应用电磁直线执行器实现电子凸轮的研究

摘要

随着产品的多样化以及控制精度、响应速度等要求的不断提高，同时机械凸轮机构存在制造困难、磨损大、精度低且缺乏柔性等问题，利用控制系统实现传统机械凸轮机构运动功能的电子凸轮将会得到重视与发展。本文研究的电子凸轮是基于自行研制的电磁直线执行器，通过对给定理想轨迹进行跟踪，从而实现从动件所需的运动规律，以取代传统的机械凸轮。论文的主要工作内容包括以下几个方面:
　　(1)电子凸轮往复直线运动规律曲线的设计与研究。将传统机械凸轮机构中运动曲线以“位移-转角”形式推导转换为“位移-时间”，根据无量纲化的定义，设计运动规律曲线的无量纲化表达式，从而为电子凸轮后面的轨迹跟踪提供前提保障。
　　(2)电子凸轮机构数学模型的建立以及实验系统的设计。首先通过对电子凸轮机构进行动力学分析，同时将其拆分为电路、磁路以及机械三个子系统分别进行数学建模研究，然后建立电子凸轮的数学模型和系统仿真模型，最后对电子凸轮控制系统进行设计，构建相应的实验平台。
　　(3)研究迭代学习控制算法并将其应用于电子凸轮控制系统。利用迭代学习控制算法中对重复轨迹跟踪精度高、稳定性好的特点，将其应用于电子凸轮控制器中，并进行仿真与实验验证，结果表明其实际跟踪效果较差，鲁棒性能有待进一步提高。
　　(4)提出模糊滑模迭代控制算法并将其应用于电子凸轮控制系统。针对迭代控制器所存在的鲁棒性差问题，研究迭代控制与其他先进控制技术相结合的智能算法。提出了一种在迭代控制基础上叠加滑模变结构控制与模糊控制的算法，从而有效改善迭代控制中鲁棒性差的缺陷以及滑模变结构中出现的抖振现象。通过仿真与实验表明，模糊滑模迭代控制具有跟踪精度高、响应速度快、收敛速度快、鲁棒性能强的优势。
　　(5)通过实际实验验证表明，基于自行研制的电磁直线执行器，应用模糊滑模迭代控制算法的电子凸轮能够对周期仅为5ms，行程为±3mm的正弦轨迹进行精准跟踪，其跟踪精度可达到总行程的1％以内，从而验证电子凸轮具有取代传统机械凸轮的可行性。