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：魏航申請學(xué)位級別：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。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)，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］。對于本課題，機(jī)電系統(tǒng)的數(shù)值仿真可以直觀的預(yù)測到電機(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?。欤牍灸壳耙验_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)易展覽會中公開亮相伊】。在這臺設(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”——儲能電容的方式來實(shí)現(xiàn)原本由飛輪來完成的能量存儲及瞬時(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，由于沒有飛輪儲能，直接依靠電機(jī)瞬時(shí)扭矩來克服工作負(fù)荷，因而會產(chǎn)生很大的電流沖擊，若不采取相應(yīng)措施，將會對電網(wǎng)造成極大危害。此時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)置的儲能裝置，能起到“電子飛輪”的作用?？招谐虝r(shí)，它可儲存電能，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，大力開發(fā)具有自主知識產(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)格問題和國外對大功率控制模塊的壟斷不無關(guān)系。可以肯定地說，交流伺服電機(jī)及其控制系統(tǒng)的價(jià)格會逐步降低，它在成形裝備的應(yīng)用領(lǐng)域也會越來越廣。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，用電容儲能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量的瞬時(shí)釋放和存儲。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)，對輸入信號采用程序控制，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，然后伺服電機(jī)通過一級齒輪變速直接驅(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能和再利用的效率。總體而言，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)果相對比，對整個(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，對伺服壓力機(jī)進(jìn)行了相關(guān)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。在對樣機(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，也就是要對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行有效控制，這必然要求對壓力機(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。對于設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)各個(gè)零件和校核其強(qiáng)度、測算機(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，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剑校桑ǎ螅轵剩Γ樱椋睿玻幔┘茨耍剑校?，（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；∞。——曲柄轉(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）‘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運(yùn)動(dòng)，所以對于具有一個(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電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)有很大影響，故在本章中對其進(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，加入電容儲能系統(tǒng)對電路的影響，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)就會有火花出現(xiàn)，對于一些有易燃?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)子位置檢測電路，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)不斷檢測電機(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，控制電路對轉(zhuǎn)子位置傳感器監(jiān)測的信號進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生脈寬調(diào)制ＰｗＭ信號，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，該信號經(jīng)放大后，使對應(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)勢和相電流ａ）隙磁密ｂ）反電動(dòng)勢和相電流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；，。——每相繞組電流；‘—噸相繞組電阻；Ｃ?！妱莩?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。——定子相繞組電流，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，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：為了檢測電機(jī)繞組電流而裝有電流傳感器?？刂破髋c傳感器相對應(yīng)，通過對傳感器檢測輸出信號的處理，對伺服電機(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)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(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的積分成正比關(guān)系。對一個(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)對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時(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)測誤差變化的趨勢。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)，所以對有較大慣性或滯后的被控對象，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)的選取ＰＩＤ控制器的參數(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、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和信息資料對試驗(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。【１１Ｓｉｍｕｌｉｎｋ系統(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。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。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。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：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，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，盡管它沒迭代一步需要計(jì)算４次函數(shù)‘，，相對占機(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，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。對于四階龍格．庫塔公式，經(jīng)過考察后發(fā)現(xiàn)，對于一個(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