（机械电子工程专业论文）机电耦合系统的动力学特性研究.pdf

查! ! 垄兰堡主堂堡垒查一三壹墨 机电耦合系统的动力学特性研究 摘要 现代化的工业大生产是整个国民经济的支柱，是人类社会赖以发展的强大推 动力，而机电耦合问题又广泛存在于工程实际中。例如矿井通风使用的由交流电 机驱动的大型风机系统，矿石破碎中圆锥破碎机的主传动系统，双电机驱动的振 动圆锥破碎机系统等。可以说，只要有电机和工作机构存在的地方，就有机电耦 合系统存在。因此对机电耦合系统的动力学特性研究，具有重要的理论意义和工 程价值。 机电耦合同步实验台是本文的研究对象。本文首先提出机电耦合同步实验台 的设计方案，并简要介绍了实验台的振动机系统和负载系统的结构设计，根据设 计要求给出交流伺服电机、p m a c 控制卡和交叉轴等标准件的型号和参数。 建立三相永磁同步交流伺服电机的数学耦合模型是研究机电耦合同步实验台 耦合问题的基础。在三种坐标系下建立了交流伺服电机的数学耦合模型，简化电 机模型的同时，证明了交流伺服电机数学模型是一个非线性、强耦合的模型。接 下来在m a t l a b 中对交流伺服电机数学耦合模型进行了仿真，仿真结果满足系统 对电机响应快速性、稳定性的功能要求。在此基础上研究了交流伺服电机在不同 类型负载下的机械特性。 在建立负载系统机电耦合数学模型后。经过分析验证机电耦合同步实验台负 载系统双闭环控制的正确性，并为机电耦合同步实验台负载系统控制算法的提出 奠定了基础。 实现机电耦合同步实验台负载系统和振动机系统的最优跟踪同步控制，是研 发本实验台的关键环节。在建立了振动机系统、负载系统和激振电动机的力学耦 合模型后，通过对整个系统力学耦合模型动力学分析，提出了实验台振动机系统 的双机主从同步控制方案。 通过对负载系统耦合模型的分析，针对负载系统的非线性和强耦合的特点， 提出模糊p d 控制算法。并设计模糊p d 控制器。仿真结果表明，模糊p m 控制 算法满足负载系统最优同步跟踪的控制要求。 关键词：机电耦合交流伺服电机p m a c 卡模糊p m 控制 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c o fe l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gs y s t e m a b s t r a c t m o d e mi n d u s t r i a lp r o d u c t i o nl st h eb a c k b o n eo fo u rn a f i o n a le c o n o m y a n da l s e t h es t r o n gd r i v et h a tp r o m o t e st h ew h o l es o c i e t yf o r w a r dc o n t i n u o u s l y f o re x a m p l e ， l a r g e - s c a l eb l o w e rw a sd r i v e db ya cm o t or ，w h i c hw a s u s e di nm i n e ，m a i nt r a n s m i s s i o n s y s t e mo ft h et a p e rc m s h e rw a su s e di nf r a g m e n t a t i o n ，a n d v i b r a t i o nt a p e rc r u s h e r s y s t e mw a sd r i v e rb yd o u b l ea cm o t o r sv i d e l i c e tt h e r ei se l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n g s y s t e mi ft h em o t o ra n dm a c h i n ea r ei ne x i s t e n c e s ot h er e s e a r c ho nd y n a m i c s c h a r a c t e r i s t i co f e l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gs y s t e mi ss i g n i f i c a t i v ea n dv a l u a b l e e l e c t r o m e c h a n i e a lc o u p l i n gt e s t r i go ns y n e h r oc o n t r o li so b j e c to ft h i st h i e s e p r o j e c tw a sp u tf o r w a r do fe l e c t r o m e c h a n i c a le l ls y n e h r oi nt h i e s et h es t r u c t u r ed e s i g n o fv i b r a t i o ns y s t e ma n dl o a ds y s t e mw a si n t r o d u c e dp a r t i c u l a r l y , a tt h es a m et i m e p a r a m e t e r sa n dm o d e lo fs t a n d a r dp a r t sw e r eg i v e na c c o r d i n gt ot h ed e s i g n i n gr e q u e s t ， f o re x a m p l ea cs e r v em o t e lp m a cc o n t r o l l e ra n dc r o s s i n ga x i s e sa n ds oo n b u i l d i n g t h ee l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gm a t h e m a t i c sm o d e lo fp e r m a n t e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o ri st h eb a s eo ft h er e s e a r c ho nc o u p l i n gq u e s t i o no f e l e c t r o m e c h a n i e a lc o u p l i n gs y s t e mt h em o d e lw a sb u i l ti nt h r e ek i n d so fc o o r d i n a t e s ， i no r d e rt om a k i n gt h em o d e le a s y a tt h es a m et i m ei tp r o v e dt h a tm o d e lo f p m s mi sa n o n l i n e a ra n ds t r o n gc o u p l i n gm o d e l t h e nm a t h e m a t i c sm o d e lw a se m u l a t e di n m a t l a b ，t h er e s u l to fe m u l a t i o nw a sa c c e p t e da c c o r d i n gt ot h er e q u e s to ff a s t r e s p o n s ea n ds t e a d yr e s p o n s eo fm o t o r l a s tm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n t t y p e sw e r ea n a l y z e d a f t e rt h ee l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gm o d e lo fl o a ds y s t e mw a sb u i l t ，i tp r o v e dt h e r i g h t n e s so fu s i n gd o u b l ec l o s e dl o o pi nl o a ds y s t e mo fe l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n g t e s t - r i ga n d t h i si st h eb a s eo f p u t t i n gf o r w a r dt h ec o n t r o la r i t h m e t i c t h eo p t i m a ls y n c h r o n i z a t i c a lc o n t r o lo fv i b r a t i o ns y s t e ma n dl o a ds y s t e mi n e l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gt e s t r i gi sm o s ti m p o r t a n tp a r to fr e s e a r c h i n gt h et e s t - r i g a f t e rb u i l d i n gm e c h a n i c a lc o u p l i n gm o d e l so fv i b r a t i o ns y s t e m ，l o a ds y s t e ma n dm a i n l i b r a t i n gm o t o r , t h ec o n t r o ls c h e m eo fa s s i s t a n tm o t o rf o l l o w i n gm a i nm o t o rw a sp u t f o r w a r di nl o a ds y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h ed y n a m i c a la n a l y s i so f t h ew h o l es y s t e m f u z z y - p i dc o n t r o la r i t h m e t i cw a sp u tf o r w a r d ，a n dt h e nf u z z y - p i dc o n t r o l l e rw a s d e s i g n e db yt h er e s e a r c ho fc o u p l i n gm o d e lo fl o a ds y s t e ma n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f n o n l i n e a ra n ds t r o n gc o u p l i n gi nl o a ds y s t e m t h er e s u l to fe m u l a t i o ns h o w st h a t i i i 查些查兰堡主堂堡堕墨塑! ! 坠垒塑 f u z z y - p i da r i t h m e t i cs a t i s t i e dt h er e q u e s to fo p t i m a ls y n c h r o n i z a t i c a lf o l l o w i n go fl o a d s y s t e m k e yw o r d s e l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n ga cs e f v om o t o rp m a cc o n t r o l l e r f u z z y - p i ) c o n t r o l l e r i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：勘l 金癌 日 期： 卯莎、 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 。1 课题研究的目的和意义 机电耦合问题本身是一个经典问题，从1 8 3 2 年p i x i i h 做成永磁发电机和1 8 8 8 年多布罗斯机发明电动机之日起，机电耦合问题就已经产生了 1 】。 机电耦合广泛的存在于振动机械和复杂的机械设备中。 振动机械从诞生至今已有4 0 多年历史，它已被广泛应用于采矿、冶金、石油 化工、机械巷9 造、水利电力、轻工、建筑、建材、交通运输、和铁道等工业部门 中，用以完成各种不同的工艺过程。 振动机械主要用于完成物料( 或物件) 的输送、筛分、冷却、干燥、落沙、粉磨、 成型等各种工作，这些机器在工作过程中，物料对工作机体产生各种形式的作用 力；惯性力、摩擦力与冲击力等。那么，这些负阻尼特性也是引起机械系统机电 耦合的重要因素。因此研究机电猥合系统的动态特性影响具有一定的实际意义。 这一类机器在工作过程中，根据振动系统中感应电动机的偏心转子所受惯性 力与偏心转子之间的转速和相位差的关系以及感应电动机的转差率和转矩特性， 自动调节两个感应电动机所受的惯性外负载使各偏心转子达到同步的运动状态。 实验表明，对于已经实现同步运转的该类系统，如果切断一台电机的电源，两台 电机仍能在速度较低的水平上运行，但相位差角稍有落后。振动机实现这种同步 运动的过渡过程应该属于典型的非平稳过渡。又如，在适当的系统参数条件下， 自同步振动机机械起动时会出现频率俘获现象，即带偏心块的电机转子的回转频 率由零提高到振动机的固有频率附近时其转速会被系统的固有频率“俘获”，不能继 续上升到额定转速。要解释这些物理现象，则需要研究振动系统机械耦合的动力 学特性。 现代化的工业大生产是整个国民经济的支柱，也是人类社会赖以继续发展的 强大动力。机电耦合传动系统的非平稳过程是指系统在起动、制动、受到负载冲 击、电网发生波动或系统出现故障的情况下，系统从一种平衡状态( 包括静止状态) 过渡到另一种平稳状态的过渡过程。这些现象均与电机耦合系统的动力学特性相 关，而以机电耦合方式传动的能量约占国民经济中消耗的总能量的8 0 f 2 】以上， 因此，研究振动系统机电耦合的动力学特性对于工业生产来说具有普遍而重要的 意义。研究振动系统机电耦合的动力学特性是出于工程实际需要决定的。 机电耦合传动系统在非平稳过渡过程中发生的机电耦合振动，对于系统的安 1 东北大学硕士学住论文 第一章绪论 全运行具有极大的危害性。特别是对于大功率设备，机电耦合振动将直接影响到 所处电网的安全以及处在同一电网中的其它设备的运行。生产设备在运行过程中， 如果其传动系统出现非平稳振动，设备就不能正常工作并直接导致生产产品质量 下降。正是基于这些原因，国家自然科学基金委员会在力学、自然科学学科发 展战略调研报告p 1 中明确将“大型旋转机械及其它设备的自激振动研究”、“电力 设各中的机电耦合振动”和“列车动力学中的机电耦合振动”列为目前亟需攻关 的具有战略意义的科研课题。 基于以上原因，本课题主要研究同步控制系统的机电耦合问题。 1 2 机电耦合的发展状况 1 2 1 机电耦合系统的国内外发展现状 随着科学技术的不断发展【1 4 】，机械系统的振动同步、控制同步及同步控制和 定速比控制在工业部门得到越来越广泛的应用。目前，在国内外学者的共同努力 下，振动同步与控制同步的研究工作，已扩展到振动同步和控制同步的复合系统、 多电机驱动的机械系统的控制同步、多液压缸系统和多液压马达的同步控制。并 指出同步控制理论新的发展方向。 在国内，学者闻邦椿经3 0 余年系统研究，发展了振动同步理论，提出了平面 运动和空间运动自同步振动机的同步理论、激振器偏转式振动机的同步理论、近 共振自同步振动机的同步理论、振动同步传动的理论与方法等，并在工程中广泛 存在的自同步、复合同步和智能控制同步问题的基础上，与1 9 9 7 年从普遍意义上 明确提出了广义同步f ”1 的概念。后来有学者以该提法为基础，借鉴前面定义的思 想，将广义同步划分为四个层次，定义如下： ( 1 ) 同步双方的相位严格保持相等的相位同步( p h a s es y n c h r o m i z a t i o n ) ； ( 2 ) 同步双方的相位保持一个固定相位差的延迟同步( 1 a gs y n c h r o n i z a t i o n ) ； ( 3 ) 同步双方的频率保持某种确定的比例关系的分频同步( f r a c t i o n a lf r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o n ) ； ( 4 ) 耦合系统的运动状态量之间保持某种与时间无关的确定性关系的广义同 步( s e n e r a l i z a ds y n c h r o n i z a t i o n ) 。 以上四个层次的定义中，外延逐步拓广，后一层次依次包含了前面各个层次。 这种定义不仅可以描述系统响应与系统激励之间的同步关系，也可以描述系统与 系统之间的同步关系。 广义同步在工程领域的应用极为普遍。在机械工业部门中，由两个或多个转 轴( 简称转子) 组成的，且在这些转轴之间按照相等的或成一定比例关系的运动参数 2 东北大学硕士学位论文 第一辛绪论 ( 如位移、速度和相位等) 进行运转及工作的机械种类繁多，应用十分广泛。 9 0 年代以来，国外许多学者对同步理论的研究也作出了巨大的贡献，p e c o r a 和c a l l o 在研究混沌同步问题时将两个耦合系统具有完全的响应状态定义为同步， 由于这种同步只能在两个完全相同的系统中才会出现，r o s e n b l u m 称这种同步为完 全同步( c o m p l e t es y n c h r o n i z a t i o n ) j 或一致同步( i d e n t i c a ls y n c h r o n i z a t i o ：n ) ，并提出相位 同步( p h a s es y n c h r o n i z a t i o n ) 概念来刻画耦合系统的同步状态。1 9 9 5 年r u l k o v 将两 个系统之间存在的函数关系定义为“g e n e r a l i z e ds y n c h r o n i z a t i o n “1 6 1 ( 作者初译为广 义同步) 。1 9 9 7 年r o s e n b l u m 】研究了不完全一致的( n o n i d e m i c a l ) 耦合振子之间的 同步问题，发现一个振子的响应与一段时间之后的另一个振子的响应完全相同， 他给这种同步命名为延迟同步0 a ss y n c h r o n i z a t i o n ) 。1 9 9 9 年m a i n i e r i i ”j 等人又提出 了部分同步( p r o 】i e c t i v es y n c h r o n i z a t i o n ) 的概念。 同步控制技术在重大工程中的研究和应用，已经取得了令人瞩目的成绩，同 时也取得了显著的经济效益和社会效益。 1 ，2 2 机电耦合系统的研究现状 虽然拉格朗日分析力学、麦克斯韦的电磁场理论、电机系统的派克模型建立、 电机拖动理论和过渡过程理论以及转子动力学的基本理论为机电耦合问题的研究 奠定了坚实的基础，但是由于各国的科研工作的中心以及研究知识面的问题等等。 在6 0 年代以前，控制领域的机电耦合问题还没有深入系统的研究成果出现。 随着各国对工业应用研究的目益重视和非线性微分方程理论、计算数学和计 算机技术的蓬勃发展，研究机电传动系统的动力学问题的客观条件在6 0 年代后期 已经成熟。存在的问题主要是：发现重要的机电耦合问题、克服机电两个方面知 识不足的缺陷、寻找针对具体问题的实用计算方法以及创造恰当的实验条件等。 机电耦合传动系统的非平稳过程按照电机电磁转矩的响应特性可分为两种： 第一种是电视转矩逐步收敛、最后稳定为恒值或近似为恒值的收敛型非平稳过程， 如传动系统的启动过程等；第二种是电机转矩逐步发散有时甚至导致传动轴断裂 的发散型非平稳过程。第二种非平稳过程通常又称为自激震荡或失稳震荡。 机电传动系统的第一类非平稳过程的特点与电机系统本身的启动过程十分相 似。这一类非平稳过程持续的时间和震荡的峰值对传动系统的工作状态有重要影 响。持续时间长会直接导致电机过热；震荡峰值大刚会威胁到传动轴的安全。 机电传动系统的第二类非平稳过程研究是从电机系统本身的自激震荡开始 的。电机系统本身的机电耦合振动的研究与串连电容补偿技术被广泛应用到高压 配电网中有关。1 9 9 3 年s h a l t o u t 等在研究了大型异步电机启动过程中的扭振过渡 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 f 如位移、速度和相位等) 进行运转及工作的机械种类繁多，应用十分广泛。 9 0 年代以来，国外许多学者对同步理论的研究也作出了巨大的贡献，p e c o r a 和c a ”o 在研究混沌同步问题时将两个耦合系统具有完全的响应状态定义为同步， 由于这种同步只能在两个完全相同的系统中才会出现，r o s e n b l u m 称这种同步为完 全同步( c o m p l e t es y n c h r o n i z a t i o n ) 或一致同步( i d e n t i c a ls y n c h r o n i z a t i o n ) ，并提出相位 同步( p h a s es y n c h r o n i z a t i o n ) 概念来刻画耦台系统的同步状态。1 9 9 5 年r u l k o v 将两 个系统之间存在的函数关系定义为“g e n e r a l i z e ds y n c h r o n i z a t i o n “3 ( 作者初译为广 义同步) 。1 9 9 7 年r o s c n b | u m l l l 研究了不完全一致的( n o n i d e n t i c a l ) 耦合振子之间的 同步问题，发现一个振子的响应与段时间之后的另一个振子的响应完全相同， 他给这种同步命名为延迟同步( 1 a gs y n c h r o n i z a t i o n ) 。1 9 9 9 年m a i n i e r i t ”1 等人又提出 了部分同步( p r o j e 0 6 v es y n e b s o 试z a t i o n ) 的概念。 同步控制技术在重大工程中的研究和应用，已经取得了令人瞩目的成绩，同 时也取得了显著的经济效益和社会效益。 12 2 机电耦合系统的研究现状 虽然拉格朗日分析力学、麦克斯韦的电磁场理论、电机系统的派克模型建立、 电机拖动理论和过渡过程理论以及转子动力学的基本理论为机电耦合问题的研究 奠定了坚实的基础，但是由于各国的科研工作的中心以及研究知识面的问题等等。 在6 0 年代以前。控制领域的机电耦合问题还没有深入系统的研究成果出现。 随着各国对工业应用研究的日益重视和非线性微分方程理论、计算数学和计 算机技术的蓬勃发展，研究机电传动系统的动力学问题的客观条件在6 0 年代后期 已经成熟。存在的问题主要是：发现重要的机电耦合问题、克服机电两个方面知 识不足的缺陷、寻找针对具体问题的实用计算方法以及创造| 冶当的实验条件等。 机电耦合传动系统的非平稳过程按照电机电磁转矩的响应特性可分为两种： 第一种是电机转矩逐步收敛、最后稳定为恒值或近似为恒值的收敛型非平稳过程， 如传动系统的启动过程等 第二种是电机转矩逐步发散有时甚至导致传动轴断裂 的发散型非平稳过程。第二种非平稳过程通常又称为自激震荡或失稳麓荡。 机电传动系统的第一类非平稳过程的特点与电机系统本身的启动过程十分相 似。这一类非平稳过程持续的时间和震荡的峰值对传动系统的工作状态有重要影 响。持续时间长会直接导致电机过熟；震荡峰值大则会威胁到传动轴的安全。 机电传动系统的第二类非平稳过程研究是从电机系统本身的自激震荡开始 的。电机系统本身的机电耦合振动的研究与串连电容补偿技术被广泛应用到高压 配电网中有关。1 9 9 3 年s h a l t o u t 等在研究了大型异步电机启动过程中的扭振过渡 配电网中有关。1 9 9 3 年s h a l t o u t 等在研究了大型异步电机启动过程中的扭振过渡 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 过程时，为了考虑负载对系统启动特性的影响，在电机模型基础上加上了负载转 子系统这一部分，客观上构造了机电传动系统的机电耦合模型，但是并没有从动 力学上对该系统进行研究。此后他按同样的思路研究了大型异步电机制动过程的 扭振行为。1 9 9 6 年r a n 等人开始睨确建立感应电机与负载转子系统合成的同一的 机电耦合传动系统模型。以此模型为基础，y a c a m i n i 等人提出了利用电机定子电 流监测系统扭振的方法。邱家俊以机电分析动力学理论基础建立了一个二质体的 机电传动系统模型，分析了电机定、转子电阻和扭转剐度对稳定性的影响。其研 究思想的闪光之处在于，将麦克斯韦的电磁场理论和拉格朗日的分析力学理论结 合在一起，构造了被称为机电耦合动力学的统一理论，并以该理论为基础解释或 分析了一系列非线性振动现象。 可见，同步控制领域的机电耦合问题的研究有着重要的现实意义。 1 3 同步控制理论的发展现状 研究机械系统的同步理论，以保障机器在最佳或较佳状态下工作，这是研究工 作的出发点。 最早发现机械系统的振动同步现象或自同步现象的是h u y g e n s ( 1 6 2 91 6 9 5 ) ， 他把两台挂钟同时挂在可摆动的薄板上，并满足一定的条件时，可以观察到这两 台挂钟的钟摆实现同步摆动。 同步的定义最早于1 6 7 3 年由惠更斯给出1 4 】，他针对耦合自激振动系统中的锁 频现象，将同步定义为两个系统的相位保持一致的状态。 从1 8 9 4 至1 9 2 2 年，同步现象在非线性电路中也被许多科学家，如r a y l e i g h 、 v i n c e n t 、m o i l e r 、a p p l e t o n t 、v a i ld e rp o l 所发现，并称这种现象为“频率俘获”。 “频率俘获”或称为“同步”，是非线性振动系统的特有现象。 对于这些工作在同步状态下或定速比状态下的机械，其传动方式或传动原理， 从发展的过程来看，经历了四个阶段p 】； 第一代同步传动方式是强迫同步传动，即刚性传动( 如齿轮传动) 或柔性传动 ( 如链或带传动) 实现同步。在6 0 年代，工业部门广泛采用这种强迫同步方式或强 迫等速比传动方式，使两根或多根转轴获得方向相同( 或相反) 的回转，而它们的转 速成一定比例或者相等，以满足所需的工业要求。这种传动方式存在着结构复杂、 笨熏传动系统需要经常维修以及工作噪音大等缺点。同时因传动装置的限制，各 转子之间的安装距离不能太大【6 】，因此这种传动方式并不能完全满足工程实际需 要。 第二代同步传动方式是振动同步( 对于双激振器振动机) 与电轴同步( 对于般 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 机械) 。即对两台或多台异步电动机分别驱动的两根或者多根传动轴进行自同步传 动。在振动机器中，称为振动同步传动。7 0 年代初期，前苏联学者b l e k h m a n v l 提 出了比较完整的自同步理论，同时，自同步振动机在工业部门中得到了广泛的应 用。此后，自同步理论相继在前苏联、德国和日本成为当时的学术热点。我国学 者也于同期开展了系统的研究工作【8 2 1 ，并于1 9 8 2 年出版了国内该领域的第一部 专著【n 】。8 0 年代初，苏联学者b l e k h m a n 又将自同步理论扩展到整个自然界同步 现象的研究中。生命科学中心脏起搏细胞的同步振动、蟋蟀的齐声鸣叫、粒子物 理学的同步辐射、激光列阵的相位锁定现象以及化学溶液系统中的自同步震荡等。 这些不同现象中的共性规律可能蕴涵了自然界中普遍存在的某种统一的基本规 律。在这里。同步作为事物自行组织的一种协调有序的行为，与统计物理学中的 耗散结构理论、协调学说和自组装理论中的许多概念之间有着十分相似和相近的 关系。统计物理学中的许多概念和思想可对广义同步问题的研究起到启发和借鉴 作用。广义同步也可在反映牛顿力学和统计力学中的一些共性规律方面发挥着桥 梁纽带作用。 第三代同步传动方式是基于经典控制理论的控制同步传动。7 0 年代末至8 0 年 代，由于计算机技术及控制理论的发展，在机械系统同步传动中，采用控制理论 与计算机技术，不仅可以大大提高定速比传动和同步控制的精确度，而且还可以 拓宽实现定速比和同步传动的条件，扩大它的应用范围。因此。基于经典控制理 论的控制同步传动是振动同步与电轴同步传动的进步发展。 第四代同步传动是基于智能控制理论的广义同步传动。到了9 0 年代，随着科 学技术的进步，控制理论及技术正在向智能化方向发展，从工程应用的实际情况 来看，双机传动已扩展到多机传动，同步传动已经扩展到广义同步传动。因此， 可以说，同步传动理论己由第三代向第四代过渡。复杂系统动力学设计进一步提 出了各子系统之间的“协调同步”问题，如动力系统、传动系统、执行系统和控 制系统的“协同”问题。 现在，人们对自然界、人类社会和科学技术的各个领域中的同步现象和同步 问题研究还很不充分。随着科学技术的不断发展，以及工程技术领域对同步理论 与技术的需求不断增加，同步理论与技术将有可能逐步发展成为具有重要学术价 值与重大实际意义的科学技术一个新分支，并有可能发展成为- - i - j 新型科学。 1 4 本文所做的主要工作 振动利用工程中机电耦合问题的研究，国内外学者已经做了很多重要的研究 工作，取得了很多优秀成果。本文在这些研究成果的基础上，以二期9 8 5 学科建 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 设项目振动利用工程及机械系统广义同步试验平台之机电耦合同步实验台 为研究对象，做了以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 在机械运动学和经典的电机理论的基础上，在三种坐标系下建立了三相永 磁同步交流伺服电机的耦合数学模型。利用m a t l a b 软件对交流伺服电机的耦合 模型进行了仿真，仿真曲线证明了数学模型的正确性，交流伺服电机满足机电耦 合同步实验台响应快速性和运行平稳的功能要求。 ( 2 ) 在分类研究交流伺服电机机械负载特性基础上，分析了机电耦合同步实验 台负载系统与振动机系统在实现最优同步跟踪时，交流伺服电机的机械特性， ( 3 ) 通过了解机电系统基本机电元件方程和机电回路方程后，以机电勰合同步 实验台负载系统为研究对象，导出了负载系统机电耦合结构框图和机电耦合数学 模型，在此基础上验证了负载系统双闭环控制方案的正确性，也为负载系统控制 算法研究奠定了基础。 ( 4 ) 从机电耦合动力学出发，分别建立了机电耦合同步实验台振动机系统、负 载系统和主激振电机的力学耦合模型，从而获得了机电祸合同步实验台机械系统 力学耦合模型，通过对力学模型的分析，获得了负载系统和振动机系统实现最优 同步跟踪的条件，并提出了振动机系统双机主从同步控制方案。 ( 5 ) 针对负载系统的非线性和强耦合的特点，通过剖析p i d 控制算法的缺陷， 在此基础上提出了负载系统模糊p i d 控制算法，并设计了模糊p i d 控制器，控制 系统的仿真结果表明，模糊p i d 控制算法优于p i d 控制算法。 东北大学硕士学位论文 第二章机电耦合同步实验台系统设计 第二章机电耦合同步实验台系统设计 2 1 机电耦合同步实验台系统简介 机电耦合同步实验台是国家二期9 8 5 重点学科建设项目之一，该实验台主要 用于教学实验和科学研究。通过实验台的实验，一方面可以培养学生解决实际问 题的能力，加深对实验现象的理解，让学生在实验中提高观察、动手操作以及数 据分析等能力；另方面，可以研究机械系统的机电耦合问题，以及振动同步与 控制同步问题等。 机电耦合同步实验台具体可实现以下功能：单机运动过程负载检测：双机运 动过程负载检测；系统阻尼分析；相位同步控制；振动检测i 耦合分析以及耦合 状态负载检测与分析等。 同步控制实验台主要由振动机系统、负载系统和控制系统三部分组成，机械 结构如图2 1 所示。实验台的上部分是振动机系统，下部分是负载系统。p m a c 控 制卡作为控制系统的控制器，工控机作为控制卡上位机的双c p u 控制方案。 9 1 0 1 三相交流异步电机2 万向联轴结3 偏心块( a 组) 4 振动体 5 弹簧6 埔心块( b 组) 7 十字交叉轴8 交流伺服电机 9 振动箱l o 实验台支架 图2 1 同步控制实验台结构图 f i g 2 1t h es t r u c t u r cc h a r to f s y n c h r o n i cc o n t r o lt e s t 7 查些垄主堡主兰堡垒墨 苎三兰垫皇塑全璺生窒竺兰墨塾堡盐一 2 _ 2 机电耦合同步实验台振动机系统的结构设计 振动机系统位于实验台的上部，主要由两台振动电机、四组偏心块、八组弹 簧、振动体和两个变频调速器组成。 当两台电机反方向回转时，振动体做轨迹垂直与两台振动机轴心连线的直线 运动；当两台电机做同向回转时，根据振动的条件不同，轨迹有所不同。 当两台振动机转子相位为1 8 0 。时，振动体的运动为纯摇摆振动。这样会使机 体结构庞大、不紧凑，很难保证振动机参数及阻力系数相同。单质体的运动一般 为椭圆运动加轻微的摆动，使两台振动机承受交变的外负载，影响整个振动系统 工作的稳定性。 2 2 1 振动机系统的三相异步电机选型 振动机系统中，两台三相异步电机给振动机系统提供原动力。根据异步电机 转子结构的不同，异步电机可分为鼠笼式和绕线式两种。由于鼠笼式结构简单， 价格低廉，所以同步控制实验台使用鼠笼式三相交流异步电动机。根据项目设计 要求，选择的异步电机型号如图22 所示。 yr 02 2 三相 异步j 电机 机座中心高j tl 数 l 铁芯长度代号 图2 2 异步电机型号图 f i g 22t h es l x 咖 ec h a r to f s y n c h r o n i cc o n t r o lt e s t 电机的额定转速为2 8 0 0 r m i n ，额定功率为1 1k w 。 2 2 2 振动机系统的偏心块设计 机电耦合同步实验台振动机系统的两台异步电机，通过万向联轴结带动两根 轴。考虑到振动体做圆周运动的平稳性，以及负载系统跟踪振动机系统的平稳性， 每根轴上装有两组偏心块，对称分布在振动体两侧，每组中有两个偏心块，一个 为静偏心块，通过键周定在电机轴上；另一个为动偏心块，相对轴可调。通过调 节动偏心块，可改变每组偏心块的质心，从而改变偏心块的激振力，最终改变振 动机系统振动体的振幅。 机电耦合同步实验台共有四个动偏心块，四块静偏心块。具体设计参数如图 23 所示。单片的质量m ：l4 k g 。 b 查! ! 查兰堡主兰垡塑查苎三主垫量i 丝旦生塞坠鱼墨垫堡生 动偏心块与静偏心块结构基本相同，不同之处在于动偏心块的小扇形一侧开 有一个斜槽，可通过螺栓把偏心块固定在轴上。 夕夕 缓 王5 图2 3 偏心块结构图 f i g 2 3t h es t r u c t u r ec h a l to fa c t i v a t o r 2 2 3 振动机系统的弹簧设计 机电耦合同步实验台的振动机系统和负载系统由8 组共1 6 根弹簧连接在一 起，构成整个机电耦合同步实验台。负载系统的负载作用正是通过8 组弹簧作用 到振动机系统。弹簧的具体设计参数如图2 4 所示。每根弹簧总圈数为1 8 5 圈， 工作圈数为1 6 圈，旋向为右旋，展开长度为2 0 1 0 r a m ，弹簧刚度3 4 3 n m m ( 图中 单位为m m ) 。根据实验内容的不同，可使用刚度不同的弹簧，以实现不同的运动 结果。 f i l n f 3 2 & 2 8 n 图2 4 弹簧示意图 f i g 2 4t h es t r u c t u r ec h a r to f a c t i v a t o r - 9 东北大学硕士学位论文 g - - 章机电耦合同步实验台系统设计 2 3 机电耦合同步实验台负载系统的结构设计 机电耦合同步实验台的负载系统是振动机系统的负载，因而叫做负载系统， 它通过八组弹簧与振动机系统相连接。负载系统主要由两台交流伺服电机、两台 伺服驱动器、十字交叉轴和振动箱等结构组成。 2 _ 3 1 负载系统的交流伺服电机选型 伺服电动机也称为执行电动机，在控制系统中用作执行元件，将电信号转换为 轴上的转角或转速，以带动控制对象。伺服电机的最大特点是可控，通过改变控 制电压的大小和相位( 或极性) 就可以改变伺服电机的转速和转向。它与普通电机相 比具有以下特点： ( 1 ) 调速范围广，伺服电机的转速随着控制电压的改变，能在宽广的范围内 连续调节； ( 2 ) 转子的惯性小，能实现迅速启动和停转； ( 3 ) 控制功率小，超载能力强，可靠性好； ( 4 ) 整定时间短，运转平滑； ( 5 ) 维护简便，可靠性高。 伺服电动机有直流和交流之分。交流伺服电动机分为同步型和异步型两类。异 步交流伺服电动机也称交流感应伺服电动机。同步型电动机分为永磁式和励磁式 两种。永磁式交流伺服电动机又分为无刷直流电动枫和三相永磁同步电动机 ( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r , 简称p m s m ) 。 根据系统设计要求，本实验台采用的是y a s k a w a ( 安jr 1 ) 公司生产的a c 伺服驱 动一i i 系列三相交流伺服电动机。该电机调整时间短，通过新控制算法的扩充， 实现了模式跟踪控制，从而强化了对振动的控制。并采用了速度观测控制使电 机的速度波动大幅度减低，低速下亦可平滑运转。 电机自带驱动器，驱动器全部采用大规模集成电路芯片，智能功率模块控制具 备完善的保护功能；驱动器的频率响应高达5 0 0 h z ，设定时间短，响应快；具有 共振抑制和控制功能，可涵盖机械刚性的不足，从而实现高速定位；具有全死循 环的控制功能，通过外接高精度的光栅尺构成全闭的控制，进一步提高系统精度。 安川一i i 系列交流伺服电机有多种型号，包括s g m a h 系列、s g m p h 系列、 s g m g h 系列、s g m s h 系列和s g m d h 系列。系列不同，则电机转速不同，功率 不同，用途不同，带负载的能力也不同。图2 5 是安川一i i 系列交流伺服电机型 号说明图。 ，1 0 东北大学硕士学位论文 第二章机电耦合同步实验台系统设计 _ 一i 琛列伺服电机 s g m a h s g 口h s g m g h s g m s h s o m d h 型 伺服电机功率( k w ) 制动，油封规格 轴端规格 设计顺序 图2 , 5 安川z i i 系列交流伺服电机规格说明 f i g25t h es p e c i f i c a t i o no f a cs o r v om o t o ra b o u ty a s k a w az - 】is e i j o s 2 3 2 交流伺服电机的驱动器选型 安川一i 【系列交流伺服电机的驱动器型号也不同，驱动器型号主要以s g d m 系列为主。图2 , 6 是该系列交流伺服电动机驱动器型号说明图。 s g d m 0 4ad a 一i i 系 s g d m 伺 功率 功率：4 0 0 w 设计顺序 模式 电源电压 三相2 0 0 v 图2 6 安川z i i 系列交流伺服电机驱动器规格说明 f i g2 6t h es i ) e c i f i c a l i o no f a cs c r v om o t o rd r i v e ra b o u ty a s k a w a i i r i e a 根据系统设计要求，机电耦合同步实验台采购的交流伺服电机和相应驱动器的 具体型号如表2 1 所示。 表2 1 电机和驱动器的特性表 t “b k 2 1t h ec h a r a c t e r i s t i cc h a r to f m o t o ra n dd r i v e r 墨 1 一“ 1 一“ 东北大学硕士学位论文 第二章机电耦合同步实验台系皱嘏计 ( 4 ) f l a s hm e m o r y ：51 2 k x8 b i t f 5 ) 通讯方式：r s 2 3 2 串口通讯、p c i 0 4 总线通讯 ( 6 ) 4 轴控制接口电路，每轴包含： 1 2 位+ 1 0 v 模拟量输出r 用于做伺服电机的速度或扭矩控制) ； 高速脉冲+ 方向输出( 用于伺服电机的位置控制或者控制步进电机) ； 标准嗍信号输出( 用于控制直流伺服电机或者直接带电流放大器) ； 3 通道( v b z ) i e 交编码器信号输入； 4 个输入标志信号，2 个输出标志信号； p i d + n o t c h + 前馈伺服算法； ( 7 ) i o 点数：8 入4 出。 ( 8 ) 控制功能：支持工业