《机电系统建模、辨识与控制：Lecture04_MotionSystemExample》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机电系统建模、辨识与控制：Lecture04_MotionSystemExample（51页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、实例分析实例分析实例分析实例分析高性能运动系统的建模分析与控制问题研究高性能运动系统的建模分析与控制问题研究ModelingModeling，Analysis and Control of High Performance Motion Analysis and Control of High Performance Motion SystemsSystems 北北北北 京京京京 航航航航 空空空空 航航航航 天天天天 大大大大 学学学学机机机机 械械械械 工工工工 程程程程 及及及及 自自自自 动动动动 化化化化 学学学学 院院院院ASM-BUAAASM-BUAA运动控制研究中心运动控制研究
2、中心运动控制研究中心运动控制研究中心刘刘刘刘 强强强强Tel:010-82316699,82317733E-mail:http:/ 内容内容5.结论与展望结论与展望1.概概述述2.宽频多模态耦合运动建模分析方法及应用宽频多模态耦合运动建模分析方法及应用3.直线电机驱动直线电机驱动XY工作台性能的参数化分析工作台性能的参数化分析4.交流直线电机软换向矢量变换控制研究与实验交流直线电机软换向矢量变换控制研究与实验1. 1. 概述概述 高性能高性能高性能高性能( ( ( (高速度、高加速度、高精度高速度、高加速度、高精度高速度、高加速度、高精度高速度、高加速度、高精度) ) ) )运动工作台（机构）
3、应用日益增加运动工作台（机构）应用日益增加运动工作台（机构）应用日益增加运动工作台（机构）应用日益增加 高推力直线电机驱动、低高推力直线电机驱动、低高推力直线电机驱动、低高推力直线电机驱动、低( ( ( (无无无无) ) ) )摩擦高刚度直线导轨摩擦高刚度直线导轨摩擦高刚度直线导轨摩擦高刚度直线导轨结构方案结构方案结构方案结构方案 运运运运动动动动系系系系统统统统分分分分析析析析、设设设设计计计计与与与与控控控控制制制制的的的的特特特特点点点点不不不不同同同同于于于于经经经经典典典典的的的的伺伺伺伺服服服服控控控控制制制制系系系系统统统统经经经经典典典典的的的的线线线线性性性性模模模模型型型型
4、和和和和伺伺伺伺服服服服系系系系统统统统建建建建模模模模分分分分析析析析、结结结结构构构构设设设设计计计计和和和和控控控控制制制制方方方方法法法法已已已已难难难难以以以以有有有有效效效效发发发发挥挥挥挥作用。作用。作用。作用。Wire bonding machine核心运动系统核心运动系统核心运动系统核心运动系统XYStageXYStage研究对象的特点研究对象的特点高阶次、多变量、快高阶次、多变量、快高阶次、多变量、快高阶次、多变量、快+ +慢时变、非线性、强耦合慢时变、非线性、强耦合慢时变、非线性、强耦合慢时变、非线性、强耦合需要需要解决的问题解决的问题- -如何如何如何如何描述描述描述描
5、述高性能运动系统的特性？高性能运动系统的特性？高性能运动系统的特性？高性能运动系统的特性？建模与分析建模与分析建模与分析建模与分析- -如何如何如何如何设计设计设计设计满足性能要求的运动系统？满足性能要求的运动系统？满足性能要求的运动系统？满足性能要求的运动系统？系统综合与优化系统综合与优化系统综合与优化系统综合与优化- -采用什么采用什么采用什么采用什么控制控制控制控制算法实现运动控制？算法实现运动控制？算法实现运动控制？算法实现运动控制？控制理论与方法及其实现控制理论与方法及其实现控制理论与方法及其实现控制理论与方法及其实现关键问题的解决途径关键问题的解决途径- -建模与分析建模与分析建模
6、与分析建模与分析宽频多模态耦合运动建模宽频多模态耦合运动建模宽频多模态耦合运动建模宽频多模态耦合运动建模- -系统综合与优化系统综合与优化系统综合与优化系统综合与优化高性能运动系统的多学科综合优化与设计高性能运动系统的多学科综合优化与设计高性能运动系统的多学科综合优化与设计高性能运动系统的多学科综合优化与设计- -控制理论与方法及其实现控制理论与方法及其实现控制理论与方法及其实现控制理论与方法及其实现鲁棒鲁棒鲁棒鲁棒/ /自适应自适应自适应自适应/ /解耦的控制算法解耦的控制算法解耦的控制算法解耦的控制算法拟研究解决的关键问题拟研究解决的关键问题北航课题组主要研究工作进展北航课题组主要研究工作
7、进展建立了多个运动系统研究建立了多个运动系统研究实验平台实验平台；提出了提出了“宽频多模态耦合运动建模方法宽频多模态耦合运动建模方法”；运动系统结构运动系统结构方案分析比较与详细设计方案分析比较与详细设计；初步建立了高性能运动系统初步建立了高性能运动系统多学科综合优多学科综合优化虚拟设计化虚拟设计研究平台；研究平台；实现了几种实现了几种控制算法控制算法的仿真与实验应用。的仿真与实验应用。ASM-BUAA运动控制研究中心运动控制研究中心运动控制研究实验平台运动控制研究实验平台北航的部分高性能运动控制实验平台北航的部分高性能运动控制实验平台北航的部分高性能运动控制实验平台北航的部分高性能运动控制实
8、验平台刘强刘强刘强刘强 博士、教授，博士、教授，博士、教授，博士、教授，Prof.Dr.Prof.Dr.QiangQiangLIUTel:86-10-82316699LIUTel:86-10-82316699http:/http:/,E-mail:,E-mail: 面向面向NC和和IC装备的直线电机驱动高性能装备的直线电机驱动高性能运动控制系统研究与应用运动控制系统研究与应用自行研制的直线电机自行研制的直线电机自行研制的直线电机自行研制的直线电机气浮运动平台气浮运动平台气浮运动平台气浮运动平台直线电机驱动的直线电机驱动的直线电机驱动的直线电机驱动的ICIC封装用控制系统封装用控制系统封装用控制
9、系统封装用控制系统自行研制的直线电机自行研制的直线电机自行研制的直线电机自行研制的直线电机并联工作台并联工作台并联工作台并联工作台自行研制的直线电机自行研制的直线电机自行研制的直线电机自行研制的直线电机HH型运动控制试验台型运动控制试验台型运动控制试验台型运动控制试验台自行研制的自行研制的自行研制的自行研制的NCNC机床用机床用机床用机床用大推力直线电机运动平台大推力直线电机运动平台大推力直线电机运动平台大推力直线电机运动平台自行研制的五坐标自行研制的五坐标自行研制的五坐标自行研制的五坐标数控微铣床数控微铣床数控微铣床数控微铣床采用高速响应直线电机的数采用高速响应直线电机的数采用高速响应直线电
10、机的数采用高速响应直线电机的数控凸轮轴磨床控凸轮轴磨床控凸轮轴磨床控凸轮轴磨床北京航空航天大学北京航空航天大学北京航空航天大学北京航空航天大学ASM-ASM-BUAABUAA运动控制研究中心建立运动控制研究中心建立运动控制研究中心建立运动控制研究中心建立的高性能运动控制系统的高性能运动控制系统的高性能运动控制系统的高性能运动控制系统宽频多模态耦合运动建模方法宽频多模态耦合运动建模方法主运动微运动分析主运动微运动分析主运动微运动分析主运动微运动分析简化物理模型简化物理模型简化物理模型简化物理模型耦合建模耦合建模耦合建模耦合建模linearizationlinearizationAnalytica
11、lAnalyticalmodelingmodelingAnalysisAnalysisDesignDesignControlControlDiagnosisDiagnosis运动系统结构方案分析比较与详细设计运动系统结构方案分析比较与详细设计运动系统结构方案分析比较与详细设计运动系统结构方案分析比较与详细设计专利与文献中的运动平台方案专利与文献中的运动平台方案专利与文献中的运动平台方案专利与文献中的运动平台方案ASM-BUAAASM-BUAA中心运动平台设计中心运动平台设计中心运动平台设计中心运动平台设计高性能运动系统多学科综合优化虚拟设计研究高性能运动系统多学科综合优化虚拟设计研究高性能运动
12、系统多学科综合优化虚拟设计研究高性能运动系统多学科综合优化虚拟设计研究高性能运动系统高性能运动系统高性能运动系统高性能运动系统多学科优化设计多学科优化设计多学科优化设计多学科优化设计3D3D建模建模建模建模运动分析运动分析运动分析运动分析动力学分析动力学分析动力学分析动力学分析性能仿真性能仿真性能仿真性能仿真控制系统设计控制系统设计控制系统设计控制系统设计综合仿真综合仿真综合仿真综合仿真与测试与测试与测试与测试运动系统结构设计运动系统结构设计运动系统结构设计运动系统结构设计机械电系统虚拟样机机械电系统虚拟样机电气系统虚拟样机电气系统虚拟样机虚拟控制系统虚拟控制系统软件集成系统软件集成系统控制算
13、法的仿真与实验控制算法的仿真与实验基于基于基于基于PCPC的高性能运动系统控制实验平台开发的高性能运动系统控制实验平台开发的高性能运动系统控制实验平台开发的高性能运动系统控制实验平台开发滤波器与观测器特性及应用研究与实验滤波器与观测器特性及应用研究与实验滤波器与观测器特性及应用研究与实验滤波器与观测器特性及应用研究与实验滑模变结构控制算法研究滑模变结构控制算法研究滑模变结构控制算法研究滑模变结构控制算法研究自适应滤波器算法研究自适应滤波器算法研究自适应滤波器算法研究自适应滤波器算法研究自适应解耦控制算法研究自适应解耦控制算法研究自适应解耦控制算法研究自适应解耦控制算法研究2 2宽频多模态耦合运
14、动建模分析方法及应用宽频多模态耦合运动建模分析方法及应用XYZ主运动微运动分析主运动微运动分析主运动微运动分析主运动微运动分析简化物理模型简化物理模型简化物理模型简化物理模型数学建模数学建模数学建模数学建模linearizationlinearizationAnalyticalAnalyticalmodelingmodeling2.1 2.1 研究对象研究对象一种交流直线电机驱动的一种交流直线电机驱动的一种交流直线电机驱动的一种交流直线电机驱动的XYXYXYXY工作台工作台工作台工作台经典伺服系统模型的局限性经典伺服系统模型的局限性图2 运动系统经典模型频率特性某工作台实测的速度频率特性2.2
15、 2.2 运动分析与简化运动分析与简化 1)Mainlinearmotion2)Subsidiaryvibrations1)Mainlinearmotion2)SubsidiaryvibrationsMainlinearmotionRollvibrationZ-axisvibrationPitchvibrationYawvibrationPitchvibrationZ-axisvibrationRollvibrationYawvibration 主运动（主运动（主运动（主运动（mainmotionmainmotion） 沿该轴方向作直线位移沿该轴方向作直线位移沿该轴方向作直线位移沿该轴方向作直
16、线位移 附加振动（附加振动（附加振动（附加振动（subsidiaryvibrationsubsidiaryvibration） 沿沿沿沿垂垂垂垂直直直直方方方方向向向向的的的的直直直直线线线线振振振振动动动动(Z-axis(Z-axisvibration)vibration)、偏偏偏偏摆摆摆摆振振振振动动动动(yaw(yaw vibration)vibration)、俯俯俯俯仰仰仰仰振振振振动动动动(pitch(pitch vibration)vibration)、侧侧侧侧滚滚滚滚振振振振动动动动(rollvibration)(rollvibration)等等等等. . . . 不考虑动子上垂
17、直作用力、运动以及振动；不考虑动子上垂直作用力、运动以及振动；不考虑动子上垂直作用力、运动以及振动；不考虑动子上垂直作用力、运动以及振动； 在两侧导轨所加的预紧力均匀且相等；在两侧导轨所加的预紧力均匀且相等；在两侧导轨所加的预紧力均匀且相等；在两侧导轨所加的预紧力均匀且相等； 不考虑滚子打滑以及其他异常现象。不考虑滚子打滑以及其他异常现象。不考虑滚子打滑以及其他异常现象。不考虑滚子打滑以及其他异常现象。 忽略动子上电磁推力与导板运动方向之间偏移产生的力矩；忽略动子上电磁推力与导板运动方向之间偏移产生的力矩；忽略动子上电磁推力与导板运动方向之间偏移产生的力矩；忽略动子上电磁推力与导板运动方向之间
18、偏移产生的力矩； 轴位置反馈无滞后轴位置反馈无滞后轴位置反馈无滞后轴位置反馈无滞后; ; YY工作台所有负载质量关于工作台所有负载质量关于工作台所有负载质量关于工作台所有负载质量关于Y Y轴对称轴对称轴对称轴对称; ; XX工作台负载质量（不包括工作台负载质量（不包括工作台负载质量（不包括工作台负载质量（不包括Y Y工作台）关于工作台）关于工作台）关于工作台）关于X X轴对称轴对称轴对称轴对称2.3 2.3 简化物理模型的选择简化物理模型的选择1) 1) 1) 1) 多多多多个个个个固固固固定定定定弹弹弹弹簧簧簧簧- -阻阻阻阻尼尼尼尼器器器器的的的的多多多多模模模模态态态态耦耦耦耦合合合合运
19、运运运动动动动模模模模型型型型（ multi-modemulti-mode complexcomplex motionmotion ofof doubledouble massmass withwith fixedfixedmultiplespring-dampersandflexiblestructuremultiplespring-dampersandflexiblestructure）2) 2) 2) 2) 多个可移动弹簧多个可移动弹簧多个可移动弹簧多个可移动弹簧- -阻尼器的多模态耦合运动模型阻尼器的多模态耦合运动模型阻尼器的多模态耦合运动模型阻尼器的多模态耦合运动模型A A A A（
20、multi-multi-modecomplexmotionofdoublemasswithmovablemultiplemodecomplexmotionofdoublemasswithmovablemultiplespring-dampersandflexiblestructurespring-dampersandflexiblestructure） 多个可移动弹簧多个可移动弹簧多个可移动弹簧多个可移动弹簧- -阻尼器的多模态复合运动模型阻尼器的多模态复合运动模型阻尼器的多模态复合运动模型阻尼器的多模态复合运动模型A A A AY Y工作台工作台工作台工作台 多个可移动弹簧多个可移动弹簧多个
21、可移动弹簧多个可移动弹簧- -阻尼器的多模态耦合运动模型阻尼器的多模态耦合运动模型阻尼器的多模态耦合运动模型阻尼器的多模态耦合运动模型B B B BX X工作台工作台工作台工作台 3) 3) 3) 3) 多个可移动弹簧多个可移动弹簧多个可移动弹簧多个可移动弹簧- -阻尼器的多模态耦合运动模型阻尼器的多模态耦合运动模型阻尼器的多模态耦合运动模型阻尼器的多模态耦合运动模型B B B B（multi-multi-modecomplexmotionofdoublemasswithmovablemultiplemodecomplexmotionofdoublemasswithmovablemultipl
22、espring-dampersandflexiblestructurespring-dampersandflexiblestructure） 多个可移动弹簧多个可移动弹簧多个可移动弹簧多个可移动弹簧- -阻尼器的多模态复合运动模型阻尼器的多模态复合运动模型阻尼器的多模态复合运动模型阻尼器的多模态复合运动模型B B B BY Y工作台工作台工作台工作台 多个可移动弹簧多个可移动弹簧多个可移动弹簧多个可移动弹簧- -阻尼器的多模态耦合运动模型阻尼器的多模态耦合运动模型阻尼器的多模态耦合运动模型阻尼器的多模态耦合运动模型B B B BX X工作台工作台工作台工作台 2.4 2.4 工作台工作台Y Y
23、轴的动态建模轴的动态建模 直线电机动子运动方程：直线电机动子运动方程：直线电机动子运动方程：直线电机动子运动方程：工作台主运动板运动方程：工作台主运动板运动方程：工作台主运动板运动方程：工作台主运动板运动方程：理论模型理论模型理论模型理论模型BodeBode图图图图 X X轴理论模型频率特性轴理论模型频率特性轴理论模型频率特性轴理论模型频率特性(XHYH)(XHYH)（data1data1为靠近为靠近为靠近为靠近X-EncoderX-Encoder一侧，一侧，一侧，一侧，data2data2为靠近为靠近为靠近为靠近Y Y电机一侧）电机一侧）电机一侧）电机一侧） 2.5 2.5 模型验证模型验证
24、仿真与实验仿真与实验 2.5.1 2.5.1 实验系统建立实验系统建立2.5.2 2.5.2 2.5.2 2.5.2 基于基于基于基于Matlab/SimulinkMatlab/SimulinkMatlab/SimulinkMatlab/Simulink的数字仿真系统的建立的数字仿真系统的建立的数字仿真系统的建立的数字仿真系统的建立X工作台理论模型仿真系统 X工作台理论模型仿真系统精装子系统第一层 2.5.3 2.5.3 仿真与实验结果比较仿真与实验结果比较理论模型与实验结果频率特性比较理论模型与实验结果频率特性比较理论模型与实验结果频率特性比较理论模型与实验结果频率特性比较 ( (图中实线为
25、实验结果，带图中实线为实验结果，带图中实线为实验结果，带图中实线为实验结果，带“ “* *” ”号线为理论模型频率特号线为理论模型频率特号线为理论模型频率特号线为理论模型频率特性性性性) )2.5.4仿真与实验结果的比较分析仿真与实验结果的比较分析1 1）实实实实际际际际系系系系统统统统的的的的实实实实验验验验频频频频率率率率特特特特性性性性与与与与理理理理论论论论模模模模型型型型频频频频率率率率特特特特性性性性在在在在较较较较低低低低频频频频率率率率范范范范围围围围（300Hz300Hz1100Hz300Hz1100Hz）时时时时，实实实实际际际际系系系系统统统统中中中中存存存存在在在在多多
26、多多个个个个谐谐谐谐振振振振频频频频率率率率，而而而而且且且且同同同同一一一一个个个个方方方方向向向向运运运运动动动动的的的的两两两两侧侧侧侧的的的的频频频频率率率率特特特特性性性性不不不不一一一一致致致致，在在在在理理理理论论论论模模模模型型型型仿仿仿仿真真真真的的的的频频频频率率率率特特特特性性性性上上上上，已已已已明明明明显显显显地地地地反反反反映映映映这这这这几几几几个个个个主主主主要要要要特特特特征征征征，并并并并且且且且理理理理论论论论频频频频率率率率特特特特性性性性的的的的总总总总体体体体趋趋趋趋势势势势与实际频率特性也是一致的。与实际频率特性也是一致的。与实际频率特性也是一致的
27、。与实际频率特性也是一致的。3 3）对对对对实实实实际际际际系系系系统统统统的的的的采采采采用用用用物物物物理理理理简简简简化化化化模模模模型型型型和和和和宽宽宽宽频频频频多多多多模模模模态态态态复复复复合合合合运运运运动动动动建建建建模模模模方方方方法法法法，考考考考虑虑虑虑主主主主运运运运动动动动和和和和微微微微振振振振动动动动的的的的共共共共同同同同影影影影响响响响，从从从从而而而而建建建建立立立立起起起起高高高高性性性性能能能能工工工工作作作作台台台台运运运运动动动动系系系系统统统统的的的的理理理理论论论论数数数数学学学学模模模模型型型型，其其其其过过过过程程程程和和和和方方方方法法法
28、法是是是是合合合合理理理理和和和和有有有有效效效效的的的的，可可可可以以以以获获获获得得得得较较较较好好好好地地地地反反反反映映映映实实实实际际际际系系系系统统统统动动动动态特性的理论数学模型。态特性的理论数学模型。态特性的理论数学模型。态特性的理论数学模型。 2.6 2.6 其他建模实例其他建模实例ModelingastagemotionwithbasevibrationinvolvedModelingastagemotionwithbasevibrationinvolved冗余驱动的高性能工作台建模分析与性能仿真冗余驱动的高性能工作台建模分析与性能仿真冗余驱动的高性能工作台建模分析与性能仿
29、真冗余驱动的高性能工作台建模分析与性能仿真3.直线电机驱动直线电机驱动XY工作台性能的参数化分析工作台性能的参数化分析l lMy=2.151;%Y方向导板质量方向导板质量Myl lmy=0.4;%Y方向动子质量方向动子质量my1l lIx=0.007143;%Y方向导板绕方向导板绕y轴转动惯量轴转动惯量Ixl lIy=0.003152;%Y方向导板绕方向导板绕y轴转动惯量轴转动惯量Iyl lIz=0.007958;%Y方向导板绕方向导板绕z轴转动惯量轴转动惯量Izl lKs=1e6;%Y方向主运动模型结构刚度方向主运动模型结构刚度Ksl lBs=1000;%Y方向主运动模型结构阻尼方向主运动模
30、型结构阻尼Bsl lKf=0;%Y方向主运动模型滚珠惯性阻尼方向主运动模型滚珠惯性阻尼Kfl lBf=10;%Y方向主运动模型滚珠粘滞阻尼方向主运动模型滚珠粘滞阻尼Bfl lK1=1.65e7;%轨道滚子连接刚度轨道滚子连接刚度K-(z向向)l lK2=1e7;%轨道滚子连接刚度轨道滚子连接刚度K-(x向向)l lC1=300;%轨道滚子连接阻尼轨道滚子连接阻尼C-(z向向)l lC2=300;%轨道滚子连接阻尼轨道滚子连接阻尼C-(x向向)l lN=2331;%Y方向轨道预紧力方向轨道预紧力Nl lu=0.0011;%摩擦系数摩擦系数ul lH=-0.02;%主运动结构弹簧阻尼作用点在主运动
31、结构弹簧阻尼作用点在XOY2Z坐标系坐标系Z方向标量方向标量Hl lh=0.03;%OXY2Z坐标系滚子导轨简化点到原点距离坐标系滚子导轨简化点到原点距离Z方向分量方向分量hl lD=0.057;%tOXY2Z坐坐标标系系原原点点到到滚滚子子导导轨轨简简化化点点的的距距离离即即一一排排滚滚珠珠长长度度的的一一半半Dl ld1=0.04;%工作台与动子两紧固点距离的一半工作台与动子两紧固点距离的一半dl lL=0.0425;%y方向导板宽度的一半方向导板宽度的一半L1l lr=0.005;%工作台重心与动子作用力在工作台重心与动子作用力在x方向距离方向距离rY Y轴影响参数：轴影响参数：轴影响参
32、数：轴影响参数：2121个参数个参数个参数个参数X X轴影响参数：轴影响参数：轴影响参数：轴影响参数： 3232个参数个参数个参数个参数l l l lMy=2.151kg;%YMy=2.151kg;%Y方向导板质量方向导板质量方向导板质量方向导板质量MyMyl l l lMxMx=1.3171kg;%X=1.3171kg;%X方向导板质量方向导板质量方向导板质量方向导板质量MxMxl l l lmy1=0.4kg;%Ymy1=0.4kg;%Y方向动子质量方向动子质量方向动子质量方向动子质量my1my1l l l lmx1=0.4kg;%Xmx1=0.4kg;%X方向动子质量方向动子质量方向动子
33、质量方向动子质量mx1mx1l l l lHxHx=0.03m;%=0.03m;%主运动结构弹簧阻尼作用点在主运动结构弹簧阻尼作用点在主运动结构弹簧阻尼作用点在主运动结构弹簧阻尼作用点在OX2YZOX2YZ坐标系坐标系坐标系坐标系Z Z方向标量方向标量方向标量方向标量HxHxl l l lHxyHxy=0.015m;%X=0.015m;%X工作台重心到与工作台重心到与工作台重心到与工作台重心到与Y Y工作台接触面工作台接触面工作台接触面工作台接触面Z Z方向高度方向高度方向高度方向高度HxyHxyl l l lhx1=0.01149m;%OX2YZhx1=0.01149m;%OX2YZ坐标系滚
34、子导轨简化点到原点距离坐标系滚子导轨简化点到原点距离坐标系滚子导轨简化点到原点距离坐标系滚子导轨简化点到原点距离Z Z方向分量方向分量方向分量方向分量hx1hx1l l l lhyhy=0.03m;%Y=0.03m;%Y工作台直线导轨和滚子之间作用力在工作台直线导轨和滚子之间作用力在工作台直线导轨和滚子之间作用力在工作台直线导轨和滚子之间作用力在O*X*Y2*Z*O*X*Y2*Z*坐标系坐标系坐标系坐标系Z*Z*方向的高度；方向的高度；方向的高度；方向的高度；l l l lL1x=0.0425m;%xL1x=0.0425m;%x方向工作台轨道宽度的一半方向工作台轨道宽度的一半方向工作台轨道宽度
35、的一半方向工作台轨道宽度的一半L1xL1xl l l lL1y=0.0425m;%yL1y=0.0425m;%y方向工作台轨道宽度的一半方向工作台轨道宽度的一半方向工作台轨道宽度的一半方向工作台轨道宽度的一半L1yL1yl l l lDxDx=0.066m;%X=0.066m;%X工作台工作台工作台工作台t=0t=0时刻坐标系原点到滚子导轨简化点的距离即一排滚珠长度的一半时刻坐标系原点到滚子导轨简化点的距离即一排滚珠长度的一半时刻坐标系原点到滚子导轨简化点的距离即一排滚珠长度的一半时刻坐标系原点到滚子导轨简化点的距离即一排滚珠长度的一半DxDxl l l lDyDy=0.057m;%Y=0.0
36、57m;%Y工作台工作台工作台工作台t=0t=0时刻坐标系原点到滚子导轨简化点的距离即一排滚珠长度的一半时刻坐标系原点到滚子导轨简化点的距离即一排滚珠长度的一半时刻坐标系原点到滚子导轨简化点的距离即一排滚珠长度的一半时刻坐标系原点到滚子导轨简化点的距离即一排滚珠长度的一半DyDyl l l ldxdx=0.04m;%X=0.04m;%X工作台动子与工作台联接结合部两个紧固点间距的一半。工作台动子与工作台联接结合部两个紧固点间距的一半。工作台动子与工作台联接结合部两个紧固点间距的一半。工作台动子与工作台联接结合部两个紧固点间距的一半。l l l lrx=0.01m;%rx=0.01m;%工作台重
37、心与动子作用力在工作台重心与动子作用力在工作台重心与动子作用力在工作台重心与动子作用力在y y方向距离方向距离方向距离方向距离rxrx IyxIyx=0.007143Nms;%y=0.007143Nms;%y方向导板方向导板方向导板方向导板x x方向的转动惯量方向的转动惯量方向的转动惯量方向的转动惯量IyxIyxl l l lIyyIyy=0.003152=0.003152NmsNms;%y;%y方向导板绕方向导板绕方向导板绕方向导板绕y y轴转动惯量轴转动惯量轴转动惯量轴转动惯量IyyIyy l l l lIyzIyz=0.007958=0.007958NmsNms;%y;%y方向导板绕方向
38、导板绕方向导板绕方向导板绕z z轴转动惯量轴转动惯量轴转动惯量轴转动惯量IyzIyzl l l lIxxIxx=0.01221=0.01221NmsNms;%x;%x方向导板方向导板方向导板方向导板x x方向的转动惯量方向的转动惯量方向的转动惯量方向的转动惯量IxxIxxl l l lIxyIxy=0.01715=0.01715NmsNms;%x;%x方向导板绕方向导板绕方向导板绕方向导板绕y y轴转动惯量轴转动惯量轴转动惯量轴转动惯量IxyIxy l l l lIxzIxz=0.02058=0.02058NmsNms;%x;%x方向导板绕方向导板绕方向导板绕方向导板绕z z轴转动惯量轴转动惯
39、量轴转动惯量轴转动惯量IxzIxz l l l lKsxKsx=7e6N/m;%x=7e6N/m;%x方向主运动模型结构刚度方向主运动模型结构刚度方向主运动模型结构刚度方向主运动模型结构刚度KsxKsxl l l lBsxBsx=800Ns/m;%x=800Ns/m;%x方向主运动模型结构阻尼方向主运动模型结构阻尼方向主运动模型结构阻尼方向主运动模型结构阻尼BsxBsxl l l lKfxKfx=0N/m;%x=0N/m;%x方向主运动模型滚珠惯性阻尼方向主运动模型滚珠惯性阻尼方向主运动模型滚珠惯性阻尼方向主运动模型滚珠惯性阻尼KfxKfxl l l lBfxBfx=10Ns/m;%x=10N
40、s/m;%x方向主运动模型滚珠粘滞阻尼方向主运动模型滚珠粘滞阻尼方向主运动模型滚珠粘滞阻尼方向主运动模型滚珠粘滞阻尼BfxBfxl l l lK1y=1.5e6N/m;%yK1y=1.5e6N/m;%y方向轨道滚子连接刚度方向轨道滚子连接刚度方向轨道滚子连接刚度方向轨道滚子连接刚度K-(zK-(z向向向向) )l l l lC1y=50Ns/m;%yC1y=50Ns/m;%y方向轨道滚子连接阻尼方向轨道滚子连接阻尼方向轨道滚子连接阻尼方向轨道滚子连接阻尼C-(zC-(z向向向向) )l l l lK1x=4e7N/m;%xK1x=4e7N/m;%x方向轨道滚子连接刚度方向轨道滚子连接刚度方向轨
41、道滚子连接刚度方向轨道滚子连接刚度K-(zK-(z向向向向) )l l l lK2x=1e7N/m;%xK2x=1e7N/m;%x方向轨道滚子连接刚度方向轨道滚子连接刚度方向轨道滚子连接刚度方向轨道滚子连接刚度K-(XOYK-(XOY平面平面平面平面) )l l l lC1x=300Ns/m;%xC1x=300Ns/m;%x方向轨道滚子连接阻尼方向轨道滚子连接阻尼方向轨道滚子连接阻尼方向轨道滚子连接阻尼C-(zC-(z向向向向) )l l l lC2x=500Ns/m;%xC2x=500Ns/m;%x方向轨道滚子连接阻尼方向轨道滚子连接阻尼方向轨道滚子连接阻尼方向轨道滚子连接阻尼C-(XOYC
42、-(XOY平面平面平面平面)%)%l l l lNxNx=2800N;%=2800N;%YxYx方向轨道预紧力方向轨道预紧力方向轨道预紧力方向轨道预紧力NxNxl l l lu=0.0011;%u=0.0011;%摩擦系数摩擦系数摩擦系数摩擦系数u%u%工作台重要参数对频率特性变化的影响工作台重要参数对频率特性变化的影响工作台重要参数对频率特性变化的影响工作台重要参数对频率特性变化的影响4.交流直线电机软换向矢量变换控制研究与实验交流直线电机软换向矢量变换控制研究与实验4.14.1基本原理基本原理基本原理基本原理交流电机矢量图交流电机矢量图交流电机矢量图交流电机矢量图 2-32-32-32-3
43、变换变换变换变换 直线电机动子、定子位置示意图直线电机动子、定子位置示意图直线电机动子、定子位置示意图直线电机动子、定子位置示意图 4.24.2系统构成系统构成系统构成系统构成实验控制系统硬件示意图实验控制系统硬件示意图实验控制系统硬件示意图实验控制系统硬件示意图 实验控制系统工作原理示意图实验控制系统工作原理示意图实验控制系统工作原理示意图实验控制系统工作原理示意图 Velocity filter: BUAAVelocityobserverVelocityobserverAccelerationobserverAccelerationobserver加速度观测器频率特性曲线加速度观测器频率特
44、性曲线加速度观测器频率特性曲线加速度观测器频率特性曲线 加速度观测结果加速度观测结果加速度观测结果加速度观测结果 4.34.3实验结果实验结果实验结果实验结果初始化过程中电机动子位置初始化过程中电机动子位置初始化过程中电机动子位置初始化过程中电机动子位置 稳态时稳态时稳态时稳态时a a相中的电流波形相中的电流波形相中的电流波形相中的电流波形 速度指令与速度反馈波形速度指令与速度反馈波形速度指令与速度反馈波形速度指令与速度反馈波形 位置指令、实际位置波形位置指令、实际位置波形位置指令、实际位置波形位置指令、实际位置波形加速度实测曲线加速度实测曲线加速度实测曲线加速度实测曲线 同步控制的一个演示实
45、例（和利时公司）同步控制的一个演示实例（和利时公司）5. 5. 结论与展望结论与展望1 1） “ “宽宽宽宽频频频频多多多多模模模模态态态态耦耦耦耦合合合合运运运运动动动动建建建建模模模模” ”的的的的思思思思想想想想和和和和方方方方法法法法，可可可可反反反反映映映映高高高高性性性性能能能能运运运运动动动动系系系系统统统统多多多多变变变变量量量量、非非非非线线线线性性性性、时时时时变变变变性性性性和和和和耦耦耦耦合合合合性性性性等等等等特特特特点点点点，并并并并且且且且与与与与实实实实验验验验获获获获得得得得的的的的实实实实际际际际系系系系统统统统频频频频率率率率特特特特性性性性是是是是一致的
46、，其建模方法和过程是合理和有效的。一致的，其建模方法和过程是合理和有效的。一致的，其建模方法和过程是合理和有效的。一致的，其建模方法和过程是合理和有效的。 2 2）利利利利用用用用参参参参数数数数化化化化数数数数学学学学模模模模型型型型，可可可可以以以以对对对对系系系系统统统统中中中中各各各各种种种种参参参参数数数数( (包包包包括括括括直直直直线线线线电电电电机机机机的的的的电电电电磁磁磁磁和和和和机机机机电电电电参参参参数数数数、运运运运动动动动部部部部件件件件的的的的结结结结构构构构和和和和几几几几何何何何尺尺尺尺寸寸寸寸以以以以及及及及惯惯惯惯量量量量匹匹匹匹配配配配、导导导导轨轨轨轨
47、型型型型式式式式及及及及其其其其预预预预紧紧紧紧力力力力大大大大小小小小、反反反反馈馈馈馈传传传传感感感感器器器器的的的的选选选选择择择择和和和和安安安安装装装装位位位位置置置置等等等等) )与与与与系系系系统统统统动动动动态态态态性性性性能能能能的的的的关关关关系系系系进进进进行行行行仿仿仿仿真真真真和和和和分分分分析析析析，从从从从而而而而为此类系统的电气和机械结构的优化设计提供理论指导和数学依据；为此类系统的电气和机械结构的优化设计提供理论指导和数学依据；为此类系统的电气和机械结构的优化设计提供理论指导和数学依据；为此类系统的电气和机械结构的优化设计提供理论指导和数学依据；3 3）面面面
48、面向向向向满满满满足足足足此此此此类类类类对对对对象象象象高高高高性性性性能能能能控控控控制制制制要要要要求求求求，研研研研究究究究鲁鲁鲁鲁棒棒棒棒数数数数字字字字控控控控制制制制器器器器设设设设计计计计方方方方法法法法，将将将将从从从从控控控控制的角度为满足系统性能设计指标提供一种实现途径。制的角度为满足系统性能设计指标提供一种实现途径。制的角度为满足系统性能设计指标提供一种实现途径。制的角度为满足系统性能设计指标提供一种实现途径。4 4）用用用用于于于于交交交交流流流流直直直直线线线线电电电电机机机机控控控控制制制制的的的的软软软软换换换换向向向向矢矢矢矢量量量量控控控控制制制制方方方方法法法法及及及及其其其其实实实实现现现现，可可可可为为为为进进进进一一一一步步步步研研研研究究究究开开开开发发发发新新新新型型型型高高高高性性性性能能能能直直直直线线线线电电电电机机机机工工工工作作作作台台台台运运运运动动动动控控控控制制制制系系系系统统统统及及及及研研研研究究究究先先先先进进进进控控控控制制制制算算算算法法法法提提提提供供供供良良良良好好好好的的的的基基基基础和支持。础和支持。础和支持。础和支持。
