（农业电气化与自动化专业论文）基于步进电机模糊控制的磁瓦粘接机构研究.pdf

摘要 基于步进电机模糊控制的 磁瓦粘接机构研究 农业电气化与自动化专业硕士研究生夏茄程 指导教师谢守勇教授 摘要 随着社会不断发展进步，各种电器设备的自动化程度越来越高，电机的使用也越来越普 遍，尤其直流电机越来越广泛的使用，永磁式直流电机以其性能稳定，扭矩大，耗电省等优 点而广泛运用予各种家用电器、动力设备、精密测试设备、汽车电器等。在电机生产过程中 磁瓦粘接是制约生产线产能的一道工序，目前对于磁瓦涂胶并安装入电机机壳内的这一步骤 并没有先进的自动化设备，基本上都是依靠t 人手工涂胶再手工安装，这样导致了安装速度 慢，效率低下，安装质量不稳定，不能满足生产要求等一系列问题。 为了节约劳动力和降低劳动者劳动强度，同时避免劳动者直接接触对人体有害的粘接剂， 本课题以摩托车起动电机磁瓦粘接为背景，设计了一种基于步进电机的磁瓦粘接机构，就磁 瓦粘接机构的机械电气结构、运动控制等方面进行了一系列研究。 根据磁瓦粘接的要求和特点本文设计出了机构的机械传动部件并采用步进电机作为执行 元件，通过对步进电机的控制米完成磁瓦粘接的各步动作。建立了以a r m 7 l p c 2 1 3 1 芯片为 控制核心的步进电机闭环控制系统，通过位置反馈实现对步进电机的高精度闭环定位控制。 建立了闭环控制系统的传统函数，针对步进电机高度非线性的特点，设计了应用于步进 电机闭环控制的参数模糊自整定p i d 控制器。通过s i m u l i n k 仿真，分析了p i d 控制和模糊p i d 控制在步进电机跟踪给定位置时系统的响应情况，得出模糊p i d 控制比普通p i d 控制精度高、 超调量小。 此外本文还详细介绍了控制系统硬件和软件的设计以及模糊控制的原理。 通过试验表明，本文设计的磁瓦粘接机构能够实现磁瓦自动化粘接的基本功能。 关键词：磁瓦步进电机闭环控制p i d 参数模糊自整定 两南人硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u e dd e v e l o p m e n ta n dp r o g r e s so fs o c i e t y , a l lk i n d so fe l e c t r i c a le q u i p m e n t i n c r e a s i n gd e g r e eo fa u t o m a t i o n ，m o r ea n dm o r ew i d e s p r e a du s eo fm o t o r , i np a r t i c u l a r , m o r ea n d m o r ew i d e s p r e a du s eo fd cm o t o r s ，p e r m a n e n tm a g n e td cm o t o rw i t hi t ss t a b l ep e r f o r m a n c e ， t o r q u e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na d v a n t a g e s ，s u c ha sw i d e l yu s e di nv a r i o u sh o u s e h o l da p p l i a n c e s ， p o w e re q u i p m e n t ，p r e c i s i o nt e s te q u i p m e n t ，a u t o m o t i v ea n de l e c t r i c a la p p l i a n c e s t h ep r o d u c t i o n p r o c e s si nt h em o t o rm a g n e t i ct i l ea d h e s i v ei s ac o n s t r a i n to fap r o d u c t i o nl i n ep r o c e s s ，t h ec u r r e n t t i l ea d h e s i v ef o ri n s t a l l a t i o ni n t ot h em o t o rc a s i n g ，a n dt h i ss t e pi sn o tw i t h i nt h ea d v a n c e d a u t o m a t i o ne q u i p m e n t ，b a s i c a l l yr e l yo nt h ew o r k e r sb yh a n dc o a t i n gt h e nm a n u a l l yi n s t a l l ，t h i sh a s l e dt ot h ei n s t a l l a t i o no fs l o w , i n e f f i c i e n t ，u n s t a b l eq u a l i t yo ft h ei n s t a l l a t i o nc a nn o tm e e tp r o d u c t i o n r e q u i r e m e n t sa n do t h e ri s s u e s i no r d e rt os a v el a b o ra n dr e d u c el a b o ri n t e n s i t y , w h i l ea v o i d i n gd i r e c tc o n t a c tw i t hw o r k e r s h a r m f u la d h e s i v e s ，t h es u b j e c to fam o t o r c y c l es t a r t e rm o t o rm a g n e t i ct i l ea d h e s i v ea st h e b a c k g r o u n dt od e s i g nas t e p p e rm o t o r - b a s e dt i l e a d h e s i v ea c c e s si n s t i t u t i o n s ，t i l ea d h e s i v eo nt h e m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a ls t r u c t u r eo fi n s t i t u t i o n s ，m o t i o nc o n t r o la n do t h e ra s p e c t so fas e r i e so f s t u d i e s t i l ea d h e s i v ea c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h i sd e s i g nt h ei n s t i t u t i o n so f m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o nc o m p o n e n t sa n db yas t e p p i n gm o t o ra st h ea c t u a t o r , s t e p p e rm o t o rc o n t r o l t h r o u g ht h et i l ea d h e s i v et oc o m p l e t ee a c hs t e pa c t i o n e s t a b l i s h e daa r m 7 - l p c 2 1 3 1c h i pa st h e c o n t r o lc e n t e ro ft h es t e pm o t o rc l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e m , t h r o u g ht h ep o s i t i o nf e e d b a c kt oa c h i e v e h i g l lp r e c i s i o ns t e p p e rm o t o rc l o s e d - l o o pp o s i t i o n i n gc o n t r 0 1 c l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e mw a se s t a b l i s h e dt r a d i t i o n a lf u n c t i o n sf o rh i 曲l yn o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t i c so fs t e p p e rm o t o r , s t e p p e rm o t o ru s e di nt h ed e s i g no ft h ec l o s e d - l o o pc o n t r o lo ft h e s e l f - t u n i n gf u z z yp i dc o n t r o l l e r b ys i m u l i n ks i m u l a t i o n ，a n a l y s i so f t h ep i dc o n t r o la n df u z z yp i d c o n t r o li nt h es t e p p e rm o t o rt ot r a c kag i v e np o s i t i o n ，t h er e s p o n s eo ft h es y s t e mo b t a i n e df u z z yp i d c o n t r o lp i dc o n t r o lt h a nt h ea v e r a g eh i g hp r e c i s i o n ，s m a l lo v e r s h o o t b e s i d e s ，t h ep a p e ra l s og a v ed e t a i l so ft h ec o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g na n dt h e p r i n c i p l eo ff u z z yc o n t r 0 1 t h ee x p e r i m e n ts h o wt h a tt h ed e s i g no fi n s t i t u t i o n sa b l et oc o m p l e t et h et i l ea d h e s i v et i l e a d h e s i v er e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：m a g n e t i cs t e e l ；s t e p p e rm o t o r ；c l o s e d - l o o pc o n t r o l ；p i d ；f u z z yp a r a m e t e r s s e l f m o d u l a t i o n l l 独创性声明 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加 了特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同 仁在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者：夏移钮签字日期：出扣年莎月衫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，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。本人授权西南大学研究生院( 筹) 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，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：酊尔保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：寥夥名 签字日期：知”6 月f 日 导师签名： 彩 签字日期：函c 身年6 月7 日 第1 章文献综述 第1 章文献综述 机器或袈置庄无人干陨的情况f 按规定的程序或指令n 动进行操作或控制的过群叫做自 动化，其目标是“稳准快”。自动化技术广泛朋丁1 业、农业、军事、科学研究、交通运输、 商业、医疗、服务和家庭等方面。采f l j n 动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑 力，动咀及恶劣、危险的工作环境中解放山米而且能扩展人的器官功能，极凡地提高劳动 生产率，增值人类认识吐界和改造世界的能力。因此，自动化是工业、农业、国防和科学技 术现代他的重要条件和显著标忐i ”。 11 磁瓦粘接概述 随着杜会不断发展进步各种电器设备的自动化程度越来越高电机的使用也越来越普 遍，尤其直流电机越来越广泛的使用，永磁式直流电机以其性能稳定，扭矩大，耗电省等优 点而广泛运用于各种家_ 【 电器、动力设备、精密测试设备、汽车电器等。永磁式直流电机由 定f 磁极、转子、电刷、外壳等组成。定于磁极主要由铁氧体、铝镍钴、钕铁硼等材料制成。 按其结构形式，永磁体可以分为鲫辑型和瓦块型，如图1 - 1 、1 2 所示。 图1 - 1 永磋电机剖面图 rt ， l j 二l 一j 图1 0 磁瓦 两南人学硕十学何论文 目前永磁式电机定子磁瓦的固定方式主要有以下几种方式： 1 、卡簧扣紧方式 2 、槽位镶放方式 3 、强力胶粘贴方式 其中卡簧扣紧方式和槽位镶放方式紧固牢靠但结构复杂，安装麻烦对体积也有一定的限 制，因此适用于比较大型的电机。强力胶粘贴方式适用性广，粘接性能可靠冈此得到比较广 泛的应用。但是强力胶粘贴方式对粘贴工艺要求严格，它不但要求所用粘接剂能承受各种复 杂恶劣的环境和较大的扭力，而且要求磁瓦粘到机壳上的各个位置角度要很精确，才能保证 电机性能能达到设计者预期的设计性能。在电机生产过程中磁瓦粘接是制约生产线产能的一 道工序，据调查了解，目前对于磁瓦涂胶并安装入电机机壳内的这一步骤并没有先进的自动 化设备，基本上都是依靠工人手工涂胶再手工安装，这样导致了安装速度慢，效率低下，安 装质量不稳定，不能满足生产要求等一系列问题。综合来讲磁瓦人工粘接主要存在以下几 个问题： 1 、从上往下看，不能有效的保证磁瓦的水平位置，导致磁瓦充磁后电机的有效铁 心长度变短，输出功率变小，输出不稳定。 2 、不能有效的保证磁瓦在机壳圆周上的分布角度，造成了磁场在一个圆周内分布 不均匀，大大降低电机的效率与功率，并会导致转矩输出不稳定。 3 、在人t 涂抹磁瓦粘接剂的时候难免存在涂抹不均匀，在没有专用工装保证的情 况下，就会导致粘接后粘接剂涂层厚薄不均匀，造成磁瓦的同心度差，甚至出现扫膛现 象。 4 、磁瓦粘接所用的粘接剂中含有苯系物( 苯、甲苯、二甲苯) 、正已烷和三氯乙 烯等有害成分，工人人工涂胶长时间接触会对人体的皮肤、肺、肝脏、胃肠、神经系统 和心血管系统等造成损害。 当前，有的企业在生产过程中也采用了一些磁瓦安装辅助装置，主要用于辅助磁瓦的水平 位置和圆周上的定位，但是任然需要丁人的手工操作，算不上自动化生产。 1 2 步进电机概述 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件f 2 1 。在非超载的情 况下，电机的转速、停j 卜的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的 影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上 步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进 电机来控制变的非常的简单。根据自身的结构不同，步进电机可以分为：反应式( v r ， 磁阻式) 、永磁式( p m ) 、混合式( h b ) 三大类。步进电机的结构设计和运行原理决 定了它需要与驱动一控制环节组成伺服单元，以应用丁：相应的场合【羽。驱动与控制是两 2 第1 章文献综述 个不同的单元，但它们又是密不可分的。步进电机的发展使得原米单一驱动器加电动机 组成的开环系统逐渐演变为控制器、驱动器加电动机组成的闭环系统。 1 2 1 步进电机的开环控制 步进电机的最早应用是开环系统，在工业中大量使用的也是开环系统。步进电机的 设计思想使它开环运行的精度高于其他种类的电动机，起运行速度与控制脉冲频率呈严 格的正比关系，转过的角度与控制脉冲的个数呈严格的正比关系。现代的步进电机系统 通常都有绕组电流的简单闭环控制，如常见的微步、恒总流、恒相流驱动器。但这类系 统中电流的给定值是事先设定的，不是由外环控制器实时给定，所以也归属与开环控制 系统。在步进电机开环控制系统中电动机的转速由控制脉冲的频率决定，电动机的超前 角一直在自动调节中，直到电动机的电磁力矩和负载转矩相平衡1 3 j 。 1 2 2 步进电机的闭环控制 现代电力电子器件和微处理器水平的提高为步进电机闭环控制的进步提供了物质 基础，现代智能控制理论的发展也推动了步进电机闭环控制理论的研究。步进电机的闭 环控制正逐步向着数字化、智能化、模块化方向发展 3 1 。从系统结构来看，步进电机的 闭环控制分为两类。一类是以现有的驱动器开环控制系统为基础，加上控制器和位置传 感器构成的闭环控制系统( 如图1 - 3 ) 。在这类系统中控制器发出控制脉冲作用于驱动 器，一个脉冲对应电动机转过一步，绕组电流由驱动器控制，控制器无法实时控制电流， 控制效果不够理想。 图1 - 3 闭环系统结构 另一类是完全的闭环控制系统，由控制器直接控制绕组电流，可以达到更高的性能。 这类控制器的设计是基于步进电机的瞬时转矩表达式，以电流控制为手段，转矩控制为 目的的【3 1 。这类控制算法严重依赖于电动机的模型参数，使得控制算法复杂，效果并不 理想。 1 2 3 步进电机的模糊控制 模糊控制作为一种模拟人类思维结果的控制方式1 4 1 ，被广泛用于工业控制计领域。 模糊控制在步进电机控制领域的较早应用是对磁阻式步进电机采片j 反激法消除振荡，即 电动机接近每一步的稳定平衡位置时给电动机施加反向电流，产生反向力矩以此来减少 3 两南人学硕十学位论文 多余的能量，消除单步响应的振荡。模糊控制在步进电机闭环控制中的应用简化了控制 器结构，组成的系统对于电动机非线性不敏感。但目前模糊控制器的设计理论还不完善， 要想达到较高的性能还需要设计者对电动机非线性有正确的认识，并在磁基础上建立恰 当的模糊控制器结构和控制规则。 1 2 4 步进电机的矢量控制 矢量控制是现代电动机高性能控制的理论基础，它可以实现对电动机转矩的高效控 s d t 6 , 7 l 。矢量控制是基于电动机精确数学模型的控制方式，如何处理混合式步进电机参 数的高度非线性，真正实现矢量控制的效果，仍是有待解决的问题。 1 3 模糊控制技术的研究应用现状与趋势 模糊控制是近代控制理论中建立在模糊集合论基础上的一种基于语言规则与模糊推理的 控制理论，它是智能控制的一个主要分支1 5 l 。 1 3 1 模糊控制技术的起源与特点 传统的自动控制控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型( 即传递函 数模犁或状态空间模型) 的基础上，但是在实际中，很多系统的影响因素很多，( 如油 气混合过程、缸内燃烧过程等) ，很难找出精确的数学模型。这种情况下，模糊控制的 诞生就显得意义重大。因为模糊控制不用建立数学模型不需要预先知道过程精确的数学 模型。模糊逻辑控$ f j ( f u z z yl o g i cc o n t r 0 1 ) 简称模糊控$ 1 j ( f u z z yc o n t r 0 1 ) ，是以模糊集合 论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机智能数字控制技术。1 9 6 5 年， 美国的l a z a d e h 创立了模糊集合论：1 9 7 3 年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定 理。1 9 7 4 年，英国的e h m a m d a n i 首先用模糊控制语句组成模糊控制器，并把它应用 于锅炉和蒸汽机的控制，在实验室获得成功。这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞 堆【5 】 工 o 模糊控制技术具有如下特点： 1 、无须知道被控对象精确的数学模型，对多输入多输出、时变及滞后等复杂系统 都能进行控制，它的实现主要依赖模糊规则库，且从工业过程的定性认识出发，比较容 易建立语言变量控制规则。 2 、是一种反映人类智慧思维的智能控制。模糊控制采用人类思维中的模糊量，如： 。高”、。中”、“大”、。小”等，使得控制机理和控制策略易于理解和接受，设计简单，便于 维护和推广。 3 、构造容易。用单片机、p l c 等来构造模糊控制系统，其结构与一般数字控制系 统无异，而且随着模糊控制系统软硬件的发展，模糊控制系统的设计变得越来越简单， 4 第1 章文献综述 成本也越来越低。 4 、系统鲁棒性强，尤其适用于非线性、时变、滞后系统的控制。然而，模糊控制 的精度受到量化等级的制约；另外，对于普通的模糊控制而言，它类似于比例微分的控 制方式，还有一个非零的稳态误差，属于有差调节。如果将p i d 控制技术和它结合起 来，取长补短，发挥两者的优势就能取得更好的控制效果。 1 3 2 模糊控制国内外研究与应用现状 模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点 是既具有系统化的理论，又有着大量实际应用背景。随着计算机及其相关技术的发展， 模糊控制也由最初的经典模糊控制发展到自适应模糊控制，专家模糊控制和基于神经网 络的自学习模糊控制。其实现方式也由最初在微型机( 单片机) 上用软件方法实现发展 到应用模糊控制开发出模糊计算机进行直接控制。近年来，模糊控制从理论上到技术上 都有了长足的进步，成为自动控制领域中一个非常活跃而又硕果累累的分支【5 l 。 ( 1 ) 日本模糊控制技术的研究与应用 从2 0 世纪7 0 年代初日本就开展模糊控制的研究，1 9 7 2 年日本关东地区成立了模 糊系统研究会，1 9 8 9 年创建了国际模糊工程研究所( l i f e ) 。日本在应用方面最典型 的成果有：仙台地铁的模糊控制系统；三菱、日立和富士分别开发的电梯模糊控制系统； 理光研究的声音模糊识别系统；n t t 和法政大学研制的模糊识别c a i 系统。在信息技 术方面，日本已推出光模拟计算机、模拟模糊计算机、数字模糊计算机、神经模糊推理 系统等。日本将模糊控制技术作为跨世纪的热点技术，几乎每天都有新的模糊控制产品 问世。 ( 2 ) 美国与欧洲模糊控制技术的研究情况 美国的模糊控制工程是从美国宇航管理局( n a s a ) 开始的。美国从2 0 世纪8 0 年 代就开始研制模糊控制器，最早应用模糊逻辑控制的是水泥生产的控制。美国政府机构 也致力于神经网络和模糊逻辑的研究，除把模糊逻辑应用于航天飞行器的对接和姿态控 制外，还应用于机器人控制和图像处理。 欧洲对模糊逻辑的研究主要集中在模糊控制上。英国伦敦人学于1 9 7 4 年首先把模 糊理论用于锅炉和蒸汽机的控制，开创了模糊控制的先河；1 9 7 6 年英国的r m t o n g 发表了第一篇有关模糊控制的论文；德国研制了具有推理命令、模糊化命令、和解模糊 命令的模糊芯片f u z z y - 16 6 。 ( 3 ) 我国模糊控制技术的研究与发展状况 我国在模糊理论和应用上起步较晚，但发展迅速。1 9 8 1 年成立了中国模糊系统和 模糊数学学会。近年我国也推出了电烤箱模糊控制器、模糊控制燃气快速热水器、模糊 全自动洗衣机，以及可编程模糊控制器b f e c - - 8 9 8 等产品。这些标志这我国模糊控制 5 两南大学硕十学何论文 技术的应用研究有了长足的进步。 1 3 。3 模糊控制发展趋势 模糊控制理论是控制理论领域中很有发展前途的一个分支，鉴于它所具有的一系列 传统控制无法比拟的优点，国外专家预言，这将是下一代工厂自动化的基础，并称之为 2 1 世纪的技术。迄今为止，模糊控制技术已对我国的工业、信息产业、交通等众多领 域产生了重要影响，特别是模糊家电产品的出现更是普及了大众对模糊控制技术的认识 【4 副。 目前模糊控制下一步的发展趋势主要可归结为： ( 1 ) 硬件方面模糊计算机的研制 模糊计算机的研制包括：模糊计算机体系结构的硬件、操作系统与语言理解等项目。 处理模糊信息的处理器模糊逻辑电路已于1 9 8 4 年由日本研制成功，这意味着模糊 控制理论开始深入到硬件技术之中。目前国内已生产出能够设计出几十条控制规则的通 用模糊微型机，这种硬件系统的实现将带来模糊控制系统的新飞跃，即由目前结构：“检 测一比较一计算一执行”发展到新的结构：“识别一推理一决策一执行”。 ( 2 ) 模糊控制理论体系的突破 模糊集理论打开了研究“不确定性”的大门，它不仅包括描述客观存在的现象，而 且把人的主观认识也包含在定量的研究方法之中，这正是模糊集理论受到重视的原冈。 1 ) 系统性、奠基性的内容，有待进一步加强研究 2 ) 立足于高度智能化的模糊控制理论与应用的研究将是今后一段时间的重点课题 高度智能化的模糊系统的理论与模糊计算机的发展，需要模糊控制理论研究进一步 深入。特别是模糊控制理论研究与神经网络、遗传算法相结合，形成了人工智能中的“软 计算”科学。当然，模糊控制无论在理论上和实用上都是一门“年轻”的科学，正处于 不断发展和完善的进程之中，不像经典控制理论和现代控制理论皆以形成了比较完善的 理论体系，所以显示了它有很大的发展潜力和前途。 6 第2 章绪论 第2 章绪论 2 1 研究的意义和目的 本论文的选题来自于重庆一家生产摩托乍起动电机的工厂。在起动电机生产过程中，磁 瓦枯接这一工序，基本上都是依靠工人手工涂胶再手工安装，这样导致了安装速度慢， 效率低下，安装质量不稳定，不能满足生产要求，而且面临人工涂胶工人承受严重污染， 损害身体健康等一系列问题。为了满足生产线高质量高效率的生产要求，减少人力成本 的投入，大大降低了工人的劳动强度，实现自动化的生产。本论文拟设计一套基于步进 电机控制的磁瓦自动化粘接装置，用于磁瓦粘接这一生产环节，这样既可以提高生产过 程的自动化程度降低工人的劳动强度，还可以减少人力的投入和避免工人在粘胶过程中 与有害物质的接触。因此本课题具有现实的工程实际意义。 2 2 主要研究工作 从研究的目的出发，主要研究工作有： ( 1 ) 查阅大量相关文献，为磁瓦粘接平台的研究做好前期准备和积累； ( 2 ) 结合生产过程中磁瓦粘接的特点，构建磁瓦粘接机构的结构体系； ( 3 ) 选用步进电机作为磁瓦粘接机构的执行元件和确定控制系统的数学模型； ( 4 ) 采用模糊p i d 控制算法对步进电机进行控制，并用m a t l a b 软件对控制系统的动 态性能进行仿真分析； ( 5 ) 选用l p c 2 1 3 1 芯片，设计步进电机控制器的软硬件。 2 3 论文安排 本论文首先讨论了磁瓦粘接过程中的问题，接着介绍了步进电机常见的控制方法，和模 糊控制技术的应用和发展趋势。然后根据磁瓦粘接的特点，构建了基于步进电机控制的磁瓦 自动化粘接平台。具体安排如下：第一、二章为文献综述和引言部分，第三章磁瓦粘接平台 的机构设计，第四章控制系统的结构分析，第五章控制算法研究，第六章控制系统的实现 ( 包括：硬件电路设计和控制系统的软件设计) ，第七章试验与分析第八章为结论和建议部 分。 7 汕南人瞥硕十弘位论文 第3 章磁瓦粘接机构的设计 31 起动电机磁瓦粘接的特点 摩托车起动电机的 = 怍环境较为恶劣，i 忭条件随着摩托中的运动环境而变，既 要承受温蔫、气候、各种介质的考验还要经受摩托车运行过程中的强烈振动。起动 电机的磁瓦粘接具有以r 特点岬】： 1 、强度和可靠性要求高：磁瓦与外壳的定位和同定，完全依靠胶粘荆的粘搂作 h j ，而没有其它辅助定位和同定结构。 2 、需耍胶层有韧性具缓冲：起动电机外壳与磁瓦均属剐性结构，但磁瓦性脆， 内聚强度不够，在受冲击时，需要胶层吸收一部分能量，避免磁钢破坏。 如图3 1 所示为某一型号的摩托车起动电机： 图3 - 1 摩托车起动电机 根据摩托车车型的不同，起动电机的功率和结构形式也不相同，其功率范围为 1 0 。1 0 0 0 w 。内部结构! 口式分为两种，如图3 - 2 ，3 0 所示。 岐“赴 图3 - 2 大功率起动电机用结构图3 - 3 小功率起动电机用结构 第3 章磁瓦粘接机构的没计 磁瓦粘接要求粘接牢靠，磁瓦在水平位置和机壳圆周上的分布角度精准( 9 0 。或 18 0 。均布) ，这样才能确保起动电机的性能。 3 2 伺服机构的设计 磁瓦粘接机构的主要功能是对磁瓦进行涂胶和将磁瓦按规定的水平位置和角度 准确的粘贴在电机壳的内圆周上。主要完成的动作包括：磁瓦推送、磁瓦夹持、磁瓦 涂胶、磁瓦粘接等。作为一个自动化装置，与一般的机械系统相比，除了要求具有较 高的定位精度外，还要求有良好的动态响应特性，即响应要快，稳定性要好。通常由 控制部件、执行元件、机械传动部件，和检测传感部件等组成。 3 2 1 主要机械传动部件的选择 机械传动部件的主要功能是传递转矩和转速，其目的是使执行元件与负载之间在 转矩和转速方面得到最佳匹配。机械传动部件的传动类型、传动方式、传动刚性和传 动可靠性对伺服系统的精度、稳定性和快速响应性有重大的影响。常用的机械传动部 件有螺旋传动、齿轮传动、同步带、高速带和各种非线性传动部件等o l 。 在本文所设计的机械机构中，采用滚动丝杠螺母机构作为升降传动机构。滚动丝 杠螺母机构是一种新型螺旋传动机构，其作用是将旋转运动转变为直线运动，作为传 动部件，最大优点是摩擦阻力小、传动效率高( 9 2 9 8 ) 、运行平稳、使用寿命 长等，冈此被广泛应用在各种工业设备和精密仪器中。 3 2 2 执行元件的选择 执行元件是执行机构与电子控制装置接点部位的能量转换部件，它在电子控制装 置的控制下将输入的各种能量转换为机械能。根据使用能量的不同，执行元件分为电 气式、液压式和气压式几种类型。其中电气式因具有操作简便、编程容易、能实现定 位伺服、易与c p u 相接以及体积小、动力大、无污染等特点而得到广泛应用。 步进电机是一种将电脉冲信号转换为机械角位移的电气式执行元件。对应每一个 电脉冲，电机转子将产生一个恒定的步进运动，即一个恒定量的角位移。角位移的大 小及转速分别与输入的电脉冲数及其频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步。步进 电机具有低转动惯量、无累积定位误差；工作状态稳定不易受干扰：控制性能好，在 起动、停止、反转时不易丢步；控制系统简单等特点，适用于对位置和速度要求精度 高的系统当中。 根据机构的工作要求和上面所述，利用p r o e n g i n e e r 软件构建了磁瓦粘接机 构的模型初样图。并利用p r o e 软件包含的“机构”模块中的运动仿真与动态分析模 块对机构的运动过程进行模拟。通过机构的运动仿真和动态分析，对机构进行优化和 9 馥进，使机构能选到驶计要求，完成既定的动作如图3 - 4 所示 图3 4 磁瓦粘接机构圈 图3 - $ 磁瓦夹持机构图 一壳一壳 自 图3 - 6 定位台示意图 机构土要包括夹持磁乩的磁瓦夹( 图3 - 5 ) 、磁瓦_ f 机壳定位台( 目3 击) 、1 作台、磁 第3 市磁瓦枯接机构的设计 瓦输送槽、导轨、丝杠、抹胶头以及四个伺服电动机( 夹持电机、升降电机、定位 电机、推送电机) 。 1 、工作台采用螺母丝杠的方式在升降电机正转和反转的带动下沿导轨上下运动，工 作台上安装有磁瓦夹和驱动磁瓦夹工作的夹持电机。 2 、磁瓦夹磁瓦夹上包括活动弹片、压缩弹簧、旋转轴，旋转轴上有凸轮，其工作原 理为：在初始状态下，活动弹片的尾部在压缩弹簧的张力作用下向内合拢，活动弹片的头 部处于向外松开状态；当旋转轴在夹持电机的驱动下，旋转9 0 。时，旋转轴上的旋转凸轮 使活动弹片的尾部向外张开，而头部则向内合拢，从而夹住磁瓦，再转过9 0 。就恢复到初 始状态从而松开磁瓦。 3 、磁瓦输送采用曲柄连杆机构在磁瓦推送电机的驱动下带动一推杆在磁瓦输送槽中 往复运动，将磁瓦推送到预定位置让其被磁瓦夹夹住。 4 、定位台其主要作用为保证磁瓦在粘接时的水平位置和在圆周上按既定角度( 9 0 。 或1 8 0 。) 均匀分布。定位台上设计有一尺寸与磁瓦水平位置相应的凸台用来保证磁 瓦的水平位置。当完成一片磁瓦的粘接后，定位台在电机的带动下旋转一定角度，等 待下一片磁瓦的粘接。 5 、抹胶头抹胶头上带有抹胶毛刷，在工作台夹持住磁瓦沿导轨向下运动的过程中， 磁瓦涂胶面与抹胶毛刷接触，完成涂胶。 机构的运动是在控制信号的作用下进行的，具体f t 作流程图，如图3 - 7 所示。 图3 - 7 机构工作流程图 两南大学硕十学何论文 3 3 机构伺服驱动控制系统设计 3 3 1 伺服驱动控制系统设计的基本要求 伺服驱动控制系统是指以机械量( 如位移、角度、速度、加速度、力和力矩等) 作为 被控制量的一种自动控制系统。伺服驱动控制系统由控制信号，驱动功能单元，执行单元 三部分组成。控制信号有检测信号，标准信号，计算机自动控制输出信号；驱动功能单元 有功率信号控制器，变频调速控制器，步进电机驱动控制器，液压控制器，气压控制器等； 执行单元是直流电动机，直流伺服电动机，交流电动机，交流伺服电动机，力矩电动机， 步进电动机，伺服油缸和电液电动机等。 伺服驱动控制系统设计的基本要求包括以下几点【9 1 ： 1 、高精度控制 高精度设计要求：一是驱动控制满足定位准确的要求，定位误差小，特别是重复定位 误差小；二是跟随精度高，跟随误差小。 2 、快速响应好、无超调 驱动控制系统的动态性能要求：一是设计的驱动控制系统在频繁的启动、制动、加速 和减速时快速响应要好，在跟踪控制、实时检测控制中无超调；二是当负载变化时，控制 工作特性不产生振荡。 3 、调速范围宽、低速稳定性好 要求伺服驱动系统提供的最高和最低速度两者之比刻达到1 0 1 0 0 倍。无论在高速或低 速条件下，输出的力或转矩稳定，工作稳定可靠。 4 、快速的应变能力和过载能力强 伺服驱动控制系统应能承受频繁的启动、制动、反向运动、加速、减速的冲击，还应 能承受较大的过载能力。 在本文所研究的磁瓦粘接机构中，由于对转角和转速的精度要求较高，而步进电机具 有控制性能好，能够精确的控制转子的转角和转速，有良好的缓冲定位能力，本身作为一 种脉冲数字式控制的装置，容易和计算机连接构成智能控制系统。因此选择步进电机做为 执行机构。 3 3 2 提高步进系统运行精度的措施n 1 1 步进系统是一个开环系统，步进电机的质量、机械传动部件的精度和控制电路的完善 程度，对系统的运行精度有很大影响。通常采用以下措施来提高步进系统的精度。 1 、细分控制电路 步进电机的细分是指把步进电机的一步分得再细一些，如四细分电路，将使原来一个 脉冲运行一个步距角变为运行四分之一个步距角。通过细分控制电路后，步进电机的运行 1 2 第3 章磁瓦粘接机构的设计 振动荡明显减小，提高了运行的平滑性和精度。 2 、步进电机的闭环控制 在开环控制下，步进电机的性能受到了很大的限制，无法获得电机运行是否有丢步， 采用位置反馈来确定与转子位置相适应的正确相位转换，可以大大地改进步进电动机的性 能。采用闭环控制，可以获得更加精确的位置控制和高得多、平稳得多的转速。 在本研究中，由于机构的运行误差( 如丝杠和螺母副的传动误差等) 和步进电机在起 动和停止时的误差，使得整个控制系统出现误差，为了尽量减小和消除系统的误差，采用 闭环控制方式，在控制系统中采用控制算法获得更加精确的位置控制和更加平稳的转速。 整个伺服驱动控制系统包括控制器、步进电机驱动器、步进电机、减速机、工作平台、光 电码盘等几个部分。图3 8 为伺服驱动控制系统控制功能框图。 图3 8 伺服驱动控制系统基本结构图 3 4 步进电机的选择 步进电机是该控制系统的重要组成部分，是系统的动力来源。步进电机的选择是一项 重要的工作，需要与系统总体设计相协调。选择原则一般包括：步距角、转矩、最高运行 频率、最大角速度、最大角加速度等。具体步骤，如图3 - 9 所示。 1 、步距角步距角是在一个一个电脉冲信号的作用下，步进电机转子转过大的机械 角位移。它与步进电机的相数m 、转子齿数z 、以及绕组的通电方式有关。步距角的计算公 式为： 口a 一两 1 ， 式中：n r 步进电机绕组相数； 种进电机转子齿数； k 一绕组通电方式。单拍时，k = l ；双拍时，k = 2 。 1 3 两南大学硕十学何论文 常见的步距角有0 3 6 。、0 4 5 。、0 6 。、0 7 2 。、0 7 5 。、0 9 。、1 2 。、1 5 。、1 8 。 等。 习 i _ j 图3 - 9 步进电机选型步骤 2 、转矩步进电机的转矩选择要根据总的负载转矩r 兼顾起动转矩、运行转矩和定 位转矩。 ( 1 ) 最大静转矩l 。：最大静转矩( 保持转矩) 是指步进电机在通电状态下，使转子 离开平衡位置的极限转矩值，它反应了步进电机承受外加转矩的特性。 ( 2 ) 起动转矩丁。起动转矩是指步进电机单项绕组励磁时所能带动的极限负载转矩。 ( 3 ) 矩频特性步进电机在连续运行时，输出的转矩和运行的频率有关。如图3 - 9 。 从图中曲线可以看出，步进电机的输出转矩跟运行频率是： f 线性的，对于给定的负载 转矩t l ，在小于f ，的频率范围内可以不失步地直接起动；在，一，。之间可以连续运 转，但不能直接起动；当频率超过，。时，步进电机将会出现失步或者堵转的现象。 ( 4 ) 定位转矩在本控制系统中步进电机作为被控对象要求具有一定的保持力矩，不 允许被控对象处于自由状态。所以应考虑选择永磁式或混合式步进电机。 1 4 飞| 婢- m ) t l 图3 _ 9 步进电机的矩频特性曲线 伽z 第3 章磁瓦粘接机构的设计 3 、步进电机的计算 步进电机的计算一般分为以下几个步骤【1 0 l ： 根据机械系统的结构，计算出加在步进电机转轴上的总转动惯量，。； 计算不同- t 况下步进电机转轴上的等效负载转矩乙； 取其中最大的等效转矩，作为确定步进电机最大静转矩的依据； 根据运行矩频特性、起动惯频特性等，对所选步进电机进行校核； 在本文所设计的磁瓦粘接平台中，由图3 - _ 4 可知，编号升降电机具有最大负载，因 此以升降电机作为计算标准。 1 ) 、步进电机转轴上的总转动惯量，。的计算 加在步进电机转轴上的总转动惯量j 。主要包括电动机转子的转动惯量、减速装置与丝 杠螺母机构和工作台折算到电动机转轴上的转动惯量。 je li 】m 3s ji jl (4-2) 式中：y 。为电动机转子的转动惯量；，。、y ，、o r r 分别为丝杠、减速机、和工作台折 算到电动机转轴上的转动惯量。 2 ) 、步进电机转轴上的等效负载转矩乙的计算 步进电机转轴所承受的负载转矩在不同上况下是不同的。分为快速空载起动( 工作负 载为0 ) 和承受最大工作负载。 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩乙1 丁。鼋1 = 丁max+丁，+to(4-3) 其中 t m , x 吐p 等 4 ， 式中：，叼一步进电机转轴上的总转动惯量； 一电动机转轴的叫加速度； ，一电动机转速； 乞电动机加速所用时间，一般在0 3 - 1 之间选取。 ，fph z ，4 万厶 ( 4 - 5 ) 式中：f ，一导轨的摩擦力；p 一丝杠的导程；，7 传动效率；i 一总的传动比。 由于丝杠螺母副的传动效率很高，所以瓦一丝杠预紧后的附加摩擦转矩，通常可以忽 略不计。 1 5 两南大学硕十予：何论文 最大工作负载下的电动机转轴所承受的负载转矩毛2 ( 4 6 ) t p g2 = t t + t ，- t - t o 其中： 丁。 生- 竺l 2 万r f ( 4 7 ) 式中：t 一最大工作载荷。 r 。口一1 3 1 1a xt 。孽。，r 。叮2 ) ( 4 - 8 ) 将所的乙乘上安全系数k ( 取值范围为2 5 4 ) ，用瓯来作为初选步进电机的最大静转矩。 根据上面的分析和实际负载转矩的计算，本研究所选的步进电机型号为d m 5 6 5 4 a 的 两相混合式步进电机，该型号步进电机参数如表3 - 1 所示。 表3 - 1 步进电机参数表 3 5 驱动器的选择 步进电机需要专用的驱动器配合才能正常工作，步进电机驱动器由环形分配器，型号 放大处理、推动级、驱动级等组成，如图3 1 0 所示。步进电机在控制器软件控制下进行工 作，环形分配器的功能和电机运行的速度都是由控制器软件来实现。环形分配器接受控制 器发出的时钟信号，产生步进电机各相导通或截- i 卜脉冲，驱动步进电机运动。保护电路的 作用是在过电流、过热、过压、欠压情况下，保证驱动器的安全。步进电机驱动方式主要 包括恒相流驱动、恒总流驱动、升频升压驱动和微步驱动等i ) 。 图3 1 0 步进电机驱动器框图 在本系统中，步进电机的驱动采用s h 2 0 4 0 3 两相混合式步进电机细分驱动器。该驱动 器的设计保证了可以适应较宽的电压范围，用户可根据各自的情况在i o v 到4 0 v d c 之间选 1 6 第3 章磁瓦粘接机构的设计 择。采用h 桥双极恒相流驱动( 原理图如图3 1 1 ) ，最大3 a 的八种输出电流可选，最大6 4 细分的七种细分模式，输入信号光电隔离，标准共阳单脉冲接口。还设计了错相保护电路， 当两相电机与驱动器连接时，即使接错相，驱动器也不会被损坏。 ? 图3 1 1h 桥斩波恒相流驱动电路原理图 3 6 位置反馈传感器的选择 在本研究中，为了尽量减小和消除系统的误差，在控制系统中引入检测环节，采用了 闭环控制方式。检测环节将检测到的步进电机实际位移反馈到控制器，控制器根据反馈得 到的运动部件实际位移和速度来调整输入脉冲的个数和频率，从而精确的控制步进电机的 运行速度和角位移。 光电编码角度检测传感器是一种广泛应用的编码式数字传感器。它通过光电转换将输 出轴上的机械角位移量转换成脉冲形式的数字信号输出。