伺服电动缸传动系统刚度建模与前馈控制

doi:10.13229/j.cnki.jdxbgxb20191061

摘要/Abstract

摘要：

在精准控制的要求下，伺服电动缸需保证很高的定位精度，然而在重载工况下，伺服电动缸会发生较大的弹性变形，严重影响伺服电动缸的定位精度。为此，本文对伺服电动缸传动系统进行了机械刚度建模，通过实验验证刚度模型的有效性，并加入了基于刚度模型的前馈控制算法。研究结果表明：所建立的伺服电动缸传动系统刚度模型有效，加入基于刚度模型的前馈控制算法后，伺服电动缸的定位精度得到显著提高。

关键词: 机械工程, 伺服电动缸, 定位精度, 刚度模型, 前馈控制

Abstract:

Under the requirement of precise control， the servo electric cylinder needs to ensure a high positioning accuracy. However， under heavy load， the servo electric cylinder will have a large elastic deformation， which seriously affects its positioning accuracy. To solve this problem， first， the mechanical stiffness model of the servo electric cylinder transmission system is established， which is verified through experiments. Then， a feedforward control algorithm based on the stiffness model is added. The research results show that the established mechanical stiffness model of the established servo electric cylinder transmission system is effective.. The addition of the feedforward control algorithm can significantly improve the positioning accuracy of the servo electric cylinder.

Key words: mechanical engineering, servo motor cylinder, positioning accuracy, stiffness model, feedforward control

中图分类号:

TH39

翟富刚,尹燕斌,李超,田纬,乔子石. 伺服电动缸传动系统刚度建模与前馈控制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(2): 442-449.

Fu-gang ZHAI,Yan-bin YIN,Chao LI,Wei TIAN,Zi-shi QIAO. Stiffness modeling and feedforward control of servo electric cylinder drive system[J]. Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition), 2021, 51(2): 442-449.

图/表 19

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表1

伺服电动缸基本参数表"

名称	参数及数值
丝杠公称直径/mm	$d 0 = 63$
滚珠个数	$z n = 90$
滚珠直径/mm	$d b = 12.7$
公称接触角/(°)	$α = 45$
螺旋升角/(°)	$λ = 4.622$
导程/mm	$P h = 16$
弹性模量/Pa	$E = 2.19 × 1011$
额定动载荷/kN	$C a = 248.5$
有效圈数	$i b = 5.75$
滚道曲率比	$t b = 1.04$
螺纹小径/mm	$d 2 = 50$
轴承滚珠直径/mm	$d = 40$
轴承滚珠个数	$z = 7$
轴承接触角/(°)	$α 1 = 55$
同步带模量/Pa	$E 1 = 8 × 1010$
同步带宽度/mm	$b = 52.5$
同步带带高/mm	$h s = 10$
同步带齿高/mm	$h t = 6.02$
紧边拉力/N	$F = 3536.68$
同步带预紧力/N	$F 02 = 3000$

表1

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表3

参考文献 11

1	莫会成, 闵琳, 王健,等. 现代高性能永磁交流伺服系统综述(上)——永磁电机篇[J]. 伺服控制, 2014(2): 16-19.
	Mo Hui-cheng, Min Lin, Wang Jian, et al. Overview of modern high-performance ac permanent magnet servo system (part I)——permanent magnet motor[J]. Journal of Servo Control, 2014(2): 16-19.
2	王帅夫, 刘景林. 基于大脑情感学习模型的步进电机控制系统[J]. 吉林大学学报: 工学版, 2014, 44(3): 765-770.
	Wang Shuai-fu, Liu Jing-lin. Stepping motor control system based on brain emotional learning model[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2014, 44(3): 765-770.
3	赵健, 邓志辉, 朱冰, 等. 面向电子机械助力制动的永磁同步电机位置伺服控制[J]. 吉林大学学报: 工学版, 2020, 50(3): 834-841.
	Zhao Jian, Deng Zhi-hui, Zhu Bing, et al. Position servo control of permanent magnet synchronous motor for electro-mechanical brake booster[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2020, 50(3): 834-841.
4	Furukawa K, Takagi S. Electric cylinder and electric cylinder system: United States, 14/110870[P]. 2017-04-04..
5	夏占, 白韬光, 袁航. 行星滚柱丝杠90 kN电动缸整机模态与轴向静刚度分析[J]. 船舶工程, 2019, 41(3): 82-86.
	Xia Zhan, Bai Tao-guang, Yuan Hang. Modal and axial static stiffness analysis of the planetary roller screw 90 kN electric cylinder[J]. Journal of Ship Engineering, 2019, 41(3): 82-86.
6	彭富霞, 吴运新, 龚海, 等. 中子衍射谱仪用二级电动缸的传动刚度特性分析[J]. 机械传动, 2015, 39(12): 111-115.
	Peng Fu-xia, Wu Yun-xin, Gong Hai, et al. Drive rigidity characteristic analysis of telescopic electric cylinder used in neutron spectrometer[J],. Journal of Mechanical Transmission, 2015, 39(12): 111-115.
7	邓飙, 张潇, 郭君斌, 等. 双电动缸起竖设备同步控制策略仿真研究[J]. 机床与液压, 2016, 44(9): 123-128.
	Deng Biao, Zhang Xiao, Guo Jun-bin, et al. Simulation on synchronization control strategy of erecting equipment with twin electric cylinders[J]. Journal of Machine Tool＆Hydraulics, 2016, 44(9): 123-128.
8	冯虎田. 滚珠丝杠副动力学与设计基础[M].北京: 机械工业出版社, 2014.
9	罗继伟, 罗天宇. 滚动轴承分析计算与应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009.
10	胡小英. 基于前馈和遗传算法的永磁同步电机伺服系统自抗扰研究[D]. 浙江: 浙江工业大学机械工程学院, 2018.
	Hu Xiao-ying. Active disturbance rejection control of servo system of PMSM based on feedforward compensation and genetic algorithm[D]. Zhejiang: College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, 2018.
11	Huang H, Zheng X T, Li W P. Design and feedforward control of large-rotation two-axis scan mirror assembly with MEMS sensor integration[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2019, 32(8): 1912-1922.

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[1]	李志军,刘浩,张立鹏,李振国,邵元凯,李智洋. 过滤壁结构对颗粒捕集器深床过滤影响的模拟[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(2): 422-434.
[2]	赵庆武,程勇,杨雪,王宁. 高重频纳秒脉冲放电点火系统设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(2): 414-421.
[3]	王忠,李游,张美娟,刘帅,李瑞娜,赵怀北. 柴油机排气阶段颗粒碰撞过程动力学特征分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(1): 39-48.
[4]	胡云峰,丁一桐,赵志欣,蒋冰晶,高金武. 柴油发动机燃烧过程数据驱动建模与滚动优化控制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2021, 51(1): 49-62.
[5]	陈学深,陈涛,武涛,马旭,曾令超,陈林涛. 覆草冬种马铃薯收获机稻草分离机构设计与试验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2020, 50(2): 749-757.
[6]	王建,许鑫,顾晗,张多军,刘胜吉. 基于排气热管理的柴油机氧化催化器升温特性[J]. 吉林大学学报(工学版), 2020, 50(2): 408-416.
[7]	宋昌庆,陈文淼,李君,曲大为,崔昊. 不同当量比下单双点火对天然气燃烧特性的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(6): 1929-1935.
[8]	朱一骁,何小民,金义. 联焰板宽度对单凹腔驻涡燃烧室流线形态的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(6): 1936-1944.
[9]	刘长铖,刘忠长,田径,许允,杨泽宇. 重型增压柴油机燃烧过程中的缸内㶲损失[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(6): 1911-1919.
[10]	胡潇宇,李国祥,白书战,孙柯,李思远. 考虑加热面粗糙度和材料的沸腾换热修正模型[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(6): 1945-1950.
[11]	杨成,赵永胜,刘志峰,蔡力钢. 基于多尺度理论的栓接结合部动力学建模[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(4): 1212-1220.
[12]	王德军,吕志超,王启明,张建瑞,丁建楠. 基于EKF及调制傅式级数的缸压辨识[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(4): 1174-1185.
[13]	臧鹏飞,王哲,高洋,孙晨乐. 直线电机/发动机系统稳态运行综合控制策略[J]. 吉林大学学报(工学版), 2019, 49(3): 798-804.
[14]	贾拓,赵丁选,崔玉鑫. 铰接式装载机倾翻预警方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(6): 1762-1769.
[15]	董伟,宋佰达,邱立涛,孙昊天,孙平,蒲超杰. 直喷汽油机暖机过程中两次喷射比例对燃烧和排放的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(6): 1755-1761.

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负载力/kN	位置误差值
40	0.096
60	0.149
80	0.198
100	0.248

数据采集情况	位置误差值
未加入前馈控制	0.258
实验	0.248
加入前馈控制	0.005