高速高精度滚珠丝杠定位系统动态特性与控制方法研究

摘要

随着数控机床、表面贴装技术、金属3D打印等智能制造装备的迅速发展，采用伺服电机+滚珠丝杠的驱动技术呈现出巨大的需求，已成为智能制造装备的核心基础部分，对我国高端装备的发展起着关键和决定性作用，其精度和速度性能直接决定了高端装备的定位精度与效率。
　　本文以表面贴装技术为研究背景，针对伺服电机+滚珠丝杠在高速运行下产生的振动及定位精度问题，对伺服电机+滚珠丝杠的定位系统展开了一系列的研究。通过对该系统的动态特性、闭环控制算法等进行理论分析与实验研究，使得系统工作台在定位精度与速度方面都取得到了较大程度的提高。课题研究对高端装备技术的发展具有重要的理论意义与应用价值。本文主要工作和研究成果如下:
　　1)研究并设计基于“旋转电机+滚珠丝杠”驱动模式的定位系统，建立滚珠丝杠定位系统的刚体动态模型。使用分段常值电压信号作为输入获取系统的输出数据，通过最小二乘辨识方法对刚体动态模型进行时域辨识。研究了作为定位系统驱动源的永磁交流同步电机，建立了该电机基于空间矢量控制原理的数学模型，通过实验研究获取了电机驱动放大器的带宽特性，奠定了控制系统的设计基础。
　　2)在考虑工作台高速运动及滚珠丝杠导程对动态特性影响的情况下，基于有限元分析的振型结果，研究了一种基于混合基函数的Ritz级数法来获取系统精确的动态特性。通过数值仿真，分析了Ritz级数的收敛特性，研究了工作台在不同位置下系统的固有频率与振型的变化情况。对滚珠丝杠定位系统进行扫频实验研究，获取系统实际固有频率，结果表明，所提基于混合基函数的Ritz级数法能够准确预测系统的动态特性，为高频振动抑制提供了理论依据。
　　3)为提高控制系统的瞬态响应和稳态精度，针对一类具有未知上界的匹配参数摄动和外界干扰的系统，研究了基于非线性滑模面的滑模控制器(NSMC)，分析了非线性滑模面是如何改变系统阻尼比以提高响应性能。为了降低由切换控制引起的系统抖振，研究了自适应参数估计以代替NSMC的切换增益。当系统存在不匹配参数摄动和外界干扰时，在使用非线性滑模面的基础上结合干扰观测器设计了新的滑动模态，研究了基于非线性滑模面和干扰观测器的改进型自适应滑模控制律（ANSMC-DOB）。
　　4)从传统控制方法入手，首先以滚珠丝杠定位系统的刚体动态模型为基础，研究了基于单位置闭环反馈的PID与自适应滑模控制。为了提高系统的控制性能，研究了基于滚珠丝杠定位系统一阶轴向模态的二自由度数学模型，以该模型为基础，研究了基于双位置闭环反馈的ANSMC-DOB定位控制系统。根据系统动态特性的分析结果，研究了相应的陷波滤波器以控制系统的高阶模态振动。
　　5)建立了基于dSPACE实时仿真工作平台的滚珠丝杠闭环控制系统，为了降低由工作台加减速不平滑导致的系统振动现象，设计了适用于滚珠丝杠定位系统的加加速度连续的运动轨迹。由仿真和实验研究表明，滚珠丝杠定位系统使用所提ANSMC-DOB控制方法时，工作台可在最高速度为1m/s的运行情况下获得±10μm的轨迹跟踪精度，相比于传统PID和自适应滑模控制，定位性能有了较大的提高。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 表面贴装技术的发展历程及现状

1．2．1 表面贴装技术的发展历程

1．2．2 表面贴装技术的发展现状

1．3 高速高精度定位系统关键技术的研究现状

1．3．1 高速高精度定位系统的驱动机构研究现状

1．3．2 滚珠丝杠定位系统的研究现状

1．4 研究内容与章节安排

第2章 滚珠丝杠定位系统的建模与伺服特性分析

2．1 滚珠丝杠定位系统的组成

2．1．1 滚珠丝杠传动-驱动系统

2．1．2 位移测量系统

2．1．3 半物理仿真控制系统

2．2 定位系统各部分的数学模型

2．2．1 传动机构的刚体动态模型

2．2．2 交流同步伺服电机数学模型

2．3 定位系统的伺服驱动特性分析

2．4 本章小结

第3章 基于Ritz级数的定位系统动态特性分析

3．1 模态分析的概述

3．2 一阶轴向模态的理论计算

3．3 基于ANSYS／Workbench的有限元模态分析

3．3．1 有限元分析简介

3．3．2 滚珠丝杠传动副的有限元建模

3．3．3 滚珠丝杠传动副的模态分析

3．4 Ritz级数建模及振动特性分析

3．4．1 滚珠丝杠传动-驱动系统的能量守恒

3．4．2 Ritz级数展开

3．4．3 运动方程获取

3．4．4 混合基函数的选取

3．4．5 基于Ritz级数建模的振动特性分析

3．5 振动模态的实验验证

3．6 本章小结

第4章 基于非线性滑模面的改进型自适应滑模控制算法设计

4．1 滑模控制问题的提出

4．2 基于非线性滑模面的滑模控制算法设计

4．2．1 非线性滑模面的选取

4．2．2 非线性滑模面的稳定性分析

4．2．3 基于非线性滑模面的滑模控制律设计

4．2．4 闭环系统阻尼比的变化情况

4．3 改进型自适应滑模控制算法设计

4．3．1 干扰观测器的设计

4．3．2 针对不匹配干扰的滑模控制律设计

4．3．3 自适应参数估计

4．4 算法仿真研究

4．4．1 模型线性化

4．4．2 控制系统设计

4．4．3 仿真研究

4．5 本章小结

第5章 定位系统的控制算法实现

5．1 基于单位置反馈的PID与自适应滑模控制

5．1．1 PID控制器

5．1．2 基于线性滑模面的自适应滑模控制器

5．2 二自由度控制模型的分析与辨识

5．3 基于双位置反馈的控制算法应用

5．3．1 参考状态轨迹生成

5．3．2 ANSMC-DOB算法在滚珠丝杠定位系统中的应用

5．3．3 仿真分析

5．4 实验对比

5．4．1 数字陷波滤波器的设计

5．4．2 算法实现

5．4．3 实验结果

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 论文创新点

6．3 工作展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果