直线运动机构电动伺服加载及性能测试技术研究

摘要

电动伺服加载系统凭借其优越的机械特性、加载特点对传统的加载形式，如电液式加载系统形成有力的挑战，逐步成为模拟负载领域中新的发展趋势。国内对电动伺服加载的研究始于本世纪初，起步较晚，与国际上相比还有一定差距，一定程度上限制了电动伺服加载的应用与推广。针对这一问题，本文基于某型直线运动机构设计了一套电动伺服加载测试系统并对其进行研究，旨在模拟实际工况对该机构进行加载试验并实时监测，考核其工作性能及工作可靠性。
　　首先，本文制定了加载测试系统的总体设计方案，并对相关零部件进行了具体设计与有限元分析，采用滚珠丝杆副的形式将电机的旋转运动转化成直线运动，从而直接实现了对被测机构的力加载。结合系统的结构特点，分析建立了该系统数学模型并给出了可靠的控制方程。
　　其次，从理论上分析了在加载过程中多余力矩干扰的产生原理及引入方式，采取了基于结构不变性原理进行前馈补偿和通过PID进行反馈控制的复合加载控制策略，对因跟随被测机构运动而产生的多余力矩进行抑制。系统经MATLAB仿真验证抑制效果明显，完全符合低频情况下的加载测试要求，具有较高的工程参考价值。
　　最后，基于LabVIEW对数据采集系统进行了方案设计和编程，实现了对传感器信号的采集、处理和运算，能够较好的实时监测加载过程中各项性能参数的动态变化，确保了对加载过程的精确控制。

目录

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摘要

1 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 伺服加载系统发展历程及研究现状

1．2．1 伺服加载系统分类

1．2．2 国内外研究现状

1．3 电动伺服加载系统的研究现状

1．4 本文主要研究内容

2 电动伺服加载测试系统总体方案设计

2．1 加载测试系统技术要求

2．1．1 加载测试系统功能

2．1．2 主要性能指标

2．2 加载测试系统总体设计方案

2．2．1 方案的探讨与选择

2．2．2 总体方案设计

2．3 主要元器件选型

2．3．1 伺服电机选型

2．3．2 伺服驱动器选型

2．3．3 主要传感器选型

2．4 本章小结

3 电动伺服加载测试系统关键结构设计

3．1 运动转换结构设计

3．2 限转结构设计

3．3 关键零部件设计

3．4 加载测试系统总体结构

3．5 套筒有限元分析

3．6 本章小结

4 电动伺服加载测试系统数学建模

4．1 直流伺服电机及其控制器数学模型

4．1．1 直流伺服电机数学模型

4．1．2 PWM驱动装置数学模型

4．2 中间转换结构数学模型

4．3 输出力及位移关系

4．3．1 滚珠丝杆副工作原理

4．3．2 输出力及位移关系

4．4 加载测试系统数学模型及控制方框图

4．5 本章小结

5 电动伺服加载测试系统控制算法及仿真分析

5．1 加载测试系统性能分析

5．1．1 加载测试系统各项参数的确定

5．1．2 加载测试系统性能分析

5．2 加载测试系统校正

5．2．1 系统串联滞后校正

5．2．2 系统PID校正

5．3 多余力矩分析

5．3．1 多余力矩产生机理

5．3．2 多余力矩来源分析

5．3．3 被加载机构位置信号对多余力矩影响的定性分析

5．4 多余力矩补偿

5．4．1 前馈控制补偿原理

5．4．2 加载测试系统多余力矩补偿设计

5．4．3 多余力矩抑制仿真结果分析

5．5 加载测试系统复合加载控制策略

5．6 机械结构对多余力矩的影响

5．7 本章小结

6 基于LabVIEW的数据采集系统

6．1 数据采集系统方案设计

6．1．1 LabVIEW软件平台简介

6．1．2 系统测控方案

6．1．3 数据采集设备选型

6．2 数据采集系统编制

6．2．1 数据采集程序

6．2．2 数据显示与存储

6．2．3 数据采集系统前面板设计

6．3 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

参考文献