数控机床直线电机驱动单元的动力学分析与控制

admin · 发表于 2022-8-31 15:17:09

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本论文以课题组自主研发的车铣复合综合实验平台的直线电机驱动单元为研究对象，研究了直线电机驱动单元的动力学特性以及综合机械结构与直线电机伺服系统的机电耦合系统建模与仿真、控制系统主要参数对系统性能的影响分析、主要控制参数对系统性能影响的正交交互实验研究、以提高伺服刚度为优化目标的控制参数优化等关键技术题目。基于“宽频多模态运动耦合”的建模思想，在分析直线电机驱动单元的受力情况及运动特性的基础上，通过引入“弹簧-阻尼”单元来简化对系统动态特性产生重要影响的螺栓结合面和导轨结合面，推导了直线电机驱动单元的刚柔运动耦合动力学微分方程。采用MATLAB/Simulink工具箱建立了系统动力学微分方程的多层仿真模型，对系统的幅频响应曲线进行了仿真分析，分析了建模所引入的结构参数对系统性能的影响，讨论了仿真模型误差产生的原因，为优化设计和进一步的机电耦合模型的建立提供了指导和理论依据。以直线电机的矢量控制模型和SIMODRIVE611D控制器为基础，并综合刚柔运动耦合机械结构模型，建立了基于经典PID控制策略的刚柔-多自由度机电耦合P-PI控制模型，采用工程参数整定法，对控制器参数进行了初步整定；研究了主要控制参数对系统闭环阶跃响应以及对系统稳定性的影响，研究了主要控制参数对系统伺服刚度的影响，采用MATLAB优化工具箱对以提高系统伺服刚度为优化目标的控制参数进行了优化。仿真和实验证明：参数优化后，能够使控制参数满足机床伺服的要求，并且使伺服刚度得到了较大的提高。针对考虑结合面柔性的直线电机驱动单元的动力建模方法与机电耦合伺服系统控制系统进行了实验研究与验证。包括导轨滑块结合面和螺栓电机结合面的结构参数辨识，直线电机驱动单元的动力特性实验研究，机电耦合模型的位置响应和伺服动刚度测试，对主要控制参数进行阶跃响应和伺服刚度的多因素正交交互实验等。实验证明本文所建立的刚柔耦合模型以及刚柔-机电耦合伺服控制模型具有一定参考价值。

数控机床直线电机驱动单元的动力学分析与控制

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