伺服驅(qū)動(dòng)曲柄壓力機(jī)機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析及實(shí)驗(yàn)研究

廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文伺服驅(qū)動(dòng)曲柄壓力機(jī)機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析及實(shí)驗(yàn)研究姓名：魏航申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：材料加工工程指導(dǎo)教師：孫友松20050501摘要制潮娥是社會(huì)物質(zhì)文明發(fā)展的基礎(chǔ)，并直接影響到國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。成形機(jī)緩是攢遭受的重要的裝備之一，它也是信息產(chǎn)品、電器機(jī)械、汽車、儀器等行業(yè)中攮主要的裝備?；诮涣魉欧姍C(jī)的數(shù)字化重載機(jī)械驅(qū)動(dòng)技術(shù)，是高新技術(shù)，（信息技術(shù)、自動(dòng)控制、現(xiàn)代電工、新材料等）與傳統(tǒng)的機(jī)械技術(shù)的結(jié)合。它可替代液壓伺服系統(tǒng)，兼有機(jī)械傳動(dòng)和液壓伺服的優(yōu)點(diǎn)，將其作為機(jī)械壓力機(jī)主傳動(dòng)，可以大大提高壓力機(jī)的性能、可靠性和智能化水平。本論文簡要地?cái)⑹隽水?dāng)前伺服壓力機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)和進(jìn)展情況，同時(shí)對(duì)伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)的可行性進(jìn)行了分析，確定了在當(dāng)前技術(shù)及經(jīng)濟(jì)條件下所采取的研究方案；根據(jù)設(shè)計(jì)方案及性能要求，制定了結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)及理論分析，在此基礎(chǔ)上建立了整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；并依此建立了基于ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ軟件的仿真模型，并根據(jù)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)；本文的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)部分詳細(xì)闡述了實(shí)驗(yàn)的方案及過程。由仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果及樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：１．仿真實(shí)驗(yàn)所得電機(jī)運(yùn)行特性、電機(jī)轉(zhuǎn)速、相電流、滑塊位移和速度曲線合乎理論和實(shí)踐，所建立的仿真模型是準(zhǔn)確有效的。２．本課題所研究的伺服曲柄壓力機(jī)可以實(shí)現(xiàn)滑塊任意工作曲線，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)任意工作特性下的沖裁和拉深工作，壓力機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。３．針對(duì)曲柄壓力機(jī)研制的永磁無刷商流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可行，電機(jī)的力能指標(biāo)能滿足壓力機(jī)沖擊性負(fù)載的要求。４．證實(shí)電容器可以起到兩方面的作用，第～是充當(dāng)“電子飛輪”，在工作過程中起到能量補(bǔ)償和能量回收的作用；第二是在受到峰值負(fù)荷時(shí)減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊的作用。本文所建立的伺服曲柄壓力機(jī)數(shù)值仿真方法，可方便地預(yù)測(cè)各種輸入?yún)?shù)下的系統(tǒng)工作特性和電氣特性，為系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化和工作性能的評(píng)估提供了一個(gè)有力的工具。關(guān)鍵詞成形；設(shè)備；壓力機(jī)；交流伺服；直流無刷電動(dòng)機(jī)；數(shù)值仿真ＡｂｓｔｒａｃｔＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｉｓｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｎｐｈｙｓｉｃａｌｃｉｖｉｌｉｚａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｓｏｃｉｅｔｙ，ｗｈｉｃｈｄｉｒｅｃｔｌｙｅｆｆｅｃｔｓｔｈｅｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｔｈｅｎａｔｉｏｎａｌｅｃｏｎｏｍｙ．Ｗｈｉｌｅ，腳ｆｏｒｍｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｓａｒｅｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｉｎｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇａｎｄａｌ醅，ａｒｅｔｈｅｍａｉｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｉｎｓｏｍｅｏｔｈｅｒｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ，ｓｕｃｈａｓｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ，ｍｅｃｈ棚ａｙ，ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ，ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ａｎｄＳＯｏｎ．ＢａｓｅｄｏｎＡＣｓｅｒｖｏｍｏｔｏｒｓ，ＮＣＨｅａｖｙＤｕｔｙＭｅｃｈａｎｉｃａｌＤｒｉｖｉｎｇｉｓａｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｎｅｗａｎｄｈｉｇｈｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｕｔｏｃｏｎｔｒｏｌ，ｍｏｄｅｍｅｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃｓ，ｎｅｗｍａｔｅｒｉａｌ，ｅｒｅ．）ａｎｄｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｕｓｅｄａｓｍａｉｎｄｒｉｖｉｎｇｉｎｆｏｒｍｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｉｔｃａｎｒｅｐｌａｃｅｓｅｒｖＯｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍｓｗｉｔｈｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｂｏｔｈｓｅｒｖｅｈｙｄｒａｕｌｉｃａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓ，ｉｍｐｒｏｖｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｌｅｖｅｌ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅｒｖＯｐｒｅｓｓｅｓａｔｐｒｅｓｅｎｔｉｎｂｒｉｅｆ．Ｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆｐｒｅｓｓｅｓｉｓａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄａｌｓｏｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｐｐｒｏａｃｈｅｓａｄｏｐｔｅｄｕｎｄｅｒｐｒｅｓｅｎｔｔｅｃｈｎｉｃａｌａｎｄｅｃｏｎｏｍｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐｌａｎａｎｄｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ，ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｃｈｅｍｅｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｅｌｅｃｌｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｉｓｓｅｔｕｐｂｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｏｒｙａｎａｌｙｓｅｓｔｏｔｈｅｓｅｉ＂ＶＯｄｒｉｖｅｎｐｒｅｓｓ．Ｗｉｔｈｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｏｎＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋｓｏｆｔｗａｒｅｉｓｓｅｔｕｐａｎｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｓｅｒｖｏｄｒｉｖｅｎｔｅｓｔｐｒｅｓｓ．Ｔｈｅｓｃｈｅｍｅａｎｄｐｒｏｃｅｄｕｒｅｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｒｅｅｘｐａｔｉａｔｅｄｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐａｒｔｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｒｅｉｎｄｉｃａｔｅｄａｓｆｏｌｌｏｗｅｄ：１．Ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｒｏｔａｔｅｓｐｅｅｄ，ｐｈａｓｅｃｕｒｒｅｎｔｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｅｓｅｒｖｏｍｏｔｏｒａｎｄｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｖｅｌｏｃｉｔｙｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｅｓｌｉｄｅｆｒｏｍｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｒｅｃｏｎｆｏｒｍｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｈｅｏｒｙａｎｄｐｒａｃｔｉｃｅ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓａｃｃｕｒａｔｅａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．２．Ｔｈｅｓｅｒｖｏｄｒｉｖｅｎｐｒｅｓｓｃａｎｒｅａｌｉｚｅｔｈｅａｎｙｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｓｏｆｔｈｅｓｌｉｄｅ，ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｉｔｃａｎｗｅｌｌｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｂｌａｎｋｉｎｇａｎｄｄｅｅｐｄｒａｗｉｎｇｕｎｄｅｒｖａｒｉｏｕｓｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｄｕｒｉｎｇｔｈｉｓｃｏｕｒｓｅ，ｔｈｅｐｒｅｓｓｗｏｒｋｓｓｔｅａｄｉｌｙ．３．ＴｈｅｓｅｒｖｏｄｒｉｖｅｎｓｙｓｔｅｍｏｆＲａｒｅＥａｒｔｈＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＤＣＭｏｔｏｒ（ＢＬＤＣＭ）ｄｅｖｅｌｏｐｅｄｆｏｒｔｈｅｓｅｒｖｅｐｒｅｓｓｉｓｆｅａｓｉｂｌｅａｎｄｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒＣａｎｍｅｅｔｔｈｅ．ＩＩ—ｄｅｍａｎｄｏｆｔｈｅｓｔｒｉｋｅｌｏａｄｉｎｇ．４．Ｉｔｉｓｃｏｎｆｉｒｍｅｄｔｈａｔｔｈｅｃａｐａｃｉｔｏｒｆｕｎｃｔｉｏｎｅｄｉｎｔｗｏｗａｙｓ；ｗｏｒｋｉｎｇａｓ‘‘ｅｌｅｃｔｒｉｃｆｌｙｗｈｅｅｌ’’ｔｏｓａｖｅａｎｄｄｉｓｃｈａｒｇｅｅｎｅｒｇｙ，ａｎｄｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｉｍｐａｃｔｔｏｅｌｅｃ仃ｏｃｉｒｃｕｉｔｗｈｅｎｓｕｆｆｅｒｅｄｐｅａｌ【ｌｏａｄｉｎｇ．Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｃｒｖｏｄｒｉｖｅｎｃｒａｎｋｐｒｅｓｓｃａｎｅａｓｉｌｙｆｏｒｅｃａｓｔｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｕｎｄｅｒｖａｒｉｏｕｓｉｎｐｕｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｗｈｉｃｈｃａｎｂｅｏｆｆｅｒｅｄｆｏｒｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＦｉｒｍｉｎｇ，Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｐｒｅｓｓ，ＡＣＳｅｒｖｏ，ＢｒｕｓｈｌｅｓｓＤＣＭｏｔｏｒ，ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉ０１１第ｌ章緒論第１章緒論１．１課題來源、背景及研究意義本課題來源于由廣東工業(yè)大學(xué)和廣東鍛壓機(jī)床廠有限公司聯(lián)合承擔(dān)的廣東省計(jì)委科技攻關(guān)項(xiàng)目《數(shù)字機(jī)械驅(qū)動(dòng)技術(shù)》，目的是根據(jù)伺服曲柄壓力機(jī)機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)建立機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行壓力機(jī)工作過程的仿真研究，為壓力機(jī)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。１．１．１伺服驅(qū)動(dòng)曲柄壓力機(jī)開發(fā)的目的和意義制造業(yè)是社會(huì)物質(zhì)文明發(fā)展的基礎(chǔ)，并直接影響到國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。成形機(jī)械是制造業(yè)的重要的裝備之一，它也是信息產(chǎn)品、電器機(jī)械、汽車、儀器等行業(yè)中最主要的工藝裝備之一。按傳動(dòng)方式，成形機(jī)械分為機(jī)械壓力機(jī)和液壓機(jī)兩大類。機(jī)械壓力機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。但其行程固定，壓力不易控制，尤其是滑塊運(yùn)動(dòng)特性固定，不能改變，對(duì)工藝的適應(yīng)性很差。在一些工藝有較高要求的場合，則需使用液壓機(jī)或特殊的機(jī)械壓力機(jī)。液壓機(jī)有工作Ｉ半穩(wěn)、行程、壓力可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，而其生產(chǎn)率相對(duì)較低。尤其是在高性能的液壓系統(tǒng)中，常采用液壓伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，如數(shù)控折彎機(jī)、數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)、注塑機(jī)、壓鑄機(jī)等。與機(jī)械傳動(dòng)相比，這種系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，但也存在不少缺點(diǎn)，主要是：（１）能耗大，效率低。例如僅伺服閥在調(diào)速時(shí)就消耗了所控液壓能量的２／３以上，加上其它控制元件，大量能量變?yōu)闊崮苁褂蜏厣?，還要再用水來冷卻：（２）可靠性差，故障率高。這主要是伺服系統(tǒng)對(duì)溫度和油液的污染十分敏感以及控制元件多、控制系統(tǒng)復(fù)雜所致。（３）油液泄漏易造成環(huán)境污染，引發(fā)火災(zāi)；（４）控制系統(tǒng)復(fù)雜，機(jī)構(gòu)龐大，等等。本項(xiàng)目研究基于交流伺服電機(jī)的數(shù)字化重載機(jī)械驅(qū)動(dòng)技術(shù)，將其作為機(jī)械壓力機(jī)主傳動(dòng)，這將是成形裝備的一個(gè)重大突破。它是高新技術(shù)（信息技術(shù)、自動(dòng)控制、現(xiàn)代電工、新材料等）與傳統(tǒng)的機(jī)械技術(shù)的結(jié)合。它不但可保留目前機(jī)械Ｊ東ｌ業(yè)大學(xué)工學(xué)碩十學(xué)位論義壓力機(jī)生產(chǎn)率高、操作簡單的優(yōu)點(diǎn)，而且可進(jìn)一步簡化壓力機(jī)結(jié)構(gòu)，克服存在的主要缺點(diǎn)，滑塊特性可變，速度、力量可控。大大提高壓力機(jī)的性能、可靠性和智能化水平，降低能耗，減輕重量?？梢院敛豢鋸埖卣f，這一技術(shù)的成功應(yīng)用，將會(huì)使具有百年歷史的機(jī)械壓力機(jī)發(fā)生革命性的變化。ｔ．１．２伺服曲柄壓力機(jī)機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析的目的、意義１．根據(jù)伺服曲柄壓力機(jī)機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)建立機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，并對(duì)機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真，以預(yù)知電機(jī)的動(dòng)態(tài)行為，并為機(jī)電參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。系統(tǒng)仿真的作用在于：（１）對(duì)尚未建立起來的系統(tǒng)進(jìn)行方案論證及可行性分析；（２）在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中利用仿真技術(shù)可以幫助設(shè)計(jì)人員建立系統(tǒng)模型，進(jìn)行模型簡化及驗(yàn)證，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：（３）在系統(tǒng)建成之后，可以利用仿真技術(shù)來分析系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，尋求改進(jìn)系統(tǒng)的最佳途徑，找出最用的控制策略［１］。對(duì)于本課題，機(jī)電系統(tǒng)的數(shù)值仿真可以直觀的預(yù)測(cè)到電機(jī)輸入?yún)?shù)的動(dòng)態(tài)變化情況及電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作對(duì)比，可以優(yōu)化機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。２．根據(jù)壓力機(jī)滑塊運(yùn)動(dòng)特性及負(fù)荷情況，求得電機(jī)同步輸入動(dòng)態(tài)參數(shù)變化情況，為多種沖壓工藝的實(shí)現(xiàn)提供依據(jù)。在金屬成形加工領(lǐng)域中，曲柄壓力機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用，但其沖壓運(yùn)動(dòng)特性固定被認(rèn)為是其工作行程限制因素中最重要的一個(gè)因素。不同的加工工藝對(duì)零件變形過程中速度的變化特性提出了各種不同的要求，為了滿足這些要求，傳統(tǒng)方法多采用多連桿、非圓齒輪等機(jī)構(gòu)形式，使曲柄壓力機(jī)以最佳的性能適應(yīng)具體工藝用途。然而，在這種機(jī)構(gòu)形式中，驅(qū)動(dòng)曲柄的角速度為一個(gè)常量，輸出桿以不變的轉(zhuǎn)速被驅(qū)動(dòng)，輸出桿的運(yùn)動(dòng)特征決定于機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)，這種恒速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多連桿機(jī)構(gòu)始終受到機(jī)器結(jié)構(gòu)的限制。一般同一種機(jī)構(gòu)形式無法滿足多種沖壓工藝對(duì)滑塊運(yùn)動(dòng)速度的要求［２］。由于伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速具有良好的可控性，因而可以通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)沖壓機(jī)構(gòu)，以便于可以獨(dú)立的控制滑塊的位置和速度，這樣可以通過一種連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)第１章緒論多種工藝。對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和電機(jī)進(jìn)行的動(dòng)態(tài)分析可以得到任意工藝喵線下的機(jī)電動(dòng)態(tài)參數(shù)變化情況，這可以為多種沖壓工藝的實(shí)現(xiàn)提供電機(jī)動(dòng)態(tài)輸入方面的依據(jù)。１．２國內(nèi)外相關(guān)課題研究現(xiàn)狀及分析１。２．１伺服電機(jī)用于壓力機(jī)的研究長期以來，電機(jī)調(diào)速和控制主要依賴童流電機(jī)，囿于價(jià)格高和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)存在著價(jià)格昂貴和炭刷磨損兩大致命弱點(diǎn)，只有軋鋼機(jī)一類的少數(shù)要求較高的設(shè)備才采用調(diào)速；一般成型設(shè)備的控制則比較簡單，均采用普通交流異步電機(jī)，速度、壓力等參數(shù)不能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)【３ｌ。與液壓系統(tǒng)相比，機(jī)械傳動(dòng)的成型裝備最大的問題是其運(yùn)動(dòng)參數(shù)固定，調(diào)節(jié)困難。多年來，人們一直希望能增加機(jī)械成形裝備的柔性，使設(shè)備的工藝參數(shù)能得到方便的調(diào)節(jié)，以便實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化、提高工作性能。１９８３年日本和美國分別發(fā)明了稀土制作的強(qiáng)永磁合金，經(jīng)過三代發(fā)展，現(xiàn)已成為性能最好的永磁材料，其磁能積高出鐵氧體一個(gè)數(shù)量極以上。用這種強(qiáng)磁臺(tái)金制造的電機(jī)體積小、重量輕、出力大，效率高，動(dòng)作快；又由于控制技術(shù)的發(fā)展，９０年代變頻技術(shù)得到了迅速推廣應(yīng)用，技術(shù)不斷更新，成本不斷下降。在此基礎(chǔ)上，八十年代末、九十年代初，交流無刷同步電機(jī)在國內(nèi)外得到普遍螢視，并開始在工業(yè)裝備中應(yīng)用，全電動(dòng)注塑機(jī)的開發(fā)就是一個(gè)典型的例子。日本日精公司在８３年開發(fā)了首臺(tái)全電動(dòng)注塑機(jī)，發(fā)展為ＥＳ系列產(chǎn)品，較傳統(tǒng)液壓式注塑機(jī)節(jié)能２５．６０％，１９９７年推向市場，１９９８年獲日本年度優(yōu)秀產(chǎn)品獎(jiǎng)。日本及美國在９０年代初開始進(jìn)行大交負(fù)荷重載機(jī)械驅(qū)動(dòng)的研究，但目前僅局限于個(gè)別小功率成形機(jī)械的場合。如日本小松公司和村田公司分別在９０年初試制了數(shù)字化機(jī)械驅(qū)動(dòng)的數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)１４］和ＣＮＣ折彎機(jī)．其傳動(dòng)原理為伺服電機(jī)一精密螺旋。ＥＮＯＭＯＴＯ公司在其電動(dòng)螺旋壓力機(jī)中，己開始采用交流伺服技術(shù)，開發(fā)了１００．１０００ｔ的伺服螺旋壓力機(jī)。在伺服驅(qū)動(dòng)曲柄壓力機(jī)的開發(fā)方面，早在９０年代初，美國俄亥俄州立大學(xué)的１ＹＩｏｓｓｉｆｏｎ和ｓ１１ｉｖｐｕｒｉ【５ｌ【６ｌ口１就研究了使用交流伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的雙肘桿壓力機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了參數(shù)選擇及優(yōu)化，并制造了３００ＫＮ的雙動(dòng)機(jī)械壓力機(jī)。日本ＡＩＤＡ．ＤａｙｔｏｎＩ！ｌｋ公司目前已開發(fā)出一系列能達(dá)到８０噸公稱壓力的伺服驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)用于電子產(chǎn)業(yè)，但是也適用于一般用途的Ｃ形機(jī)床，這種機(jī)床已在廠東工業(yè)大學(xué)工學(xué)硬士學(xué)位論戈日本ＪＩＭＴＯＦ貿(mào)易展覽會(huì)中公開亮相伊】。在這臺(tái)設(shè)備中，伺服電機(jī)取代了傳統(tǒng)的主驅(qū)動(dòng)電機(jī)、飛輪、離合器和制動(dòng)器。經(jīng)齒輪箱與驅(qū)動(dòng)軸相聯(lián)，伺服電機(jī)可通過直接驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸來控制滑塊行程。２００３年，小松公司也開發(fā)出一條伺服壓力機(jī)生產(chǎn)線，并在２００４年３月北美的Ｍｅｔａｌｆｏｎｎ＿．Ｆ＿首次亮相，原理如圖Ｉ－Ｉ。此設(shè)計(jì)用兩臺(tái)伺服電機(jī)通過皮帶減速。帶動(dòng)滾珠絲桿運(yùn)動(dòng)，再通過肘桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滑塊上下運(yùn)動(dòng)唧。國內(nèi)方面，浙江大學(xué)葉云副１０】【１１１自８０年代末開始研究矗線伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鍛壓設(shè)備，成功地完成了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)小型壓力楓的研制?，F(xiàn)在己能小批生產(chǎn)５ＫＮ、１０ＫＮ、３１．５ＫＮ、６０ＫＮ沖壓機(jī)，更大噸位的壓力機(jī)還在試制中。陸永輝１１２１、盧宗武㈣、張策【１４１等人分別采用了混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，用伺服電機(jī)與常規(guī)電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)，如圖ｌ’２。在這種方案中，常規(guī)電機(jī)用來傳遞主要?jiǎng)恿Γ欧姍C(jī)則通過調(diào)整五桿機(jī)構(gòu)來控制滑塊的位移，以此可以實(shí)現(xiàn)沖壓工藝的調(diào)節(jié)。但這種方法不但不能節(jié)省提高電機(jī)效率，同時(shí)還提高了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性。閏ｌ—ｌ小松公司／／２Ｆ雙點(diǎn)倒服壓力機(jī)傳動(dòng)原理圖１－２混合輸入壓力機(jī)傳動(dòng)原理Ｆｉ９１．１Ｈ２ＦＡＣＳｅＩ＇ＶＯｔＷＯｐｏｉｎｔｐｒｅｓｓｏｆＫｏｍａｔｓｕＦｉｇｌ一２Ｈｙｂｒｉｄ－ｄｒｉｖｅｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｅｓｓ此外還有用伺服電機(jī)和較小的飛輪配合作用的壓力機(jī)方案【１５】，在傳動(dòng)系統(tǒng)中保留具適當(dāng)慣量的小飛輪，可使伺服電動(dòng)機(jī)的容量大大減少，從而使成本降低。當(dāng)然，這種傳動(dòng)方式同樣使設(shè)備的可控性降低。以上各種方案及理論探討為我們研究伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)曲柄壓力機(jī)提供了現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。第ｌ章緒論１．２．２伺服壓力機(jī)理論方面的研究由于長期以來對(duì)于伺服電機(jī)的重載驅(qū)動(dòng)難題一直無法克服，人們不得不采用混合輸入等替代方案來補(bǔ)償伺服電機(jī)扭矩不足的問題，在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)理論方面的研究領(lǐng)域里，也以混合驅(qū)動(dòng)方面的理論研究為多。上世紀(jì)９０年代初，英國的Ｊｏｎｅｓ就結(jié)合傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)和可控機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，提出一套界于二者之間的機(jī)械系統(tǒng)方案，這種機(jī)械同時(shí)具有兩類機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，因此他把之稱為“ＨｙｂｒｉｄＭａｃｈｉｎｅ“，這奠定了混合驅(qū)動(dòng)的思想。隨后，Ｔｏｋｕｚ和Ｊｏｎｅｓ在此方面進(jìn)行了長期不懈的研究，完善了“ＨｙｂｒｉｄＭａｃｈｉｎｅ”思想。在文獻(xiàn)【１６，１７，１８，１９，２０］中，分析了混合驅(qū)動(dòng)伺服壓力機(jī)的可行性，建立了模型和實(shí)驗(yàn)方案，并得到和驗(yàn)證所預(yù)期的一些工作和結(jié)構(gòu)特性。在研究中，Ｔｏｋｕｚ和Ｊｏｎｅｓ實(shí)施了兩種方案并進(jìn)行了對(duì)比，一種為全伺服控制壓力機(jī)，另一種為混合驅(qū)動(dòng)伺服壓力機(jī)。研究結(jié)果認(rèn)為，全伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的柔性較大可以滿足多種運(yùn)動(dòng)軌跡，但弱點(diǎn)是伺服電機(jī)功率不足，而采用混合輸入方案可以彌補(bǔ)這一點(diǎn)，因此他們采用了混合驅(qū)動(dòng)方案，用二自由度七連桿運(yùn)動(dòng)合成機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了變速驅(qū)動(dòng)。天津大學(xué)的張策、孟彩芳、李輝‘２１１１２２等人沿襲了Ｔｏｋｕｚ和Ｊｏｎｅｓ的設(shè)計(jì)思想，分別采用了二自由度五連桿機(jī)構(gòu)和二自由度九連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了混合驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)和精壓機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模和仿真分析。郭為忠、杜如虛【２３】等人也研究了基于混合機(jī)構(gòu)的金屬成形可控壓力機(jī)，建立了兩自由度平面七桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，以及電機(jī)力矩和功率的分配公式，并進(jìn)行了基于遺傳算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)。Ｃｈｅｗ和Ｐｌａｎ淵通過仿真研究發(fā)現(xiàn)，通過伺服電機(jī)控制凸輪變速運(yùn)動(dòng)，不僅可以改變從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，而且可以有效地降低從動(dòng)件的殘余振動(dòng)。在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)的研究中，Ｔｏｋｕｚ｜１９１首先建立了用無刷伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四桿軌跡系統(tǒng)模型，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四桿機(jī)構(gòu)可以減小連桿曲線誤差，并改善機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性。Ｒ．Ｆ．ＦｕｎｇｇｇｌＫ．Ｗ．Ｃｈｅｎｌ２５１通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析，建立伺服電機(jī)——曲柄滑塊機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)模型，并通過控制策略減小了柔性振動(dòng)及外部干擾等對(duì)系統(tǒng)帶來的不利影響。廣東工業(yè)大學(xué)Ｉ學(xué)碩士學(xué)位論文１．３伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)曲柄壓力機(jī)的可行性和設(shè)計(jì)方案的選擇１．３．１伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)曲柄壓力機(jī)的開發(fā)難點(diǎn)及解決方案多年來，在研究成形機(jī)械柔性化的過程中遇到了許多困難，影響了智能型成形機(jī)械的發(fā)展。主要的難點(diǎn)在于：１．重載伺服驅(qū)動(dòng)裝置的研制和應(yīng)用。多年來，控制電機(jī)一般只用在小功率，低轉(zhuǎn)矩的場合，而可用于重載伺服的直流電機(jī)卻在結(jié)構(gòu)上存在著機(jī)械換向和電刷這一致命弱點(diǎn)，這些都制約了伺服驅(qū)動(dòng)在重載機(jī)械中的應(yīng)用，在重載場合，長期只能依賴液壓技術(shù)。但上個(gè)世紀(jì)８０年代以來，永磁材料的發(fā)展使得體積小、大轉(zhuǎn)矩、高效率永磁伺服電機(jī)的實(shí)現(xiàn)成為可能。廣東工業(yè)大學(xué)永磁同步電機(jī)傳動(dòng)與控制研究所自９０年代初開始永磁同步電機(jī)及其控制技術(shù)的研究，自行研究試制了目前國內(nèi)功率最大的系列化永磁同步電機(jī)佇６】，最大功率達(dá)５５千瓦。己將該電機(jī)成功應(yīng)用于瓦楞紙板橫切機(jī)上［２７】，研制了專用伺服驅(qū)動(dòng)控制裝置，應(yīng)用于國內(nèi)七省數(shù)十廠家的生產(chǎn)線上。并且掌握了永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)及伺服控制技術(shù)。這使得重載伺服驅(qū)動(dòng)裝置在很大程度上可以應(yīng)用到成形機(jī)械上。２．電機(jī)的使用效率及儲(chǔ)能、電網(wǎng)沖擊問題。曲柄壓力機(jī)的負(fù)載屬于沖擊負(fù)載，即在一個(gè)工作周期內(nèi)只在較短的時(shí)間內(nèi)承受較大的工作負(fù)荷，而較長的時(shí)間時(shí)空程運(yùn)轉(zhuǎn)。若依此短暫的工作時(shí)間來選擇電動(dòng)機(jī)的功率，則電動(dòng)機(jī)的功率將會(huì)很大。為了減小電動(dòng)機(jī)功率，傳統(tǒng)的機(jī)械壓力機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)置了飛輪，這樣電動(dòng)機(jī)功率可以大為減少。在交流伺服驅(qū)動(dòng)的機(jī)械壓力機(jī)中，為獲得運(yùn)動(dòng)的可控性，取消了飛輪，使傳動(dòng)部分的慣量減到最小，工作負(fù)荷全部靠電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩克服?；瑝K的特性曲線可以任意改變，以實(shí)現(xiàn)工藝的優(yōu)化。但如果僅以電機(jī)來驅(qū)動(dòng)負(fù)載。同樣存在著電機(jī)容量大，并且價(jià)格昂貴的問題。為此，研究人員通過理論及試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)可以通過在控制電路中增加“電子飛輪”——儲(chǔ)能電容的方式來實(shí)現(xiàn)原本由飛輪來完成的能量存儲(chǔ)及瞬時(shí)能量釋放‘２引。這樣壓力機(jī)空行程時(shí)電機(jī)可以以低功率運(yùn)轉(zhuǎn)，而在滑塊變速及承受工作負(fù)荷時(shí)輸出扭矩，在電容瞬時(shí)放電的輔助下，實(shí)際所需電機(jī)功率要比沒有儲(chǔ)能裝置時(shí)要小的多。第１蘋緒論●Ｉ＿＿■●－＿＿＿■●●■■■■■■■■＿＿＿■＿●＿■｜■＿■■●●●■■■＿＿＿－自ｔ－■－＿｜－■■■■＿＿＿＿＿－目＿Ｅ目＝＿＝■●■■＿■＿●＿＿＿Ｅ■■口＿＿＿＿●＿同時(shí)，在伺服驅(qū)動(dòng)情況下，由于沒有飛輪儲(chǔ)能，直接依靠電機(jī)瞬時(shí)扭矩來克服工作負(fù)荷，因而會(huì)產(chǎn)生很大的電流沖擊，若不采取相應(yīng)措施，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成極大危害。此時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)置的儲(chǔ)能裝置，能起到“電子飛輪”的作用?？招谐虝r(shí)，它可儲(chǔ)存電能，而工作行程中，主要由它為電機(jī)提供瞬時(shí)大電流。減速時(shí)，采用電磁制動(dòng)，電機(jī)作發(fā)電運(yùn)行，制動(dòng)的能量由“電子飛輪”回收儲(chǔ)存。｛瑚３．交流伺服電機(jī)及控制器的價(jià)格大功率交流伺服電機(jī)及其控制系統(tǒng)目前價(jià)格十分昂貴，是這一技術(shù)推廣應(yīng)用的主要障礙。據(jù)不久前的市場調(diào)研，交流同步伺服電機(jī)及控制系統(tǒng)價(jià)格大約為１萬元人民ｆｆｉ／ＫＷｔｌ５】。造成這一問題有兩方面的原因，一是電機(jī)尤其是永磁同步電機(jī)制造成本高；二是大功率交流伺服電機(jī)闖世時(shí)間不長，發(fā)達(dá)國家實(shí)行技術(shù)壟斷，國內(nèi)尚未能商品化生產(chǎn)，主要靠進(jìn)口，未能形成競爭市場。永磁同步電機(jī)的關(guān)鍵材料是稀士合金，稀土資源在世界上十分稀缺，而我國恰恰是“稀土超級(jí)大國”，稀土蘊(yùn)藏量占全球的８０％，遠(yuǎn)超過世界其它各國的總和。我們完全可以利用資源優(yōu)勢(shì)，大力開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的永磁同步伺服電機(jī)，與進(jìn)口產(chǎn)品競爭，市場價(jià)格就會(huì)迅速降低?？刂葡到y(tǒng)的情況也與此類似，價(jià)格問題和國外對(duì)大功率控制模塊的壟斷不無關(guān)系?？梢钥隙ǖ卣f，交流伺服電機(jī)及其控制系統(tǒng)的價(jià)格會(huì)逐步降低，它在成形裝備的應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)越來越廣。１．３．２伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)曲柄壓力機(jī)設(shè)計(jì)方案的確定鑒于以上技術(shù)難點(diǎn)問題的解決，綜合考慮各種方案及其經(jīng)濟(jì)因素，決定采用類似與會(huì)田公司的方案，如圖ｌ－３所示。１．以普通曲柄壓力機(jī)基本架構(gòu)為基礎(chǔ)。２．采用三相交流永磁電動(dòng)機(jī)代替原有的異步電桃驅(qū)動(dòng)負(fù)載。３．取消飛輪，用電容儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量的瞬時(shí)釋放和存儲(chǔ)。４．取消離合器，直接通過電機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)的起停。５．引入數(shù)字控制技術(shù)，對(duì)輸入信號(hào)采用程序控制，以實(shí)現(xiàn)多種工作特性。６．采用速度電流雙閉環(huán)控制進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)補(bǔ)償。圖１－３伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)曲柄壓力機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Ｆｉｇｌ一３Ｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｓｅｒｖｏ－ｄｒｉｖｅｎＣｌ＇Ｂ１］ｋｐｒｅｓｓ工作過程為：首先根據(jù)工作特性輸入特定程序來控制電機(jī)輸入信號(hào)，然后伺服電機(jī)通過一級(jí)齒輪變速直接驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作，在空程階段電機(jī)低轉(zhuǎn)矩工作，電容充電，而遇到負(fù)載時(shí)電機(jī)釋放較大工作電流的同時(shí)，電容瞬時(shí)釋放大電流以克服負(fù)載阻力完成一次沖壓，然后滑快上行，電容充電，進(jìn)行下一次沖壓行為。１．３．３伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)曲柄壓力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的曲柄壓力機(jī)中，伺服電機(jī)經(jīng)一級(jí)齒輪傳動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)曲柄——連桿機(jī)構(gòu)工作，無飛輪和離合器，采用速度，電流雙閉環(huán)控制。其優(yōu)點(diǎn)在于１１．提高了壓力機(jī)智能化程度和適用范圍，提高了生產(chǎn)率并延長模具壽命這種壓力機(jī)由于其伺服功能，滑塊運(yùn)動(dòng)曲線不再僅僅是正弦曲線，而是可根據(jù)工藝要求進(jìn)行優(yōu)化的任意曲線。這就大大提高了壓力機(jī)智能化程度和適用范圍。日本將這類壓力機(jī)之為“自由運(yùn)動(dòng)”（ＦｒｅｅＭｏｔｉｏｎ）壓力機(jī)，圖１－４【８】所示為日本小松和會(huì)田等公司分別開發(fā)的該類壓力機(jī)工作特性舉例。Ａ．一模多擊：滑塊在工作過程中可以有短時(shí)停頓，多次加壓。這對(duì)于某些精壓工作和粉末冶金壓制等工藝是十分有用的，Ｂ．快速空行程～慢速壓制一快速回程：可以提高工作效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，特別適合某些難成形材料的拉深工作。Ｃ．高頻工作：可根據(jù)工件的不同，調(diào)整滑塊行程縮短循環(huán)時(shí)間。對(duì)于薄板沖第１章緒論裁，曲柄無須完成３６０度旋轉(zhuǎn)，而僅進(jìn)行一定角度的擺動(dòng)來完成沖壓工作。這就大大提高了生產(chǎn)率。Ｄ．靜音沖裁：圖示特殊的工作特性曲線，控制沖裁時(shí)沖頭的速度。從而減少?zèng)_裁的振動(dòng)和噪音，提高模具使用壽命。據(jù)小松提供的數(shù)據(jù)，該壓力機(jī)的沖裁噪音較常規(guī)曲柄壓力機(jī)降低了１００倍。又由于沒有空轉(zhuǎn)，不工作時(shí)可以完全Ａ一模多擊Ｂ快速空行程、回程，慢速工作Ｃ高頻工作（曲軸擺動(dòng)）Ｄ靜音沖裁圖１－４伺服壓力機(jī)特性舉例Ｆｉｇｌ－４ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｅｘａｍｐｌｅｓｏｆＡＣｓｅｒｖｏｐｒｅｓｓ沒有噪音，整個(gè)車間的噪音可大大降低。１２９１伺服驅(qū)動(dòng)曲柄壓力機(jī)保留了曲柄壓力機(jī)的原有優(yōu)點(diǎn)，尤其是，生產(chǎn)率遠(yuǎn)高于液壓機(jī)，體現(xiàn)了“液壓機(jī)的加工質(zhì)量，機(jī)械壓力機(jī)的生產(chǎn)效率”。還可存控制器中預(yù)存適于沖裁、拉深、壓印、彎曲等工藝以及不同材料的特性曲線，使用時(shí)，不同１藝、不同材料調(diào)用不同曲線。這就大大提高了壓力機(jī)的加工性能，擴(kuò)大了加工范圍。其加工性能完全可以與液壓機(jī)媲美。小松公刮在伺服機(jī)械壓力機(jī)上采用了特殊滑塊運(yùn)動(dòng)曲線，將工件加熱、成形集成在同一工序，成功地實(shí)現(xiàn)了鎂合金擠壓成形，解決了工件溫度控制的難題。１３０１２．節(jié)能伺服驅(qū)動(dòng)曲柄壓力機(jī)的節(jié)能主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（１）交流伺服電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速，效率高，損耗小。（２）調(diào)速時(shí)，靠改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，減速時(shí)采用電磁制動(dòng)，制動(dòng)能量可儲(chǔ)存再利用。與機(jī)械制動(dòng)和液壓傳動(dòng)的節(jié)流調(diào)速相比，可大大節(jié)省能量。Ｊ東Ｉ業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文（３）在普通壓力機(jī)中，飛輪空轉(zhuǎn)耗能約占總能耗的Ｂ一３０％，連續(xù)工作時(shí)偏低，而單次行程工作時(shí)偏高【３１１。交流伺服驅(qū)動(dòng)時(shí)，去除了飛輪，僅在需要工作時(shí)電機(jī)釋放較大能量，這一部分能量得以節(jié)省。（４）在普通壓力機(jī)中，離合器（主要指摩擦離合器）耗能約占總能量的２０％ｆ２ｌ】，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，取消了離合器，這一部分能量得以節(jié)省。（５）大多數(shù)中小型機(jī)械壓力機(jī)，采用帶式制動(dòng)器。制動(dòng)器每個(gè)周期均工作，消耗不少能量，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，制動(dòng)器僅在停車時(shí)才起作用，制動(dòng)耗能得以節(jié)省。當(dāng)然，節(jié)能效果尚決定于變流以及儲(chǔ)能和再利用的效率?？傮w而言，采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)當(dāng)是節(jié)能的。１．４本課題主要研究內(nèi)容及方法前文提及，本課題的主要目的是根據(jù)伺服曲柄壓力機(jī)機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)建立機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，在此基礎(chǔ)上通過滑塊運(yùn)動(dòng)特性及負(fù)荷情況，求得電機(jī)同步輸入動(dòng)態(tài)參數(shù)變化情況，為壓力機(jī)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。具體研究內(nèi)容及方法按章節(jié)如下：第一章介紹了本課題的相關(guān)背景、目的及研究意義，查閱了伺服壓力機(jī)方面相關(guān)資料介紹了國內(nèi)外在此領(lǐng)域的技術(shù)背景和進(jìn)展情況，同時(shí)對(duì)伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)的可行性進(jìn)行了分析，確定了在當(dāng)前技術(shù)及經(jīng)濟(jì)條件下所采取的研究方案，并介紹了伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的曲柄壓力機(jī)的優(yōu)點(diǎn)所在，充分闡述了本項(xiàng)目的意義所在。第二章主要是對(duì)伺服壓力機(jī)的傳動(dòng)及執(zhí)行部分進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，通過甲面矢量三角形法及歐拉交換導(dǎo)出曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程；用平面靜力甲衡方程對(duì)其進(jìn)行了靜力分析，并通過等效慣性矩法剮其加入了動(dòng)載荷分析。進(jìn)而完成了整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)建模。第三章首先介紹了本課題所采用的直流永磁無刷電動(dòng)機(jī)，并存一定的簡化條件下，分析了電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而根據(jù)課題設(shè)計(jì)方案加入了儲(chǔ)能電容及控制策略，建立了電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。第四章建立了基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ軟件的仿真模型，通過仿真試驗(yàn)與理論第１章緒論結(jié)果相對(duì)比，對(duì)整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。然后利用此模型分析了電機(jī)同步輸入動(dòng)態(tài)參數(shù)變化情況，并為部分設(shè)計(jì)方案提供了理論依據(jù)。第五章根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)伺服壓力機(jī)進(jìn)行了相關(guān)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。在對(duì)樣機(jī)能力進(jìn)行標(biāo)定之后，首先進(jìn)行了空載恒速及變速實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上分別進(jìn)行了負(fù)載沖裁及拉伸實(shí)驗(yàn)，對(duì)預(yù)期設(shè)想和仿真模型進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。最后在結(jié)論中綜合闡述了本文的主要研究成果，并對(duì)在今后的研究工作及需要注意的地方做出了說明。第２章伺服曲柄壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析傳統(tǒng)的曲柄壓力機(jī)由普通異步電機(jī)經(jīng)減速后帶動(dòng)曲柄勻速旋轉(zhuǎn)，再通過連桿帶動(dòng)滑塊上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)壓制工作。除部分壓力機(jī)曲柄長度可調(diào)外，一般的曲柄壓力機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)是固定的，因而滑塊的運(yùn)動(dòng)特性曲線是固定的［３２１。曲柄壓力機(jī)作為一種通用設(shè)備，其加工對(duì)象是多種多樣的，它們的工藝特性極不相同。伺服曲柄壓力機(jī)要在單機(jī)上滿足各種工件工藝特性的要求，必須使壓力機(jī)滑塊的運(yùn)動(dòng)特性可調(diào)整，也就是要對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行有效控制，這必然要求對(duì)壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)模式及受力情況進(jìn)行準(zhǔn)確的分析。２．１傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析２．１．１運(yùn)動(dòng)分析的目的和方法機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，就是根據(jù)原動(dòng)件的己知運(yùn)動(dòng)規(guī)律，求出該機(jī)構(gòu)其他構(gòu)件上某些點(diǎn)的位移、軌跡、速度和加速度，以及這些構(gòu)件的角位移、角速度和角加速度。通過對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度分析，可以了解從動(dòng)件的速度變化規(guī)律能否滿足工作要求，還可以了解機(jī)構(gòu)的受力情況。運(yùn)動(dòng)分析既可以判斷一個(gè)機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣，為選擇最好的機(jī)構(gòu)提供依據(jù)，同時(shí)也是機(jī)構(gòu)動(dòng)力分析的基礎(chǔ)。壓力機(jī)多連桿機(jī)構(gòu)一般都屬于單自由度的平面連桿機(jī)構(gòu)。平面運(yùn)動(dòng)分析的方法主要有圖解法和解析法和實(shí)驗(yàn)法三種。圖解法的特點(diǎn)是形象直觀，但作圖較繁瑣，精度一ｉ高。圖解法常用的方法有：速度瞬心法和相對(duì)運(yùn)動(dòng)圖解法等。實(shí)驗(yàn)法需要專門的儀器設(shè)備。而解析法則可以得到較高的計(jì)算精度，盡管其建立數(shù)學(xué)關(guān)系式時(shí)較復(fù)雜，計(jì)算工作量也較大，但隨著計(jì)算機(jī)的普及和發(fā)展，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的解析法發(fā)展得很快?！яZ解析法一般是先建立機(jī)構(gòu)的位置方程，然后將位置方程對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得速度方程和加速度方程。在本課題中，壓力機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由一級(jí)傳動(dòng)齒輪及結(jié)點(diǎn)正置的藍(lán)柄滑塊機(jī)構(gòu)組成。由于所使用的圓形齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比固定，下面?zhèn)戎赜谑褂脧?fù)數(shù)矢量法對(duì)結(jié)點(diǎn)正置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。釜：耋堡璧苧塑生２墨謄翌蘭墨塑壟蘭坌塹２．１．２曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析ｙ圖２－ｉ伺服曲柄壓力機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)簡圈Ｆｉ９２—１Ｔｈｅｍｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｃｒａｎｋ—ｓｌｉｄｅｍｌｅｃｈａｎｉＳｉｌｌ圖２一ｌ為本課題所研究的伺服驅(qū)動(dòng)曲柄式壓力機(jī)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖，曲柄長ＯＡ＝ｌ，，連桿長ＡＢ＝，：，由于伺服電機(jī)具有輸出轉(zhuǎn)速、力矩可控的特點(diǎn)，其滑塊的運(yùn)動(dòng)曲線任意可控，整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)為時(shí)間和曲柄轉(zhuǎn)角的函數(shù)。根據(jù)工藝過程的具體要求，預(yù)先設(shè)定曲柄的角位移仍（ｔ）、角速度ｕ?（ｔ）、角加速度ｅ，（ｔ），通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，即可獲得滑塊的位移Ｓ（ｔ）、速度Ｖａ（ｔ）、加速度ａ。（ｔ）。已知吼（ｔ）、ｕｌ（ｔ）、ｅ．（ｔ），依照矢量三角形法則，有：，１十１２＝ｘ曰（２．１）．＿——一用復(fù)數(shù)形式表示為：Ｉｉｅ‘媯＋１２ｅ７忱＝Ｘ口１１ｃｏｓ（ｐｌ＋１２ｃｏｓｑ’２２‰，ｌｓｉｎ妒１＋Ｚ２ｓｉｎ％＝０由歐拉公式展開分別取實(shí)部和虛部：脯ｓｉｎ仍＝一廠１１ｓｉｎ仍＝一觸仍舯五＝２｝連桿角速度：國２＝一旯！業(yè)∞ｌｃｏｓ純滑塊位移：Ｓ口＝一ｘ母一（，２一，１）＝１１（１一ｃｏｓ（ｐ１）一１２（１＋ｃｏｓ々０２）（２－２）滑塊速度：％ｏ）＝魯鉑‘掣娌‘３’滑塊加速度：％（ｆ）：ｄＶ，Ｂ：坐型業(yè)￡墮竺＆鯉ｋ照嶇（２＿４）ａｔＣＯＳ夠，其旃ｍ）一ｓｉｎ（一生產(chǎn)）∞：ｔ）＝－－ｆａｔ。怒占：（ｆ）：絲ｓｉｎ許一，２?毛?ＣＯＳ‘０１＋，２ｔ∞；?ｓｉｎ２ｆ２－ｃｏｓ妒２％＝＿『１…ｉｎ紙一魯掣ｉｎ妒．‰：＾咖。ｃ。ｓ吼＋冬ｍ：ｃ。ｓ妒。（２．５）其中妒：（ｆ），∞：和），Ｅ２０）分別為連桿的角位移、角速度和角加速度，％，％分別為連桿中心速度的橫軸分量和縱軸分量。第２章伺服曲柄壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析２．２傳動(dòng)機(jī)構(gòu)力學(xué)分析２．２．１機(jī)構(gòu)力學(xué)分析的目的和方法在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中，其各個(gè)構(gòu)件都受到力的作用，所以機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程也是機(jī)構(gòu)受力和做功的過程。作用在機(jī)械上的力，不僅是影響機(jī)械的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能的重要參數(shù)。而且也是決定相應(yīng)構(gòu)件尺寸及結(jié)構(gòu)形狀等的重要依據(jù)。所以不論是設(shè)計(jì)新的機(jī)械．還是為了合理地使用現(xiàn)有的機(jī)械，都必須對(duì)機(jī)構(gòu)的受力情況進(jìn)行分析。研究機(jī)構(gòu)力分析的目的有二：（１）確定運(yùn)動(dòng)副中的反力。對(duì)于設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)各個(gè)零件和校核其強(qiáng)度、測(cè)算機(jī)構(gòu)中的摩擦力和機(jī)械效率等，都必須已知機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副反力。（２）確定機(jī)構(gòu)囂加的平衡力或平衡力矩。對(duì)于確定機(jī)器工作時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)功率或能承受的最大負(fù)荷等都是必需的數(shù)據(jù)。對(duì)于低速機(jī)械，由于運(yùn)動(dòng)構(gòu)件因慣性力而引起的動(dòng)載荷不大，故可忽略不計(jì)。這種不計(jì)動(dòng)載荷而僅考慮靜載荷的計(jì)算稱為靜力分析。但是對(duì)于高速機(jī)械，由于其動(dòng)載荷很大，往往大大超過其他靜載荷，因此不能忽略不計(jì)。這種同時(shí)計(jì)及靜載荷和動(dòng)載荷的計(jì)算稱為動(dòng)力分析。在機(jī)構(gòu)的動(dòng)力分析中，一般采用動(dòng)態(tài)靜力法，即根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，假想地將慣性力加在產(chǎn)生該力的構(gòu)件上，則在慣性力和所有的其他外力作用下，該機(jī)構(gòu)或其中構(gòu)件都可以認(rèn)為是處于平衡狀態(tài)，因此可以用靜力學(xué)的方法進(jìn)行計(jì)算，這種動(dòng)力計(jì)算方法稱為動(dòng)態(tài)靜力法。對(duì)機(jī)械進(jìn)行動(dòng)態(tài)靜力分析時(shí)，除了應(yīng)確定機(jī)構(gòu)所受的所有外力（驅(qū)動(dòng)力、生產(chǎn)阻力及重力）外，還應(yīng)計(jì)算各構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的慣性力。在進(jìn)行新機(jī)械的設(shè)計(jì)時(shí)，由于構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形狀通常尚未確定，因而應(yīng)先近似估出各構(gòu)件的剖面尺寸、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，確定構(gòu)件的慣性力后，再進(jìn)行機(jī)構(gòu)的力分析并進(jìn)行強(qiáng)度校核，如不滿足強(qiáng)度條件，可反復(fù)修正原來估計(jì)出的有關(guān)構(gòu)件尺寸。ｐ３］機(jī)構(gòu)力分析的方法有圖解幾何法和解析法甄種。圖解幾何法是運(yùn)用理論力學(xué)中的力多邊形和二力共線、三力匯交等知識(shí)，通過按比例作圖進(jìn)行求解。本章首先討論無摩擦情況下按靜定構(gòu)件組進(jìn)行機(jī)構(gòu)靜力分析，然后加入摩擦力分析，最后通過導(dǎo)入慣性力進(jìn)行動(dòng)載荷分析。在本課題中，為便于分析對(duì)一些次要環(huán)節(jié)作必要的簡化，忽略彈性影響及震動(dòng)，并不考慮間隙影響，認(rèn)為構(gòu)件為純剛性體，建立力學(xué)模型。２．２．２理想狀態(tài)下構(gòu)件受力分析、、、＼＼～扛／Ｐ＾?＼＼（ｘ。Ｐ＾－ＬＬｉＱｌＰ與爭■”廠刁．朗Ｑ么…嗎！主’圖２?２結(jié)點(diǎn)正置的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)及曲軸受力分析Ｆｉ９２－２Ｆｏｒｃｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｃｒａｎｋ－ｓｌｉｄｅｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｔｈｅｃｒａｎｋ圖２．２為結(jié)點(diǎn)正置的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)及曲軸的受力簡圖?；瑝K上受到工件變形力Ｐ的作用，在忽略摩擦力的情況下，Ｐ力由連桿上給與滑塊的作用力ＰＡＳ及導(dǎo)軌給予滑塊上的反作用力Ｑ相平衡。令連桿ＡＢ與中線ＯＢ夾角為∥，曲柄與ＯＢ夾角為口，有：∥＝妒２一萬瑾＝萬一伊Ｉ根據(jù)力的平衡原理得：％。南Ｏ＝Ｐｔｇｆｌ由此前推導(dǎo)得知，ｓｉｎ，６＝Ａ，ｓｉｎｔｚ，對(duì)于本課題所研究的壓力機(jī)，２＝０．０９４５，當(dāng)口：０。時(shí)，口＝０。。當(dāng)口＝９０。時(shí)，∥＝５．４。。由于盧角較小，因此，可以第２蘋伺服曲柄壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析認(rèn)為ＣＯＳｔＴｔ≈１。轡聲≈ｓｉｎ，６＝２ｓｉｎａ。故上述二式可寫為：只口“Ｐ（２—６）Ｑ≈ＰＡｓｉｎ口（２．７）再分析曲軸上所受的力，由圖２－２所示：互＝只。ＯＤ而ＯＤ一，ｉｓｉｎ（口＋盧）＝１１（ｓｉｎａ＋委ｓｉｎ２?。┕省剑校?，（ｓｉ蚴＋害Ｓｉｎ２ａ）即乃＝ＰＩ，（Ｓｉｎ仍一害Ｓ－ｎ２０，）（２－８）式２－８為理想狀態(tài)下（即忽略摩擦?xí)r）曲軸上所受扭矩的公式。從公式可以看出，雖然受到的工件變形力Ｐ一定，但曲軸所受到的扭矩隨曲柄轉(zhuǎn)角口變化而變化，口越大，Ｚ越大。即在較大的曲柄轉(zhuǎn)角下進(jìn)行工作時(shí)曲軸上所受的扭矩較大。１３１１２．２．３構(gòu)件摩擦力分析上述計(jì)算是在理想狀態(tài)下即忽略摩擦影響時(shí)的情況。但實(shí)際一ｋ壓力機(jī)是有摩擦的，特別是在轉(zhuǎn)動(dòng)的零件上由于摩擦所增加的摩擦扭矩不可忽略。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的摩擦主要發(fā)生在四處：１．導(dǎo)軌面的摩擦。摩擦力的大小為：只＝ｐＱ（２－９）式中只——摩擦力；Ⅳ——摩擦系數(shù)；９——導(dǎo)軌給滑塊的壓力。摩擦力的方向與滑塊的方向相反，形成對(duì)滑塊運(yùn)動(dòng)的阻力。這個(gè)阻力經(jīng)連桿作用到曲軸上，增加曲軸所傳遞的扭矩。２．曲軸支承頸ｄ。和軸承之間的摩擦，形成阻力矩：‰＝臚冬（２－ｌｏ）－１７一３．曲軸頸九和連桿大端軸承之間的摩擦，形成阻力矩：‰＝臚宰（２．１１）４．連桿球頭ｄ。與連桿小端球頭座之間的摩擦，形成阻力矩：％＝臚譬（２．１２）上述三個(gè)阻力據(jù)ｚ０，乙，％都會(huì)使曲軸增加所需傳遞的扭矩?根據(jù)功率平衡原理，曲軸所需增加的傳遞扭矩Ｌ在單位時(shí)間內(nèi)所作的功，即功率，等于克服各處摩擦所消耗的功率。ｌｉｐ：乇ｍｌ＝只。％＋％∞ｌ＋乙（國ｌ十∞２）＋％ｍ２（２?１３）式中，％——精塊移動(dòng)速度；∞?！D(zhuǎn)角角速度；∞：——連桿擺動(dòng)角速度；將式（２—３），（２．５）代入上式，并消去∞，，整理得；‘＝１Ｐ／ｕ［（１－２ｃｏｓ仍）－九一兄‘九‘ｃ。ｓ仍＋瓦＋２丑‘‘．ｓｉｎｔｐ，（ｓｍ竹一害ｓｉｎ２仍）】（２．１４）將（２．８）式與（２．１４）式相加，就得到考慮摩擦后曲軸所需傳遞的扭矩：乙＝耳＋Ｌ＝１一ｐｐ［Ｏ—Ａｃｏｓ硯）?ｄＡ一＾?ｄ８?ｃ。ｓ仍＋以＋２五?，ｌ?ｓｉｎ妒Ｉ（ｓｉｎ張－ｓｉｎ２妒１）】＋Ｐ４（ｓｉｎ仍一妻ｓｉｎ２仍）（２．１５）式中：Ｐ——工件變形力５ｄｏ——曲軸支承頸直徑；ｄＡ——曲柄轉(zhuǎn)角角速度：九——連稈球頭直徑：設(shè)齒輪傳動(dòng)比為ｚ，則有：ｒ：量＝去ｚＰ／４（１一；ｔｃｏｓ識(shí)）‘ｄａ－２．以?ＣＯｓ仍＋ｄｏ＋２２?１１．Ｓｉｎ仍（ｓｉｎ仍一害ｓｉｎ２仍）】＋Ｐ４（ｓ蛔一爭榭：（２－１６）其中咒——電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Ｎ?珊。２．２．４等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量當(dāng)機(jī)械處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性所產(chǎn)生的扭矩很小，可以忽略，但當(dāng)處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，所產(chǎn)生的扭矩對(duì)電機(jī)軸有很大影響，因此轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的分析是十分重要的當(dāng)作用在機(jī)構(gòu)上的所有外力（驅(qū)動(dòng)力和阻抗力）均為己知時(shí)，雖然可以利用其研究機(jī)構(gòu)在某一瞬間的運(yùn)轉(zhuǎn)情況．但必須求出每一構(gòu)件上外力所作的功和所有運(yùn)動(dòng)構(gòu)件動(dòng)能的變化，所以是十分不便的。機(jī)構(gòu)在一定位置，機(jī)構(gòu)尺寸一定，它的速度和加速度多邊形形狀不一樣。由于機(jī)組中各構(gòu)件間均有確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以對(duì)于具有一個(gè)自由度的機(jī)組，可以將機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)問題轉(zhuǎn)化為機(jī)構(gòu)中某一構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)ｆ．１題，為此我們引用了等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法。當(dāng)取繞固定回轉(zhuǎn)的構(gòu)件為等效構(gòu)件時(shí)，可以用一個(gè)與它共同回轉(zhuǎn)的假想物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來代替及其所有運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，該假想的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的動(dòng)能必須等于機(jī)器所有運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的動(dòng)能之和。凡滿足此條件的假想轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成為等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?！荆常场扛鶕?jù)動(dòng)能相等的原則，等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，，應(yīng)滿足：三伽２＝窆ｔ＝ｌ（ｂ２，瑤＋ｉ１，，國；）（２．１７）由上式可求出，。的表達(dá)式為小喜附爭２＋ｄｊｃ翱（２－１８）式中ｍ——構(gòu)件質(zhì)量：，——構(gòu)件相對(duì)于質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；以——等效構(gòu)件質(zhì)心運(yùn)動(dòng)平動(dòng)速度的大?。海誓睒I(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文０９——等效構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；在本課題中，為了便于分析，按照靜力等效原則將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等效到電機(jī)輸出軸上，令Ｊ表示電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣景，厶，Ｊｃ：分別表示小齒輪和大齒輪慣量，‘，‘，：分別表示曲軸和連桿慣量，ｍ。ｍ。分別為連桿及滑塊質(zhì)量，‘，。為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等效到曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，歹．為電機(jī)軸處等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。則有：以：Ｉ，＋以。＋半（２．１９）式中訂——齒輪減速比５將式（２．３），（２．５）代入式（２．１８），得曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等效慣量：Ｌ：‘＋Ｊ：（芻：＋聊。。江）：＋ｍ。（堡）ｚ＝，＋ｍ?！荆?國？＋：ｚ；－國；＋，，?ｚ：?腳，?棚：?ｃ。ｓ＠，一仍）】＋以國；＋％略（２—２０）將式（２－２０）代入（２．１９）即得傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等效到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的值總是正的，其值與傳動(dòng)速比的平方有關(guān)。僅僅在部分情況下，即當(dāng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)速比不變時(shí)，等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量才為定值，而一般情況下這是一個(gè)隨機(jī)構(gòu)位置變化的量。然而，等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與機(jī)械的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，因?yàn)閱巫杂蓹C(jī)構(gòu)的傳動(dòng)速比僅與其位置有關(guān)。因此，它同樣可以在機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律未知的條件下計(jì)算出來。此外，等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量通常為等效構(gòu)件轉(zhuǎn)角的周期函數(shù)，這一點(diǎn)在后面的仿真結(jié)果中可以得到證實(shí)。２．３本章小結(jié)依據(jù)本課題中壓力機(jī)結(jié)構(gòu)，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析，建立了運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力方面的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。由于伺服電機(jī)輸入信號(hào)隨工藝特性而變化，所以電機(jī)輸出軸角速度為一隨電機(jī)信號(hào)而變化的時(shí)變量，因而模型中涉及到的位移、速度、加速度、負(fù)載力、等第２蘋伺服曲輛壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析散轉(zhuǎn)動(dòng)慣量均為變量。在壓力機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)構(gòu)的摩擦和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所引起礙扭矩對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)有很大影響，故在本章中對(duì)其進(jìn)行了分析，模型中加入了摩擦和慣性扭矩的作用。等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的值總是正的，其值與傳動(dòng)速比的平方有關(guān)。等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量通常為等效構(gòu)件轉(zhuǎn)角的周期函數(shù)。第３章伺服曲柄壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)曲柄壓力機(jī)柔性化工作特性的實(shí)現(xiàn)主要依賴于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)。在本課題中，重載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為關(guān)鍵所在，本章主要針對(duì)伺服曲柄壓力機(jī)倜服系統(tǒng)展開討論，內(nèi)容包括永磁無刷直流電機(jī)基本概念，數(shù)學(xué)模型的建立，加入電容儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電路的影響，以及控制系統(tǒng)的選擇。３．１稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)概述稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)也被稱為永磁方波三相同步電機(jī)，它不但具有傳統(tǒng)無刷直流電動(dòng)機(jī)的許多優(yōu)點(diǎn)，如可靠性高、維護(hù)方便、結(jié)構(gòu)簡單、特性好、散熱容易、轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向限制等優(yōu)點(diǎn)，而且由于采用稀土作為永磁材料，可以明顯降低電機(jī)重量、減小體積，降低時(shí)間常數(shù)，改善電機(jī)動(dòng)態(tài)特性，降低齒槽效應(yīng)以及簡化磁路設(shè)計(jì)和磁場分析方法。因而，其用途更加廣泛，特別適合于對(duì)性能、體積重量要求更高的場合。在本課題中，使用稀土永磁方波電機(jī)作為主驅(qū)動(dòng)。Ｉ”１本節(jié)從普通有刷直流電動(dòng)機(jī)與無刷直流電動(dòng)機(jī)的對(duì)比出發(fā)，詳細(xì)闡述和分析了稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理和運(yùn)行特性。３．１．１稀±永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)越性普通有刷直流電動(dòng)機(jī)具有固定不變的磁場和旋轉(zhuǎn)的電樞，電樞的旋轉(zhuǎn)必須借助于換向器和電刷進(jìn)行換流。該類電動(dòng)機(jī)在電樞電流很大時(shí)，電刷和換向器換流時(shí)就會(huì)有火花出現(xiàn)，對(duì)于一些有易燃?xì)怏w的特殊場合使用極不理想，而且由于電刷和換向器的摩擦作用，常常也使得有刷直流電動(dòng)機(jī)的維護(hù)成本變高，電刷和換向器部分是該類型電動(dòng)機(jī)最易和最常出現(xiàn)故障的地方，在一些特殊場合的使用常常因此受到限制。因而在很早人們就提出了用電子換向來代替機(jī)械換向器和電刷的思想，讓電機(jī)的磁場作為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來，而使電樞固定不動(dòng)，這樣電樞中的電流就有可能采用電子換向的辦法來換流，隨著大功率開關(guān)器件的出現(xiàn)，使得電子換向的辦法成為可能。有刷直流電動(dòng)機(jī)由于電刷和換向器的存存，電樞中的電流可隨著速度的變化進(jìn)行相應(yīng)的換流，恧無刷直漉電動(dòng)機(jī)由于磁場在轉(zhuǎn)子上，要使電機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷第３章伺服曲柄壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的力矩，電樞電流就必須隨轉(zhuǎn)子磁場同步變化，也就是必須使定子磁場與轉(zhuǎn)予磁場同步運(yùn)動(dòng)，這樣才能像有刷直流電動(dòng)機(jī)一樣產(chǎn)生持續(xù)不斷的力矩。因此，無刷直流電動(dòng)機(jī)都裝有位置傳感器或有轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)不斷檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，導(dǎo)通相應(yīng)的繞組，從而實(shí)現(xiàn)了電子換流。通常無刷直流電動(dòng)機(jī)可以設(shè)計(jì)成正弦波驅(qū)動(dòng)和方波驅(qū)動(dòng)。正弦波驅(qū)動(dòng)的無利直流電動(dòng)機(jī)氣隙磁場設(shè)計(jì)成正弦波，逆變器給電樞繞組提供正弦波電流。方波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)氣隙磁場設(shè)計(jì)成方波，逆變器提供電動(dòng)機(jī)的電流為方波，電樞繞組各相感應(yīng)電勢(shì)為梯形波。方波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)由于采用方波供電，與正弦波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)相比，具有控制簡單、出力大的優(yōu)點(diǎn)，但有轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大的缺點(diǎn)，不過由于電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)己經(jīng)可以減得非常小，而且稀土永磁材料磁能積大、取向性好，氣隙磁場很容易設(shè)計(jì)成方波，鑒于方波驅(qū)動(dòng)的稀土永磁無刷直流電動(dòng)的這些優(yōu)點(diǎn)，近年來在軍民領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。３．１．２基本結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)原理稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)成必須包括電動(dòng)機(jī)本體，控制器和轉(zhuǎn)子位置傳感器三部分，如圖３一ｌ所示：圖３－１永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)構(gòu)成框圖Ｆｉ９３—１ＴｈｅｂａｓｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＲＥＰＭＤＣｅｌｅｃｔｒｉｃｍａｃｈｉｎｅ圖３．２中，ＶＦ為逆變器，ＲＥＰＭＭ為電機(jī)本體，ＰＳ為與電機(jī)本體同軸連接的轉(zhuǎn)子位置傳感器，控制電路對(duì)轉(zhuǎn)子位置傳感器監(jiān)測(cè)的信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生脈寬調(diào)制ＰｗＭ信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路放大送至逆變器各功率開關(guān)管，從而控制電動(dòng)機(jī)各相繞組按一定順序工作，在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場。六個(gè)大功率晶體管在一周內(nèi)各導(dǎo)通１２０度（電角度），每一時(shí)刻有二個(gè)管予導(dǎo)通，每隔６０度電流從一相換到另一相，驅(qū)動(dòng)大功率晶體管的是恒幅ＰＷＭ逆變器的調(diào)制輸出信廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩十學(xué)位論文號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大后，使對(duì)應(yīng)的晶體管開或關(guān)。將直流電壓變成幅值和頻率都可調(diào)的交流電壓供給電機(jī)定子繞組?！荆沉?xí)．縫±±鹽ｊ．一’。黑．盛——１—一｝捌３ｌ撩甜電路卜＿———上——Ｌ—＿Ｊ圈３－２稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)圖Ｆｉ９３—２ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｏｆＲＥＰＭＤＣｅｌｅｃｔｒｉｃｍａｃｈｉｎｅ圖３－３理想永磁直流電動(dòng)機(jī)的氣隙磁密、反電動(dòng)勢(shì)和相電流ａ）隙磁密ｂ）反電動(dòng)勢(shì)和相電流Ｆｉ９３—３ＴｈｅｓｔａｔｅｏｆｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎＯｆｉｄｅａｌＲＥＰＭＤＣｅＩｅｃｔｒｉｃｍａｃｈｉａｅ圖３—３為理想的矩形波永磁同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁密和相電流示意圖。為便于分析，對(duì)理想的矩形波永磁同步電動(dòng)機(jī)作如下的假設(shè)：（１）永磁體在氣隙中產(chǎn)生的磁通密度呈矩形波分布，在空間占１８０。（電角度）：（２）電樞反應(yīng)磁場很小，可以忽略小計(jì)：（３）定子電流為三相對(duì)稱１２０。（電角度）的矩形波，定子繞組為６０４相帶的集中第３章伺服曲柄壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型整距繞組。圖３—３為理想的矩形波永磁同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁密和相電流示意圖。在理想情況下，由矩形波氣隙磁通與矩形波定予電流相互作用，三相合成產(chǎn)生恒定的電磁矩，不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)?；蛘哒f，由于供電電流波形為矩形波，為了減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁密波形也應(yīng)該呈矩形波分布?！荆常叮保常保秤来艧o刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性文獻(xiàn)ｆ３４】中通過磁路分析得出了稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性：１．機(jī)械特性肛籌一缸籌一南乙（３－１Ｃ，ｎ＝一』。＝一一———ｏ－』～ｌｅｏＪ。ｍｄ４ｅｍｄｃ。ｃｒ中；“７式中Ｈ——電機(jī)轉(zhuǎn)速；己，——電源電壓；ＡＵ——開關(guān)管的飽和管壓降；，?！肯嗬@組電流；‘—噸相繞組電阻；Ｃ?！妱?shì)常數(shù)；Ｃ，——轉(zhuǎn)距常數(shù)：ｍ?！繕O磁通；乙，——電磁轉(zhuǎn)矩。稀土永磁無刷電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與有刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的表達(dá)式相同，機(jī)械特性較硬。但上式是在忽略電樞繞組電感時(shí)得到的，故與實(shí)際電機(jī)的機(jī)械特性有一定區(qū)別。２．調(diào)節(jié)特性吣鬻化ｕ④：，從機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性可以看出，稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)具有和一般有刷直流電動(dòng)機(jī)一樣好的控制性能，可以通過改變電源電壓實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。但小能通過改變磁通來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，因?yàn)橄⊥劣来挪牧蟿?lì)磁的主要磁場無法調(diào)節(jié)。３．工作特性３．２永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型［荔］＝ｆ言弓暑］［ｉ］＋［箍蔓攀］ｐ『；１＋陛］十ｆ謄］￡。＝Ｌ６＝Ｌ。＝Ｌ，Ｍ曲＝Ｍ酣＝Ｍ拍＝Ｍ＂＝Ｍ∞＝Ｍ曲＝Ｍ，且ｆ。＋如十ｆ。＝０料？１專０蟈一匿三一Ｍ¨Ｕ．１ＩＲｏ上ｏ…文ｌ一｜０￡一Ｍ…“ｌＩ．Ｏ０—二ｒＩ“…其中，中點(diǎn)電壓：％＝半一型產(chǎn)以上式中Ｕ。、Ｕ６、Ｕ?！ㄗ酉嗬@組電壓?ｖ．ｉ。、屯、ｆ?！ㄗ酉嗬@組電流，Ａ；■，＿３、●●●，（ＵＵＵ一●，●●巳％巳一．０．ｋ．０礦ｏｏｏ且００ＲＯＲＯ第３章伺服曲柄壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型ｅ。、％、ｅｃ——定子相繞組電動(dòng)勢(shì)，ｖ．上。、厶、ｔ——每相繞組自感，Ｈ；Ｍ∞、膨?！績上嗬@組間互感，ＨＩｐ——微分算子，ｐ：要；講由（３－４）式不難看出，對(duì)于方波電動(dòng)機(jī)，總體上任何一時(shí)刻都有兩相繞阻在工作，三相繞阻完全對(duì)稱。而且前面討論過，稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)和一般有刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性基本相同。因此我們可以將永磁無刷方波電機(jī)的電路簡化為由兩相繞阻串聯(lián)的普通直流電動(dòng)機(jī)電路進(jìn)行分析。３．２．１永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)簡化電路數(shù)學(xué)模型ＲａＬａ、，＾ｊ、㈠、７．－．ｎ——圖３—４簡化模型等值電路Ｆｉ９３—４Ｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｏｆｔｈｅｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｍｏｄｅ］圖（３．４）為永磁無刷直流電機(jī)的簡化等值電路，由電路分析可得：…?！皭u￡ｄ魯，（３－５）ｅ。＝Ｋ。∞，（３＿６）Ｔ擴(kuò)Ｔ川。等諺街（３－７）乙＝Ｋ，ｉ。（３?８）式中出——電機(jī)轉(zhuǎn)速，ｒａｄ／ｓ；三?！嗬@組電感，Ｈ，Ｌ。＝２（Ｌ—Ｍ）；‘——等效電路電流，Ａ；０——等效電路電阻，Ｑ；廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文Ｅ——電勢(shì)常數(shù)，Ｋ。＝Ｃｅ中Ｊ，Ｖ?ｓ／ｒａｄ；Ｋ，——轉(zhuǎn)距常數(shù)，Ｋ，＝Ｃｒｏｄ，Ｎ?ｍ／Ａ：西。——每極磁通，Ｗｂ；乙——電磁轉(zhuǎn)矩，Ｎ?ｍ；ｒ——負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Ｎ．ｍ；，——電機(jī)轉(zhuǎn)予摩擦系數(shù)，堙?ｍ２／ｓ；以——電機(jī)轉(zhuǎn)子等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，培－?。?。３．２．２電容儲(chǔ)能型永磁無刷直流電機(jī)簡化數(shù)學(xué)模型式（３．５）一（３．８）可以滿足普通應(yīng)用場合下電路分析，但本課題所研究的伺服壓力機(jī)是在取消飛輪狀態(tài)下的高負(fù)載工作單元，僅靠伺服電機(jī)輸出力矩是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此設(shè)計(jì)中在驅(qū)動(dòng)電路加入儲(chǔ)能電容，簡化等值電路如圖３?５所示：圖３－５簡化模型等值電路（電容儲(chǔ)能型）Ｆｉ９３—５Ｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｗｉｔｈａｃａｐａｃｉｔｏｒｏｆｔｈｅｓｉｍｐｌｉｆｌｅｄｍｏｄｅｌ電路分析可得，電路平衡方程：“＝ｅ。＋屯Ｒ。＋三。百ｄｌａ＋嘲，（３－９）㈦。ｑ＝ｉｏ＋Ｃ－警ｆ－竺羔Ｒｌｅ。＝Ｋ。ｍ轉(zhuǎn)矩方程：Ｔｅｍ＝ＴＬ＋Ｊｅｉｄｏ）七｛－∞（３．１０）（３．１１）一蘭。！第３章伺服曲柄壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型乙＝Ｋ。ｉｏ其中ｔ——電容器放電電流，Ａ；屯——電樞等效電流，Ａ；ｉ——主電路電流，Ａ；Ｃ——電容量，Ｆ：置——限流電阻，ｎ；Ⅳ，——電容電壓，Ｖ。將電路平衡方程與轉(zhuǎn)矩方程連理得：墮：上一旦一生ｄｔＲｌ?ＣＲｌ‘ＣＣ盟：生一竺ｄ一竺里ｄｌＬ，Ｌ。Ｌｏ塑：墨玉一坦一互ｍＪｅＪｅＪｔｄ口——一＝ＣＯｄｔ即咖。西ｍ。西ｄｏ）擊１ＲＪ?Ｃｌ三。０上式（３．１３）即為此電路的數(shù)學(xué)模型。３．３稀土永磁電機(jī)交流伺服系統(tǒng)１Ｒｌ－Ｃ０Ｏ（３－１２）（３—１３）３．３．１稀土永磁無刷直流電機(jī)伺服系統(tǒng)的構(gòu)成一般伺服系統(tǒng)應(yīng)滿足調(diào)速范圍寬、輸出力矩大、低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、功率密度大、可靠性高等要求。稀土永磁無刷直流伺服系統(tǒng)是由稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)加上傳感器和控制器組成的具有伺服功能的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。閉環(huán)方式一般有電流聞環(huán)、速度閉環(huán)和位置閉環(huán)三種，根據(jù)應(yīng)用場合的小同，采用不同的閉環(huán)控制方式。在本課題中，采用電流、速度雙閉環(huán)控制方式，其構(gòu)成如圖３－６所示：１●●ＪⅣ瓦●卜二ｏｏ上以一。丘一Ｌ廠一以一一上ｃ心一ｔ一ｌ』ｃ心一ｔ墨一以圖３－６稀士永磁無刷贏流伺月＆系同構(gòu)成原理圖Ｆｉｇ３－６ＴｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆＲＥＰＭｂｒｕｓｈｌｅｓｓＤＣＴ≈ｒｖｏｓｙｓｔｅｍ在本課題中，伺服電機(jī)為稀土永磁無刷直流方波電機(jī)，為了實(shí)現(xiàn)電流、速度雙閉環(huán)控制在電動(dòng)機(jī)非負(fù)載端安裝速度傳感器：為了檢測(cè)電機(jī)繞組電流而裝有電流傳感器?？刂破髋c傳感器相對(duì)應(yīng)，通過對(duì)傳感器檢測(cè)輸出信號(hào)的處理，對(duì)伺服電機(jī)按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行控制。不同的閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)不同的控制器，本課題中根據(jù)所采用的傳感器，使用電流和速度控制器，在控制規(guī)律上采用Ｐ【控制方式。３．３．２ＰＩＤ原理和參數(shù)選?。常常玻保校桑脑砗吞攸c(diǎn)存工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱ＰＩＤ控制，又稱ＰＩＤ調(diào)節(jié)。ＰＩＤ控制器問世至今已有近７０年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用ＰＩＤ控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用ＰＩＤ控制技術(shù)。ＰＩＤ控制，實(shí)際中也有ＰＩ和ＰＤ控制。ＰＩＤ控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。１．比例（Ｐ）控制比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Ｓｔｅａｄｙ—ｓｔａｔｅｅｒｒｏｒ）。第３章伺服曲柄壓力機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型２．積分（Ｉ）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（ＳｙｓｔｅｍｗｉｔｈＳｔｅａｄｙ—ｓｔａｔｅＥｒｒｏｒ）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例＋積分（ＰＩ）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。３．微分（Ｄ）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（ｄｅｌａｙ）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅弓ｌ入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的Ｉ隔值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)。這樣，具有比例＋微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)，所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例＋微分（ＰＤ）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。３．３．２．２參數(shù)的選?。校桑目刂破鞯膮?shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定ＰＩＤ控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。ＰＩＤ控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方泫所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，＿日方法簡單、易于掌握，存工程實(shí)際中被廣泛采用。ＰＩＤ控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一一種方法所得到的擰制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。ｒ東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文現(xiàn)在～般采用的是臨界比例法。利用該方法進(jìn)行Ｐ１Ｄ控制器參數(shù)的整定步驟如下：（１）首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；ｆ２１僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；（３）在一定的控制度下通過公式計(jì)算得到ＰＩＤ控制器的參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)的仿真模型將在后續(xù)章節(jié)給出。ｐ７】３．４本章小結(jié)根據(jù)本課題所采取的設(shè)計(jì)方案。本章首先介紹了永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)原理和構(gòu)成，然后建立了永磁無刷直流方波電動(dòng)機(jī)通用數(shù)學(xué)模型和簡化數(shù)學(xué)模型。其中為滿足課題需要，著重分析了帶有電容儲(chǔ)能裝置的無刷直流機(jī)簡化數(shù)學(xué)模型，同時(shí)為了達(dá)到好的伺服效果采用了電流速度雙閉環(huán)控制方式。本章內(nèi)容對(duì)伺服曲柄壓力及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析，并為進(jìn)一步的數(shù)值仿真打下基礎(chǔ)。第４章伺服曲柄雎力機(jī)系統(tǒng)仿真第４章伺服曲柄壓力機(jī)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真是指通過系統(tǒng)模型的試驗(yàn)去研究一個(gè)已經(jīng)存在的，或者是正在研究設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)的具體過程。它是建立在控制理論、相似理論、信息處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等理論基礎(chǔ)之上的，以計(jì)算機(jī)和其他專用物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)真實(shí)或假想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，并借助專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和信息資料對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和研究，進(jìn)而做出決策的一門綜合性的試驗(yàn)性科學(xué)。系統(tǒng)仿真的主要工作有：系統(tǒng)仿真試驗(yàn)總體方案的設(shè)計(jì)；仿真系統(tǒng)的集成；仿真試驗(yàn)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定：各類模型的建立、校核、驗(yàn)證及確認(rèn)；仿真系統(tǒng)可靠性和精確度分析與評(píng)估；仿真結(jié)果的認(rèn)可和置信度分析，等等。仿真試驗(yàn)應(yīng)該包括三個(gè)階段的工作：建模階段、模型試驗(yàn)階段和結(jié)果分析階段。本文根據(jù)課題情況，在前面兩章中分別建立了傳動(dòng)系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，本章將建立了基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ軟件的仿真模型，通過仿真試驗(yàn)及樣機(jī)試驗(yàn)，對(duì)整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行驗(yàn)證。然后利用此模型分析了電機(jī)同步輸入動(dòng)態(tài)參數(shù)變化情況，并為部分設(shè)計(jì)方案提供了理論依據(jù)。４．１仿真軟件介紹及算法選擇４．１．１ＭａｔＩａｂ／Ｓｉｍｕｌ．ｎｋ軟件介紹ＭＡＴＬＡＢ語言是由美國的ＣｌｅｖｅｒＭｏｌｅｒ博士于１９８０年開發(fā)，以后又經(jīng)多位專家加以補(bǔ)充、添加，成為功能強(qiáng)大、內(nèi)容廣泛的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的軟件工具。Ｍ腓Ｂ語言具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算功能，可靠的容錯(cuò)能力和廣泛的符號(hào)運(yùn)算能力，使得許多大量的科學(xué)運(yùn)算再也不需要復(fù)雜的計(jì)算機(jī)編程，僅需要調(diào)用ＭＡＴＬＡＢ的一個(gè)函數(shù)就可以解決，同時(shí)使得計(jì)算機(jī)語言由數(shù)值運(yùn)算能力向解析運(yùn)算能力拓寬，因而使得計(jì)算機(jī)語言逐步向智能化語言發(fā)展。解析數(shù)學(xué)的一些基本問題現(xiàn)在都可以應(yīng)用ＭＡＴＬＡＢ的符號(hào)運(yùn)算函數(shù)來解決，其中典型問題有函數(shù)的微分、積分、微分方程求解以及積分變換等。另外，ＭＡＴＬＡＢ語言豐富的圖形變現(xiàn)方法，使得數(shù)學(xué)計(jì)算結(jié)果可以方便地、多樣性地實(shí)現(xiàn)可視化。Ｓｉｍｕｌｉｎｋ是ＭＡＴＬＡＢ軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，只能在ＭＡＴＬＡＢ環(huán)境中運(yùn)行。它與ＭＡＴＬＡ８語言的主要區(qū)別在于，其與用Ｊ一樂工業(yè)大學(xué)工學(xué)硬±學(xué)位論文戶交互接口是基于Ｗｉｎｄｏｗｓ的模型化圖形輸入，使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建。而非語言的編程上。Ｓｉｍｕｌｉｎｋ提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，麗不必考察模塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的，通過對(duì)這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型，進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析?！荆保保樱椋恚酰欤椋睿胂到y(tǒng)建模的主要特點(diǎn)是：１．框圖式建模。Ｓｉｍｕｌｉｎｋ提供了一個(gè)圖形化的建模環(huán)境，通過鼠標(biāo)單擊和拖拉操作進(jìn)行框圖式建模；２．支持非線性系統(tǒng)；３．支持混合系統(tǒng)仿真，即系統(tǒng)中包含連續(xù)采樣時(shí)間和離散采樣時(shí)間：４．支持多速率系統(tǒng)仿真，即系統(tǒng)中存在以不同速率運(yùn)行的組件；５．ＭＡｌｒＩ．ＡＢ與Ｓｉｍｕｌｉｎｋ集成在一起，因此，無論何時(shí)在任何環(huán)境下都可以建模、分析和仿真用戶建模。１３８】基于以上特點(diǎn)，本課題的數(shù)學(xué)仿真非常適合以ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ軟件為仿真平臺(tái)。４．１．２算法及步長的選擇由于本課題所研究的系統(tǒng)為３階非線性系統(tǒng)，很難用解析法求解微分方程，必須借助于計(jì)算機(jī)數(shù)值解法來達(dá)到掌握系統(tǒng)真實(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的目的。由于對(duì)應(yīng)一個(gè)微分方程可以有多種數(shù)值解法，小同的算法其運(yùn)算速度及精度也不相同，因而，在進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，就必須根據(jù)問題的特點(diǎn)及仿真要求，對(duì)算法加以選擇，從而得到較好的仿真效果。４．１．２．１常用的數(shù)值仿真算法及選擇１．歐拉法（Ｅｕｌｅｒ）歐拉法的原理是用一條折線來近似地代替原函數(shù)曲線，因此又稱為“折線法”。迭代計(jì)算公式為：ｎ＋１＝＂＋毳“工。，以）（４－１）歐拉法的特點(diǎn)是算法簡單，上機(jī)運(yùn)算速度快。缺點(diǎn)是精度較低，這是由于泰勒展開式的ｈ２（ｈ為步長）項(xiàng)及其后面逐項(xiàng)全部被舍去造成的。歐拉法的截?cái)嗾`差為ｏ（ｈ２）量級(jí)。笫４章伺服曲柄壓力楓系統(tǒng)仿真２．梯形法梯形法與歐拉法的區(qū)別在于，梯形法采用虬和ｎ＋，兩點(diǎn)斜率的平均值來代替式（４一１）中的ｆ（ｘ。，Ｙ。），即：ｙ。＝ｎ＋爭ｍ∥?。?。以１）】（４．２）梯形法的截?cái)嗑雀哂跉W拉法，其截?cái)嗾`差為ｏ（ｈ３）量級(jí)。３．預(yù)報(bào)一校正法梯形法在精度上雖然比歐拉法有所提高，但計(jì)算量大，上機(jī)執(zhí)行時(shí)間長，影響了仿真速度。預(yù)報(bào)一校正法的做法是先用歐拉法預(yù)報(bào)初值，然后再用梯形法校正以提高精度，故又稱為改進(jìn)的歐拉法。公式為：預(yù)測(cè)：Ｙ¨＝Ｙ。＋矽（ｘ。，Ｙ。）；校正：Ｙ。＋。＝ｙ。＋曇【廠（Ｘｎ，ｙ。）＋廠（Ｘｎ＋Ｉ歹。。）】（４—３）二該算法的計(jì)算量比歐拉法約大一倍，但卻大大少于梯形法，其截?cái)嗾`差與梯形法也屬于同一量級(jí)，為ｏ（ｈ３）。４．龍格一庫塔法（Ｒｔｍｇｅ－Ｋｕｔｔｏ）龍格一庫塔法實(shí)質(zhì)上是間接的使用泰勒級(jí)數(shù)法的一種技術(shù)。在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真算法中，最常用的龍格一庫塔公式是三階和四階龍格一庫塔公式。四階龍格一庫塔法常用的公式為：＿ｙ。＋１＝ｙ。＋ｈ．［ＫＩ＋２Ｋ２＋２Ｋ３＋Ｋ４】；ＵＫＩ＝ｆ（ｘ。，ｙ。）；Ｋ：＝／（ｚ。＋蘭，Ｊ，。＋魯世－）；。。．。，Ｋ，：／（ｘ。＋魯，少。＋ｉｈＫ：）；Ｋ４＝廠（ｘ。＋曇，ｙ。＋ｈＫ３）；龍格一庫塔法的突出優(yōu)點(diǎn)是，它不僅縣有較高的求解精度，而且無需借助于其他算法就能夠自動(dòng)起步。四階龍格一庫塔公式的截?cái)嗾`差為ｏ（ｈ５），運(yùn)算精度比梯形法和預(yù)報(bào)一校正法高兩個(gè)量級(jí)，盡管它沒迭代一步需要計(jì)算４次函數(shù)‘，，相對(duì)占機(jī)的時(shí)間較長，但是它仍然比梯形法要快得多。廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文除此之外，還有阿達(dá)姆斯法、屠斯丁法和狀態(tài)轉(zhuǎn)換法等，因?yàn)橛玫幂^少這里就不再贅述。在連續(xù)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的數(shù)字仿真中，仿真算法的選擇一般要兼顧求解精度、計(jì)算速度、能自動(dòng)起步、非線性系統(tǒng)應(yīng)用等多方面因素。在上面介紹的仿真算法中，歐拉法和四階龍格一庫塔法在非線性系統(tǒng)應(yīng)用中具有較多優(yōu)勢(shì)，應(yīng)優(yōu)先選用，但歐拉法精度較低，因此我們采用經(jīng)典的四階龍格－庫塔算法。４．１．２．２步長的選鐸數(shù)值算法的精度取決于兩種誤差，即截?cái)嗾`差和積累舍入誤差。步長越小，計(jì)算的次數(shù)越多，則舍入誤差的積累就越大。這兩種誤差的關(guān)系是，當(dāng)舍入誤差因計(jì)算步數(shù)的增加而升高時(shí)，其截?cái)嗾`差卻隨著計(jì)算步長的減小而降低；反之，當(dāng)舍入誤差因計(jì)算步數(shù)的減少而變小時(shí)，其截?cái)嗾`差則隨著計(jì)算步長的增大而增加。因而在進(jìn)行系統(tǒng)仿真時(shí)，必須兼顧兩種誤差產(chǎn)生的總效果，即所謂合成誤差的大小。為了保證算法能夠穩(wěn)定運(yùn)行，在確定計(jì)算步長時(shí)，不能將步長取得過大和過小，最好能夠根據(jù)精度和速度兩個(gè)因素選擇一個(gè)最佳步長。對(duì)于四階龍格．庫塔公式，經(jīng)過考察后發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一個(gè)給定初始步長的算例，當(dāng)步長反復(fù)折半進(jìn)行處理后，其誤差有很大的減少。這種通過折半處理步長的方法稱為變步長方法。表面上看，為了選擇步長，每一步的計(jì)算量增加了，但總體考慮往往是合算的。因此在本課題中也采用自適應(yīng)變步長的四階龍格一庫塔法進(jìn)行仿真運(yùn)算，結(jié)果證明采用這種算法在保證精度的情況下可以大大縮短仿真時(shí)間。４．２仿真模型Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模塊為非線性機(jī)電控制系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的仿真工具，根據(jù)第二章和第三章建立的傳動(dòng)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，建立了基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模塊的整個(gè)伺服曲柄壓力機(jī)機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型（見圖４一１）。整個(gè)系統(tǒng)主要由電機(jī)本體、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成．如圖４－２，圖４－３，圖４．４。另外還加入了速度給定和工藝力給定子系統(tǒng)。差！耋堡曼塑塑曼妻墊至簦竺蘭圖４－１伺服曲柄壓力機(jī)機(jī)電系統(tǒng)仿真模型Ｆｉ９４－１Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｓｅｒｖｏ－ｄｒｉｖｅｎｃｒａｎｋｐｒｅｓｓ圖４－２直流無刷電機(jī)仿真予系統(tǒng)模型Ｆｉ９４－２ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆＢＬＤＣｍｏｔｏｒｓｕｂｓｙｓｔｅｍ－３７－圖４＿３機(jī)械傳動(dòng)子系統(tǒng)仿真模型Ｆｉ９４?３Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｕｂｓｙｓｔｅｍ（ａ）外作用力系統(tǒng)子模型（ｂ）ＰＩＤ控制系統(tǒng)子模型圖４－４外作用力子系統(tǒng)和ＰＩＤ控制子系統(tǒng)仿真模型Ｆｉ９４—４ＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆｆｏｒｃｅｓｕｂｓｙｓｔｅｍａｎｄＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓｕｂｓｙｓｔｅｍ以上備子系統(tǒng)仿真模型為各種工藝曲線下不同仿真模型的公共部分，滑塊速度和位移以及工藝力的大小的調(diào)節(jié)由速度給定和工藝力給定子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。４．３仿真試驗(yàn)根據(jù)所建立的仿真模型，對(duì)其進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容分別為空載恒速試驗(yàn)、空載變速試驗(yàn)、負(fù)載恒速試驗(yàn)、負(fù)載變速?zèng)_裁試驗(yàn)及負(fù)載變速拉深試驗(yàn)。依據(jù)實(shí)際樣機(jī)試驗(yàn)給出仿真試驗(yàn)參，如表４．１所示：第４章伺服曲柄壓力機(jī)系統(tǒng)仿真表４一ｌ仿真模型試驗(yàn)參數(shù)Ｔａｂｌｅ４－ＩＴｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ參數(shù)名稱數(shù)值（單位）參數(shù)名稱數(shù)值（單位）額定電壓２２０Ｖ連桿質(zhì)量ｍ２１５堙相繞組電阻Ｒ。０．３Ｑ滑塊質(zhì)量馳２５堙相繞組電感工。２艦Ｈ曲柄半徑ｒ０．０３５ｍ限流電阻３．２Ｑ連桿長度厶Ｏ－３７ｍ電勢(shì)系數(shù)Ｋ。０ｊ５６Ｖ?ｓｆｒａｄ連桿系數(shù)ｌｄ０．０９４６轉(zhuǎn)矩系數(shù)Ｋ．０．５６Ⅳ．腳／一齒輪傳動(dòng)比ｚ８．２１電機(jī)軸慣量Ｊ０．００１２ｋｇ?用２滑塊摩擦系數(shù)ｆ１０．０４５小齒輪慣量Ｊｃｌ０．００４ｋｇ．ｍ２曲軸支承頸直徑ｄ。０．０７５ｍ大齒輪慣量ｂ４．７４７ｋｇ．ｍ２曲柄頸直徑ｄ１０．１ｌｍ曲柄慣量Ｊ。０．１堙－ｍ２連桿球頭直徑ｄｂ０．１棚連桿慣量Ｊ２０．４ｋｇ．ｍ２電機(jī)軸摩擦阻尼系Ｏ．Ｄ２５數(shù)ｆⅣ．Ⅲ／ｒａｄ．ｓ１４．３．１空載仿真試驗(yàn)為了驗(yàn)證空載仿真模型的準(zhǔn)確性及任意滑塊運(yùn)動(dòng)曲線的有效性，分別在恒速及變速情況下進(jìn)行空載仿真試驗(yàn)。４．３．１．１空載恒速仿真試驗(yàn)試驗(yàn)設(shè)定滑塊行程６０次／分鐘，即為電機(jī)輸出軸角速度５Ｉ．６ｒａｄ／ｓ。圖４－５空載恒速情況下電機(jī)機(jī)械特性（左）及工作特性（右）Ｆｉ９４—５ＯｐｅｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＢＬＤＣＭｗｉｔｈｏｕｔｌｏａｄｉｎｇａｔｕｎ