基于TURBO PMAC2的二维龙门式直线驱动精密气浮台轨迹精度研究

摘要

传统“旋转电机+滚珠丝杠”传动模式的精密工作台满足不了现代精密自动化加工的需要，静压气浮导轨、直线电机伺服驱动以及先进控制策略的完美结合，已成为高速高精度自动化加工的潮流。基于静压的气浮导轨技术和直线电机伺服控制方法是近年来国内外高速高精密技术领域研究的热点。二维龙门式直线驱动精密气浮台的关键技术总体上由结构和控制这两大类组成，可以细分为静压气浮导轨技术、伺服电机控制算法、实验与测试技术等，而轨迹精度是评价工作台综合性能最重要的指标之一，是实现高速高精密气浮平台的前提。本文搭建了基于Turbo Pmac2的直线伺服电机全闭环控制系统模型，采用了机电联合仿真与实验分析的方法，主要从伺服控制系统、Turbo Pmac2 PID控制算法、气浮平台轨迹精度测量与补偿几个方面进行气浮台轨迹精度的研究
　　本研究主要内容包括：⑴分析国内外直线驱动精密静压气浮平台的发展状况与伺服控制系统的关键技术的研究现状，结合二维龙门式直线驱动气浮平台硬件系统，选择基于Turbo Pmac2的PID加前馈控制方法，对二维龙门式直线驱动气浮平台的运动轨迹精度进行理论研究。⑵建立基于Turbo Pmac2的X轴、Y轴直线电机电流环PI控制器，速度环PD控制器，位置环PID控制器的三闭环控制系统模型，设计了带速度、加速度前馈的PID三闭环伺服控制器，对X轴气浮平台伺服控制系统进行MATLAB仿真分析，同时分析了有无前馈控制的X轴气浮平台直线运动轨迹特性。⑶介绍二维龙门式直线驱动精密气浮台的实验系统，通过分析Turbo Pmac2的PID算法原理，利用WINPE32 PRO2的PID整定模块对二维气浮平台X轴、Y轴进行传统的PID增益参数整定，随后利用气浮平台控制卡信息存储的功能，进行不同速度下的X轴气浮台直线运动轨迹实验，研究不同PID增益参数的轨迹精度与轨迹跟踪精度的特性规律，最后进行二维气浮平台两轴联动圆弧轨迹实验，对气浮平台圆弧轨迹跟踪精度进行分析。⑷运用MATLAB+ADMAS建立气浮平台机电联合仿真模型，结合气膜刚度特性参数的实验辨识，分析不同速度下X轴气浮平台的轨迹跟踪精度特性，分析比例增益系数P、积分增益系数I、微分增益系数D对X轴气浮平台直线运动特性的影响规律，研究气浮台X轴和Y轴两轴联动圆弧轨迹跟踪精度的变化规律。⑸采用激光干涉仪测量工具对X轴气浮台的直线运动定位精度进行实验验证研究，实验分析比例增益系数P、积分增益系数I、微分增益系数D对X轴气浮台直线运动定位精度的影响规律;同时运用球杆仪测量工具进行X轴、Y轴气浮台两轴联动时圆弧轨迹精度实验，通过对实验结果的误差分析与补偿研究，最终提高气浮台两轴联动的圆弧轨迹精度。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 直线驱动精密静压气浮平台发展状况

1．3 直线驱动伺服系统控制技术研究现状

1．4 本课题的来源与主要研究内容

1．4．1 本课题来源

1．4．2 本课题的主要研究内容

第二章 气浮平台伺服驱动控制系统建模与分析

2．1 永磁同步直线电机的基本结构

2．2 永磁同步直线电机的d-q轴数学模型

2．3 永磁同步直线电机解耦方程

2．4 气浮平台伺服控制系统建模与分析

2．4．1 电流环PI控制器建模

2．4．2 速度环PD控制器建模

2．4．3 位置环PID控制器建模

2．4．4 PID前馈控制器建模

2．5 单轴气浮平台控制系统仿真分析

2．5．1 气浮平台控制系统仿真建模

2．5．2 控制系统仿真结果分析

2．6 本章小结

第三章 气浮平台传统PID参数整定与运动实验研究

3．1 二维龙门式直线驱动精密气浮台实验系统

3．2 TURBO PMAC2伺服Ⅰ变量

3．3 基于TURBO PMAC2的PID算法原理

3．4 气浮平台传统PID参数整定

3．5 气浮平台运动实验

3．5．1 不同速度下单轴气浮平台直线运动实验

3．5．2 气浮平台两轴联动圆弧运动实验

3．6 本章小结

第四章 二维龙门式直线驱动精密气浮台MATLAB与ADAMS机电联合仿真研究

4．1 ADAMS+MATLAB机电一体化建模方法概述

4．2 气浮平台机械系统动力学建模

4．2．1 ADAMS动力学基本理论

4．2．2 气浮平台动力学建模

4．2．3 气浮平台气膜刚度参数辨识

4．3 机电联合仿真

4．3．1 气浮平台单轴机电联合仿真分析

4．3．2 气浮平台两轴联动机电联合仿真分析

4．4 本章小结

第五章 二维龙门式直线驱动精密气浮台定位精度实验研究

5．1 气浮平台单轴定位精度实验

5．1．1 气浮平台单轴直线运动定位精度实验平台搭建

5．1．2 直线运动轨迹实验方案

5．1．3 实验结果与分析

5．1．4 不同PID增益参数的直线运动定位精度实验

5．1．5 定位精度误差补偿研究与结果分析

5．2 气浮平台两轴联动轨迹精度实验

5．2．1 圆弧运动轨迹精度实验平台搭建

5．2．2 圆弧运动轨迹实验方案

5．2．3 实验结果与分析

5．3 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢