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东北大学硕士学位论文 摘要 双机传动机械系统同步控制的研究 摘要 在自然界和工程技术的各个部门中，同步现象与同步问题随处可见。同步原 理不仅是人类生活与工程技术领域的一种必要机制，而且也是科学技术与生产力 发展的一大动力。 随着工业的快速发展，人们对各种机械性能和产品质量要求的逐渐提高，单 单针对一台电机的控制在某些场合己经不能满足现代化高科技发展的要求，而需 要人们控制多台电机，使其更好地协调运行。多机传动机械系统的同步控制正是 这样- - f - 机械技术与电子技术有机结合的科学技术。因此，研究机械系统的同步 控制问题具有重要的理论意义和实际应用价值。 本文把电力拖动控制系统理论和机械系统动力学两个方面的知识有机地结合 起来，研究了交流电动机驱动的双机传动机械系统的同步控制问题。本文首先进 行了机械同步控制实验台的整体结构设计，并以其为研究对象进行了双机传动机 械系统同步控制的相关研究，主要完成了以下几个方面的工作： ( 1 ) 控制系统的总体方案设计，分析了实验台控制系统的构成及其组成原理 和系统的控制方式，确定了主从式控制的控制方案。 ( 2 ) 同步控制实验台的结构设计及动力学参数计算，根据需要研究的问题进 行了实验台的整体结构设计及其他零部件的结构设计，并根据设计资料计算了实 验台的动力学参数。 ( 3 ) 同步控制实验台的动力学分析，根据实验台的动力学模型进行了双机传 动机械系统同向回转和反向回转情况的研究与分析，并通过两个偏心转子所受的 惯性力矩进行了两个偏心转子相位差的控制分析。 ( 4 ) 同步控制策略分析与计算机仿真分析，建立了机械系统的动力学模型和 感应电动机的数学模型，最后完成了基于机械系统动力学模型的计算机仿真分析， 结果表明本控制系统可以取得良好的控制效果。 关键词：双机传动机械系统；主从式控制：速度同步控制；相位同步控制 东北大学硕士学位论文a b s r r a c t s t u d yo ns y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lo f m e c h a n i c a ls y s t e mw i t ht w i n - m o t o rd r i v e s a b s t r a c t t h es y n c h r o n o u sp h e n o m e n aa n dp r o b l e m sc a nb ee a s i l yf o u n di nn a t u r ea n d t e c h n o l o g i c a ld e p a r t m e n t s t h es y n c h r o n o u sp r i n c i p l e i sn o t o n l yt h en e c e s s a r y m e c h a n i s mo ft h eh u m a nl i v i n ga n dt h ef i e l do fe n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y , b u ta l s oa p o w e rt od e v e l o pt h es c i e n c e ，t e c h n o l o g y , a n dp r o d u c t i o n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , t h er e q u i r e m e n t so fv a r i o u sk i n d so f m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea n dp r o d u c t sq u a l i t yh a v ei n c r e a s e dg r a d u a l l y o n l yc o n t r o l o n em o t o rc a n tm e e tt h ed e m a n do fm o d e mh i t e c hd e v e l o p m e n ti ns o m eo c c a s i o n s ， p e o p l e n e e dt oc o n t r o ls e v e r a lm o t o r sa n dm a k et h e mr u nc o o r d i n a t e l y t h e s y n c h r o n o u sc o n t r o lo fm u l t i u n i td r i v es y s t e m si sj u s tas c i e n c et e c h n o l o g yo r g a n i z e d w i t hm e c h a n i c a lt e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho f s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lo fm e c h a n i c a ls y s t e mw i t hm u l t i - r o t o ri si m p o r t a n ti nt h e o r y a n d p r a c t i c a la p p l i c a t i o nc o s t i nt h i sp a p e r , t h et h e o r yo fe l e c t r i cp u l l i n gc o n t r o la n dt h ed y n a m i c so f m e c h a n i c a l s y s t e mb r ec o m b i n e dt os t u d yt h es y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lo fm e c h a n i c a ls y s t e mw i t h t w i n m o t o r d r i v e s f i r s t l y , t h ew h o l e s t r u c t u r eo ft h et e s t b e do f m e c h a n i c a l s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o li sd e s i g n e d ，a n ds o m es t u d i e so ft h es y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lo f m e c h a n i c a ls y s t e mw i t ht w i n - m o t o rd r i v e sa r ed o n et h r o u g ht h et e s t b e d t h em a i n c o n t e n t sa r en u m e r a t e di nt h ef o l l o w i n g ( 1 ) t h ew h o l ec o n t r o ls c h e m eo f t h et e s t b e di sd e s i g n e d ，a n dt h ec o m p o s i n go f t h e c o n t r o ls y s t e ma n di t sp r i n c i p l ea n dt h ec o n t r o lm o d eo ft h es y s t e ma r ea n a l y z e d f i n a l l y ，t h ec o n t r o ls c h e m eo f t h em a s t e rs l a v ec o n t r o li sd e t e r m i n e d ( 2 ) t h es t r u c t u r eo ft h et e s t b e do fm e c h a n i c a ls y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o li sd e s i g n e d ， a n dt h ed y n a m i c sp a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e d ，a c c o r d i n gt op r o b l e m st os t u d y ，t h ew h o l e s t r u c t u r eo ft h et e s t b e da n do t h e rp a r t sa r ed e s i g n e d ，a n dt h ed y n a m i c sp a r a m e t e r so f t h et e s t - b e da r ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ed e s i g nd a t a ， ( 3 ) t h ed y n a m i c so ft h et e s t - b e do fm e c h a n i c a ls y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l a r e i l l 型掣焦墼 些! 坠竖 a n a l y z e d a c c o r d i n gt od y n a m i c a lm o d e l so ft h et e s t - b e d ，t h er o t a t i n gi n s t a n c ei nt h e s a m ed i r e c t i o na n di nt h er e v e r s ed i r e c t i o na r es t u d i e da n da n a y z e d ，a n dt h e n t h e c o n t r o lo fp h a s ee r r o ro ft h et w oe c c e n t r i cr o t o r si s a n a l y z e db ya n a l y z i n gt h ei n e r t i a l t o r q u e so f t h et w oe c c e n t r i cr o t o r s ( 4 ) s t r a t e g i e so fs y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o la r ea n a l y z e da n dc o m p u t e rs i m a l a t i o n s a r ec a r r i e do u t t h ed y n a m i c a lm o d e lo ft h em e c h a n i c a ls y s t e ma n dt h em a t h e m a t i c s m o d e lo fi n d u c t i o n - m o t o ra r es e tu p f i n a l l y ，t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n sb a s e do nt h e d y n a m i c a lm o d e lo ft h em e c h a n i c a ls y s t e ma r ec a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt l l a tt h i s c o n t r o ls y s t e mc a nm a k es a t i s f a c t o r yp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：m e c h a n i c a ls y s t e mw i t ht w i n - m o t o rd r i v e s ；t h em a s t e rs l a v ec o n t r o l ；s p e e d s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l ；p h a s es y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l 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已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：z 诣刚 日 期：伽6 军了日w 日 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。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 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 同步是自然界、人类社会及工程技术领域中客观存在的一种运动形式。所谓 同步，是指两个或两个以上的物件、物体或所观察的对象实现相同或相似的运动 形式或物理形态，如相同的速度、相同的相位和相同或相似的运动轨迹等，这写 所要求达到的同步形式或物理形态，我们称之为同步参数【】。 在机械系统中，两个或两个以上物件，如转轴、机构、杆件、油缸、活塞， 甚至是整个机器在相同的( 或具有一定比值的) 位移、速度、加速度、相位或作 用力的条件下实现同步运转，即称为同步。 具有多个感应电动机驱动且要求其各转速保持同步关系的机械系统很多。工 程中的许多机械，例如大型同步轧机、三峡工程中使用的升船机、辊式破碎机、 煤球机、大型闸门、粗纱机t 2 1 、冶金工厂中的多轴辊道、拉伸式矫直机、双滚筒或 多滚筒驱动的带式输送机、造纸机、桥式龙门起重机、飞剪机等机械设备，都要 求它们的回转轴有接近相同的速度或有相同的相位，即所谓“同步”。这就需要采 用适当的方法来满足他们的工作要求，目前最常用的方法是采用控制的方法，即 应用“控制同步”的方法。 在多变量控制的实践中，有很多场合需要各受控量的控制过程相互配合和“协 调”，使各变量之间保持某种协调关系，使整个系统处在技术上合理、经济上合算 的协调工作状态中。例如，在染整机械中，要求速度上升均匀、协调，使织物通 过加工机械各部分的张力恒定。多台电机的同步控制问题直接影响系统的可靠性 和控制精度。 而电动机在实际工作过程中，由于其技术参数的差异，外载荷的不均匀性以 及随机干扰等因素的影响，要保证各转子同步旋转是十分困难。多电机协调控制 是制造与生产过程中经常用到的很重要的控制，其中有要求几台电机的轴严格同 步传动的，如门型吊车、水闸闸门、升降桥等；有的则要求几台电机转角或转速 的比值按某一规律连续变化，如造纸机、塑料薄膜机机【3 】等。在这些系统中多个电 机之间协调结果的好坏，直接影响生产效率及产品质量。因此，研究研究机械系 统的同步控制问题具有重要的理论意义和实际应用价值。 查! ! 查堂堡主兰垡丝塞 塑二童笪望 1 2 机械系统同步控制研究领域的发展和现状 1 2 1 异步电动机调速控制的优势 直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机，虽然目前不如交流电动机应 用普遍，但是，直流电动机具有比交流电动机较为优良的调速和起动性能。它的 调速范围广，平滑性、经济性较好，采用晶闻管调速系统更为方便；它的起动转 矩较大，这种性能对有些机械的拖动是十分重要的。 直流电动机也有它显著的缺点1 4 ：一是制造工艺复杂，生产成本高；二是运 行时由于电刷与换向器之间容易产生火花，可靠性较差，维护较麻烦。人们虽做 过很多研究工作来改善交流电动机的性能，但还不能全部用交流拖动来代替直流 拖动。因而，在某些机械的拖动中，仍需用直流电动机。 表1 1 直流调速与变频调速比较 t a b l e1 1t h ec o m p a r eo f d cc o n t r o l l i n gs p e e da n dv v v fc o n t r o l l i n gs p e e d 注 ：表示差 表示般d 一表示良好 p g 表示脉冲编码器 异步电动机是在国民经济各部门应用最广泛的一种电动机。据统计，异步电 动机的总容量约占电网总动力负载的8 5 t 6 1 。在工农业生产以及日常生活中，用 来拖动各种类型的机床、轧钢机、起重机、搅拌机、破碎机、运输机以及通风机 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 和水泵等。 直流调速与异步电动机变频调速的比较见表1 1 。 异步电机主要用来作为电动机，与直流电动机相比较，它具有结构简单、制 造容易、价格便宜、坚固耐用、运行可靠、维护方便、效率较高等优点，因此得 到广泛的应用。但异步电动机也有一些缺点，最主要的是调速性能差，不能经济 地实现范围较广的平滑调速，必须从电网吸取滞后的励磁电流，使电网功率因数 降低。但是一般的生产机械并不要求大范围的平滑调速，而电网的功率因数又可 以采取其他办法来进行补偿。特别是由于现代电子技术迅猛发展，各种大功率半 导体器件如可控硅等的出现，使得交流调速有了飞越的进步并已进入与直流调速 相媲美、相竞争的时代。伴随着我国四个现代化的迅速发展，异步电动机连同交 流调速的重要性将更加显著。 1 2 2 电气传动系统控制的研究概况与发展 随着交流传动系统的飞速发展，交流调速系统正以良好的动态、静态性能广 泛应用于工业生产的各个领域，打破了过去传动领域内直流调速系统所占的统治 地位。二十一世纪将是交流调速占统治的时代。 电气传动系统的控制，其发展过程大致可分为三个阶段【7 1 ； 1 大约从3 0 年代到5 0 年代。当时生产机械对电气传动系统的要求，只限于 起动、制动和调速。在这一时期主要是以常系数线性微分方程为工具分析、设计 电气传动系统，即分析系统静态机械特性和参数的关系，并根据工艺要求确定系 统参数，设计起动、制动电阻，控制继电器的整定值等，系统主要采用继电一接 触控制器、鼓式控制器、主令控制器等。 2 大约处在5 0 年代到7 0 年代。随着生产工艺的不断强化，生产效率不断提 高，劳动条件不断改善，对于电气传动系统提出了更高的要求。例如起动、制动 过程要求响应快，有的机械要求起、制动平稳，如乘高速电梯、城市地铁或电车 等。此外，有的生产机械要求扩大调速范围，以保证较低速运行。除起、制动快 速或平稳外，还有准确定位要求，例如电梯平层精度，再有就是多机传动机械系 统，要求多台电机按恒速比同步协调运行。这时期的电气传动系统称为自动电气 传动系统，直到现在各技术领域的生产机械上仍然大量使用这类闭环反馈电气传 动控制系统。 3 自7 0 年代起至现在。随着生产工艺的发展和生产机械的改进，对电气传动 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 系统提出越来越高的要求。例如在加速制动过程方面，要求在条件允许的前提下 起动时间最短，也就是最大限度充分利用设备的能力。此外，要求电气传动系统 在起制动过程消耗能量最小，以最经济的条件运行。在平稳起制动过程方面则要 求满足平稳条件下尽量加快起制动过程，即所谓平稳快速的控制功率。正是由于 生产的要求，随着现代控制理论和电力电子器件、传感技术的发展，各种超大规 模集成电路高速v l s i 芯片的出现，整个拖动领域进行一场革命。尤其是交流电机 的调速理论取得了突破性的进展。7 0 年代由b l a s c h e 等人提出的感应电动机的矢量 控制方法，将感应电动机的转矩电流和励磁电流分别控制，使得交流电动机可以 象直流电动机一样控制【引。原直流电动机调速系统领先的一些领域，如宽广的调速 范围，较高的稳定精度，快速的动态响应和四象限运行等方面，交流电动机调速 系统都可以与之相媲美。对于电动机运行过程中参数随其运行温度的变化而变化 和电动机系统的数学模型的建立问题，国内外学者基于现代控制理论研究出了各 种在线和离线的辩识方法，有基于感应电动机磁场饱和的感应电动机参数辩识方 法，有电机参数的最小二乘法、频晌法及相干分析法，对于存在噪音的电机控制 系统，则采用卡尔曼滤波法【l 引。最近几年来。国内外学者对感应电动机的无速度 传感器控制从理论到实验进行了深入的研究工作，取得了重大的研究成果，其中 有基于自适应控制理论的模型跟踪自适应的感应电动机无速度传感器磁场定向控 制方法，转子电阻自适应的感应电动机磁场定向控制方法，有使用卡尔曼滤波算 法的感应电动机矢量控制法1 1 4 | 1 等等。 感应电动机的无速度传感器磁场定向控制代表着电力传动系统控制的未来发 展方向 1 卯，尤其是在多机传动机械系统的同步控制过程中，系统结构复杂，安装 光码盘或测速发电机不便，而且测速发电机的引入还会带来系统的测试误差。但 若能实现感应电动机的无速度传感器控制，通过检测得到的感应电动机的输出电 流和输入电压来估计感应电动机的运行速度，会方便可靠。以上这些研究工作使 电力拖动控制系统的性能获得了一定的改善，但他们仍然是基于系统精确的数学 模型的基础上，有的需要大量的传感器、观测器。因而结构复杂，有的还无法摆 脱非线性和电机参数变化的影响，因此，学者们又进一步探讨了解决这个问题的 新途径。 近年来，智能控制研究非常活跃，并在许多领域里获得了成功的应用。由于 智能控制无需对象的精确数学模型，并可以在处理不精确性和不确定性的问题中 获得可处理性、鲁棒性，因而许多学者进行了将智能控制引入电力拖动系统的研 东北大学硕士学位论文第一章鳍论 究，认为未来十年内它将开创功率电子和运动控制的新纪元【l6 】。模糊控制理论在 电力传动系统中获得研究成果有：模糊控制器在电机速度控制过程中的应用，其 中包括基于简单模糊控制器的速度控制，模糊p i d 控制器在调速中的运用f 1 7 】，基 于自适应、自组织、自学习模糊控制器的速度控制【i ，基于f u z z y p i 复合控制的 调速系统1 9 1 ；基于模糊逻辑的异步电动机效率最优化控制【2 0 l ；基于模糊逻辑的绕 线式感应电动机转差功率再生系统( s p r s ) ，其中包括基于简单模糊控制的s p r s , 自适应模糊控制的s p r s 【2 l 】；模糊逻辑在电机模型及参数辩识中的应用，其中包括 模糊模型辩识在交流调速中的运用【2 2 1 、基于模糊逻辑的电机参数辩识 2 3 】；基于模 糊逻辑的逆变器的研究；模糊逻辑与现代调速理论的有机结合，其中包括电机调 速的模糊模型在线跟踪、高性能感应电动机的模糊极限环控制、基于模糊变结构 的调速系统。除此以外，模糊控制在电力传动系统中的其它方面也取得了较大的 研究成果，详见文献 1 6 1 。相信不久的将来，模糊控制会在实际的电机调速系统中 发挥不可代替的作用。 1 2 3 多机传动机械系统同步控制研究领域的发展和现状 机械系统的控制同步是一门新兴的跨学科的综合性科学技术，是机械技术、 电力电子技术和信息技术的有机综合。它的发展和其他相关技术的发展密切联系 在一起，控制同步的主要对象是电动机( 在液压系统中是油缸和活塞) ，主要控制 参数是位移、速度和相位。 凡是由多台电动机传动的生产设备，如多单元或多分部或多机架联合生产机 械，均要求各台电动机之问保持同步运行关系，以满足工艺要求。所谓同步，有 以下几种情况，一是加工材料或运动部件在经过各个夹持点时具有相同的速度， 通常称为“同步”；二是各个夹持点的速度保持某一比值关系另外。还有一种特殊 的工艺要求，它不是要求两个夹持点的线速度保持一定的比值，而是要求在不同 速度下保持恒定的速差，将这种运行方式也归为同步运行方式，这就使得同步控 制包括几种运行方式【2 4 1 。 2 0 世纪8 0 年代以来，传统的控制理论与智能控制理论都得到了迅速的发展， 并在实际工程中得到了广泛的应用，解决了许多工程中实际问题，获得了巨大的 经济效益和社会效益。 为了使两轴同步运转，必须对某一转轴的转速进行调节。在该轴的转速落后 的情况下，通过调节来增加它的转速；而在超前的情况下，应通过调节，减小其 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 转速，直到它们的转速达到相同为止。目前最常采用的连续调节交流电机转速的 方法有两种： 第一种是通过增减外负荷来调节轴的转速。即每个工作电机都加一个辅助发 电机，通过辅助发电机调节加在主电机上的外载来间接调节工作主电机的转速， 达到多个电机同步的目的。但这种方法速度调节范围小，而且很不经济，如今工 程上已不再使用。 第二种是利用变频调速技术来调节电动机的转速。变频调速技术是2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代发展起来的，是交流电机材料与结构、控制理论及方法、电子技术 发展的结果。控制理论与技术的发展，是交流调速系统的性能大大提高，并有逐 渐取代直流伺服调速系统的趋势，至今已被广泛的应用于生产实际中。 对于多电机同步控制的研究主要是深入到速度和转角的双重同步控制研究， 它的研究成功将为军事、航空以及一般工业技术领域等需要统一动作功能的多电 机提供同步控制技术。 在工业生产中，伺服控制是机械加工控制系统的基础。一个机械系统通常有 多个轴需要伺服控制，对这些轴的控制就是控制驱动轴的电动机。在这种伺服系 统中。最常见的控制算法为多电机非交叉耦合控制算法。但是由于各电机的动态 性能不可能完全一样，并且由于受到负载干扰和噪声干扰等诸多因素的影响，各 电机的动态性能也是在不断改变的。因此针对提高每一个电机控制精度，而对其 它电机具有不可预见性的多电机非交叉耦合控制策略显然不能达到多电机驱动的 高精度伺服系统的要求。针对这种情况，k o r e n 于1 9 8 0 年提出交叉耦合补偿控制 策略。由于同步控制涉及到控制多个电机，因此多变量控制成为同步控制的基本 控制算法。 自从1 9 8 0 年k o r e n 提出交叉耦合控制算法以后，许多科学工作者围绕“多电 机协调控制”展开了进一步的研究，特别是9 0 年代，己深入到速度、转角( 位置) 双重同步的多电机协调控制理论的研究。k u l k a m i 和s r i n i v a s a n ( 1 9 8 5 ，1 9 8 6 ) 详 细地分析了交叉耦合补偿控制策略，并于1 9 8 9 年引进了最优控制方案，而t o m i z u k a 等又把自适应前馈控制策略用到交叉耦合控制器中，以提高瞬间响应和抗干扰能 力。采用交叉耦合控制能有效地解决各电机之间动态性能不匹配的问题。 实际上，己经有许多科学工作者把鲁棒控制理论应用到多电机的同步控制中。 d o r a i s w a m i 和g u l l i v e r ( 1 9 8 4 ) 采用鲁棒控制设计位置环补偿器，以确保每个电机 静态跟踪误差相对于模拟参考输入小于某一容许偏差h u 等人在其设计的鲁棒控 东北大学硕士学位论文第一章绪论 制器中，把同步作为额外的限制而不是稳定的要求，结果表明：在瞬态过程中， 同步误差以较快的速度收敛。b a i l e y 和k e l l e yc1 9 9 2 ) 把定量反馈理论( q f m ) 的 幅相回路成形技术( l o p s ) 应用到多电机协调控制中，取得了很好的控制效果。蔡 明琪等人用h o o 控制理论设计控制器以克服数学模型与实际系统间的误差量，并 具有负载变化的强鲁棒性。由此可以看出i 鲁棒控制理论在多电机协调控制中应 用具有一定的可行性【2 5 】。 要实现多机传动机械系统的同步控制，机械系统的动力学分析与电力传动控 制是解决多机传动机械系统同步控制的基础，两者有机的结合是解决多机传动机 械系统同步控制问题的关键所在。 近年来，各国学者都致力于感应电动机的无速度传感器控制系统的研究，利 用检测定子电压、电流等容易测量的物理量进行速度估计以取代速度传感器，其 关键在于在线获取速度信息，在保证较高控制精度的同时，满足实时控制的要求。 1 3 本文研究的主要内容 本文针对东北大学学科建设项目机械同步控制实验台，进行了实验台的 整体结构设计和双机传动机械系统同步控制的相关研究，主要完成了以下几个方 面的工作： ( 1 ) 控制系统的总体方案设计，分析了实验台控制系统的构成及其组成原理 和系统的控制方式。 ( 2 ) 同步控制实验台的结构设计及动力学参数计算，根据需要研究的问题进 行了实验台的整体结构设计及其他零部件的结构设计，并根据设计资料计算了实 验台的动力学参数。 ( 3 ) 同步控制实验台的动力学分析，进行了双机传动机械系统同向回转和反 向回转情况的研究与分析，并通过两个偏心转子所受的惯性力矩进行了两个偏心 转子相位差的控制分析。 ( 4 ) 同步控制策略分析与计算机仿真，建立了机械系统的力学模型和感应电 动机的数学模型，最后完成了基于机械系统动力学模型的计算机仿真分析。 东北大学硕士学位论文第二章同步控制实验台的设计及动力学参数计算 第二章同步控制实验台的设计及动力学参 数计算 2 1 需要研究的问题 建立双机传动同步控制实验台的目的是为了研究以下几个问题： ( 1 ) 机械结构的空间配置； ( 2 ) 力系的产生与控制； ( 3 ) 能量输出过程分析； ( 4 ) 是否在机械结构中存在能量的超传输现象及共振过程； ( 5 ) 部件的应力以及部件内部应力状态； ( 6 ) 部件内部应力状态与力系的关系如何； ( 7 ) 机械结构中的特殊对称性关系，力的对称性、结构的对称性、状态的对 称性： ( 8 ) 能量守恒问题。 2 2 控制系统的总体方案设计 2 2 1 实验台控制系统的构成及其组成原理 图2 1 实验台控制系统结构简图 f i g 2 1t h es t r u c t u r ef i g u r e & c o n t r o ls y s t e mo f t h et e s t b e d 东北大学硕士学位论文第二章 同步控制实验台的设计及动力学参数计算 整个实验台的测试、控制系统的总体方案如图2 1 所示。检测传感器分别对主 电动机和从电动机进行速度和相位的检测，其中包括：2 0 4 8 p r 增量式光电编码器 检测电机轴角速度，检测结果经p c l 8 3 6 计数器卡传给工控机；霍尔元件进行相位 检测，检测结果经研华p c l 一8 1 8 h 型a d 采集卡传给工控机。工控机根据检测结果 对主电动机和从电动机的数据进行实时分析、处理，再根据控制策略对变频器发 出指令，对从电动机进行调整，从而使从电动机保持与主电动机一致的速度和相 位，达到同步控制的目的。 工控机对数据的分析处理工程中，以主动电机的速度和相位为输入量，从电 动机的速度和相位为反馈量，经工控机处理后输出调节值到变频器，完成对从动 电机的控制。实验台的速度控制系统原理如图2 2 所示。 图2 2 速度控制系统原理图 f i g 2 2t h ep r i n c i p l ef i g u r eo f t h es p e e dc o n t r o ls y s t e m 2 2 2 系统的控制方式 具体实现多机同步的控制方案有两种：一是对等控制方式，二是主从控制方 式。 ( 1 ) 对等控制方式：对等控制方式要求多个电动机的转子跟踪同一个指令性 指标，如速度、相位等，也就是指需同步的几个执行元件都同时跟踪理想输出而 同时受到控制并达到同步驱动的控制形式。在这种控制方式下，以同等的方式对 待每一个控制电机，而不偏袒任何一个电机，几台电机分别跟踪用户的给定值， 而不是彼此互相跟踪，因此系统跟踪给定值的效果很好。但是因为不同的电机的 动态性能不可能完全一样，并且由于受到负载干扰和噪声干扰等诸多因素的影响， 各电机的动态性能也是在不断地改变的，所以几台电机之间的精确同步也会受到 影响，在这种情况下，对等控制方式并不是最好的选择，应该考虑选择主从式控 制方式。 ( 2 ) 主从控制方式：主从控制方式要求选择系统中的一个电机为主电机，而 查! ! 查堂堡主堂堡垒苎墨三兰旦生丝型壅竺量箜堡生墨型查堂童墼盐蔓 其余电机为从动电机，控制各从动电机的转速来跟踪主电机，也就是指需同步的 几个执行元件以其中的一个执行元件作为其他执行元件的跟踪对象而进行控制并 达到同步驱动的控制形式。主动电机以用户给出的速度和位置给定值作为参考值。 在运行过程中紧密地跟踪系统的给定值，而从动电机不是跟踪用户的给定值了， 而改以主动电机的速度和位置的输出作为自已的参考值，在运行过程中紧密地跟 踪主动电机这样，在运行过程中，两台电机并不是分别跟踪系统的给定值，而是 由从动电机跟踪主动电机，使得系统的同步精度大为提高。 1 一伺服电机：2 一振动支架；3 一振动体：4 一轮胎式联轴器；5 一异步电动机： 6 一电机支架；7 一偏心块，8 一传动轴：9 摩擦片；1 0 一伺服驱动十字轴。 图2 3 实验台的整体结构圈 f i g 2 3t h ew h o l es t r u c t u r a ld i a g r a mo f t e s t b e d 2 3 实验台的整体结构设计 根据设计意图，要实现机电系统动力学耦合分析，首先构思实验台的整体结 构，初步设计其结构如图2 3 所示。 该试验台由上下两部分组成：上部分是由两台电动机分别驱动偏心转子组成 的自同步振动机，下部分是由两台伺服电动机驱动2 5 s 一1 5 0 型伺服驱动十字轴。 为了进行机电系统的动力学耦合分析，上下两部分的交接处采用了隔振弹簧和摩 东北大学硕士学位论文 第二章同步控制实验台的设计及动力学参数计算 擦片。这样该实验台不但可以进行自同步振动机的动力学耦合分析及同步控制策 略的研究，还可以分别把自同步振动机与精密定位平台作为动力设备和负载设备， 来进行自同步振动机和精密定位平台的动力学耦合分析。 本实验台的自同步振动机是由异步电动机、轮胎式联轴器、传动轴、偏心块、 振动体、振动支架、摩擦片等组成。自同步振动机是新近发展起来的先进技术， 具有下列优点： ( 1 ) 利用自同步原理代替了强制同步式振动机中的齿轮传动，使传动部的结 构相当简单； ( 2 ) 由于取消了齿轮传动，使机器的润滑、维护和检修等经常性的工作大为 简化； ( 3 ) 可以减小起动、停车通过共振区时的垂直方向和水平方向的共振振幅， 但在一些自同步振动机中，通过共振区时的摇摆振动的振幅有时会显著增大，这 是该种振动机的不足； ( 4 ) 双机驱动自同步振动机虽然增加了一个电动机，但目前工业中应用的自 同步振动机不少采用激振电动机直接驱动，使它的结构相当简单； ( 5 ) 自同步振动机激振器两根主轴，可在较大的距离条件下进行安装； ( 6 ) 该种振动机便于实现通用化、系列化和标准化。 为了使自同步振动机实现同步运转，必须满足它的同步性条件。为了获得所 要求的运动轨迹，必须满足既定同步运转状态的稳定性条件。本文将在下一章进 行详细分析。 2 3 1 初选电机 设计之前预先估计振动体质量m = 5 0 k g ，振动频率n = 9 3 0 r m i n ，设定振幅值 o 0 0 5 m 。 角速度 ：兰婴：罢一9 3 0 7 r 9 7 3 9 r a d 8 = 一= = r a 6 03 03 0 ( 1 ) 选取隔振系统的频率比及隔振弹簧刚度隔振系统的频率比： 隔振系统的频率比 z o = 3 4 隔振弹簧刚度为 东北大学硕士学位论文第二章同步拉制实验台的设计及动力学参数计算 i = 虿1t o o ) 2 = 南5 0 9 7 3 9 2 = 2 9 6 1 0 4 5 2 7 x1 0 4 n m 取4 5 5 】0 4 n m ( 2 ) 振动系统的等效阻尼、阻力系数 产0 1 4 m - - - - 0 1 4 x5 0 x 9 7 3 9 = 6 8 1 7 3k g s ( 3 ) 所需激振力幅及偏心块质量矩 m o o ) 2 ，= c o s 。口( 哎- - m o ) 2 ) 丑 式中 川o 偏心块的质量； r 偏心块的偏心距； 口相位差角； k ，一折算至振动方向上的弹簧刚度。 折算至振动方向上的弹簧刚度为 k = k s i n 2 8 = 4 5 5 1 0 4 xs i n 2 3 0 。- - - - 1 1 4 1 0 4 n m 相位差角为 r c t a n 再f c o - - - - a r c t a n 意11 4 祭1 0 朵5 0 x 9 73 9虹一m 2 4 一 2 = a r c t a n ( 一0 1 4 3 ) = 1 7 2 。 激振力为 纸t o ) 2 = 赤( 1 1 4 1 0 4 - 5 0 9 7 - 3 9 2 ) 0 - 0 0 5 = 2 3 4 x 1 0 3 n 每台电机的激振力为 三2 3 4 x1 0 3 = 1 1 7 x1 0 3n 2 每台电机上的偏心块质量矩为 r = 等= 0 1 2 3 k g m ( 4 ) 所需功率 振动阻尼所耗功率为 。击，砌22 击x 0 1 4 耐，2 = 二0 1 4 x 5 0 x 9 7 3 9 3x 0 0 0 5 2 = 0 7 9k w 1 2 - 东北大学硕士学位论文第二章同步控制实验台的设计及动力学参数计算 轴承摩擦所耗功率为 耳= 面1 矗m o 。3 r 孚 ：上0 0 0 7 o 1 2 3 2 9 7 3 9 3 x 业：0 3 9 k w 1 0 22 总功率为 尸= 寺( + 只) = 志( 0 7 9 + 0 3 9 ) = 1 2 4 k w 考虑到做实验需要调整工作状况的需要，选用两台1 1k w 的三相异步电动机。 根据异步电动机转子结构的不同，异步电动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，所以本实验台选用了鼠笼式三相交流异步电动 机。根据实验要求，选用带有双出轴的y 8 0 2 - - 2 型电机。 2 3 2 隔振弹簧的结构设计 根据实验需要，初取振动频率n = 6 0 0 f f m i n ，设定振幅值九= 5 m m ，振动机体 ( 包括两个偏心块) 的质量m = 2 8 k g 。 由于系统启动时存在远超共振现象，所以定初始压缩量为 凡= 8 2 + = 8 5 = 4 0 m m ( 1 ) 初步计算弹簧刚度 珊一2 n 2 f 竺：业：6 2 8 3 r a d s 6 03 03 0 七= 专t o o ) 2 = 万1 2 8 x 6 2 8 3 2 = 6 , 9 1 x 1 0 3 n m = 6 9 1 n m m k ：! 6 9 1 ：3 4 6 n m m 2 ( 2 ) 选材料 根据参考文献 2 7 ，选碳素弹簧钢丝c 级( 6 5 m n ) 切变模量 g = 8 1 0 4 m p a ( 3 ) 求材料直径 许用切应力【f 】_ 0 3 0 3 8 c r b ，取【f 】- o 3 吒 试取d = 4i n l n ，与其相对应的以= 1 5 2 0m p a 【】= 0 3 x 1 5 2 0 = 4 5 6 m p a 东北大学硕士学位论文 第二章同步控制实验台的设计及动力学参数计算 取弹簧指数c = 9 曲度系数 安装载荷 k ：型+ 业：翌+ 坐堕：1 1 6 2 4 c 一4 c 3 2 9 工作时最大变形量 最大工作载荷 弹簧丝直径 f o = k 凡= 3 4 6 4 0 = 1 3 8 4 n 如= 8 2 + 7 2 , = 1 5 2 = 1 5 5 = 7 5 m n l 互= 七x 五= 3 4 6 7 5 = 2 5 9 5 n 捌s 肝乩s 乎a s ，一 取弹簧丝直径为标准值 弹簧中径 ( 4 ) 有效圈数 按标准取 d = 4 m m d = c d = 9 x 4 = 3 6 t o n i 以：旦堡：! ! ! 咚垒! ! ：1 5 8 6 胁 8 d 只8 3 6 5x 2 5 9 5 ”= 1 6 ( 5 ) 弹簧实际刚度 = 篙= 裟篆以。sn 胁 ( 6 ) 初算实验载荷 实验载荷 f n d 3 ，t2 面0 式中珥实验切应力 f t = o 5 0 r b = 0 5 1 7 6 0 = 8 8 0 m p a g = 篆s s o - 6 h n - 1 4 - 东北大学硕士学位论文 第二章 同步控制实验台的设计及动力学参数计算 弹簧在实验载荷e 下的变形量 4 2 鲁2 罴= 9 一 ( 7 ) 弹簧总圈数n l 弹簧端部设计为并紧磨平的结构，每端支撑圈数取1 2 5 总圈数 1 i = f + 2 1 2 5 = 1 6 + 2 5 = 1 8 5 ( 8 ) 自由高度h o 夙m = n t m i n + 2 d 式中f 。节距 m = d + 二蔓+ 4 式中五余隙 点= 0 1 d = 0 1 4 = 0 4 r a n l “扩4 + 等+ 0 4 = 9 1 m n l 风“。= 1 6 x 9 1 + 2 x 4 = 1 5 3 6 i t l m 取h o = 1 7 0 m m ( 9 ) 计算最大载荷 压并高度 h t , = 托d = 1 8 5 4 = 7 4 m m 压并变形量 九= 凰一饥= 1 7 0 7 4 = 9 6 m m = 1 7 9 r a m 九= 9 6 m i l l 取最大变形量 j m =