气缸恒力加载系统的研究与开发
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摘要
加载试验是现代科研和生产中一个非常重要的环节，一个性能优良的模拟加载系统，可以真实地复现承载对象在实际工作中受到的各种动、静态力，这对于客观、真实地评价研究对象的特性具有重要意义。其中以伺服电机为执行元件的电动加载系统以其动、静态特性好、响应速度快、结构紧凑、使用维护方便等优点，在小功率加载领域越来越受到青睐。
本文主要研制一种以交流伺服电机为主要执行元件的恒力加载系统，该系统能够对不同型号的直线气缸在运动过程中实现动态恒力加载。完成的工作主要包括以下几个方面：(1)对恒力加载系统的总体结构进行了设计，主要包括机械传动和力矩-力转换装置，同时以“交流伺服电机+运动控制卡”的运动控制方案为基础，建立了一个转矩控制模式的控制子系统；(2)通过试验对伺服电机的主要特性进行了研究；(3)建立了加载系统的数学模型和传递函数，设计了加载系统的软件控制模块，提出了以PID控制算法为核心的全闭环控制方法；(4)对加载系统进行了整体加载试验。
试验结果表明，使用本文设计的恒力加载系统对直线气缸进行动态恒力加载，在30N～200N的加载范围内，动态恒力加载的加载力误差小于7％，调节时间小于0.3s，能够满足系统预定的性能指标要求。
Loading test is a very important link in scientific research and manufacturingprocess. The static and dynamic force can be exerted on the load-carrying object by theloading system with excellent performance, which can assess characteristics of researchobjects objectively and authenticly. The electric loading system driven by the servo motorhas attracted more and more attention in the field of low power loading because it hasadvantages of good dynamic properties, rapid response, compact structure and convenientmaintenance.
Developing a loading system with constant force driven by the AC servo motor isthe main purpose of this thesis.Dynamic constant force can be carried on all kinds ofworking linear cylinders by this system. The main research contents completed are asfollows: (1) Completing the general structure design of the loading system includingmechanical transmission and torque-force conversion equipment. A torque control modelsubsystem is set up on the basis of the control strategy of "AC servo motor +motioncontrol card"; (2) Doing the research on the servo motor through preliminary tests; (3)Building the mathematical model and transfer functions of the loading system, designingthe control software module and proposing a closed-loop control method based on PIDcontrol algorithm; (4) Doing the whole loading test to gain the main performance indexs.
The result suggests that the error rate of the constant force is less than 7% and theregulating time is lower than 0.3s when the linear cylinders are loaded by the system in aload range of 30N～200N, which can meet the performance requirements.
本文主要研制一种以交流伺服电机为主要执行元件的恒力加载系统，该系统能够对不同型号的直线气缸在运动过程中实现动态恒力加载。完成的工作主要包括以下几个方面：(1)对恒力加载系统的总体结构进行了设计，主要包括机械传动和力矩-力转换装置，同时以“交流伺服电机+运动控制卡”的运动控制方案为基础，建立了一个转矩控制模式的控制子系统；(2)通过试验对伺服电机的主要特性进行了研究；(3)建立了加载系统的数学模型和传递函数，设计了加载系统的软件控制模块，提出了以PID控制算法为核心的全闭环控制方法；(4)对加载系统进行了整体加载试验。
试验结果表明，使用本文设计的恒力加载系统对直线气缸进行动态恒力加载，在30N～200N的加载范围内，动态恒力加载的加载力误差小于7％，调节时间小于0.3s，能够满足系统预定的性能指标要求。
Loading test is a very important link in scientific research and manufacturingprocess. The static and dynamic force can be exerted on the load-carrying object by theloading system with excellent performance, which can assess characteristics of researchobjects objectively and authenticly. The electric loading system driven by the servo motorhas attracted more and more attention in the field of low power loading because it hasadvantages of good dynamic properties, rapid response, compact structure and convenientmaintenance.
Developing a loading system with constant force driven by the AC servo motor isthe main purpose of this thesis.Dynamic constant force can be carried on all kinds ofworking linear cylinders by this system. The main research contents completed are asfollows: (1) Completing the general structure design of the loading system includingmechanical transmission and torque-force conversion equipment. A torque control modelsubsystem is set up on the basis of the control strategy of "AC servo motor +motioncontrol card"; (2) Doing the research on the servo motor through preliminary tests; (3)Building the mathematical model and transfer functions of the loading system, designingthe control software module and proposing a closed-loop control method based on PIDcontrol algorithm; (4) Doing the whole loading test to gain the main performance indexs.
The result suggests that the error rate of the constant force is less than 7% and theregulating time is lower than 0.3s when the linear cylinders are loaded by the system in aload range of 30N～200N, which can meet the performance requirements.
引文
1 袁中凡．机电一体化技术．北京：电子工业出版社，2006
2 袁寿财，朱长存．现代交流传动控制技术的回顾与展望，光机电信息，2002(6)：29-37
3 王占林．近代电气液压伺服控制．北京航空航天大学出版社，2005
4 姚伯威，吕强．机电一体化原理及应用．北京：国防工业出版社，2005
5 董蕾．伺服电动机需求分析．电气传动，2005(8)：36-37
6 李建藩．气压传动系统动力学．广州：华南理工大学出版社，1991
7 裘华徕．气动技术的近期发展及其影响因素．液压气动与密封，2001(5)：7-8
8 石运序，李小宁．排气速度控制系统的建模与仿真．液压与气动，2005(2)：25-28
9 李建藩．定负载双作用气缸传动系统设计计算方法．液压与气动，1992(4)：9-11
10 黄俊．气缸低速爬行特性及其特征判据的研究．南京理工大学博士学位论文，2006
11 王春行．液压伺服控制系统．北京：机械工业出版社，1990
12 陆肇达．液力传动原理及液力传动工程．哈尔滨工业大学出版社，1993，4
13 齐蓉，林辉．电动模拟加载测试系统的设计与实现．新技术与新仪器，2005，25(14)：14-18
14 邹海峰．飞行器舵机电动伺服加载系统研究．系统仿真学报，2004(4)：30-34
15 刘长华，徐亚军．应用于飞行模拟器的伺服加载系统．重庆工学院学报，2005，19(5)：38-40
16 尚涛，唐新星．机电控制系统设计．北京：化学工业出版社，2006
17 Shetty Richacd Kolk(美)著．机电一体化系统设计．机械工业出版社，2006
18 齐蓉，林辉，陈明．弹翼尾翼加载控制系统研究．测控技术，2005，24(11)：36
19 华清．电液负载模拟器关键技术的研究．北京航空航天大学博士学位论文．2001：6-11
20 苏东海，提高电液负载仿真台控制性能的研究．哈尔滨工业大学博士学位论文．1998：12-13
21 姚舜才．电机学与电力拖动技术．北京：国防工业出版社，2006
22 李军．功率电传机载一体化电作动系统的研究．北京航空航天大学，2004
23 王爱祥，吕日宝．全数字交流伺服驱动器的研究．现代雷达，2006，28(3)：66-68
24 任志婷，焦宗夏．小转矩电动式负载模拟器的设计．北京航空航天大学学报， 2003, 29(1): 91-94
25 C. Ramden, A. Jansson, J. Palmberg, Design and Analysis of a Load Simulator for Testing Hydraulic Values. Fluid Power Engineering Challenges and Solutions, Bath, England, 1997: 10-12
26 孙炳达．克服电气传动机械谐振一种新的控制结构．电气传动，1998(1)：29-30
27 胡祖松．多电机控制系统谐振抑制及分析软件设计．华中科技大学硕士论文，2002
28 K. Ohnishi. Accurate Torque Control for A Geared DC Motor Based on an Acceleration Controller. IEEE IECON. 1991(2): 395-400
29 徐灏．机械设计手册(第四卷)．第二版．北京：机械工业出版社，1990
30 江信建．交流伺服电机的单片机控制及其应用．机电技术，2004(2)：40-42
31 舒志兵．交流伺服运动控制系统．北京：清华大学出版社，2006
32 樊亚妮，刘克荣．基于运动控制器的全闭环控制系统．现代电子技术，2006(23)：140-142
33 姜荣．一种基于运动控制卡的伺服电机控制系统．测试与控制，2006(19)：113-114
34 高飞，林辉，杜小刚．电动加载系统转动惯量测量及多余力矩消除方法研究．计算机测量与控制，2005，13(7)：635-637
35 朱红，齐蓉，李玉忍．电动加载试验台多余力消除方法．电力系统及其自动化学报，2005，17(3)：55-58
36 周洪．采用自适应控制的电-气比例伺服控制系统的研究．信息与控制，2001(4)：7-12
37 黄进，叶尚辉．含摩擦环节伺服系统的分析及控制补偿研究．机械科学与技术，1999，18(1)：1-4
38 Haessig D A, Friedland B. On the Modeling and Simulation of Friction. Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Transactions of the ASME, 1991, 113(3): 354-362
39 赵利平，高殿斌．一种典型张力控制系统的研究．机械与电子，2006(11)：41-43
40 路华，任胜乐，王永章．以交流数字伺服电机为执行元件的张力控制系统．制造业自动化，2004．6
41 袁树清，许庆余，李荣林．基于模型参考自适应控制的力协调加载系统．仪器仪表学报，1998，12(6)
42 闫献勇，吴岚军．用微机串口实现对交流伺服电机的控制．现代电子技术，2004(8)：33-35
43 生鸿飞，庞爱民，张智明．基于RS-485数字伺服驱动器通讯控制技术的研究．机电 产品开发与创新，2006，19(2)：126-127
44 康晓明．电机与拖动．北京：国防工业出版社，2005
45 谢红，施炜．用SolidWorks计算机软件进行装配图三维设计．机械设计与制造，2002(1)：35-36
46 国家质量技术监督局．中华人民共和国国家标准—机械制图．中国标准出版社，2001
47 戴恒震，孙宝仪等．一种多功能测力仪标定加载器．现代机械，2006(6)：45-46
48 Yoonsu. Force control system design for aerodynamic load simulator. Control Engineering Practice. 2002(10): 549-558
49 宋文绪等．传感器与检测技术．北京：高等教育出版社，2004
50 刘金琨．先进PID控制及其MATLAB仿真．北京：电子工业出版社，2003
51 侯小光．PID调节系统参数整定与运行故障处理．河北化工，2004．4
52 Hua Q, Jiao ZX. RBF Network Control on Hydrolic Loading Simulator. Proceedings of 5th International Conference of Fluid Power Transmission and Control. 2001: 350-354
53 Matsui Takashi Effect of Positive Angular Velocity Feedback on Torque Control of Hydraulic Actuator. JSME. 1992, (6): 406-412
54 陶永华，尹怡欣，葛芦生．新型PID控制及应用．北京：机械工业出版社，1998
55 王春香，王永章等．数控缠绕机精密张力控制系统．自动化仪表，2000，21(6)：36-38
56 苏永清，赵克定．消除电液负载模拟器多余力矩的理论分析及实验研究．高技术通讯，2000(2)：82-84
57 肖卫国．负载模拟器关键技术之多余力抑制．全国第九界空间及运动体控制技术学术年会论文集，2000：160-164
58 R. B. Betz, H. B. Penlold, and R. W. Newton. Local Vector Control of an AC Drive System Load Simulator. Proceedings of IEEE Conference on Control Applications. 2002: 721-726
59 黄进，叶尚辉．含摩擦环节伺服系统的分析及控制补偿研究．机械科学与技术，1999，18(1)：1-4
2 袁寿财，朱长存．现代交流传动控制技术的回顾与展望，光机电信息，2002(6)：29-37
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44 康晓明．电机与拖动．北京：国防工业出版社，2005
45 谢红，施炜．用SolidWorks计算机软件进行装配图三维设计．机械设计与制造，2002(1)：35-36
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54 陶永华，尹怡欣，葛芦生．新型PID控制及应用．北京：机械工业出版社，1998
55 王春香，王永章等．数控缠绕机精密张力控制系统．自动化仪表，2000，21(6)：36-38
56 苏永清，赵克定．消除电液负载模拟器多余力矩的理论分析及实验研究．高技术通讯，2000(2)：82-84
57 肖卫国．负载模拟器关键技术之多余力抑制．全国第九界空间及运动体控制技术学术年会论文集，2000：160-164
58 R. B. Betz, H. B. Penlold, and R. W. Newton. Local Vector Control of an AC Drive System Load Simulator. Proceedings of IEEE Conference on Control Applications. 2002: 721-726
59 黄进，叶尚辉．含摩擦环节伺服系统的分析及控制补偿研究．机械科学与技术，1999，18(1)：1-4