可靠运行寿命。针对传统机电耦合系统建模过程中,机械系统与电气系统融合度不高的缺点,构建了非线性多惯量机电耦合动力学模型;为解决复杂工况下转速和负载剧烈变化要求快速抑制系统谐振的问题,提出了基于模型预测控制与陷滤波器相结合的复合控制算法,实现了伺服驱动系统运行过程中机械谐振快速抑制和提升系统鲁棒性的目标。本文的主要研究内容为:（1）建立多惯量伺服驱动机电耦合系统动力学模型。综合考虑了驱动电机电磁刚度、机械传动系统（轴系、齿轮）不同刚度参数的影响,利用集中质量法,建立了包含驱动电机、单级直齿轮、负载电机和电机控制器结构的多惯量伺服驱动机电耦合系统动力学模型,为后续的系统动态特性分析夯实理论基础。（2）分析伺服驱动系统在不同参数影响下的动态响应特性。基于建立的多惯量伺服驱动系统机电耦合动力学模型,采用了数值解法对其进行求解,结合非线性动力学分析理论,借助Matlab编程软件,绘制了机械传动过程中相对扭转角随电磁刚度、激励频率和啮合传动误差参数变化的时间历程图、相平面图、庞加莱截面和幅频响应曲线;分析了电磁刚度、激励频率和传动综合误差等参数的变化对机电耦合系统非线性振动特性的影响,为伺服驱动系统的高性能控制打下基础。（3）提出一种模型预测控制与陷波滤波器相结合的复合控制算法。针对伺服系统机械谐振问题,研究了多惯量伺服驱动系统运行过程中引入机械谐振点的原因,探明了机械传动装置中不同刚度参数对伺服系统机械谐振的影响;解决了PI控制算法对电机速度、电流控制存在自适应能力不足、需要确定参数多的问题;在数值仿真软件平台建立了伺服系统动态仿真数学模型,提出了一种模型预测控制与陷滤波器相结合的复合控制器,分析了在突加负载、冲击载荷两种复杂工况下伺服驱动系统的动力学特性,并对比了模型预测控制算法的抑振效果。（4）搭建考虑单级直齿轮传动的数字化伺服系统机械谐振抑振试验验证台架。开展了突加负载、冲击载荷两种工况下机电动态特性的试验研究,对比验证了模型预测控制和陷波滤波器相结合的复合控制算法与模型预测控制算法的机械谐振抑制效果,验证了所提出的基于模型预测控制与陷波滤波器相结合的复合控制算法抑振方法的正确性。

关键词：伺服驱动系统机电耦合机械谐振模型预测控制陷波滤波器

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棉纺精梳机分离罗拉伺服驱动系统动力学分析

棉纺织技术 2023年第5期51卷 48-53页

作者：郭平贾国欣任家智中原工学院河南郑州450007 河南工程学院河南郑州450007

为了分析计算单眼棉纺精梳机分离罗拉伺服驱动电机的输出转矩,基于弹性力学理论建立了后分离胶辊和分离罗拉的动力学模型,得出了分离罗拉总驱动力矩在一个工作周期内的变化规律。运用等效动力学方法建立了分离罗拉伺服驱动轮系的动力学... 详细信息

为了分析计算单眼棉纺精梳机分离罗拉伺服驱动电机的输出转矩,基于弹性力学理论建立了后分离胶辊和分离罗拉的动力学模型,得出了分离罗拉总驱动力矩在一个工作周期内的变化规律。运用等效动力学方法建立了分离罗拉伺服驱动轮系的动力学模型,得到了伺服电机输出转矩在一个工作周期内的变化规律及伺服电机输出最大转矩和平均转矩。分析及计算结果表明:在单眼棉纺精梳机工作速度400钳次/min时,一个工作周期内伺服电机的输出转矩最大值为13.8 N·m,均值为3.6 N·m;在伺服电机输出转矩最大值中,分离罗拉驱动力矩占比为56.0%,电机转子惯性力矩占比为20.3%,过桥齿轮惯性力矩占比为18.0%。在ZGFA600型单眼棉纺精梳机上,在工作速度400钳次/min时,实测分离罗拉伺服驱动电机的实际最大输出转矩及实际平均转矩略大于理论计算值。

关键词：精梳机分离罗拉分离胶辊动力学模型转矩伺服驱动系统

基于机械臂位姿变换的柔性负载伺服驱动系统控制策略

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机械工程学报 2020年第21期56卷 56-69页

作者：李小彭尚东阳陈仁桢闻邦椿东北大学机械工程与自动化学院沈阳110819

伺服驱动系统的柔性负载端转动惯量等参数随柔性机械臂位姿变化而变化,进而影响伺服驱动系统电动机输出端转速。为降低电动机输出端速度波动,采用极点配置的方法设计伺服驱动系统转速环PI控制器参数,该参数的选择随柔性机械臂位姿变化... 详细信息

伺服驱动系统的柔性负载端转动惯量等参数随柔性机械臂位姿变化而变化,进而影响伺服驱动系统电动机输出端转速。为降低电动机输出端速度波动,采用极点配置的方法设计伺服驱动系统转速环PI控制器参数,该参数的选择随柔性机械臂位姿变化而变化,从而使伺服驱动系统在不同位姿下获得良好的动态响应特性,避免机械谐振发生。首先根据连续体振动理论和拉格朗日原理建立了柔性负载伺服驱动系统动力学模型,并通过状态方程求得电动机转速到柔性负载驱动转矩的传递函数。将变参数PI控制策略应用于伺服驱动系统转速环控制中,分析了柔性负载对转速环的控制特性的影响,采用极点配置的方法设计控制器参数。接下来分别采用相同幅值、相同阻尼系数、相同实部3种极点配置策略设计控制器参数。讨论了这3种极点配置策略不同参数对系统谐振峰值、谐振频率和带宽的影响。最后通过数值仿真分析表明:伺服驱动系统等效柔性负载参数与机械臂的位姿有关;柔性负载回转半径、转动惯量较大的情况,不适宜使用相同实部的极点配置方法,但其余两种方法可通过适当选择参数使电动机输出转速波动程度减小。

关键词：柔性机械臂伺服驱动系统柔性负载 PI控制策略极点配置方法